Warunki przy prądzie przewodzeniowym dla sprzętu elektrycznego

Szczegółowe wyjaśnienie przepływu prądu i zjawiska przeduderzenia w aparatach przełączających
W aparatach przełączających, szczególnie w wyłącznikach obwodowych (CB) i przełącznikach obciążenia (LBS), przepływ prądu oznacza proces inicjowania łuku elektrycznego, gdy kontakty zaczynają się zamykać. Ten proces nie zaczyna się dokładnie w momencie fizycznego dotknięcia kontaktów, ale może wystąpić kilka milisekund wcześniej z powodu zjawiska znanego jako przeduderzenie. Poniżej znajduje się szczegółowe wyjaśnienie tego zjawiska i jego implikacji.
1. Przeduderzenie: Inicjowanie łuku przed dotknięciem kontaktów
•    Przegrzanie dielektryczne: Gdy kontakty zbliżają się do siebie podczas operacji zamykania, izolujący medium (takie jak powietrze, SF6 lub próżnia) między nimi ulega przegrzaniu dielektrycznemu. To zdarza się, ponieważ pole elektryczne w szczelinie między kontaktami wzrasta, gdy one się zbliżają. Gdy siła pola przekracza siłę dielektryczną izolującego medium, szczelina ulega przegrzaniu, a łuk elektryczny jest inicjowany.
•    Nakładanie się pola elektrycznego: Pole elektryczne między kontaktami narasta, gdy one się do siebie zbliżają. To pole jest proporcjonalne do napięcia między kontaktami i odwrotnie proporcjonalne do odległości między nimi. Gdy pole staje się dostatecznie silne, powoduje jonizację cząsteczek gazu w szczelinie, prowadząc do formowania przewodzącej ścieżki dla przepływu prądu.
•    Inicjowanie łuku: Łuk jest inicjowany przed faktycznym dotknięciem kontaktów, zwykle kilka milisekund wcześniej. Wczesne inicjowanie łuku nazywane jest przeduderzeniem. Podczas przeduderzenia, łuk tworzy się w małej szczelinie między kontaktami, a prąd zaczyna płynąć przez łuk, zamiast czekać na fizyczne dotknięcie kontaktów.
2. Implikacje przeduderzenia
•    Zbyt duże topienie powierzchni kontaktów: Jeśli energia związana z przeduderzeniem jest duża, może spowodować zbyt duże topienie powierzchni kontaktów. Jest to szczególnie problematyczne w warunkach krótkiego zwarcia, gdzie prąd może być ekstremalnie wysoki. Stopione metal na powierzchni kontaktów może prowadzić do spawania kontaktów, gdzie dwie powierzchnie zlepiają się razem.
•    Spawanie kontaktów: Spawane kontakty mogą zapobiec odpowiedniej reakcji urządzenia przełączającego na kolejne polecenie otwierania. Jeśli mechanizm działania aparatu przełączającego nie zapewni wystarczającej siły do złamania spawanych punktów, urządzenie może nie otworzyć się prawidłowo, prowadząc do potencjalnych zagrożeń bezpieczeństwa i uszkodzeń sprzętu.
•    Charakterystyka prądu krótkiego zwarcia: Prądy krótkiego zwarcia często zawierają składową stałą, co może powodować, że wartość szczytowa prądu jest znacznie wyższa niż w przypadku czystego prądu AC krótkiego zwarcia. Ta zwiększone wartość szczytowa prądu może nasilić efekty przeduderzenia, prowadząc do bardziej poważnych uszkodzeń kontaktów i spawania.
•    Zależność napięcia łuku: Napięcie na łuku (napięcie łuku) jest bardzo zależne od środka przerwy używanego w aparacie przełączającym. Nawet przy bardzo krótkich długościach łuku, mogą występować znaczne spadki napięcia w pobliżu elektrod. Jest to spowodowane tym, że opór łuku nie jest jednorodny wzdłuż jego długości, a regiony w pobliżu elektrod mają tendencję do wyższego oporu ze względu na koncentrację ciepła i jonizowanych cząsteczek.
3. Zamykanie w warunkach krótkiego zwarcia
•    Wyłączniki obwodowe (CB): W wyłącznikach obwodowych, operacja zamykania w warunkach krótkiego zwarcia jest szczególnie trudna. Wysokie poziomy prądu i obecność składowej stałej mogą prowadzić do intensywnych łuków i uszkodzeń kontaktów. Nowoczesne wyłączniki są zaprojektowane z zaawansowanymi materiałami i mechanizmami chłodzenia, aby ograniczyć te efekty, ale przeduderzenie pozostaje kwestią zmartwień.
•    Przełączniki obciążenia (LBS): Przełączniki obciążenia są również podatne na przeduderzenie podczas operacji zamykania, zwłaszcza w aplikacjach o wysokim prądzie. Jednak urządzenia LBS są zazwyczaj używane w aplikacjach o niższym napięciu i mniejszym prądzie w porównaniu do wyłączników obwodowych, więc ryzyko ciężkiego uszkodzenia kontaktów jest ogólnie mniejsze.
4. Etapy operacji zamykania w aparatach przełączających
Operacja zamykania aparatu przełączającego może być podzielona na kilka etapów, jak pokazano na rysunku:
•    Etap 1: Pierwsze zbliżanie kontaktów: Kontakty zaczynają się do siebie zbliżać, a pole elektryczne między nimi zaczyna się budować. Na tym etapie, żaden prąd nie płynie, ale potencjał przeduderzenia jest rosnący.
•    Etap 2: Formowanie łuku przeduderzenia: Gdy kontakty się zbliżają, pole elektryczne przekracza siłę dielektryczną izolującego medium, powodując przegrzanie dielektryczne. Tworzy się łuk przeduderzenia, a prąd zaczyna płynąć przez łuk przed faktycznym dotknięciem kontaktów.
•    Etap 3: Dotknięcie kontaktów i przeniesienie łuku: Kontakty w końcu dotykają się fizycznie, a łuk przenosi się ze szczeliny między kontaktami na powierzchnie kontaktów. Prąd nadal płynie przez teraz zamknięty obwód.
•    Etap 4: Steady-state operation: Po pełnym zamknięciu kontaktów, system wchodzi w stan ustalony, a prąd płynie przez zamknięte kontakty bez łuku.
5. Strategie zmniejszania skutków
Aby zminimalizować skutki przeduderzenia i spawania kontaktów, można zastosować kilka strategii projektowych i operacyjnych:
•    Używanie środków izolujących o wysokiej sile dielektrycznej: Używanie środków izolujących o wysokiej sile dielektrycznej, takich jak gaz SF6 lub próżnia, może zmniejszyć prawdopodobieństwo przeduderzenia, wymagając wyższego pola elektrycznego do inicjowania przegrzania.
•    Zaawansowane materiały kontaktowe: Używanie materiałów kontaktowych o wysokich temperaturach topnienia i dobrych właściwościach przewodzenia ciepła może pomóc w zmniejszeniu uszkodzeń kontaktów podczas przeduderzenia. Materiały takie jak stop miedź-wolfram są często stosowane w aparatach przełączających o wysokim napięciu.
•    Mechanizmy chłodzenia: Wprowadzenie mechanizmów chłodzenia, takich jak systemy pufery czy wymuszony przepływ gazu, może pomóc w rozproszeniu ciepła z łuku i zmniejszeniu temperatury powierzchni kontaktów, minimalizując ryzyko spawania.
•    Wzmocnienia projektu mechanicznego: Zapewnienie, że mechanizm działania zapewnia wystarczającą siłę do złamania wszelkich spawanych punktów podczas operacji otwierania, może zapobiec awarii aparatu przełączającego, który nie otworzy się prawidłowo.
•    Systemy ochronne: Implementacja systemów ochronnych, takich jak relays przeciwprądowe i mechanizmy wykrywania uszkodzeń, może pomóc w szybszym wykrywaniu i reagowaniu na warunki krótkiego zwarcia, zmniejszając czas i intensywność łuku.
Podsumowanie
Zjawisko przeduderzenia, gdzie łuk jest inicjowany przed faktycznym dotknięciem kontaktów, jest kluczowym aspektem operacji zamykania w aparatach przełączających. Może prowadzić do zbyt dużego uszkodzenia kontaktów, spawania i potencjalnej awarii urządzenia przełączającego. Zrozumienie czynników wpływających na przeduderzenie, takich jak budowanie się pola elektrycznego i charakterystyka środka izolującego, jest kluczowe dla projektowania i obsługi niezawodnych aparatów przełączających. Stosując odpowiednie strategie zmniejszania skutków, takie jak używanie środków izolujących o wysokiej sile dielektrycznej, zaawansowanych materiałów kontaktowych i mechanizmów chłodzenia, można zminimalizować skutki przeduderzenia, zapewniając bezpieczne i niezawodne działanie aparatów przełączających zarówno w wyłącznikach obwodowych, jak i przełącznikach obciążenia.