Rövidzárlási áram alatt történő feltételek kialakítása az IEE-Business switchgear esetén

A kapcsolókban előforduló áramfolyam és a pré-ütközés részletes magyarázata
A kapcsolókban, különösen az áramközi (CB) és a terhelés-választó kapcsolókban (LBS), az áramfolyam indítása azt jelenti, hogy amikor a kapcsolók kezdik záródni, elektrikus ív keletkezik. Ez a folyamat nem kezdődik éppen akkor, amikor a kapcsolók fizikailag megérintik egymást, hanem néhány milliszekundummal korábban, mivel a pré-ütközés nevű jelenség miatt. Lássuk ezen jelenség és annak következményeinek részletes magyarázatát.
1. Pré-ütközés: Az ív keletkezése a kapcsolók érintkezése előtt
•    Izoláló felbomlás: Amikor a kapcsolók záródása során közelebb kerülnek egymáshoz, a közöttük lévő izoláló közeg (pl. levegő, SF6 vagy vakuum) szenved izoláló felbomlást. Ez történik, mert a kapcsolók közötti elektromos mező erőssége növekszik, ahogy közelebb kerülnek. Ha a mezőerő meghaladja a közeg izoláló erejét, a résszel kapcsolatos töréspont felbomlik, és egy kapcsolóív keletkezik.
•    Elektromos mező felépülése: A kapcsolók közötti elektromos mező felépül, ahogy közelebb kerülnek egymáshoz. Ez a mező arányos a kapcsolók közötti feszültséggel, és fordítottan arányos a távolsággal. Amikor a mező elég erős lesz, ionizálja a gáz molekuláit a résszel kapcsolatos töréspontban, ami vezet egy vezető út keletkezéséhez, amelyen az áram áthaladhat.
•    Ív keletkezése: Az ív keletkezik a kapcsolók fizikai érintkezése előtt, tipikusan néhány milliszekundummal korábban. Ez az ív korai keletkezése a pré-ütközést jelenti. A pré-ütközés során az ív kialakul a kapcsolók közötti kis résszel kapcsolatos töréspontban, és az áram áthalad az íven, anélkül, hogy várna a kapcsolók fizikai érintkezésére.
2. A pré-ütközés következményei
•    Kapcsolófelületek túlzott olvadása: Ha a pré-ütközésben szereplő energia nagy, ez túlzott olvadást okozhat a kapcsolófelületeken. Ez különösen problémás rövidzárlati feltételeknél, ahol az áramerősség rendkívül magas lehet. A kapcsolófelületeken található olvadt fémdobozokhoz vezethetnek, ahol a két felület összeolvad.
•    Kapcsolók összeolvadása: Az összeolvadt kapcsolók megakadályozhatják, hogy a kapcsolóeszköz megfelelően reagáljon a következő nyitási parancsra. Ha a kapcsolók operatív mechanizmusa nem biztosít elegendő erőt az összeolvadt pontok megszakításához, az eszköz nem tud megfelelően nyílni, ami potenciális biztonsági kockázatokat és berendezések károsodását okozhat.
•    Rövidzárlati áramerősség jellemzői: A rövidzárlati áramerősségek gyakran tartalmaznak DC komponenst, ami a csúcserősség értékét sokkal magasabbá teheti, mint egy tiszta AC rövidzárlati áramerősségének. Ez a növekedett csúcserősség tovább súlyosbíthatja a pré-ütközés hatásait, ami súlyosabb kapcsolókárosodást és összeolvadást eredményezhet.
•    Ív feszültség függése: Az íven mért feszültség (ívfeszültség) nagyban függ a kapcsolókban használt lekapcsoló közeg típusától. Még rövid ívhossz mellett is jelentős feszültségcsökkenés lehetséges az elektrodok között. Ez azért van, mert az ív ellenállása nem egyenletes az egész hosszán, és az elektrodok közeli régiói magasabb ellenállásúak, mivel itt a hő és az ionizált részecskék koncentrációja nagyobb.
3. A rövidzárlati feltételek melletti zárás
•    Áramközi (CB): Az áramközökben a rövidzárlati feltételek melletti zárás különösen kihívást jelent. A magas áramerősség és a DC komponens jelenléte intenzív ívformálódást és kapcsolókárosodást okozhat. A modern áramközök fejlett anyagokkal és hűtési mechanizmusokkal vannak ellátva, hogy enyhítsék ezek hatásait, de a pré-ütközés továbbra is probléma marad.
•    Terhelés-választó kapcsolók (LBS): A terhelés-választó kapcsolók is érzékenyek a pré-ütközésre a zárás során, különösen a magas áramerősségű alkalmazásokban. Azonban a terhelés-választó kapcsolók általában alacsonyabb feszültségű és alacsonyabb áramerősségű alkalmazásokban használódnak, mint az áramközök, így a súlyos kapcsolókárosodás kockázata általában alacsonyabb.
4. A kapcsolók zárásának szakaszai
A kapcsolók zárásának folyamata több szakaszra osztható, ahogy a képen látható:
•    1. szakasz: A kapcsolók kezdeti közeledése: A kapcsolók kezdenek közelebb kerülni egymáshoz, és a közöttük lévő elektromos mező felépül. Ebben a szakaszban még nem áramlik áram, de a pré-ütközés valószínűsége növekszik.
•    2. szakasz: A pré-ütközési ív kialakulása: Ahogy a kapcsolók közelebb kerülnek, az elektromos mező meghaladja a közeg izoláló erejét, ami szenved izoláló felbomlást. Ekkor kialakul a pré-ütközési ív, és az áram áthalad az íven, mielőtt a kapcsolók fizikailag érintkeznek.
•    3. szakasz: A kapcsolók érintkezése és az ív átadása: Végül a kapcsolók fizikailag érintkeznek, és az ív átadódik a kapcsolók közötti résszel kapcsolatos töréspontból a kapcsolófelületekre. Az áram továbbra is áthalad a most már zárt áramkörben.
•    4. szakasz: Állandó állapot: Miután a kapcsolók teljesen zártak, a rendszer átkerül az állandó állapotba, és az áram áthalad a zárt kapcsolókon, anélkül, hogy ív formálódna.
5. Enyhítő stratégiák
A pré-ütközés és a kapcsolók összeolvadásának hatásainak minimalizálásához számos tervezési és üzemeltetési stratégia alkalmazható:
•    Magas izolálóerejű izoláló közeg használata: A magas izolálóerejű izoláló közeg, például a SF6 gáz vagy a vakuum használata csökkentheti a pré-ütközés valószínűségét, mivel magasabb elektromos mezőre van szükség a felbomlás indításához.
•    Fejlett kapcsolóanyagok: A magas olvadáspontú és jó hővezető tulajdonságú kapcsolóanyagok használata segíthet a kapcsolókárosodás enyhítésében a pré-ütközés során. Például a réz-koltintavirág savanyúságú vegyületeket gyakran használják a magfeszültségű kapcsolókban.
•    Hűtési mechanizmusok: A hűtési mechanizmusok, például a pufferrendszerek vagy a kényszerített gázáram, beépítése segíthet a hő leadásában az ívtől, és csökkentheti a kapcsolófelületek hőmérsékletét, ami minimálisra csökkenti az összeolvadás kockázatát.
•    Mécanikai tervezési javítások: Bizonyosodjon meg róla, hogy a működtető mechanizmus elegendő erőt biztosít az összeolvadt pontok megszakításához a nyitási művelet során, hogy a kapcsolók nem hagyják figyelmen kívül a nyitási parancsot.
•    Védelmi rendszerek: A védelmi rendszerek, például a túlfeszültségrelék és a hibaérzékelő mechanizmusok beépítése segíthet gyorsabban észlelni és reagálni a rövidzárlati feltételekre, ami csökkenti az ív időtartamát és intenzitását.
Összefoglalás
A pré-ütközés jelensége, amikor az ív keletkezik a kapcsolók fizikai érintkezése előtt, a kapcsolók zárásának kritikus aspektusa. Ez súlyos kapcsolókárosodást, összeolvadást és a kapcsolóeszköz potenciális meghibásodását okozhat. A pré-ütközéshez hozzájáruló tényezők, mint az elektromos mező felépülése és a közeg jellemzői, ismerete létfontosságú a megbízható kapcsolók tervezéséhez és üzemeltetéséhez. A megfelelő enyhítő stratégiák, mint a magas izolálóerejű izoláló közeg, a fejlett kapcsolóanyagok és a hűtési mechanizmusok alkalmazása segíthet minimalizálni a pré-ütközés hatásait, biztosítva a kapcsolók biztonságos és megbízható működését mind az áramközökben, mind a terhelés-választó kapcsolókban.