Vytváření podmínek za krátkodobého zkratu pro rozvodu
Podrobné vysvětlení toku proudů a jevu předzásahu v rozvodu
V rozvodu, zejména v odpojovacích členech (CB) a spínacích členech s nákladem (LBS), se pod pojmem tok proudu rozumí proces, při kterém se elektrický oblouk iniciuje, když kontakty začínají zavírat. Tento proces nezačíná přesně v okamžiku, kdy se kontakty fyzicky dotknou, ale může nastat o několik milisekund dříve kvůli jevu známému jako předzásah. Níže naleznete podrobné vysvětlení tohoto jevu a jeho dopadu.
Předzásah: Iniciace oblouku před dotykem kontaktů
Dielektrický propuk: Když se kontakty během zavírání blíží k sobě, izolační prostředí (např. vzduch, SF6 nebo vakuum) mezi nimi trpí dielektrickým propukem. To nastane proto, že elektrické pole v mezere mezi kontakty roste, jak se kontakty přibližují. Pokud síla pole překročí dielektrickou sílu izolačního prostředí, mezera propadne a iniciuje se přepínací oblouk.
Nastavení elektrického pole: Elektrické pole mezi kontakty se vybudovalo, když se pohybovaly směrem k sobě. Toto pole je úměrné napětí mezi kontakty a nepřímo úměrné vzdálenosti mezi nimi. Když pole dosáhne dostatečné síly, způsobí ionizaci molekul plynu v mezere, což vede k vytvoření vodičové cesty pro tok proudu.
Iniciace oblouku: Oblouk se iniciuje před tím, než se kontakty skutečně dotknou, obvykle o několik milisekund dříve. Toto brzké iniciace oblouku se nazývá předzásah. Během předzásahu se oblouk tvoří v malé mezere mezi kontakty a proud začíná pramenit skrze oblouk, aniž by čekal na fyzický kontakt.
Dopady předzásahu
Přílišné tavení povrchů kontaktů: Pokud je energie zapojená do předzásahu velká, může způsobit přílišné tavení povrchů kontaktů. Je to zejména problématické při krátkém spojení, kde může být proud extrémně vysoký. Tavený kov na povrchu kontaktů může vést ke svaření kontaktů, kdy se dvě plochy spojí dohromady.
Svaření kontaktů: Svařené kontakty mohou zabránit přepínacímu zařízení, aby odpovídalo příkazu k dalšímu otevření. Pokud operační mechanismus rozvodu nenabízí dostatečnou sílu k prolomení svařených bodů, zařízení může selhat při otevírání, což může vést k potenciálním bezpečnostním rizikům a poškození zařízení.
Charakteristiky krátkozávodního proudu: Krátkozávodní proudy často obsahují DC složku, která může způsobit, že maximální hodnota proudu bude mnohem vyšší než u čistě AC krátkozávodního proudu. Tento zvýšený maximální proud může zesílit dopady předzásahu, což vede k více závažnému poškození kontaktů a jejich svaření.
Závislost napětí na oblouku: Napětí přes oblouk (napětí oblouku) je velmi závislé na použitém přerušovacím prostředí v rozvodu. I u velmi krátkých délek oblouku mohou být poblíž elektrod významné klesnutí napětí. To je proto, že odpor oblouku není stejný po celé jeho délce a oblasti poblíž elektrod mají tendenci mít vyšší odpor kvůli koncentraci tepla a ionizovaných částic.
Zavírání za podmínek krátkého spojení
Odpojovací členy (CB): V odpojovacích členech je operace zavírání za podmínek krátkého spojení zvláště náročná. Vysoké úrovně proudu a přítomnost DC složky mohou vést k intenzivnímu obloukovému světlu a poškození kontaktů. Moderní odpojovací členy jsou navrženy s pokročilými materiály a chladicími mechanismy, aby tyto účinky minimalizovaly, ale předzásah zůstává stále problémem.
Spínací členy s nákladem (LBS): Spínací členy s nákladem jsou také náchylné k předzásahu během operace zavírání, zejména v aplikacích s vysokým proudem. Nicméně, LBS zařízení jsou obvykle používána v nižších napěťových a proudivých aplikacích než odpojovací členy, takže riziko závažného poškození kontaktů je obecně nižší.
Fáze operace zavírání v rozvodu
Operace zavírání v rozvodu lze rozdělit na několik fází, jak je znázorněno na obrázku:
Fáze 1: Počáteční přiblížení kontaktů: Kontakty začínají pohybovat směrem k sobě a elektrické pole mezi nimi začíná nabírat na síle. V této fázi žádný proud nepramení, ale potenciál pro předzásah roste.
Fáze 2: Formování oblouku předzásahu: Jak se kontakty blíží, elektrické pole překračuje dielektrickou sílu izolačního prostředí, což způsobuje dielektrický propuk. Formuje se oblouk předzásahu a proud začíná pramenit skrze oblouk, aniž by kontakty fyzicky dotýkaly.
Fáze 3: Fyzický dotyk kontaktů a přenos oblouku: Kontakty konečně fyzicky dotýkají a oblouk se přenese z mezery mezi kontakty na povrchy kontaktů. Proud nadále pramení skrze nyní uzavřený obvod.
Fáze 4: Stabilní stav: Po plném zavření kontaktů systém vstoupí do stabilního stavu a proud pramení skrze uzavřené kontakty bez jakéhokoli obloukového světla.
Strategie zmírnění
Pro minimalizaci účinků předzásahu a svaření kontaktů lze použít několik návrhových a operačních strategií:
Použití izolačních prostředí s vysokou dielektrickou sílou: Použití izolačních prostředí s vysokou dielektrickou silou, jako je plyn SF6 nebo vakuum, může snížit pravděpodobnost předzásahu, protože vyžaduje vyšší elektrické pole pro iniciaci propuku.
Pokročilé materiály kontaktů: Použití materiálů kontaktů s vysokými teplotami tavení a dobrými tepelně vodivými vlastnostmi může pomoci snížit poškození kontaktů během předzásahu. Materiály jako slitiny mědi a wolframu jsou běžně používány v rozvodech vysokého napětí.
Chladicí mechanismy: Zahrnutí chladicích mechanismů, jako jsou systémy s pufry nebo přinutitelným proudění plynů, může pomoci odvodit teplo z oblouku a snížit teplotu povrchů kontaktů, což minimalizuje riziko svaření.
Mechanické vylepšení: Zajištění, aby operační mechanismus poskytl dostatečnou sílu k prolomení jakýchkoli svařených bodů během otevírání, může zabránit selhání rozvodu při otevírání.
Ochranné systémy: Implementace ochranných systémů, jako jsou relé přetížení a mechanismy detekce poruch, může pomoci rychleji detekovat a reagovat na podmínky krátkého spojení, což snižuje dobu a intenzitu oblouku.
Závěr
Jev předzásahu, kdy se oblouk iniciuje před fyzickým dotykem kontaktů, je klíčovým aspektem operace zavírání v rozvodu. Může vést k přílišnému poškození kontaktů, jejich svaření a potenciálnímu selhání přepínacího zařízení. Porozumění faktorům, které přispívají k předzásahu, jako je vybudování elektrického pole a charakteristiky izolačního prostředí, je nezbytné pro návrh a provoz spolehlivého rozvodu. Přijetím vhodných strategií zmírnění, jako je použití izolačních prostředí s vysokou dielektrickou silou, pokročilých materiálů kontaktů a chladicích mechanismů, lze minimalizovat účinky předzásahu a zajistit bezpečný a spolehlivý provoz rozvodu v odpojovacích členech i spínacích členech s nákladem.
