การทำให้เกิดสภาพภายใต้กระแสไฟฟ้าลัดวงจรสำหรับอุปกรณ์สวิตช์เกียร์

คำอธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับการไหลของกระแสไฟฟ้าและการปรากฏของ phenomenon ที่เรียกว่า pre-strike ในสวิตช์เกียร์
ในสวิตช์เกียร์ โดยเฉพาะในวงจรตัดกระแส (CB) และสวิตช์ตัดโหลด (LBS) การไหลของกระแสไฟฟ้าหมายถึงกระบวนการที่เกิดขึ้นเมื่อเกิดอาร์กไฟฟ้าขณะที่คอนแทคเริ่มปิด กระบวนการนี้ไม่ได้เริ่มต้นทันทีที่คอนแทคสัมผัสกันแต่สามารถเกิดขึ้นหลายมิลลิวินาทีก่อนหน้านั้นเนื่องจากปรากฏการณ์ที่เรียกว่า pre-strike ด้านล่างนี้เป็นคำอธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับปรากฏการณ์นี้และผลกระทบของมัน
1. Pre-Strike: การเริ่มต้นอาร์กไฟฟ้าก่อนที่คอนแทคจะสัมผัสกัน
•    การแตกของฉนวน: เมื่อคอนแทคเข้าใกล้กันระหว่างการปิด สารฉนวน (เช่น อากาศ SF6 หรือสุญญากาศ) ระหว่างคอนแทคจะแตก ซึ่งเกิดจากการเพิ่มขึ้นของสนามไฟฟ้าในช่องว่างระหว่างคอนแทค เมื่อความแรงของสนามไฟฟ้าเกินความสามารถในการทนทานของสารฉนวน ช่องว่างจะแตกและอาร์กสวิตช์จะเริ่มต้น
•    การสะสมของสนามไฟฟ้า: สนามไฟฟ้าระหว่างคอนแทคสะสมขึ้นเมื่อคอนแทคเคลื่อนที่เข้าหากัน สนามนี้เป็นสัดส่วนกับแรงดันระหว่างคอนแทคและผกผันกับระยะห่างระหว่างคอนแทค เมื่อสนามมีความแรงเพียงพอ มันจะทำให้โมเลกุลแก๊สในช่องว่างไอออนิก นำไปสู่การสร้างทางเดินนำไฟฟ้าสำหรับกระแสไฟฟ้า
•    การเริ่มต้นอาร์ก: อาร์กเริ่มต้นก่อนที่คอนแทคจะสัมผัสกันโดยทั่วไปแล้วเป็นเวลาหลายมิลลิวินาทีก่อน ความเริ่มต้นของอาร์กอย่างรวดเร็วนี้เรียกว่า pre-strike ระหว่าง pre-strike อาร์กจะเกิดขึ้นในช่องว่างเล็กๆ ระหว่างคอนแทค และกระแสไฟฟ้าจะเริ่มไหลผ่านอาร์กแทนที่จะรอให้คอนแทคสัมผัสกัน
2. ผลกระทบของ Pre-Strike
•    การหลอมละลายของพื้นผิวคอนแทคมากเกินไป: หากพลังงานที่เกี่ยวข้องกับ pre-strike มีจำนวนมาก มันอาจทำให้พื้นผิวคอนแทคละลายมากเกินไป ซึ่งเป็นปัญหาเฉพาะในกรณีที่เกิดวงจรป้อนสั้น ที่กระแสไฟฟ้าสามารถสูงมาก พื้นผิวโลหะที่หลอมละลายบนคอนแทคสามารถทำให้คอนแทคเชื่อมต่อรวมกัน
•    การเชื่อมต่อของคอนแทค: คอนแทคที่เชื่อมต่อรวมกันสามารถป้องกันไม่ให้อุปกรณ์สวิตช์ตอบสนองอย่างเหมาะสมต่อคำสั่งเปิดต่อไป ถ้ากลไกการทำงานของสวิตช์เกียร์ไม่สามารถให้แรงเพียงพอในการแยกจุดเชื่อมต่อ อุปกรณ์อาจไม่สามารถเปิดอย่างถูกต้อง นำไปสู่อันตรายและความเสียหายของอุปกรณ์
•    ลักษณะของกระแสไฟฟ้าในวงจรป้อนสั้น: กระแสไฟฟ้าในวงจรป้อนสั้นมักมีส่วนประกอบของ DC ซึ่งสามารถทำให้ค่าสูงสุดของกระแสไฟฟ้าสูงกว่ากระแสไฟฟ้า AC บริสุทธิ์ กระแสไฟฟ้าสูงสุดที่เพิ่มขึ้นนี้สามารถทำให้ผลของ pre-strike รุนแรงขึ้น นำไปสู่ความเสียหายของคอนแทคและเชื่อมต่อรวมกันมากขึ้น
•    ความขึ้นอยู่กับแรงดันอาร์ก: แรงดันระหว่างอาร์ก (แรงดันอาร์ก) ขึ้นอยู่กับสารฉนวนที่ใช้ในสวิตช์เกียร์ แม้จะมีความยาวอาร์กสั้นมาก ก็ยังมีแรงดันตกคร่อมใกล้กับอิเล็กโทรด ซึ่งเกิดจากความต้านทานของอาร์กไม่เท่ากันตลอดความยาว และบริเวณใกล้กับอิเล็กโทรดมีความต้านทานสูงเนื่องจากความร้อนและความเข้มข้นของอนุภาคที่ไอออนิก
3. การปิดวงจรภายใต้เงื่อนไขวงจรป้อนสั้น
•    วงจรตัดกระแส (CB): ในวงจรตัดกระแส การปิดวงจรภายใต้เงื่อนไขวงจรป้อนสั้นเป็นที่ท้าทาย ระดับกระแสไฟฟ้าสูงและส่วนประกอบของ DC สามารถทำให้เกิดอาร์กไฟฟ้ารุนแรงและทำลายคอนแทค เครื่องตัดกระแสสมัยใหม่ถูกออกแบบด้วยวัสดุขั้นสูงและกลไกทำความเย็นเพื่อลดผลกระทบนี้ แต่ pre-strike ยังคงเป็นปัญหา
•    สวิตช์ตัดโหลด (LBS): สวิตช์ตัดโหลดก็มีความเสี่ยงต่อ pre-strike ระหว่างการปิดวงจร โดยเฉพาะในแอปพลิเคชันกระแสไฟฟ้าสูง อย่างไรก็ตาม LBS มักใช้ในแอปพลิเคชันแรงดันและกระแสไฟฟ้าต่ำกว่าวงจรตัดกระแส ดังนั้นความเสี่ยงของการทำลายคอนแทครุนแรงจึงน้อยกว่า
4. ขั้นตอนการปิดวงจรในสวิตช์เกียร์
กระบวนการปิดวงจรของสวิตช์เกียร์สามารถแบ่งออกเป็นหลายขั้นตอน ดังแสดงในภาพ:
•    ขั้นตอนที่ 1: การเข้าใกล้ของคอนแทค: คอนแทคเริ่มเคลื่อนที่เข้าหากัน และสนามไฟฟ้าระหว่างคอนแทคเริ่มสะสม ในขั้นตอนนี้ไม่มีกระแสไฟฟ้าไหล แต่ศักยภาพในการเกิด pre-strike เพิ่มขึ้น
•    ขั้นตอนที่ 2: การสร้างอาร์ก pre-strike: เมื่อคอนแทคเข้าใกล้ สนามไฟฟ้าเกินความสามารถในการทนทานของสารฉนวน ทำให้เกิดการแตกของฉนวน อาร์ก pre-strike ถูกสร้างขึ้น และกระแสไฟฟ้าเริ่มไหลผ่านอาร์กก่อนที่คอนแทคจะสัมผัสกัน
•    ขั้นตอนที่ 3: การสัมผัสคอนแทคและการโอนอาร์ก: คอนแทคสัมผัสกัน และอาร์กถูกโอนจากช่องว่างระหว่างคอนแทคไปยังพื้นผิวคอนแทค กระแสไฟฟ้าดำเนินต่อผ่านวงจรที่ปิดแล้ว
•    ขั้นตอนที่ 4: การทำงานในภาวะคงที่: หลังจากคอนแทคปิดเต็มที่ ระบบเข้าสู่การทำงานในภาวะคงที่ และกระแสไฟฟ้าไหลผ่านคอนแทคที่ปิดโดยไม่มีอาร์ก
5. กลยุทธ์ในการลดผลกระทบที่เกิดจาก pre-strike
เพื่อลดผลกระทบที่เกิดจาก pre-strike และการเชื่อมต่อรวมกันของคอนแทค สามารถใช้การออกแบบและกลยุทธ์การปฏิบัติงานต่างๆ ดังนี้:
•    การใช้สารฉนวนที่มีความสามารถในการทนทานสูง: การใช้สารฉนวนที่มีความสามารถในการทนทานสูง เช่น แก๊ส SF6 หรือสุญญากาศ สามารถลดโอกาสของการเกิด pre-strike โดยต้องการสนามไฟฟ้าที่สูงขึ้นเพื่อเริ่มต้นการแตกของฉนวน
•    การใช้วัสดุคอนแทคขั้นสูง: การใช้วัสดุคอนแทคที่มีจุดหลอมเหลวสูงและมีความนำความร้อนดี สามารถช่วยลดการทำลายคอนแทคระหว่าง pre-strike วัสดุเช่น โลหะผสมทองแดง-ทังสเตน เป็นที่นิยมใช้ในสวิตช์เกียร์แรงดันสูง
•    กลไกทำความเย็น: การรวมกลไกทำความเย็น เช่น ระบบ puffer หรือการไหลของแก๊สแบบบังคับ สามารถช่วยกระจายความร้อนจากอาร์กและลดอุณหภูมิของพื้นผิวคอนแทค ลดความเสี่ยงของการเชื่อมต่อรวมกัน
•    การปรับปรุงการออกแบบกลไก: การตรวจสอบให้แน่ใจว่ากลไกการทำงานให้แรงเพียงพอในการแยกจุดเชื่อมต่อระหว่างการเปิด สามารถป้องกันไม่ให้สวิตช์เกียร์ล้มเหลวในการเปิดอย่างถูกต้อง
•    ระบบป้องกัน: การใช้ระบบป้องกัน เช่น รีเลย์กระแสเกินและกลไกตรวจจับความผิดปกติ สามารถช่วยตรวจจับและตอบสนองต่อเงื่อนไขวงจรป้อนสั้นได้เร็วขึ้น ลดระยะเวลาและความรุนแรงของอาร์ก
สรุป
ปรากฏการณ์ pre-strike ซึ่งอาร์กเริ่มต้นก่อนที่คอนแทคจะสัมผัสกัน เป็นส่วนสำคัญของการปิดวงจรในสวิตช์เกียร์ มันสามารถทำให้เกิดการทำลายคอนแทค การเชื่อมต่อรวมกัน และความล้มเหลวของอุปกรณ์สวิตช์ การเข้าใจปัจจัยที่ทำให้เกิด pre-strike เช่น การสะสมของสนามไฟฟ้าและลักษณะของสารฉนวน เป็นสิ่งจำเป็นในการออกแบบและทำงานสวิตช์เกียร์ที่เชื่อถือได้ ด้วยการใช้กลยุทธ์การลดผลกระทบที่เหมาะสม เช่น การใช้สารฉนวนที่มีความสามารถในการทนทานสูง วัสดุคอนแทคขั้นสูง และกลไกทำความเย็น ผลกระทบที่เกิดจาก pre-strike สามารถลดลง ทำให้การดำเนินงานของสวิตช์เกียร์ทั้งในวงจรตัดกระแสและสวิตช์ตัดโหลดมีความปลอดภัยและเชื่อถือได้