Створення умов при короткому замиканні для комутаційного обладнання

Детальне пояснення процесу створення потоку струму та явища передвіднія в комутаційному обладнанні
У комутаційному обладнанні, зокрема у вимикачах (CB) та вимикачах навантаження (LBS), процес створення потоку струму означає процес ініціювання електричної дуги, коли контакти починають замикатися. Цей процес не починається саме в момент фізичного контакту, а може відбутися на кілька мілісекунд раніше через явище, відоме як передвідній удар. Нижче надано детальне пояснення цього явища та його наслідків.
1. Передвідній удар: Ініціювання дуги до фізичного контакту
•    Діелектричний розрив: Коли контакти наближаються один до одного під час операції замикання, ізоляційна середа (така як повітря, SF6 або вакуум) між ними піддається діелектричному розриву. Це відбувається через те, що електричне поле в проміжку між контактами зростає, коли вони наближаються. Коли сила поля перевищує діелектричну прочність ізоляційної середи, проміжок розривається, і запускається переключувальна дуга.
•    Накопичення електричного поля: Електричне поле між контактами зростає, коли вони рухаються одне до одного. Це поле пропорційне напругі між контактами і обернено пропорційне відстані між ними. Коли поле стає достатньо сильно, воно призводить до іонізації газових молекул у проміжку, що призводить до формування провідного шляху для потоку струму.
•    Ініціювання дуги: Дуга ініціюється до того, як контакти фактично торкнуться, зазвичай на кілька мілісекунд раніше. Це раннє ініціювання дуги називається передвіднім ударом. Під час передвідного удару дуга формується у малому проміжку між контактами, і струм починає течі через дугу, а не чекає на фізичний контакт.
2. Наслідки передвідного удару
•    Повертання поверхонь контактів: Якщо енергія, задіяна в передвідному ударі, велика, це може призвести до значного повертання поверхонь контактів. Це особливо проблематично в умовах короткого замикання, де струм може бути надзвичайно високим. Розплавлений метал на поверхнях контактів може призвести до сварювання контактів, коли дві поверхні зливаються разом.
•    Сварювання контактів: Сварені контакти можуть завадити переключувальному пристрою правильно реагувати на наступну команду відкриття. Якщо механізм управління комутаційним обладнанням не надає достатньої сили для розриву сварених точок, пристрій може не відкритися правильно, що призведе до потенційних аварійних ситуацій та пошкодження обладнання.
•    Характеристики струму короткого замикання: Струми короткого замикання часто містять постійну складову, що може призвести до значно вищого пікового значення струму, ніж у випадку чисто альтернативного струму короткого замикання. Це збільшене пикове значення струму може погіршити наслідки передвідного удару, призводячи до більш серйозного пошкодження контактів та сварювання.
•    Залежність напруги дуги: Напруга на дузі (напруга дуги) сильно залежить від використаного в комутаційному обладнанні засобу розриву. Навіть при дуже коротких довжинах дуги можуть бути значні спади напруги біля електродів. Це тому, що опір дуги не є рівномірним вздовж її довжини, а регіони біля електродів мають більший опір через концентрацію тепла та іонізованих частинок.
3. Замикання в умовах короткого замикання
•    Вимикачі (CB): У вимикачах операція замикання в умовах короткого замикання є особливо складною. Високі рівні струму та наявність постійної складової можуть призвести до інтенсивного дугового горіння та пошкодження контактів. Сучасні вимикачі проектуються з використанням передових матеріалів та систем охолодження, щоб знизити ці наслідки, але передвідній удар залишається питанням.
•    Вимикачі навантаження (LBS): Вимикачі навантаження також підвержені передвідному удару під час операції замикання, особливо в високострумових застосуваннях. Однак, LBS пристрої зазвичай використовуються в нижчих напругах та струмах порівняно з вимикачами, тому ризик серйозного пошкодження контактів загалом нижчий.
4. Етапи операції замикання в комутаційному обладнанні
Операція замикання комутаційного обладнання може бути розділена на кілька етапів, як показано на рисунку:
•    Етап 1: Початковий наближення контактів: Контакти починають рухатися один до одного, і електричне поле між ними починає накопичуватися. На цьому етапі струм не тече, але потенціал для передвідного удару зростає.
•    Етап 2: Формування дуги передвідного удару: Коли контакти наближаються, електричне поле перевищує діелектричну прочність ізоляційної середи, що призводить до діелектричного розриву. Формується дуга передвідного удару, і струм починає течі через дугу до того, як контакти торкнуться.
•    Етап 3: Фізичний контакт та перенесення дуги: Контакти нарешті торкаються, і дуга переноситься з проміжку між контактами на поверхні контактів. Струм продовжує течі через тепер замкнений контур.
•    Етап 4: Стабільна робота: Після повного замикання контактів система входить у режим стабільної роботи, і струм тече через замкнуті контакти без будь-якого дугового горіння.
5. Стратегії зниження наслідків
Для зменшення наслідків передвідного удару та сварювання контактів можна використовувати кілька стратегій проектування та експлуатації:
•    Використання ізоляційних середовищ з високою діелектричною прочністю: Використання ізоляційних середовищ з високою діелектричною прочністю, таких як газ SF6 або вакуум, може знизити ймовірність передвідного удару, вимагаючи більш високого електричного поля для ініціювання розриву.
•    Сучасні матеріали контактів: Використання контактних матеріалів з високою температурою плавлення та добрею теплопровідністю може допомогти знизити пошкодження контактів під час передвідного удару. Матеріали, такі як медно-вольфрамові сплави, широко використовуються у високонапільному комутаційному обладнанні.
•    Механізми охолодження: Впровадження механізмів охолодження, таких як пневматичні системи або примусовий потік газу, може допомогти розсіяти тепло від дуги та знизити температуру поверхонь контактів, мінімізуючи ризик сварювання.
•    Покращення механічного дизайну: Забезпечення, що механізм управління надає достатню силу для розриву будь-яких сварених точок під час операції відкриття, може запобігти невдалому відкриттю комутаційного обладнання.
•    Системи захисту: Впровадження систем захисту, таких як реле перевищення струму та системи виявлення аварій, може допомогти швидко виявити та реагувати на умови короткого замикання, зменшуючи тривалість та інтенсивність дуги.
Висновок
Явище передвідного удару, коли дуга ініціюється до фізичного контакту, є важливим аспектом операції замикання в комутаційному обладнанні. Воно може призвести до значного пошкодження контактів, сварювання та потенційного відмови переключувального пристрою. Розуміння факторів, що впливають на передвідний удар, таких як накопичення електричного поля та характеристики ізоляційної середи, є важливим для проектування та експлуатації надійного комутаційного обладнання. Використовуючи відповідні стратегії зниження наслідків, такі як використання ізоляційних середовищ з високою діелектричною прочністю, сучасних контактних матеріалів та механізмів охолодження, можна мінімізувати наслідки передвідного удару, забезпечуючи безпечну та надійну роботу комутаційного обладнання, як у вимикачах, так і у вимикачах навантаження.