Betingelser for kortslutningsstrøm for spedbrytere

Detaljert forklaring av strømoverføring og forhåndsstrømning i spenningskontrollutstyr
I spenningskontrollutstyr, spesielt i sirkuitsikringer (CB) og lastavbrytere (LBS), refererer strømoverføring til prosessen der en elektrisk bue initiates når kontaktene begynner å lukkes. Denne prosessen starter ikke nøyaktig når kontaktene fysisk rører hverandre, men kan forekomme flere millisekunder tidligere på grunn av et fenomen kjent som forhåndsstrømning. Under følger en detaljert forklaring av dette fenomenet og dets implikasjoner.
1. Forhåndsstrømning: Initiering av bue før kontaktene rører hverandre
•    Dielektrisk bryting: Når kontaktene nærmer seg hverandre under lukkeoperasjonen, opplever isoleringsmediumet (som luft, SF6 eller vakuum) mellom dem en dielektrisk bryting. Dette skjer fordi det elektriske feltet i gapet mellom kontaktene øker når de kommer nærmere. Når feltstyrken overstiger dielektrisk styrke i isoleringsmediumet, brytes gapet ned, og en bryterbue initieres.
•    Oppbygging av elektrisk felt: Det elektriske feltet mellom kontaktene bygges opp mens de beveger seg mot hverandre. Dette feltet er proporsjonalt med spenningen over kontaktene og omvendt proporsjonalt med avstanden mellom dem. Når feltet blir tilstrekkelig sterk, fører det til ionisering av gassmolekyler i gapet, noe som fører til dannelse av en ledebane for strømmen å flyte gjennom.
•    Initiering av bue: Bua initieres før kontaktene faktisk rører hverandre, typisk flere millisekunder tidligere. Denne tidlige initieringen av bue kalles forhåndsstrømning. Under forhåndsstrømning dannes bue i det lille gapet mellom kontaktene, og strømmen begynner å flyte gjennom bue istedenfor å vente på at kontaktene skal komme i fysisk kontakt.
2. Implikasjoner av forhåndsstrømning
•    Overmatelig smelting av kontaktflater: Hvis energien involvert i forhåndsstrømningen er stor, kan det føre til overmatelig smelting av kontaktflatene. Dette er spesielt problematisk under kortslutningsforhold, hvor strømmen kan være ekstremt høy. Smeltmetallet på kontaktflatene kan føre til svetting av kontaktene, hvor de to flatene fuser sammen.
•    Svetting av kontakter: Svettet kontakter kan hindre at bryteren reagerer passende på neste åpningssignal. Hvis driftsmekanismen i spenningskontrollutstyret ikke gir nok kraft til å bryte de svettede punktene, kan enheten mislykkes med å åpne riktig, noe som kan føre til potensielle sikkerhetsrisikoer og utstyrsskader.
•    Karakteristika ved kortslutningsstrøm: Kortslutningsstrømmer inneholder ofte en DC-komponent, som kan føre til at toppverdien av strømmen er mye høyere enn den av en ren AC-kortslutningsstrøm. Denne økte toppstrømmen kan forverre effekten av forhåndsstrømning, noe som fører til mer alvorlig kontaktskade og svetting.
•    Avhengighet av buespennning: Spenningen over bue (buespenning) er sterkt avhengig av avbrytingsmediumet brukt i spenningskontrollutstyret. Selv med veldig korte buelengder, kan det være betydelige spenningsfall nær elektrodene. Dette skyldes at bueresistansen ikke er jevn langs dens lengde, og regionene nær elektrodene har tendens til å ha høyere resistans på grunn av koncentrasjonen av varme og ioniserte partikler.
3. Lukking under kortslutningsforhold
•    Sirkuitsikringer (CB): I sirkuitsikringer er lukkeoperasjonen under kortslutningsforhold spesielt utfordrende. De høye strømnivåene og tilstedeværelsen av en DC-komponent kan føre til intens buedannelse og kontaktbeskadigelse. Moderne sirkuitsikringer er designet med avanserte materialer og kjølingmekanismer for å mildre disse effektene, men forhåndsstrømning er fortsatt en bekymring.
•    Lastavbrytere (LBS): Lastavbrytere er også utsatt for forhåndsstrømning under lukkeoperasjon, spesielt i høystrømsapplikasjoner. Imidlertid brukes LBS-enheter typisk i lavere spenning og lavere strøm enn sirkuitsikringer, så risikoen for alvorlig kontaktbeskadigelse er generelt lavere.
4. Faser av lukkeoperasjonen i spenningskontrollutstyr
Lukkeoperasjonen i spenningskontrollutstyr kan deles inn i flere faser, som vist i figuren:
•    Fase 1: Inital nærming av kontakter: Kontaktene begynner å bevege seg mot hverandre, og det elektriske feltet mellom dem begynner å bygges opp. På dette stadiet flyter ingen strøm, men potensialet for forhåndsstrømning øker.
•    Fase 2: Forming av forhåndsstrømning: Når kontaktene kommer nærmere, overstiger det elektriske feltet dielektrisk styrke i isoleringsmediumet, noe som fører til en dielektrisk bryting. En forhåndsstrømning bue dannes, og strøm begynner å flyte gjennom bue før kontaktene rører hverandre.
•    Fase 3: Kontaktrøring og bueoverføring: Kontaktene kommer til slutt i fysisk kontakt, og bue overføres fra gapet mellom kontaktene til kontaktflatene. Strømmen fortsetter å flyte gjennom den nå lukkede kretsen.
•    Fase 4: Stabil operasjon: Etter at kontaktene er fullt lukket, går systemet over til stabil operasjon, og strømmen flyter gjennom de lukkede kontaktene uten noen bue.
5. Reduseringsstrategier
For å minimere effektene av forhåndsstrømning og kontaktsvetting, kan flere design- og driftsstrategier benyttes:
•    Bruk av isoleringsmidler med høy dielektrisk styrke: Bruk av isoleringsmidler med høy dielektrisk styrke, som SF6-gass eller vakuum, kan redusere sannsynligheten for forhåndsstrømning ved å kreve et høyere elektrisk felt for å initiere bryting.
•    Avanserte kontaktmaterialer: Bruk av kontaktmaterialer med høye smeltpunkter og god termisk ledningsevne kan hjelpe til å redusere kontaktbeskadigelse under forhåndsstrømning. Materialer som kobber-volfram-legeringer er vanlig brukt i høyspenningsutstyr.
•    Kjølingmekanismer: Innlemming av kjølingmekanismer, som puffer-systemer eller tvunget gassflyt, kan hjelpe til å dissipere varme fra bue og redusere temperatur på kontaktflatene, noe som minimerer risikoen for svetting.
•    Mekaniske designforbedringer: Sørge for at driftsmekanismen gir nok kraft til å bryte eventuelle svettede punkter under åpningssignaler kan forhindre at spenningskontrollutstyret mislykkes med å åpne riktig.
•    Beskyttelsessystemer: Implementering av beskyttelsessystemer, som overstrømreléer og feiloppdagelsesmekanismer, kan hjelpe med å oppdage og reagere raskere på kortslutningsforhold, noe som reduserer varigheten og intensiteten av bue.
Konklusjon
Fenomenet forhåndsstrømning, der bue initieres før kontaktene fysisk rører hverandre, er et kritisk aspekt av lukkeoperasjonen i spenningskontrollutstyr. Det kan føre til overmatelig kontaktbeskadigelse, svetting og potensiell mislykket funksjon hos bryteren. Å forstå faktorene som bidrar til forhåndsstrømning, som oppbygging av elektrisk felt og egenskapene til isoleringsmediumet, er essensielt for å designe og drive pålitelig spenningskontrollutstyr. Ved å benytte passende reduseringsstrategier, som bruk av isoleringsmidler med høy dielektrisk styrke, avanserte kontaktmaterialer og kjølingmekanismer, kan effektene av forhåndsstrømning reduseres, noe som sikrer trygg og pålitelig drift av spenningskontrollutstyr både i sirkuitsikringer og lastavbrytere.