Stvaranje uvjeta za prekidni strujni tok za aparature
Detaljno objašnjenje protoka struje i pojave preudara u prekidačima
U prekidačima, posebno u prekidateljima struje (CB) i prekidačima za odsecanje opterećenja (LBS), protok struje se odnosi na proces pokretanja električne lukice kada kontakte počinju zatvarati. Taj proces ne počinje točno kada kontakte fizički dodirnu, već može nastupiti nekoliko milisekundi ranije zbog pojave poznate kao preudar. U nastavku slijedi detaljno objašnjenje ove pojave i njenih implikacija.
Preudar: Pokretanje luke prije dodira kontakata
Dielektrični propad: Dok se kontakte približavaju tijekom operacije zatvaranja, izolacijsko sredstvo (poput zraka, SF6 ili vakuum) između njih podliježe dielektričnom propadu. To se događa jer se električno polje u razmaku između kontakata povećava kako se kontakte približavaju. Kada snaga polja premaši dielektričnu čvrstoću izolacijskog sredstva, razmak se propada, a inicijalizira se prekidna lukica.
Nastanak električnog polja: Električno polje između kontakata gradi se dok se kontakte kreću jedno prema drugom. Ovo polje je proporcionalno naprezanju između kontakata i obrnuto proporcionalno udaljenosti između njih. Kada polje postane dovoljno jako, uzrokuje ionizaciju molekula plina u razmaku, što vodi stvaranju provodnog puta za protok struje.
Pokretanje luke: Lukica se pokreće prije nego što kontakte zapravo dodirnu, obično nekoliko milisekundi ranije. Ovaj rani pokret lukice naziva se preudar. Tijekom preudara, lukica se formira u malom razmaku između kontakata, a struja počinje teći kroz lukicu umjesto da čeka da kontakte stvorite fizički kontakt.
Implikacije preudara
Previse taloženja površina kontakata: Ako je energija uključena u preudar velika, može uzrokovati previše taloženja površina kontakata. Ovo je posebno problematično u uvjetima kratkog spoja, gdje može biti ekstremno visoka struja. Talo metal na površinama kontakata može dovesti do zavarivanja kontakata, gdje se dvije površine spajaju zajedno.
Zavarivanje kontakata: Zavarani kontakte mogu sprečiti uređaj za prekid struje da ispravno reagira na sljedeću naredbu otvaranja. Ako mehanizam rada prekidača ne pruži dovoljnu silu da prekidne zavarane točke, uređaj može neuspješno otvoriti, što može dovesti do potencijalnih sigurnosnih opasnosti i oštećenja opreme.
Karakteristike struje kratkog spoja: Struja kratkog spoja često sadrži DC komponentu, koja može uzrokovati da je vrhovna vrijednost struje mnogo veća od one čistog AC struje kratkog spoja. Ova povećana vrhovna struja može pogoršati efekte preudara, dovodeći do ozbiljnijeg oštećenja kontakata i zavarivanja.
Ovisnost napona luke: Napon između luke (napon luke) ovisi o sredstvu za prekid korištenom u prekidačima. Čak i sa vrlo kratkim duljinama luke, može biti značajan pad napona blizu elektroda. To je zato što otpor luke nije uniforman duž cijele dužine, a regije blizu elektroda imaju tendenciju da imaju veći otpor zbog koncentracije topline i joniziranih čestica.
Rad pod uvjetima kratkog spoja
Prekidatelji struje (CB): U prekidateljima struje, rad pod uvjetima kratkog spoja je posebno izazovan. Visoke razine struje i prisutnost DC komponente mogu dovesti do intenzivnog lukovanja i oštećenja kontakata. Moderni prekidatelji su dizajnirani s naprednim materijalima i hlađećim mehanizmima kako bi se smanjili ti efekti, ali preudar ostaje problema.
Prekidači za odsecanje opterećenja (LBS): Prekidači za odsecanje opterećenja također su osjetljivi na preudar tijekom operacije zatvaranja, posebno u primjenama s visokim strujama. Međutim, LBS uređaji se tipično koriste u primjenama s nižim naprezanjima i strujama u usporedbi s prekidateljima, pa je rizik od ozbiljnog oštećenja kontakata općenito manji.
Faze operacije zatvaranja u prekidačima
Operacija zatvaranja u prekidačima može se podijeliti u nekoliko faza, kao što je prikazano na slici:
Faza 1: Početni približaj kontakata: Kontakte počinju kretati jedno prema drugom, a električno polje između njih počinje graditi. U ovoj fazi nema protoka struje, ali potencijal za preudar se povećava.
Faza 2: Formiranje preudarske luke: Kako se kontakte približavaju, električno polje premaši dielektričnu čvrstoću izolacijskog sredstva, uzrokujući dielektrični propad. Stvara se preudarska lukica, a struja počinje teći kroz lukicu prije nego što kontakte dodirnu.
Faza 3: Dodir kontakata i prelaz luke: Kontakte konačno stvaraju fizički kontakt, a lukica prelazi s razmaka između kontakata na površine kontakata. Struja nastavlja teći kroz sada zatvorenu vezu.
Faza 4: Steady-state rad: Nakon što su kontakte potpuno zatvorene, sustav ulazi u steady-state rad, a struja teče kroz zatvorene kontakte bez lukovanja.
Strategije mitigacije
Da bi se smanjili efekti preudara i zavarivanja kontakata, mogu se primijeniti nekoliko dizajnerskih i operativnih strategija:
Korištenje sredstava s visokom dielektričnom čvrstoćom: Korištenje izolacijskih sredstava s visokom dielektričnom čvrstoćom, poput SF6 gasa ili vakua, može smanjiti vjerojatnost preudara tako što zahtijeva više električno polje da inicijalizira propad.
Napredni materijali kontakata: Korištenje materijala kontakata s visokim točkom taloženja i dobrom termičkom provodljivošću može pomoći u smanjenju oštećenja kontakata tijekom preudara. Materijali poput legura bakra i volframaa često se koriste u prekidačima visokog napona.
Hlađeći mehanizmi: Uključivanje hlađećih mehanizama, poput pufer sistema ili prisilnog toka plina, može pomoći u disipaciji toplote od luke i smanjenju temperature površina kontakata, smanjujući rizik od zavarivanja.
Poboljšanja mehaničkog dizajna: Osiguravanje da mehanizam rada pruža dovoljnu silu da prekidne eventualne zavarane točke tijekom operacije otvaranja može spriječiti da prekidač ne uspije otvoriti ispravno.
Sustavi zaštite: Implementacija sustava zaštite, poput releja za prekorak struje i mehanizama za otkrivanje grešaka, može pomoći u bržem otkrivanju i reagiranju na uvjete kratkog spoja, smanjujući trajanje i intenzitet luke.
Zaključak
Pojava preudara, gdje se lukica inicijalizira prije fizičkog dodira kontakata, jest ključni aspekt operacije zatvaranja u prekidačima. Može dovesti do previše oštećenja kontakata, zavarivanja i potencijalnog propada prekidačkog uređaja. Razumijevanje faktora koji doprinose preudaru, poput gradnje električnog polja i karakteristika izolacijskog sredstva, jest važno za dizajniranje i rad pouzdanog prekidača. Primjenom odgovarajućih strategija mitigacije, poput korištenja sredstava s visokom dielektričnom čvrstoćom, naprednih materijala kontakata i hlađećih mehanizama, efekti preudara mogu se smanjiti, osiguravajući siguran i pouzdani rad prekidača u prekidateljima struje i prekidačima za odsecanje opterećenja.
