Điều kiện làm việc dưới dòng điện ngắn mạch cho thiết bị đóng cắt

Giải thích Chi Tiết về Hiện Tượng Dòng Điện và Tiền Phóng trong Thiết Bị Chuyển Mạch
Trong thiết bị chuyển mạch, đặc biệt là trong các cầu chì (CB) và công tắc ngắt tải (LBS), dòng điện được tạo ra đề cập đến quá trình khởi tạo hồ quang điện khi các tiếp điểm bắt đầu đóng. Quá trình này không bắt đầu ngay khi các tiếp điểm chạm vào nhau mà có thể xảy ra vài miligiây trước đó do hiện tượng gọi là tiền phóng. Dưới đây là giải thích chi tiết về hiện tượng này và những hệ quả của nó.
1. Tiền Phóng: Khởi Tạo Hồ Quang Trước Khi Tiếp Điểm Chạm Nhau
•    Phá Hủy Điện Dẫn: Khi các tiếp điểm tiến gần nhau trong quá trình đóng, môi trường cách điện (như không khí, SF6, hoặc chân không) giữa chúng bị phá hủy điện dẫn. Điều này xảy ra vì cường độ điện trường trong khoảng cách giữa các tiếp điểm tăng lên khi chúng càng gần nhau. Khi cường độ điện trường vượt quá sức chịu đựng điện dẫn của môi trường cách điện, khoảng cách bị phá vỡ và hồ quang chuyển mạch được khởi tạo.
•    Tích Lũy Điện Trường: Điện trường giữa các tiếp điểm tích lũy khi chúng di chuyển về phía nhau. Điện trường này tỷ lệ thuận với điện áp qua các tiếp điểm và ngược lại với khoảng cách giữa chúng. Khi điện trường đủ mạnh, nó gây ion hóa các phân tử khí trong khoảng cách, dẫn đến sự hình thành đường dẫn điện cho dòng điện chảy qua.
•    Khởi Tạo Hồ Quang: Hồ quang được khởi tạo trước khi các tiếp điểm thực sự chạm vào nhau, thường là vài miligiây trước. Sự khởi tạo sớm của hồ quang này được gọi là tiền phóng. Trong quá trình tiền phóng, hồ quang hình thành trong khoảng cách nhỏ giữa các tiếp điểm, và dòng điện bắt đầu chảy qua hồ quang thay vì chờ đợi các tiếp điểm chạm vào nhau.
2. Hệ Quả của Tiền Phóng
•    Nung Mất Kiểm Soát Mặt Tiếp Xúc: Nếu năng lượng liên quan đến tiền phóng lớn, nó có thể gây nung mất kiểm soát mặt tiếp xúc. Điều này đặc biệt là vấn đề trong điều kiện ngắn mạch, nơi dòng điện có thể cực kỳ cao. Kim loại nóng chảy trên mặt tiếp xúc có thể dẫn đến hàn các tiếp điểm, nơi hai bề mặt kết hợp với nhau.
•    Hàn Các Tiếp Điểm: Các tiếp điểm hàn có thể ngăn cản thiết bị chuyển mạch phản ứng đúng cách với lệnh mở tiếp theo. Nếu cơ chế hoạt động của thiết bị chuyển mạch không cung cấp đủ lực để phá vỡ các điểm hàn, thiết bị có thể không mở đúng cách, dẫn đến nguy cơ an toàn và hư hỏng thiết bị.
•    Đặc Tính Dòng Điện Ngắn Mạch: Dòng điện ngắn mạch thường chứa thành phần DC, điều này có thể khiến giá trị đỉnh của dòng điện cao hơn nhiều so với dòng điện ngắn mạch thuần AC. Dòng điện đỉnh tăng này có thể làm trầm trọng thêm hiệu ứng của tiền phóng, dẫn đến thiệt hại tiếp xúc nghiêm trọng hơn và hàn.
•    Điện Áp Hồ Quang Phụ Thuộc: Điện áp qua hồ quang (điện áp hồ quang) phụ thuộc rất nhiều vào môi trường ngắt sử dụng trong thiết bị chuyển mạch. Ngay cả với chiều dài hồ quang rất ngắn, cũng có thể có sự giảm điện áp đáng kể gần các điện cực. Điều này là do điện trở hồ quang không đồng đều dọc theo chiều dài, và các vùng gần điện cực có xu hướng có điện trở cao hơn do tập trung nhiệt và hạt ion hóa.
3. Đóng Trong Điều Kiện Ngắn Mạch
•    Cầu Chì (CB): Trong cầu chì, quá trình đóng dưới điều kiện ngắn mạch đặc biệt khó khăn. Cường độ dòng điện cao và sự hiện diện của thành phần DC có thể dẫn đến hồ quang mạnh mẽ và thiệt hại tiếp xúc. Các cầu chì hiện đại được thiết kế với vật liệu tiên tiến và cơ chế làm mát để giảm thiểu những tác động này, nhưng tiền phóng vẫn là mối quan tâm.
•    Công Tắc Ngắt Tải (LBS): Công tắc ngắt tải cũng dễ bị tiền phóng trong quá trình đóng, đặc biệt là trong các ứng dụng dòng điện cao. Tuy nhiên, các thiết bị LBS thường được sử dụng trong các ứng dụng điện áp và dòng điện thấp hơn so với cầu chì, vì vậy rủi ro thiệt hại tiếp xúc nghiêm trọng thường thấp hơn.
4. Các Giai Đoạn của Quá Trình Đóng trong Thiết Bị Chuyển Mạch
Quá trình đóng của thiết bị chuyển mạch có thể được chia thành nhiều giai đoạn, như được hiển thị trong hình:
•    Giai Đoạn 1: Tiếp Cận Ban Đầu Của Các Tiếp Điểm: Các tiếp điểm bắt đầu di chuyển về phía nhau, và điện trường giữa chúng bắt đầu tích lũy. Ở giai đoạn này, không có dòng điện chảy, nhưng tiềm năng cho tiền phóng đang tăng lên.
•    Giai Đoạn 2: Hình Thành Hồ Quang Tiền Phóng: Khi các tiếp điểm càng gần nhau, điện trường vượt quá sức chịu đựng điện dẫn của môi trường cách điện, gây ra sự phá vỡ điện dẫn. Một hồ quang tiền phóng được hình thành, và dòng điện bắt đầu chảy qua hồ quang trước khi các tiếp điểm chạm vào nhau.
•    Giai Đoạn 3: Tiếp Điểm Chạm Vào Và Chuyển Hồ Quang: Các tiếp điểm cuối cùng chạm vào nhau, và hồ quang chuyển từ khoảng cách giữa các tiếp điểm sang bề mặt tiếp xúc. Dòng điện tiếp tục chảy qua mạch đã đóng.
•    Giai Đoạn 4: Hoạt Động Bình Thường: Sau khi các tiếp điểm đã đóng hoàn toàn, hệ thống bước vào hoạt động bình thường, và dòng điện chảy qua các tiếp điểm đóng mà không có hồ quang.
5. Chiến Lược Giảm Nhỏ
Để giảm thiểu tác động của tiền phóng và hàn tiếp điểm, một số chiến lược thiết kế và vận hành có thể được sử dụng:
•    Sử Dụng Môi Trường Cách Điện Có Sức Chịu Điện Dẫn Cao: Sử dụng môi trường cách điện có sức chịu điện dẫn cao, như khí SF6 hoặc chân không, có thể giảm khả năng tiền phóng bằng cách yêu cầu điện trường cao hơn để khởi tạo sự phá vỡ.
•    Vật Liệu Tiếp Điểm Nâng Cao: Sử dụng vật liệu tiếp điểm có điểm nóng chảy cao và tính dẫn nhiệt tốt có thể giúp giảm thiệt hại tiếp xúc trong quá trình tiền phóng. Các vật liệu như hợp kim đồng-tungsten thường được sử dụng trong thiết bị chuyển mạch điện áp cao.
•    Cơ Chế Làm Mát: Kết hợp các cơ chế làm mát, như hệ thống bơm khí hoặc dòng khí ép, có thể giúp phát tán nhiệt từ hồ quang và giảm nhiệt độ bề mặt tiếp xúc, giảm thiểu nguy cơ hàn.
•    Cải Tiến Thiết Kế Cơ Học: Đảm bảo rằng cơ chế hoạt động cung cấp đủ lực để phá vỡ bất kỳ điểm hàn nào trong quá trình mở có thể ngăn chặn thiết bị chuyển mạch không mở đúng cách.
•    Hệ Thống Bảo Vệ: Triển khai các hệ thống bảo vệ, như rơle dòng điện quá tải và cơ chế phát hiện lỗi, có thể giúp phát hiện và phản ứng với điều kiện ngắn mạch nhanh hơn, giảm thời gian và cường độ hồ quang.
Kết Luận
Hiện tượng tiền phóng, nơi hồ quang được khởi tạo trước khi các tiếp điểm chạm vào nhau, là một khía cạnh quan trọng của quá trình đóng trong thiết bị chuyển mạch. Nó có thể dẫn đến thiệt hại tiếp xúc nghiêm trọng, hàn, và khả năng hỏng hóc của thiết bị chuyển mạch. Hiểu rõ các yếu tố góp phần vào tiền phóng, như tích lũy điện trường và đặc tính của môi trường cách điện, là cần thiết để thiết kế và vận hành thiết bị chuyển mạch đáng tin cậy. Bằng cách sử dụng các chiến lược giảm thiểu phù hợp, như sử dụng môi trường cách điện có sức chịu điện dẫn cao, vật liệu tiếp điểm tiên tiến, và cơ chế làm mát, tác động của tiền phóng có thể được giảm thiểu, đảm bảo hoạt động an toàn và đáng tin cậy của thiết bị chuyển mạch trong cả cầu chì và công tắc ngắt tải.