Uslovi pod kojima se javlja struja kratkog spoja za opremu za komutaciju

Detaljno objašnjenje toka struje i fenomena pre-strike u komutacionom opremi
U komutacionoj opremi, posebno u prekidačima (CB) i prekidnicama za opterećenje (LBS), tok struje se odnosi na proces inicijacije električne lukve kada kontakte počinju da se zatvaraju. Ovaj proces ne počinje tačno kada kontakte fizički dodirnu, već može nastati nekoliko milisekundi ranije zbog fenomena poznatog kao pre-strike. U nastavku je detaljno objašnjen ovaj fenomen i njegove implikacije.
1. Pre-strike: Inicijacija luke pre dodira kontakata
•    Dielektrični propad: Dok se kontakte približavaju jedna drugoj tokom operacije zatvaranja, izolativna sredina (poput vazduha, SF6 ili vakuum) između njih podlegava dielektričnom propadu. To se dešava jer se električno polje u rastojanju između kontakata povećava kako se kontakte približavaju. Kada jačina polja premaši dielektričnu čvrstoću izolativne sredine, rastojanje se propada, a inicijalizuje se preključna luka.
•    Nagomilavanje električnog polja: Električno polje između kontakata se nagomilava dok se kontakte kreću jedno prema drugom. Ovo polje je proporcionalno naponu između kontakata i obrnuto proporcionalno rastojanju između njih. Kada polje postane dovoljno jako, uzrokuje jonizaciju molekula gasa u rastojanju, što dovodi do formiranja provodnog puta za tok struje.
•    Inicijacija luke: Luka se inicijalizuje pre nego što kontakte fizički dodirnu, obično nekoliko milisekundi ranije. Ova rana inicijacija luke se naziva pre-strike. Toku pri pre-striku luka se formira u malom rastojanju između kontakata, a struja počinje da teče kroz luk umesto da čeka da kontakte fizički dodirnu.
2. Implikacije pre-strika
•    Prevashodno taloženje površina kontakata: Ako je energija uključena u pre-strik velika, može uzrokovati prevashodno taloženje površina kontakata. Ovo je posebno problematično u uslovima kratkog spoja, gde može biti ekstremno visok tok struje. Talo metal na površinama kontakata može dovesti do zavarivanja kontakata, gde se dve površine spajaju zajedno.
•    Zavarivanje kontakata: Zavarivani kontakti mogu sprečiti da preključna uređajna odgovori pravilno na sledeću komandu otvaranja. Ako mehanizam rada komutacione opreme ne pruži dovoljnu snagu da prekine zavarivane tačke, uređaj može neuspelo otvoriti, što može dovesti do potencijalnih sigurnosnih opasnosti i oštećenja opreme.
•    Karakteristike toka struje kod kratkog spoja: Tokovi struje kod kratkog spoja često sadrže DC komponentu, što može dovesti do toga da je vrhovna vrednost toka mnogo veća nego kod čistog AC toka struje kod kratkog spoja. Ovaj povećan vrhovni tok može pogoršati efekte pre-strika, dovodeći do ozbiljnijeg oštećenja kontakata i zavarivanja.
•    Zavisnost napona luke: Napon između luke (napon luke) je visoko zavistan od prekidne sredine koriscene u komutacionoj opremi. Čak i sa veoma kratkim dužinama luke, može biti značajan pad napona blizu elektroda. To je zato što otpornost luke nije uniformna duž njenog rastojanja, a regioni blizu elektroda imaju tendenciju da imaju veću otpornost zbog koncentracije toplote i jonizovanih čestica.
3. Rad pod uslovima kratkog spoja
•    Prekidači (CB): U prekidačima, rad pod uslovima kratkog spoja je posebno izazovan. Visoke nivo toka struje i prisustvo DC komponente mogu dovesti do intenzivne lukve i oštećenja kontakata. Moderni prekidači su dizajnirani sa naprednim materijalima i hlađećim mehanizmima kako bi se smanjili ovi efekti, ali pre-strik ostaje problem.
•    Prekidnice za opterećenje (LBS): Prekidnice za opterećenje su takođe osjetljive na pre-strik tokom operacije zatvaranja, posebno u aplikacijama sa visokim tokom struje. Međutim, LBS uređaji se tipično koriste u aplikacijama sa nižim naponom i tokom struje u poređenju s prekidačima, tako da je rizik od ozbiljnog oštećenja kontakata općenito manji.
4. Faze operacije zatvaranja u komutacionoj opremi
Operacija zatvaranja komutacione opreme može se podeliti u nekoliko faza, kao što je prikazano na slici:
•    Faza 1: Početni pristup kontakata: Kontakte počinju da se kreću jedno prema drugom, a električno polje između njih počinje da se nagomilava. U ovoj fazi, nema toka struje, ali potencijal za pre-strik se povećava.
•    Faza 2: Formiranje luke pre-strika: Kako se kontakte približavaju, električno polje premaši dielektričnu čvrstoću izolativne sredine, uzrokujući dielektrični propad. Formira se luka pre-strika, a struja počinje da teče kroz luk pre nego što kontakte dodirnu.
•    Faza 3: Dodir kontakata i prenos luke: Kontakte konačno fizički dodirnu, a luka se prenosi sa rastojanja između kontakata na površine kontakata. Struja nastavlja da teče kroz sada zatvorenu vezu.
•    Faza 4: Steady-state rad: Nakon što se kontakte potpuno zatvore, sistem ulazi u steady-state rad, a struja teče kroz zatvorene kontakte bez lukve.
5. Strategije mitigacije
Da bi se smanjili efekti pre-strika i zavarivanja kontakata, mogu se koristiti nekoliko dizajnerskih i operativnih strategija:
•    Korišćenje izolativnih sredina sa visokom dielektričnom čvrstoćom: Korišćenje izolativnih sredina sa visokom dielektričnom čvrstoćom, poput SF6 gasa ili vakuum, može smanjiti verovatnoću pre-strika tražeći više električno polje da inicijalizuje propad.
•    Napredni materijali kontakata: Korišćenje materijala kontakata sa visokim tačkom taloženja i dobrom termalnom provodljivošću može pomoći da se smanji oštećenje kontakata tokom pre-strika. Materijali poput legura bakar-tungsten su često korišćeni u visokonaponskoj komutacionoj opremi.
•    Hlađeći mehanizmi: Uključivanje hlađećih mehanizama, poput puferskih sistema ili prisilnog protoka gasa, može pomoći da se disipira toplina od luke i smanji temperaturu površina kontakata, minimizirajući rizik od zavarivanja.
•    Unapređenja mehaničkog dizajna: Osiguranje da mehanizam rada pruža dovoljnu snagu da prekine sve zavarivane tačke tokom operacije otvaranja može sprečiti da komutaciona oprema ne uspe da se otvori pravilno.
•    Sistemi zaštite: Implementacija sistema zaštite, poput releja za previsoki tok struje i mehanizama za detektovanje grešaka, može pomoći da se brže otkriju i odgovore na uslove kratkog spoja, smanjujući trajanje i intenzitet luke.
Zaključak
Fenomen pre-strika, gde se luka inicijalizuje pre nego što kontakte fizički dodirnu, jeste ključni aspekt operacije zatvaranja u komutacionoj opremi. Može dovesti do prevashodnog oštećenja kontakata, zavarivanja i potencijalnog propada preključnog uređaja. Razumevanje faktora koji doprinose pre-striku, poput nagomilavanja električnog polja i karakteristika izolativne sredine, jest esencijalno za dizajniranje i rad pouzdanog komutacionog opreme. Koristeći odgovarajuće strategije mitigacije, poput korišćenja izolativnih sredina sa visokom dielektričnom čvrstoćom, naprednih materijala kontakata i hlađećih mehanizama, efekti pre-strika se mogu minimizirati, obezbeđujući siguran i pouzdan rad komutacione opreme, kako u prekidačima, tako i u prekidnicama za opterećenje.