Maken van de omstandigheden onder korte-slagsstroom voor schakelapparatuur

Gedetailleerde Uitleg van de Stroming van de Aansluitstroom en het Voorafslaanfenomeen in Schakelapparatuur

In schakelapparatuur, met name in circuitbrekers (CB) en belastingschakelaars (LBS), verwijst de aansluitstroom naar het proces waarbij een elektrische boog wordt geïnitieerd wanneer de contacten beginnen te sluiten. Dit proces begint niet precies wanneer de contacten fysiek contact maken, maar kan enkele milliseconden eerder optreden door een fenomeen dat bekend staat als voorafslaan. Hieronder volgt een gedetailleerde uitleg van dit fenomeen en zijn implicaties.

1. Voorafslaan: Initiatie van de Boog Voordat de Contacten Raken

• Dielectrische Doorbraak: Tijdens de sluitoperatie naderen de contacten elkaar, waardoor het isolatiemiddel (zoals lucht, SF6 of vacuüm) tussen hen een dielectrische doorbraak ondergaat. Dit gebeurt omdat het elektrische veld in de opening tussen de contacten toeneemt naarmate ze dichter bij elkaar komen. Wanneer de veldsterkte de dielectrische sterkte van het isolatiemiddel overtreedt, breekt de opening af en wordt een schakelboog geïnitieerd.

• Opbouw van Elektrisch Veld: Het elektrisch veld tussen de contacten bouwt op terwijl ze naar elkaar toe bewegen. Dit veld is evenredig aan de spanning over de contacten en omgekeerd evenredig aan de afstand tussen hen. Wanneer het veld voldoende sterk is, veroorzaakt het ionisatie van de gasmoleculen in de opening, wat leidt tot de vorming van een geleidende weg voor de stroom om te vloeien.

• Initiatie van de Boog: De boog wordt geïnitieerd voordat de contacten daadwerkelijk raken, meestal enkele milliseconden eerder. Deze vroege initiatie van de boog wordt voorafslaan genoemd. Tijdens het voorafslaan vormt de boog zich in de kleine opening tussen de contacten, en begint de stroom door de boog te vloeien in plaats van te wachten tot de contacten fysiek contact maken.

2. Implicaties van Voorafslaan

• Excessieve Smelting van Contactoppervlakken: Als de energie betrokken bij het voorafslaan groot is, kan dit leiden tot excessieve smelting van de contactoppervlakken. Dit is vooral problematisch bij kortsluitsituaties, waarbij de stroom extreem hoog kan zijn. Het gesmolten metaal op de contactoppervlakken kan leiden tot het lassen van de contacten, waarbij de twee oppervlakken samensmelten.

• Lasen van Contacten: Gelaste contacten kunnen voorkomen dat het schakelapparaat correct reageert op de volgende openingsopdracht. Als het bedrijfsmechanisme van de schakelapparatuur niet voldoende kracht biedt om de gelaste punten te verbreken, kan het apparaat niet goed openen, wat potentieel veiligheidsrisico's en apparatuurschade kan veroorzaken.

• Karakteristieken van Kortsluitstroom: Kortsluitstromen bevatten vaak een DC-component, wat kan leiden tot een piekwaarde van de stroom die veel hoger is dan die van een zuivere AC-kortsluitstroom. Deze verhoogde piekstroom kan de effecten van voorafslaan verergeren, wat leidt tot ernstiger contactschade en lasen.

• Afhankelijkheid van Bogen Spanning: De spanning over de boog (bogenspanning) is sterk afhankelijk van het onderbrekingsmedium dat in de schakelapparatuur wordt gebruikt. Zelfs bij zeer korte bogenlengtes kan er een aanzienlijke spanningsval nabij de elektroden optreden. Dit komt doordat de boogweerstand niet uniform is langs de lengte, en de gebieden nabij de elektroden een hogere weerstand hebben vanwege de concentratie van warmte en geïoniseerde deeltjes.

3. Sluiten Onder Kortsluitcondities

• Circuitbrekers (CB): Bij circuitbrekers is de sluitoperatie onder kortsluitcondities bijzonder uitdagend. De hoge stroomniveaus en de aanwezigheid van een DC-component kunnen leiden tot intense boogvorming en contactschade. Moderne circuitbrekers zijn ontworpen met geavanceerde materialen en koelmecanismen om deze effecten te verminderen, maar voorafslaan blijft een zorg.

• Belastingschakelaars (LBS): Belastingschakelaars zijn ook gevoelig voor voorafslaan tijdens de sluitoperatie, vooral in toepassingen met hoge stromen. Echter, LBS-apparaten worden meestal gebruikt in toepassingen met lagere spanningen en lagere stromen vergeleken met circuitbrekers, dus het risico op ernstige contactschade is over het algemeen lager.

4. Fasen van de Sluitoperatie in Schakelapparatuur

De sluitoperatie van schakelapparatuur kan worden verdeeld in verschillende fasen, zoals weergegeven in de figuur:

• Fase 1: Initiele Benadering van de Contacten: De contacten beginnen naar elkaar toe te bewegen, en het elektrisch veld tussen hen begint op te bouwen. Op dit moment stroomt er nog geen stroom, maar het potentieel voor voorafslaan neemt toe.

• Fase 2: Vorming van de Voorafslaanboog: Terwijl de contacten dichterbij komen, overschrijdt het elektrisch veld de dielectrische sterkte van het isolatiemiddel, wat leidt tot een dielectrische doorbraak. Een voorafslaanboog wordt gevormd, en de stroom begint door de boog te vloeien voordat de contacten raken.

• Fase 3: Contact en Overdracht van de Boog: De contacten maken eindelijk fysiek contact, en de boog wordt overgedragen van de opening tussen de contacten naar de contactoppervlakken. De stroom blijft vloeien door de nu gesloten schakeling.

• Fase 4: Steady-State Bedrijf: Na het volledig sluiten van de contacten gaat het systeem over in steady-state bedrijf, en de stroom vloeit door de gesloten contacten zonder enige boogvorming.

5. Verminderingstrategieën

Om de effecten van voorafslaan en contactlasen te minimaliseren, kunnen verschillende ontwerps- en operationele strategieën worden toegepast:

• Gebruik van Isolatiemedia met Hoge Dielectrische Sterkte: Het gebruik van isolatiemedia met hoge dielectrische sterkte, zoals SF6-gas of vacuüm, kan het risico op voorafslaan verkleinen door een hoger elektrisch veld nodig te hebben om de doorbraak te initiëren.

• Geavanceerde Contactmaterialen: Het gebruik van contactmaterialen met hoge smeltpunten en goede thermische geleiding kan helpen om contactschade tijdens voorafslaan te verminderen. Materialen zoals koper-wolframlegers worden vaak gebruikt in hoogspanningschakelapparatuur.

• Koelmecanismen: Het integreren van koelmecanismen, zoals puffer-systemen of gedwongen gasstroom, kan helpen om de warmte van de boog af te voeren en de temperatuur van de contactoppervlakken te verlagen, waardoor het risico op lasen wordt geminimaliseerd.

• Mechanische Ontwerpverbeteringen: Ervoor zorgen dat het bedrijfsmechanisme voldoende kracht biedt om eventuele gelaste punten tijdens de openingsoperatie te verbreken, kan voorkomen dat de schakelapparatuur niet goed open kan gaan.

• Beveiligingssystemen: Het implementeren van beveiligingssystemen, zoals overstroomrelais en foutdetectiemechanismen, kan helpen om kortsluitsituaties sneller te detecteren en te reageren, waardoor de duur en intensiteit van de boog wordt verlaagd.

Conclusie

Het voorafslaanfenomeen, waarbij de boog wordt geïnitieerd voordat de contacten fysiek contact maken, is een cruciaal aspect van de sluitoperatie in schakelapparatuur. Het kan leiden tot excessieve contactschade, lasen en potentiële storing van het schakelapparaat. Het begrijpen van de factoren die bijdragen aan voorafslaan, zoals de opbouw van het elektrisch veld en de kenmerken van het isolatiemiddel, is essentieel voor het ontwerpen en bedrijven van betrouwbare schakelapparatuur. Door passende verminderingstrategieën toe te passen, zoals het gebruik van isolatiemedia met hoge dielectrische sterkte, geavanceerde contactmaterialen en koelmecanismen, kunnen de effecten van voorafslaan worden geminimaliseerd, waardoor veilig en betrouwbaar bedrijf van schakelapparatuur in zowel circuitbrekers als belastingschakelaars wordt gewaarborgd.