Izdelava pogojev za kratkoročni tok za preklopnike

Podroben razložek o pretoku strme električne toka in pojavu predudara v preklopnih napravah
V preklopnih napravah, zlasti v preklopnih ventilih (CB) in preklopnih ventilih za odpiranje ob opto (LBS), se pretok strme električne toka nanaša na postopek, pri katerem se električni luk začne, ko se kontakti začnejo zapirati. Ta postopek se ne začne točno takrat, ko se kontaktna površina fizično dotakne, temveč lahko pride do tega nekaj milisekund prej zaradi pojavnosti, znane kot predudar. Spodaj je podrobnejši razložek te pojavnosti in njenih posledic.
1. Predudar: Začetek luka pred stikom kontakta
•    Dielektrični propad: Ko se kontakti med operacijo zapiranja približujejo, dohaja dielektrično sredstvo (na primer zrak, SF6 ali vakuum) med njimi do dielektričnega propada. To se zgodi, ker se električno polje v praznini med kontakti povečuje, ko se bližajo. Ko preseže moč toga polja dielektrično trdost sredstva, dohaja praznina do propada in se začne preklopni luk.
•    Nastanek električnega polja: Električno polje med kontakti se gradi, ko se premikata drug proti drugemu. To polje je sorazmerno s napetostjo med kontakti in obratno sorazmerno z razdaljo med njimi. Ko postane to polje dovolj močno, povzroči ionizacijo plinskih molekul v praznini, kar vodi k nastanku vodljive poti za pretok toka.
•    Začetek luka: Luk se začne preden se kontakti dejansko dotaknejo, običajno nekaj milisekund prej. Ta zgodnji začetek luka se imenuje predudar. Med predudarom se luk oblikuje v majhni praznini med kontakti, in tok začne pretok skozi luk namesto, da bi čakal, da se kontakti fizično dotaknejo.
2. Posledice predudara
•    Prekomerna taljenje površine kontakta: Če je energija, vpletena v predudar, velika, lahko to povzroči prekomerno taljenje površine kontakta. To je zlasti problematično v pogojih kratkih krmelj, kjer je tok lahko izjemno visok. Taljen metal na površini kontakta lahko vodi do varjanja kontakta, kjer se dve površini združita.
•    Varjanje kontaktov: Varjeni kontakti lahko preprečijo, da bi preklopnica pravilno reagirala na naslednjo ukaz za odpiranje. Če delovanje mehanizma preklopnice ne zagotovi dovolj sile, da bi prekinila varjene točke, lahko naprava ne more pravilno odpreti, kar vodi do možnih varnostnih tveganj in poškodbe opreme.
•    Značilnosti kratkega krmelja: Toki kratkih krmelj pogosto vsebujejo DC komponento, ki lahko povzroči, da je vrhovna vrednost toka mnogo višja kot pri čistem AC toku kratkega krmelja. Ta povečana vrhovna vrednost toka lahko poslabša učinke predudara, kar vodi do bolj resnih poškodb kontakta in varjanja.
•    Odvisnost napetosti luka: Napetost preko luka (napetost luka) je zelo odvisna od prekinitvenega sredstva, uporabljenega v preklopnici. Tudi pri zelo kratkih dolžinah luka lahko obstajajo značilne padca napetosti blizu elektrod. To je zato, ker odpornost luka ni enaka skozi celotno dolžino, in regije blizu elektrod imajo običajno višjo odpornost zaradi koncentracije toplote in joniziranih delcev.
3. Pretok pod pogoji kratkog krmelja
•    Preklopna ventila (CB): V preklopnih ventilih je operacija pretoka pod pogoji kratkog krmelja posebno izzivna. Visoke ravni toka in prisotnost DC komponente lahko vodi do intenzivnega luknjanja in poškodbe kontakta. Moderna preklopna ventila so opremljeni z naprednimi materiali in hladilnimi mehanizmi, da bi zmanjšali te učinke, toda predudar ostaja zaskrbljujoč.
•    Preklopniki za opto (LBS): Preklopniki za opto so tudi občutljivi na predudar med operacijo pretoka, zlasti v aplikacijah z visokim tokom. Vendar pa so LBS naprave običajno uporabljene v aplikacijah z nižjo napetostjo in nižjim tokom v primerjavi s preklopni ventili, zato je tveganje za resne poškodbe kontakta običajno manjše.
4. Faze operacije pretoka v preklopnih napravah
Operacija pretoka v preklopnih napravah se lahko razdeli na več faz, kot je prikazano na sliki:
•    Faza 1: Zacetek približevanja kontaktov: Kontakti se začnejo premikati drug proti drugemu, in električno polje med njimi se začne graditi. V tej fazi še ne gre za pretok, toda potencial za predudar se povečuje.
•    Faza 2: Oblikovanje predudarnega luka: Ko se kontakti približujejo, preseže električno polje dielektrično trdost sredstva, kar vodi do dielektričnega propada. Oblikuje se predudarni luk, in tok se začne pretok skozi luk preden se kontakti dotaknejo.
•    Faza 3: Stik kontakta in prenos luka: Kontakti se končno fizično dotaknejo, in luk se prenese iz praznine med kontakti na površine kontakta. Tok nadaljuje s pretokom skozi zdaj zaprti obvod.
•    Faza 4: Steady-state operacija: Po tem, ko so se kontakti popolnoma zaprli, sistem stopi v steady-state operacijo, in tok pretoka skozi zaprti kontakti brez luknjanja.
5. Strategije zmanjševanja
Da bi zmanjšali učinke predudara in varjanja kontakta, se lahko uporabijo več konstrukcijskih in operativnih strategij:
•    Uporaba sredstev z visoko dielektrično trdostjo: Uporaba sredstev z visoko dielektrično trdostjo, kot so plin SF6 ali vakuum, lahko zmanjša verjetnost predudara, saj zahteva višje električno polje za začetek propada.
•    Napredni materiali kontakta: Uporaba materialov kontakta z visokimi temperaturami taljenja in dobri toplotne prevodnosti lahko pomaga zmanjšati poškodbe kontakta med predudarom. Materiali, kot so legure bakra in volframa, so pogosto uporabljeni v napravah za visoke napetosti.
•    Hladilni mehanizmi: Vključevanje hladilnih mehanizmov, kot so sistemi za pufanje ali prisilni pretok plina, lahko pomaga disipirati toplotno energijo iz luka in zmanjšati temperaturo površine kontakta, kar zmanjša tveganje za varjanje.
•    Konstrukcijske izboljšave: Zagotavljanje, da delovalni mehanizem zagotavlja dovolj sile, da bi prekinil kakršne koli varjene točke med operacijo odpiranja, lahko prepreči, da bi preklopnica ne bi mogla pravilno odpreti.
•    Sistemi za zaščito: Uvedba sistemov za zaščito, kot so releji za prekomerni tok in mehanizmi za zaznavanje napak, lahko pomaga hitreje zaznati in odzvati na pogoje kratkog krmelja, kar zmanjša trajanje in intenziteto luka.
Zaključek
Pojav predudara, kjer se luk začne preden se kontakti fizično dotaknejo, je ključen vidik operacije pretoka v preklopnih napravah. Lahko vodi do prekomernih poškodb kontakta, varjanja in možnega odpovedovanja preklopnice. Razumevanje dejavnikov, ki prispevajo k predudaru, kot je nastanek električnega polja in značilnosti sredstva, je ključno za oblikovanje in delovanje zanesljivih preklopnih naprav. S uporabo ustrezne strategije zmanjševanja, kot je uporaba sredstev z visoko dielektrično trdostjo, naprednih materialov kontakta in hladilnih mehanizmov, se lahko zmanjšajo učinki predudara, kar zagotavlja varno in zanesljivo delovanje preklopnih naprav v preklopnih ventilih in preklopnikih za opto.