Rövidzárló áram esetén a szektorosítók működési feltétele
A kapcsolókészülékekben előforduló áramfolytatás és előidőzési jelenség részletes magyarázata
A kapcsolókészülékekben, különösen az áramköri törésvédők (CB) és a terhelés-eltávolító kapcsolók (LBS) esetén, az áramfolytatás a folyamat, amely során egy elektromos ív kezdődik, amikor a kapcsolókontaktusok elkezdik záródni. Ez a folyamat nem kezdődik pontosan akkor, amikor a kontaktusok fizikailag érintkeznek, hanem több milliszekundummal korábban, a szóban forgó előidőzési jelenség miatt. A következőkben részletesen ismertetjük ezt a jelenséget és annak következményeit.
Előidőzés: Az ív kezdete a kontaktusok érintkezése előtt
Elektrolitikus lebomlás: Amikor a kontaktusok közelednek egymáshoz a záródási művelet során, a közöttük lévő izoláló közeg (pl. levegő, SF6 vagy vakuum) elektrolitikusan bomlik le. Ez történik, mert a kontaktusok közötti elektromos mező erősödik, ahogy közelebb kerülnek egymáshoz. Ha a mezőerő meghaladja a vezetőközeg dielektrikus erősségét, a résszel bontódik, és így egy váltóív kezdődik.
Elektromos mező felépülése: A kontaktusok közötti elektromos mező felépül, ahogy a kontaktusok közelebb kerülnek egymáshoz. Ez a mező arányos a kontaktusokon keresztül haladó feszültséggel, és fordítottan arányos a távolsággal. Ha a mező elég erős lesz, ionizálja a gáz molekuláit a résszel, ami vezető útvonalat hoz létre az áramfolytatáshoz.
Ív kezdete: Az ív kezdődik a kontaktusok fizikai érintkezése előtt, általában több milliszekundummal korábban. Ez az ív korai kezdete az előidőzésnek nevezik. Az előidőzés során az ív alakul ki a kontaktusok közötti kis résszel, és az áram az ívon keresztül kezd folytatódni, anélkül, hogy várna a kontaktusok fizikai érintkezésére.
Az előidőzés következményei
Kontaktusfelületek túlzott olvadása: Ha az előidőzés során beavatkozó energia nagy, ez túlzott olvadást okozhat a kontaktusfelületeken. Ez különösen problémás rövidzárlati körülmények között, ahol az áramerősség rendkívül magas lehet. A kontakton található olvadt fém a kontaktusok összevarazsodását okozhatja, ahol a két felület összeolvad.
Kontaktusok összevarazsodása: Az összevarazsodott kontaktusok megakadályozhatják, hogy a váltóeszköz megfelelően reagáljon a következő nyitási parancsra. Ha a kapcsolókészülék működtető mechanizma nincs képes elég erőt fejteni a varrás pontjainak törésére, az eszköz nem tud megfelelően nyílni, ami potenciális biztonsági kockázatokhoz és berendezések károsodásához vezethet.
Rövidzárlati áramerősség jellemzői: A rövidzárlati áramerősségek gyakran tartalmaznak DC-komponenst, ami azt eredményezi, hogy az áramerősség csúcsértéke sokkal magasabb, mint a tiszta AC rövidzárlati áramerősség csúcsértéke. Ez a növekedett csúcsérték súlyosbíthatja az előidőzés hatásait, ami súlyosabb kontaktussérülést és varrásokat okozhat.
Ívfeszültség függése: Az íven átmenő feszültség (ívfeszültség) nagyon függ a kapcsolókészülékben használt szakadási közeg típusától. Még rövid ívhossz mellett is jelentős feszültségcsökkenés fordulhat elő a végeselektrodok közelében. Ez azért van, mert az ív ellenállása nem egyenletes az összes hosszúságán, és a végeselektrodok közelében a hő és az ionizált részecskék koncentrációja miatt a ellenállás magasabb.
Záródás rövidzárlati körülmények között
Áramköri törésvédők (CB): Az áramköri törésvédők esetén a záródási művelet rövidzárlati körülmények között különösen kihívást jelent. A magas áramerősség szintje és a DC-komponens jelenléte intenzív ívkeletkezéshez és kontaktussérüléshez vezethet. A modern áramköri törésvédők speciális anyagokkal és hűtési mechanizmusokkal vannak kifejlesztve, hogy enyhítsék ezek hatásait, de az előidőzés továbbra is aggodalomra ad okot.
Terhelés-eltávolító kapcsolók (LBS): A terhelés-eltávolító kapcsolók is érzékenyek az előidőzésre a záródási művelet során, különösen magas áramerősségű alkalmazásokban. Azonban az LBS-eszközök általában alacsonyabb feszültségű és alacsonyabb áramerősségű alkalmazásokban használódnak, mint az áramköri törésvédők, így a súlyos kontaktussérülés kockázata általában alacsonyabb.
A záródási művelet szakaszai a kapcsolókészülékeknél
A kapcsolókészülékek záródási művelete több szakaszra osztható, ahogyan az a rajzon látható:
1. szakasz: Kontaktusok kezdeti közeledése: A kontaktusok elkezdik közeledni egymáshoz, és a közöttük lévő elektromos mező kezd felépülni. Ebben a szakaszban még nem folyik áram, de az előidőzés potenciálja növekszik.
2. szakasz: Előidőzési ív alakulása: Ahogy a kontaktusok közelebb kerülnek, az elektromos mező meghaladja a vezetőközeg dielektrikus erősségét, ami elektrolitikus lebomlást okoz. Az előidőzési ív alakul ki, és az áram az ívon keresztül kezd folytatódni, mielőtt a kontaktusok érintkeznek.
3. szakasz: Kontaktusok érintkezése és ív átadása: A kontaktusok végül fizikailag érintkeznek, és az ív átadódik a kontaktusok közötti résszel a kontaktusfelületekre. Az áram folytatódik a most már zárt áramkörben.
4. szakasz: Állandó állapot: Miután a kontaktusok teljesen záródtak, a rendszer állandó állapotba kerül, és az áram folytatódik a zárt kontaktusokon, anélkül, hogy ív lenne.
Csökkentő stratégiák
Az előidőzés és a kontaktusok varrásának hatásainak minimalizálására több tervezési és üzemeltetési stratégia is alkalmazható:
Magas dielektrikus erősségű vezetőközeg használata: Magas dielektrikus erősségű vezetőközeg, mint például az SF6 gáz vagy a vakuum használata csökkentheti az előidőzés valószínűségét, mivel magasabb elektromos mezőre van szükség a lebomlás indításához.
Fejlett kontaktusanyagok: Magas olvadásponttal és jó hővezető tulajdonságokkal rendelkező kontaktusanyagok használata segíthet csökkenteni a kontaktusok sérülését az előidőzés során. Ilyen anyagok a réz-birósz allományok, amelyek gyakran használatosak a magfeszültségű kapcsolókészülékeknél.
Hűtési mechanizmusok: Hűtési mechanizmusok, mint például a pufferrendszerek vagy a kényszerített gázáram, beépítése segíthet elhanyagolni a hőt az ívtől, és csökkenteni a kontaktusfelületek hőmérsékletét, így minimalizálva a varrás kockázatát.
Gépi tervezési fejlesztések: Biztosítani kell, hogy a működtető mechanizmus elegendő erőt fejtson el, hogy törje a varrás pontjait a nyitási művelet során, hogy megakadályozza a kapcsolókészülék sikertelen nyitását.
Védelmi rendszerek: Védelmi rendszerek, mint például a túlmenő áram relék és a hibadetektáló mechanizmusok beépítése segíthet gyorsabban észlelni és reagálni a rövidzárlati körülményekre, csökkentve az ív időtartamát és intenzitását.
Összefoglalás
Az előidőzési jelenség, amikor az ív kezdődik a kontaktusok fizikai érintkezése előtt, a kapcsolókészülékek záródási műveletének kritikus aspektusa. Erre sorban túlzott kontaktussebezhetőség, varrás és a váltóeszköz lehetséges meghibásodása is következhet. Az előidőzéshez hozzájáruló tényezők, mint az elektromos mező felépülése és a vezetőközeg jellemzőinek megértése létfontosságú a megbízható kapcsolókészülékek tervezéséhez és üzemeltetéséhez. A megfelelő csökkentő stratégiák, mint a magas dielektrikus erősségű vezetőközeg, fejlett kontaktusanyagok és hűtési mechanizmusok alkalmazása segíthet minimalizálni az előidőzés hatásait, biztosítva a kapcsolókészülékek biztonságos és megbízható működését mind az áramköri törésvédők, mind a terhelés-eltávolító kapcsolók esetén.
