Skapa förhållanden under kortslutström för strömbrytare

Detaljerad Förklaring av Strömföring och Före-Kortslutningsfenomen i Bristerskydd
I bristerskydd, särskilt i strömbrytare (CB) och belastningsbrytare (LBS), hänvisar strömföring till processen där en elektrisk båge initieras när kontakterna börjar stängas. Denna process börjar inte exakt när kontakterna fysiskt kommer i kontakt, utan kan inträffa flera millisekunder tidigare på grund av ett fenomen som kallas före-kortslutning. Nedan följer en detaljerad förklaring av detta fenomen och dess konsekvenser.
1. Före-Kortslutning: Initiering av Båge Innan Kontakten Etableras
•    Dielektrisk Brytning: När kontakterna närmar sig varandra under stängningsoperationen, uppstår en dielektrisk brytning i den isolerande mediet (som luft, SF6 eller vakuum) mellan dem. Detta inträffar eftersom det elektriska fältet i gapet mellan kontakterna ökar när de närmar sig. När fältstyrkan överskrider det dielektriska motståndet i det isolerande mediet, bryts gapet ner, och en växlingsbåge initieras.
•    Byggnad av Elektriskt Fält: Det elektriska fältet mellan kontakterna byggs upp när de rör sig mot varandra. Detta fält är proportionellt mot spänningen över kontakterna och omvänt proportionellt mot avståndet mellan dem. När fältet blir tillräckligt starkt orsakar det jonisering av gasmolekyler i gapet, vilket leder till bildandet av en ledande väg för strömmen att flyta.
•    Bågeinitiering: Bågen initieras innan kontakterna faktiskt kommer i kontakt, vanligtvis flera millisekunder tidigare. Denna tidiga initiering av bågen kallas för före-kortslutning. Under före-kortslutningen bildas bågen i det lilla gapet mellan kontakterna, och strömmen börjar flyta genom bågen snarare än att vänta på att kontakterna skall komma i fysisk kontakt.
2. Konsekvenser av Före-Kortslutning
•    Överdriven Smältning av Kontaktytor: Om energin som är involverad i före-kortslutningen är stor, kan det orsaka överdriven smältning av kontaktytorna. Detta är särskilt problematiskt vid kortslutsförhållanden, där strömmen kan vara extremt hög. Det smälta metallen på kontaktytorna kan leda till svetsning av kontakterna, där de två ytor fognas samman.
•    Svetsning av Kontakter: Svetsade kontakter kan förhindra att växlingsenhetens svar på nästa öppningskommando är lämpligt. Om drivmechanismen i bristerskyddet inte ger tillräcklig kraft för att bryta de svetsade punkterna, kan enheten misslyckas med att öppnas korrekt, vilket kan leda till potentiella säkerhetsrisker och utrustningskada.
•    Kortslutsströmkarakteristika: Kortslutsströmmar innehåller ofta en DC-komponent, vilket kan göra att toppvärdet av strömmen blir mycket högre än för en ren AC-kortslutsström. Denna ökade toppström kan förvärra effekterna av före-kortslutning, vilket leder till mer allvarlig kontaktskada och svetsning.
•    Beroende av Bogspänning: Spänningen över bågen (bogspänning) beror starkt på det avbrytningsmedium som används i bristerskyddet. Även med mycket korta båglängder kan det finnas betydande spänningsfall nära elektroderna. Detta beror på att bågens resistans inte är likformig längs sin längd, och regionerna nära elektroderna tenderar att ha högre resistans på grund av värme- och joniserade partiklar.
3. Stängning Vid Kortslutsförhållanden
•    Strömbrytare (CB): I strömbrytare är stängningsoperationen vid kortslutsförhållanden särskilt utmanande. De höga strömnivåerna och närvaron av en DC-komponent kan leda till intensiv båg och kontaktskada. Moderna strömbrytare är utformade med avancerade material och kylmekanismer för att mildra dessa effekter, men före-kortslutning är fortfarande en oro.
•    Belastningsbrytare (LBS): Belastningsbrytare är också mottagliga för före-kortslutning under stängningsoperationen, särskilt i högströmsapplikationer. Men LBS-enheter används vanligtvis i lågspännings- och lågströmsapplikationer jämfört med strömbrytare, så risken för allvarlig kontaktskada är generellt lägre.
4. Etapper i Stängningsoperationen i Bristerskydd
Stängningsoperationen i bristerskydd kan delas in i flera etapper, som visas i figuren:
•    Etapp 1: Inledande Närmning av Kontakter: Kontakterna börjar röra sig mot varandra, och det elektriska fältet mellan dem börjar byggas upp. På denna etapp flyter ingen ström, men potentialen för före-kortslutning ökar.
•    Etapp 2: Forming av Före-Kortslutningsbåge: När kontakterna närmar sig, överskrider det elektriska fältet det dielektriska motståndet i det isolerande mediet, vilket leder till en dielektrisk brytning. En före-kortslutningsbåge bildas, och ström börjar flyta genom bågen innan kontakterna kommer i kontakt.
•    Etapp 3: Kontaktkontakt och Bågetransfer: Kontakterna gör slutligen fysisk kontakt, och bågen överförs från gapet mellan kontakterna till kontaktytorna. Strömmen fortsätter att flyta genom det nu stängda kretsslingan.
•    Etapp 4: Steady-State Operation: Efter att kontakterna har fullständigt stängts, går systemet in i steady-state operation, och strömmen flyter genom de stängda kontakterna utan någon båg.
5. Minimeringsstrategier
För att minimera effekterna av före-kortslutning och kontaktsvetsning kan flera design- och driftstrategier tillämpas:
•    Användning av Isolerande Medier med Hög Dielektrisk Styrka: Genom att använda isolerande medier med hög dielektrisk styrka, som SF6-gas eller vakuum, kan sannolikheten för före-kortslutning minskas genom att kräva ett högre elektriskt fält för att initiera brytning.
•    Avancerade Kontaktmaterial: Genom att använda kontaktmaterial med höga smältpunkter och god termisk ledningsförmåga kan kontaktskada under före-kortslutning minskas. Material som koppar-volframlegor används vanligtvis i högspänningsbristerskydd.
•    Kylmekanismer: Genom att integrera kylmekanismer, som puffer-system eller tvingad gassflöde, kan värme från bågen avledas och temperaturen på kontaktytorna minskas, vilket minskar risken för svetsning.
•    Mekaniska Designförbättringar: Att se till att drivmekanismen ger tillräcklig kraft för att bryta eventuella svetsade punkter under öppningsoperationen kan förhindra att bristerskyddet misslyckas med att öppna korrekt.
•    Skyddssystem: Genom att implementera skyddssystem, som överströmsreläer och felupptäcktsmekanismer, kan kortslutsförhållanden upptäckas och reageras på snabbare, vilket minskar bågens varaktighet och intensitet.
Slutsats
Före-kortslutningsfenomenet, där bågen initieras innan kontakterna fysiskt kommer i kontakt, är en kritisk aspekt av stängningsoperationen i bristerskydd. Det kan leda till överdriven kontaktskada, svetsning och potentiell misslyckande av växlingsenheten. För att förstå de faktorer som bidrar till före-kortslutning, som byggnaden av det elektriska fältet och karaktären hos det isolerande mediet, är avgörande för att utforma och driva tillförlitligt bristerskydd. Genom att tillämpa lämpliga minimeringsstrategier, som användning av isolerande medier med hög dielektrisk styrka, avancerade kontaktmaterial och kylmekanismer, kan effekterna av före-kortslutning minskas, vilket garanterar säker och tillförlitlig drift av bristerskydd både i strömbrytare och belastningsbrytare.