Изготвяне на условия при късо замыкание за апаратура
Подробно Обяснение на Феномена Тока при Затваряне и Предварително Ударяване в Апаратура
В апаратурата, особено в автоматични прекъсвачи (CB) и прекъсвачи за натоварване (LBS), токът при затваряне се отнася до процеса, по който електрическата дъга се инициира, когато контактите започват да се затварят. Този процес не започва точно когато контактите физически се докоснат, но може да се случи няколко милисекунди по-рано поради феномен, известен като предварително ударяване. По-долу е подробно обяснение на този феномен и неговите последици.
Предварително Ударяване: Иницииране на Дъга Преди Физично Докосване на Контактите
Диелектрично Разрушаване: Когато контактите се приближават един към друг по време на операцията за затваряне, изолиращата среда (например въздух, SF6 или вакуум) между тях страда от диелектрично разрушаване. Това се случва, защото електрическото поле в празнината между контактите се увеличава, докато те се приближават. Когато силата на полето надхвърли диелектричната устойчивост на изолиращата среда, празнината се разбива, и се инициира комутационна дъга.
Насъбиране на Електрическо Поле: Електрическото поле между контактите се насъбира, докато те се движат един към друг. Това поле е пропорционално на напрежението между контактите и обратнопропорционално на разстоянието между тях. Когато полето стане достатъчно силно, то причинява йонизация на газовите молекули в празнината, водейки до формиране на проводим път за тока да потече.
Иницииране на Дъга: Дъгата се инициира преди контактите да се докоснат, типично няколко милисекунди по-рано. Това ранно иницииране на дъгата се нарича предварително ударяване. По време на предварителното ударяване, дъгата се формира в малката празнина между контактите, и токът започва да протича през дъгата, вместо да чака контактите да направят физически контакт.
Последици от Предварителното Ударяване
Екстремално Топене на Повърхностите на Контактите: Ако енергията, включена в предварителното ударяване, е голяма, тя може да причини екстремално топене на повърхностите на контактите. Това е особено проблематично при условия на краткосрочно замыкание, когато токът може да бъде изключително висок. Топилната метална маса на повърхностите на контактите може да доведе до сваряване на контактите, когато двете повърхности се съединят.
Сваряване на Контактите: Сварените контакти могат да попречат на комутационния апарат да реагира правилно на следващата команда за отваряне. Ако механизът за управление на апаратурата не предостави достатъчна сила, за да разби сварените точки, устройството може да не успее да се отвори правилно, което води до потенциални опасности за безопасността и повреди на оборудването.
Характеристики на Краткосрочния Ток: Краткосрочните токове често съдържат DC компонент, който може да доведе до много по-висока пиковата стойност на тока, отколкото при чисто AC краткосрочно замыкание. Това увеличена пикова стойност на тока може да засили ефектите на предварителното ударяване, водейки до по-сериозни повреди на контактите и сваряване.
Зависимост на Напрежението на Дъгата: Напрежението между дъгата (напрежение на дъгата) е силно зависещо от използваната изолираща среда в апаратурата. Дори и с много кратки дъги, може да има значителни падове на напрежението близо до електродите. Това се дължи на факта, че съпротивлението на дъгата не е равномерно по дължина, и районите близо до електродите тенденцията е да имат по-високо съпротивление поради концентрацията на топлина и йонизирани частици.
Затваряне при Условия на Краткосрочно Замыкание
Автоматични Прекъсвачи (CB): В автоматичните прекъсвачи, операцията за затваряне при условия на краткосрочно замыкание е особено трудна. Високите нива на тока и наличието на DC компонент могат да доведат до интензивна дъга и повреди на контактите. Съвременните автоматични прекъсвачи са проектирани с напредъчни материали и механизми за охлаждане, за да намалят тези ефекти, но предварителното ударяване остава проблем.
Прекъсвачи за Натоварване (LBS): Прекъсвачите за натоварване също са чувствителни към предварително ударяване по време на операцията за затваряне, особено при приложения с висок ток. Но LBS устройства типично се използват в приложения с по-ниско напрежение и по-нисък ток, сравнено с автоматичните прекъсвачи, така че риска от сериозни повреди на контактите обикновено е по-нисък.
Етапи на Операцията за Затваряне в Апаратура
Операцията за затваряне в апаратура може да се раздели на няколко етапа, както е показано на фигурата:
Етап 1: Първоначално Приближаване на Контактите: Контактите започват да се движе един към друг, и електрическото поле между тях започва да се насъбира. На този етап, няма ток, но потенциалът за предварително ударяване се увеличава.
Етап 2: Формиране на Дъга при Предварително Ударяване: Когато контактите се приближават, електрическото поле надхвърля диелектричната устойчивост на изолиращата среда, причинявайки диелектрично разрушаване. Се формира дъга при предварително ударяване, и токът започва да протича през дъгата, преди контактите да се докоснат.
Етап 3: Физически Контакт и Прехвърляне на Дъгата: Контактите най-сетне се докосват физически, и дъгата се прехвърля от празнината между контактите към повърхностите на контактите. Токът продължава да протича през вече затворената верига.
Етап 4: Равновесна Операция: След като контактите са напълно затворени, системата влиза в режим на равновесна операция, и токът протича през затворените контакти без никаква дъга.
Стратегии за Ограничене
За минимизиране на ефектите от предварителното ударяване и сваряването на контактите, могат да се използват няколко стратегии за проектиране и функциониране:
Използване на Изолиращи Среди с Висока Диелектрична Устойчивост: Използването на изолиращи среди с висока диелектрична устойчивост, като газ SF6 или вакуум, може да намали вероятността за предварително ударяване, като изисква по-високо електрическо поле, за да се инициира разрушаването.
Развити Материалите за Контакти: Използването на материалите за контакти с високи температури на топене и добра термична проводимост може да помогне за намаляване на повредите на контактите по време на предварително ударяване. Материалите като мед-волфрамови сплави се използват често в високонапрегнатата апаратура.
Механизми за Охлаждане: Инкорпорирането на механизми за охлаждане, като пъффер системи или принудителен поток на газ, може да помогне за разсейване на топлината от дъгата и намаляване на температурата на повърхностите на контактите, минимизирайки риска от сваряване.
Подобряване на Механичния Дизайн: Осигуряването, че механизът за управление предоставя достатъчна сила, за да разби всяко сварено място по време на операцията за отваряне, може да предотврати апаратурата да не успее да се отвори правилно.
Системи за Защита: Имплементирането на системи за защита, като реле за прекомерен ток и механизми за детектиране на дефект, може да помогне за по-бързо откриване и реакция на условията на краткосрочно замыкание, намалявайки продължителността и интензитета на дъгата.
Заключение
Феноменът на предварително ударяване, когато дъгата се инициира преди контактите физически да се докоснат, е критичен аспект на операцията за затваряне в апаратура. Той може да доведе до екстремални повреди на контактите, сваряване и потенциално отказване на комутационния апарат. Разбирането на факторите, които допринасят за предварителното ударяване, като насъбирането на електрическото поле и характеристиките на изолиращата среда, е важно за проектиране и функциониране на надеждна апаратура. Чрез използването на подходящи стратегии за ограничаване, като използването на изолиращи среди с висока диелектрична устойчивост, развити материали за контакти и механизми за охлаждане, ефектите от предварителното ударяване могат да бъдат минимизирани, осигурявайки безопасна и надеждна работа на апаратура както в автоматични прекъсвачи, така и в прекъсвачи за натоварване.
