Condición baixo corrente de curto circuito para equipos de manobra

Explicación Detallada do Fluxo da Corrente de Conexión e o Fenómeno de Pre-impacto nos Equipamentos de Comando e Protección

Nos equipamentos de comando e protección, especialmente en interruptores (CB) e interruptores de carga (LBS), o fluxo da corrente de conexión refírese ao proceso polo que se inicia un arco eléctrico cando os contactos comezan a pechar. Este proceso non comeza exactamente cando os contactos entran en contacto físico, pero pode ocorrer varios milisegundos antes debido a un fenómeno coñecido como pre-impacto. A continuación, ofrece unha explicación detallada deste fenómeno e as súas implicacións.

1. Pre-impacto: Inicio do Arco Antes do Contacto Físico

• Rompemento Dieléctrico: Á medida que os contactos se acercan entre si durante a operación de peche, o medio aislante (como o aire, SF6 ou o vacío) entre eles sufre un rompemento dieléctrico. Isto ocorre porque o campo eléctrico na fenda entre os contactos aumenta á medida que se aproximan. Cando a intensidade do campo supera a resistencia dieléctrica do medio aislante, a fenda se rompe e inicia un arco de conmutación.

• Acumulación do Campo Eléctrico: O campo eléctrico entre os contactos acumúlase á medida que se moven uns cara aos outros. Este campo é proporcional á tensión entre os contactos e inversamente proporcional á distancia entre eles. Cando o campo se volve suficientemente forte, causa a ionización das moléculas de gas na fenda, levando á formación dunha via conductora para o fluxo da corrente.

• Inicio do Arco: O arco inicia antes de que os contactos realmente toquen, xeralmente varios milisegundos antes. Esta iniciación prematura do arco chámase pre-impacto. Durante o pre-impacto, o arco forma na pequena fenda entre os contactos, e a corrente comeza a fluir a través do arco en vez de agardar a que os contactos entran en contacto físico.

2. Implicacións do Pre-impacto

• Fusión Excesiva das Superficies de Contacto: Se a enerxía envolvida no pre-impacto é grande, pode causar fusión excesiva das superficies de contacto. Isto é particularmente problemático nas condicións de curto circuito, onde a corrente pode ser extremadamente alta. O metal fundido nas superficies de contacto pode levar á soldadura dos contactos, onde as dúas superficies fusionan.

• Soldadura de Contactos: Os contactos soldados poden impedir que o dispositivo de conmutación responda adecuadamente ó seguinte comando de apertura. Se o mecanismo de funcionamento do equipo de comando e protección non proporciona forza suficiente para romper os puntos soldados, o dispositivo pode fallar ao abrir correctamente, levando a potenciais perigos de seguridade e danos no equipo.

• Características da Corrente de Curto Circuito: As correntes de curto circuito adoitan conter un compoñente DC, que pode facer que o valor pico da corrente sexa moito maior que o dunha corrente de curto circuito AC pura. Este aumento do pico de corrente pode agravar os efectos do pre-impacto, levando a un dano de contacto máis grave e a soldaduras.

• Dependencia da Tensión de Arco: A tensión a través do arco (tensión de arco) depende altamente do medio de interrupción utilizado no equipo de comando e protección. Incluso con longitudes de arco moi curtas, pode haber caídas significativas de tensión preto dos electrodos. Isto debeuse a que a resistencia do arco non é uniforme ao longo da súa lonxitude, e as rexións preto dos electrodos tenden a ter maior resistencia debido á concentración de calor e partículas ionizadas.

3. Conexión en Condicións de Curto Circuito

• Interruptores (CB): Nos interruptores, a operación de conexión en condicións de curto circuito é particularmente desafiante. Os niveis de corrente altos e a presenza dun compoñente DC poden levar a arcos intensos e dano de contacto. Os interruptores modernos están deseñados con materiais avanzados e mecanismos de refrigeración para mitigar estes efectos, pero o pre-impacto permanece como unha preocupación.

• Interruptores de Carga (LBS): Os interruptores de carga tamén son susceptibles ao pre-impacto durante a operación de conexión, especialmente en aplicacións de alta corrente. No entanto, os dispositivos LBS adoitan utilizarse en aplicacións de menor voltaxe e corrente comparados cos interruptores, polo que o risco de dano de contacto grave xeralmente é menor.

4. Etapas da Operación de Conexión nos Equipamentos de Comando e Protección

A operación de conexión dos equipamentos de comando e protección pode dividirse en varias etapas, como se mostra na figura:

• Etapa 1: Acercamento Inicial dos Contactos: Os contactos comezan a moverse cara a cada outro, e o campo eléctrico entre eles comeza a acumularse. Nesta etapa, non fluye corrente, pero o potencial de pre-impacto está aumentando.

• Etapa 2: Formación do Arco de Pre-impacto: Á medida que os contactos se acercan, o campo eléctrico supera a resistencia dieléctrica do medio aislante, provocando un rompemento dieléctrico. Forma-se un arco de pre-impacto, e a corrente comeza a fluir a través do arco antes de que os contactos toquen.

• Etapa 3: Contacto Físico e Transferencia do Arco: Os contactos finalmente entran en contacto físico, e o arco transfírese da fenda entre os contactos ás superficies de contacto. A corrente continua a fluir a través do circuito agora pechado.

• Etapa 4: Operación en Estado Estacionario: Despois de que os contactos están completamente pechados, o sistema entra en operación en estado estacionario, e a corrente fluye a través dos contactos pechados sen ningún arco.

5. Estratexias de Mitigación

Para minimizar os efectos do pre-impacto e a soldadura de contactos, poden empregarse varias estratexias de deseño e operación:

• Uso de Medios Aislantes de Alta Resistencia Dieléctrica: O uso de medios aislantes con alta resistencia dieléctrica, como o gas SF6 ou o vacío, pode reducir a probabilidade de pre-impacto ao requiren un campo eléctrico máis alto para iniciar o rompemento.

• Materiais de Contacto Avanzados: O uso de materiais de contacto con puntos de fusión altos e boa conductividade térmica pode axudar a reducir o dano de contacto durante o pre-impacto. Materiais como as liga de cobre-tungsteno adoitan usarse en equipos de alta tensión.

• Mecanismos de Refrigeración: Incorporar mecanismos de refrigeración, como sistemas de soplado ou fluxo forzado de gas, pode axudar a disipar o calor do arco e reducir a temperatura das superficies de contacto, minimizando o risco de soldadura.

• Melorías no Deseño Mecánico: Asegurar que o mecanismo de funcionamento proporciona forza suficiente para romper calquera punto soldado durante a operación de apertura pode evitar que o equipo de comando e protección falle ao abrir correctamente.

• Sistemas de Protección: Implementar sistemas de protección, como relés de sobre-corrente e mecanismos de detección de fallos, pode axudar a detectar e responder ás condicións de curto circuito máis rapidamente, reducindo a duración e a intensidade do arco.

Conclusión

O fenómeno de pre-impacto, no que o arco se inicia antes de que os contactos entran en contacto físico, é un aspecto crítico da operación de conexión nos equipamentos de comando e protección. Pode levar a dano excesivo de contacto, soldadura e posible fallo do dispositivo de conmutación. Entender os factores que contribúen ao pre-impacto, como a acumulación do campo eléctrico e as características do medio aislante, é esencial para deseñar e operar equipos de comando e protección fiables. Empregando estratexias de mitigación apropiadas, como o uso de medios aislantes de alta resistencia dieléctrica, materiais de contacto avanzados e mecanismos de refrigeración, os efectos do pre-impacto poden minimizarse, asegurando unha operación segura e fiable dos equipos de comando e protección tanto en interruptores como en interruptores de carga.