Voorwaarden voor korte-slagstroom voor schakelapparatuur

Gedetailleerde uitleg van het doorlaten van stroom en het voorafgaande vonkenverschijnsel in schakelapparatuur
In schakelapparatuur, vooral in circuitbrekers (CB) en belastingschakelaars (LBS), verwijst de term 'doorlaten van stroom' naar het proces waarbij een elektrische boog wordt geïnitieerd wanneer de contacten beginnen te sluiten. Dit proces begint niet exact op het moment dat de contacten fysiek met elkaar in aanraking komen, maar kan enkele milliseconden eerder plaatsvinden vanwege een verschijnsel dat bekend staat als voorafgaand vonken. Hieronder volgt een gedetailleerde uitleg van dit verschijnsel en zijn implicaties.
1. Voorafgaand vonken: Initiatie van boog voor contactaanraking
•    Dielectrische doorbraak: Tijdens het sluitproces naderen de contacten elkaar, waardoor het isolerende medium (zoals lucht, SF6 of vacuüm) tussen hen een dielectrische doorbraak ondergaat. Dit gebeurt omdat het elektrische veld in de kloof tussen de contacten toeneemt naarmate ze dichterbij komen. Wanneer de veldsterkte de dielectrische sterkte van het isolerende medium overtreft, breekt de kloof af en wordt een schakelboog geïnitieerd.
•    Opbouw van elektrisch veld: Het elektrische veld tussen de contacten bouwt zich op terwijl ze naar elkaar toe bewegen. Dit veld is evenredig met de spanning over de contacten en omgekeerd evenredig met de afstand ertussen. Wanneer het veld voldoende sterk is, zorgt het voor ionisatie van de gasmoleculen in de kloof, wat leidt tot de vorming van een geleidende pad voor de stroom.
•    Initiatie van boog: De boog wordt geïnitieerd voordat de contacten fysiek met elkaar in aanraking komen, meestal enkele milliseconden eerder. Deze vroege initiatie van de boog wordt voorafgaand vonken genoemd. Tijdens het voorafgaand vonken vormt de boog zich in de kleine kloof tussen de contacten, en begint de stroom al door de boog te vloeien in plaats van te wachten op fysieke contactaanraking.
2. Implicaties van voorafgaand vonken
•    Excessief smelten van contactoppervlakken: Als de energie die bij het voorafgaand vonken betrokken is groot is, kan dit excessief smelten van de contactoppervlakken veroorzaken. Dit is vooral problematisch bij kortsluitcondities, waarbij de stroom extreem hoog kan zijn. Het gesmolten metaal op de contactoppervlakken kan leiden tot het lassen van de contacten, waarbij de twee oppervlakken samensmelten.
•    Lassen van contacten: Gelaste contacten kunnen voorkomen dat het schakelapparaat adequaat reageert op het volgende openingscommando. Als het bedrijfsmechanisme van de schakelapparatuur geen voldoende kracht biedt om de gelaste punten te verbreken, kan het apparaat niet goed openen, wat potentiële veiligheidsrisico's en apparatuurschade kan veroorzaken.
•    Kortsluitstroomkenmerken: Kortsluitstromen bevatten vaak een DC-component, wat kan leiden tot een veel hogere piekwaarde van de stroom dan bij een zuivere AC-kortsluitstroom. Deze verhoogde piekstroom kan de effecten van voorafgaand vonken verergeren, wat leidt tot ernstiger contactschade en lassen.
•    Afhankelijkheid van boogspanning: De spanning over de boog (boogspanning) is sterk afhankelijk van het onderbrekingsmedium dat in de schakelapparatuur wordt gebruikt. Zelfs bij zeer korte booglengtes kan er een aanzienlijke spanningsdaling nabij de elektroden optreden. Dit komt omdat de boogweerstand niet uniform is langs de lengte, en de gebieden nabij de elektroden neigen naar een hogere weerstand vanwege de concentratie van warmte en geïoniseerde deeltjes.
3. Doorlaten onder kortsluitcondities
•    Circuitbrekers (CB): In circuitbrekers is het doorlaten onder kortsluitcondities bijzonder uitdagend. De hoge stroomniveaus en de aanwezigheid van een DC-component kunnen leiden tot intense boogvorming en contactschade. Moderne circuitbrekers zijn ontworpen met geavanceerde materialen en koelmiddelen om deze effecten te verminderen, maar voorafgaand vonken blijft een zorg.
•    Belastingschakelaars (LBS): Belastingschakelaars zijn ook vatbaar voor voorafgaand vonken tijdens het doorlaten, vooral in toepassingen met hoge stromen. Echter, LBS-apparaten worden meestal gebruikt in lagere spanningen en stromen vergeleken met circuitbrekers, dus het risico op ernstige contactschade is doorgaans lager.
4. Fasen van het doorlaten in schakelapparatuur
Het doorlaten in schakelapparatuur kan worden verdeeld in verschillende fasen, zoals weergegeven in de figuur:
•    Fase 1: Initiële benadering van contacten: De contacten beginnen naar elkaar toe te bewegen, en het elektrische veld tussen hen begint zich op te bouwen. Op dit moment vloeit er nog geen stroom, maar de potentie voor voorafgaand vonken neemt toe.
•    Fase 2: Vorming van voorafgaande boog: Naarmate de contacten dichterbij komen, overschrijdt het elektrische veld de dielectrische sterkte van het isolerende medium, wat leidt tot een dielectrische doorbraak. Een voorafgaande boog wordt gevormd, en de stroom begint al door de boog te vloeien voordat de contacten elkaar raken.
•    Fase 3: Contactaanraking en boogoverdracht: De contacten maken uiteindelijk fysiek contact, en de boog wordt overgedragen van de kloof tussen de contacten naar de contactoppervlakken. De stroom blijft door de nu gesloten circuit vloeien.
•    Fase 4: Steady-state-operatie: Na het volledig sluiten van de contacten gaat het systeem over in steady-state-operatie, en de stroom vloeit door de gesloten contacten zonder boogvorming.
5. Verminderingsstrategieën
Om de effecten van voorafgaand vonken en contactlassen te minimaliseren, kunnen verschillende ontwerps- en operationele strategieën worden toegepast:
•    Gebruik van isolatiemedia met hoge dielectrische sterkte: Het gebruik van isolatiemedia met hoge dielectrische sterkte, zoals SF6-gas of vacuüm, kan de kans op voorafgaand vonken verminderen door een hoger elektrisch veld nodig te hebben om de doorbraak te initiëren.
•    Geavanceerde contactmaterialen: Het gebruik van contactmaterialen met hoge smeltpunten en goede thermische geleiding kan helpen om contactschade tijdens voorafgaand vonken te verminderen. Materialen zoals koper-wolframlegers worden vaak gebruikt in hoogspanningschakelapparatuur.
•    Koelmiddelen: Het integreren van koelmiddelen, zoals blazersystemen of gedwongen gasstroom, kan helpen om de warmte van de boog te verdampen en de temperatuur van de contactoppervlakken te verlagen, waardoor het risico op lassen wordt geminimaliseerd.
•    Mechanische ontwerpverbeteringen: Ervoor zorgen dat het bedrijfsmechanisme voldoende kracht biedt om eventuele gelaste punten te verbreken tijdens het openingsproces, kan voorkomen dat de schakelapparatuur niet goed open kan gaan.
•    Beschermingsystemen: Het implementeren van beschermingsystemen, zoals overstroomrelais en foutdetectiemechanismen, kan helpen om kortsluitcondities sneller te detecteren en te reageren, waardoor de duur en intensiteit van de boog worden verlaagd.
Conclusie
Het verschijnsel van voorafgaand vonken, waarbij de boog wordt geïnitieerd voordat de contacten fysiek met elkaar in aanraking komen, is een cruciaal aspect van het doorlaten in schakelapparatuur. Het kan leiden tot excessieve contactschade, lassen en potentiële mislukking van het schakelapparaat. Het begrijpen van de factoren die bijdragen aan voorafgaand vonken, zoals de opbouw van het elektrische veld en de kenmerken van het isolerende medium, is essentieel voor het ontwerpen en bedienen van betrouwbare schakelapparatuur. Door passende verminderingss