Создание условий при коротком замыкании для коммутационного оборудования

Подробное объяснение процесса возникновения тока и явления предварительного пробоя в коммутационном оборудовании
В коммутационном оборудовании, особенно в выключателях (CB) и переключателях нагрузки (LBS), процесс возникновения тока описывает момент, когда электрическая дуга начинается при сближении контактов. Этот процесс не начинается точно в момент физического контакта, а может происходить на несколько миллисекунд раньше из-за явления, известного как предварительный пробой. Ниже приведено подробное объяснение этого явления и его последствий.
1. Предварительный пробой: начало дуги до физического контакта
•    Диэлектрический пробой: Когда контакты сближаются во время операции закрытия, диэлектрическая среда (например, воздух, SF6 или вакуум) между ними подвергается диэлектрическому пробою. Это происходит потому, что электрическое поле в зазоре между контактами увеличивается по мере их сближения. Когда напряженность поля превышает диэлектрическую прочность изолирующей среды, зазор пробивается, и начинается коммутационная дуга.
•    Накопление электрического поля: Электрическое поле между контактами нарастает, когда они движутся друг к другу. Это поле пропорционально напряжению между контактами и обратно пропорционально расстоянию между ними. Когда поле становится достаточно сильным, оно вызывает ионизацию газовых молекул в зазоре, создавая проводящий путь для тока.
•    Начало дуги: Дуга начинается до того, как контакты фактически соприкасаются, обычно за несколько миллисекунд. Это раннее начало дуги называется предварительным пробоем. Во время предварительного пробоя дуга формируется в небольшом зазоре между контактами, и ток начинает течь через дугу, а не ждет физического контакта.
2. Последствия предварительного пробоя
•    Чрезмерное плавление поверхностей контактов: Если энергия, участвующая в предварительном пробое, велика, это может привести к чрезмерному плавлению поверхностей контактов. Это особенно проблематично при коротком замыкании, где ток может быть чрезвычайно высоким. Расплавленный металл на поверхностях контактов может привести к сварке контактов, когда две поверхности сплавляются вместе.
•    Сварка контактов: Сваренные контакты могут помешать коммутационному устройству правильно отреагировать на следующую команду на открытие. Если механизм управления коммутационного оборудования не обеспечивает достаточную силу для разрыва сваренных точек, устройство может не открыться должным образом, что может привести к потенциальным опасностям и повреждению оборудования.
•    Характеристики тока короткого замыкания: Токи короткого замыкания часто содержат постоянную составляющую, которая может привести к тому, что пиковая величина тока будет намного выше, чем у чистого переменного тока короткого замыкания. Это увеличенное пиковое значение тока может усилить эффекты предварительного пробоя, приводя к более серьезному повреждению контактов и сварке.
•    Зависимость напряжения дуги: Напряжение на дуге (напряжение дуги) сильно зависит от используемой изолирующей среды в коммутационном оборудовании. Даже при очень короткой длине дуги может быть значительное падение напряжения вблизи электродов. Это связано с тем, что сопротивление дуги не является равномерным по всей ее длине, и области вблизи электродов имеют большее сопротивление из-за концентрации тепла и ионизированных частиц.
3. Закрытие при коротком замыкании
•    Выключатели (CB): В выключателях операция закрытия при коротком замыкании особенно сложна. Высокие уровни тока и наличие постоянной составляющей могут привести к интенсивному дуговому разряду и повреждению контактов. Современные выключатели оснащены передовыми материалами и системами охлаждения для снижения этих эффектов, но предварительный пробой остается проблемой.
•    Переключатели нагрузки (LBS): Переключатели нагрузки также подвержены предварительному пробою во время операции закрытия, особенно в условиях высокого тока. Однако устройства LBS обычно используются в приложениях с меньшим напряжением и током по сравнению с выключателями, поэтому риск серьезного повреждения контактов обычно ниже.
4. Этапы операции закрытия в коммутационном оборудовании
Операция закрытия коммутационного оборудования можно разделить на несколько этапов, как показано на рисунке:
•    Этап 1: Начальное сближение контактов: Контакты начинают двигаться друг к другу, и электрическое поле между ними начинает нарастать. На этом этапе ток еще не течет, но вероятность предварительного пробоя возрастает.
•    Этап 2: Формирование дуги предварительного пробоя: По мере сближения контактов, электрическое поле превышает диэлектрическую прочность изолирующей среды, вызывая диэлектрический пробой. Формируется дуга предварительного пробоя, и ток начинает течь через дугу до физического контакта.
•    Этап 3: Физический контакт и передача дуги: Контакты наконец соприкасаются, и дуга переходит из зазора между контактами на поверхности контактов. Ток продолжает течь через теперь замкнутую цепь.
•    Этап 4: Установившийся режим работы: После полного закрытия контактов система переходит в установившийся режим работы, и ток течет через замкнутые контакты без дугового разряда.
5. Стратегии минимизации
Для минимизации эффектов предварительного пробоя и сварки контактов можно применять несколько стратегий проектирования и эксплуатации:
•    Использование изолирующих сред с высокой диэлектрической прочностью: Использование изолирующих сред с высокой диэлектрической прочностью, таких как газ SF6 или вакуум, может снизить вероятность предварительного пробоя, требуя более высокого электрического поля для начала пробоя.
•    Продвинутые материалы контактов: Использование материалов контактов с высокой температурой плавления и хорошей теплопроводностью может помочь снизить повреждение контактов во время предварительного пробоя. Материалы, такие как медно-вольфрамовые сплавы, широко используются в высоковольтном коммутационном оборудовании.
•    Механизмы охлаждения: Включение механизмов охлаждения, таких как системы продувки или принудительный поток газа, может помочь рассеивать тепло от дуги и снизить температуру поверхностей контактов, минимизируя риск сварки.
•    Улучшения механического дизайна: Обеспечение того, чтобы механизм управления обеспечивал достаточную силу для разрыва любых сваренных точек во время операции открытия, может предотвратить отказ коммутационного оборудования от правильного открытия.
•    Системы защиты: Реализация систем защиты, таких как реле максимального тока и механизмы обнаружения неисправностей, может помочь быстрее обнаруживать и реагировать на условия короткого замыкания, уменьшая длительность и интенсивность дуги.
Заключение
Явление предварительного пробоя, при котором дуга начинается до физического контакта, является критическим аспектом операции закрытия в коммутационном оборудовании. Оно может привести к чрезмерному повреждению контактов, сварке и потенциальному отказу коммутационного устройства. Понимание факторов, способствующих предварительному пробою, таких как накопление электрического поля и характеристики изолирующей среды, необходимо для проектирования и эксплуатации надежного коммутационного оборудования. Применяя соответствующие стратегии минимизации, такие как использование изолирующих сред с высокой диэлектрической прочностью, продвинутых материалов контактов и механизмов охлаждения, можно минимизировать эффекты предварительного пробоя, обеспечивая безопасную и надежную работу коммутационного оборудования как в выключателях, так и в переключателях нагрузки.