Establir la condició sota corrent de curtcircuït per a l'aparell electrònic
Explicació detallada del flux de corrent i el fenomen pre-impacte en els aparells de maniobra
En els aparells de maniobra, especialment en els interruptors automàtics (CB) i els commutadors de càrrega (LBS), el flux de corrent es refereix al procés per al qual s'inicia un arc elèctric quan els contactes comencen a tancar-se. Aquest procés no comença exactament quan els contactes toquen físicament, sinó que pot succeir diversos mil·lisegons abans degut a un fenomen conegut com a pre-impacte. A continuació es proporciona una explicació detallada d'aquest fenomen i les seves implicacions.
Pre-impacte: Inici de l'arc abans del contacte física
Descomposició dielèctrica: Quan els contactes s'aproximen entre si durant l'operació de tancament, el medi aïllant (com l'aire, SF6 o el buit) entre ells patix una descomposició dielèctrica. Això succeeix perquè el camp elèctric a la brecha entre els contactes augmenta a mesura que es fan més propers. Quan la força del camp supera la resistència dielèctrica del medi aïllant, la brecha es descompon i s'inicia un arc de commutació.
Acumulació del camp elèctric: El camp elèctric entre els contactes s'acumula a mesura que es mouen cap a l'un altre. Aquest camp és proporcional al voltatge entre els contactes i inversament proporcional a la distància entre ells. Quan el camp esdevé suficientment fort, provoca la ionització de les molècules de gas a la brecha, conduint a la formació d'una via conductora per a la corrent.
Inici de l'arc: L'arc s'inicia abans que els contactes toquin físicament, típicament diversos mil·lisegons abans. Aquest inici prèmiu de l'arc es coneix com a pre-impacte. Durant el pre-impacte, l'arc es forma a la petita brecha entre els contactes, i la corrent comença a fluir a través de l'arc en lloc d'esperar que els contactes facin contacte físic.
Implicacions del pre-impacte
Fusió excessiva de les superfícies de contacte: Si l'energia implicada en el pre-impacte és gran, pot causar una fusió excessiva de les superfícies de contacte. Això és particularment problemàtic en condicions de curtcircuí, on la corrent pot ser extremadament alta. El metall fonit a les superfícies de contacte pot portar a la soldadura dels contactes, on les dues superfícies es fondeixen.
Soldadura dels contactes: Els contactes soldats poden impedir que el dispositiu de commutació respongui adequadament a la següent ordre d'obertura. Si el mecanisme d'operació de l'aparell de maniobra no proporciona força suficient per trencar els punts soldats, el dispositiu pot fallar en obrir-se correctament, provocant possibles riscos de seguretat i danys a l'equipament.
Característiques de la corrent de curtcircuí: Les corrents de curtcircuí sovint contenen un component DC, que pot fer que el valor màxim de la corrent sigui molt més alt que el d'una corrent de curtcircuí purament AC. Aquest increment del valor màxim de la corrent pot exacerbir els efectes del pre-impacte, portant a daños més severos als contactes i a la soldadura.
Dependència de la tensió de l'arc: La tensió a través de l'arc (tensió de l'arc) depèn molt del medi d'interrupció utilitzat en l'aparell de maniobra. Fins i tot amb longituds d'arc molt curtes, hi pot haver caigudes significatives de tensió prop de les electrodos. Això és perquè la resistència de l'arc no és uniforme al llarg de la seva longitud, i les regions properes a les electrodos tendeixen a tenir una resistència més alta degut a la concentració de calor i partícules ionitzades.
Tancament en condicions de curtcircuí
Interruptors automàtics (CB): En els interruptors automàtics, l'operació de tancament en condicions de curtcircuí és particularment complexa. Els nivells de corrent elevats i la presència d'un component DC poden portar a arcs intensos i daños als contactes. Els interruptors automàtics moderns estan dissenyats amb materials avançats i mecanismes de refrigeració per mitigar aquests efectes, però el pre-impacte segueix sent una preocupació.
Commutadors de càrrega (LBS): Els commutadors de càrrega també són susceptibles al pre-impacte durant l'operació de tancament, especialment en aplicacions d'alta corrent. Tanmateix, els dispositius LBS solen utilitzar-se en aplicacions de baixa tensió i baixa corrent comparat amb els interruptors automàtics, així que el risc de daños severos als contactes és generalment menor.
Etapas de l'operació de tancament en els aparells de maniobra
L'operació de tancament dels aparells de maniobra es pot dividir en diverses etapes, com es mostra en la figura:
Etapa 1: Aproximació inicial dels contactes: Els contactes comencen a moure's cap a l'un altre, i el camp elèctric entre ells comença a acumular-se. En aquesta etapa, no flueix cap corrent, però el potencial de pre-impacte augmenta.
Etapa 2: Formació de l'arc de pre-impacte: A mesura que els contactes s'apropen, el camp elèctric supera la resistència dielèctrica del medi aïllant, causant una descomposició dielèctrica. Es forma un arc de pre-impacte, i la corrent comença a fluir a través de l'arc abans que els contactes toquin.
Etapa 3: Contacte físic i transferència de l'arc: Els contactes finalment fan contacte físic, i l'arc es trasllada de la brecha entre els contactes a les superfícies de contacte. La corrent continua fluix a través del circuit tancat.
Etapa 4: Operació en estat estacionari: Després que els contactes s'hagin tancat completament, el sistema entra en operació en estat estacionari, i la corrent flueix a través dels contactes tancats sense arcos.
Estratègies de mitigació
Per minimitzar els efectes del pre-impacte i la soldadura dels contactes, es poden utilitzar diverses estratègies de disseny i operació:
Ús de medis aïllants d'alta resistència dielèctrica: Utilitzar medis aïllants amb alta resistència dielèctrica, com el gas SF6 o el buit, pot reduir la probabilitat de pre-impacte requerint un camp elèctric més elevat per iniciar la descomposició.
Materials de contacte avançats: Utilitzar materials de contacte amb punts de fusió alts i bona conductivitat tèrmica pot ajudar a reduir els daños als contactes durant el pre-impacte. Materials com les lligatures de cobre-tungstè s'utilitzen comunament en aparells de maniobra de alta tensió.
Mecanismes de refrigeració: Incorporar mecanismes de refrigeració, com sistemes de pujador o flux forçat de gas, pot ajudar a dissipar el calor de l'arc i reduir la temperatura de les superfícies de contacte, minimitzant el risc de soldadura.
Milloraments en el disseny mecànic: Assegurar-se que el mecanisme d'operació proporciona força suficient per trencar qualsevol punt soldat durant l'operació d'obertura pot evitar que l'aparell de maniobra falli en obrir-se correctament.
Sistemes de protecció: Implementar sistemes de protecció, com relés de sobrecorrent i mecanismes de detecció de falles, pot ajudar a detectar i respondre més ràpidament a les condicions de curtcircuí, reduint la durada i la intensitat de l'arc.
Conclusió
El fenomen del pre-impacte, on l'arc s'inicia abans que els contactes toquin físicament, és un aspecte crític de l'operació de tancament en els aparells de maniobra. Pot portar a daños excessius als contactes, soldadura i potencial fallida del dispositiu de commutació. Comprendre els factors que contribueixen al pre-impacte, com l'acumulació del camp elèctric i les característiques del medi aïllant, és essencial per dissenyar i operar aparells de maniobra fiables. Empreant estratègies de mitigació adequades, com l'ús de medis aïllants d'alta resistència dielèctrica, materials de contacte avançats i mecanismes de refrigeració, els efectes del pre-impacte es poden minimitzar, assegurant una operació segura i fiable dels aparells de maniobra tant en interruptors automàtics com en commutadors de càrrega.
