Warunki dotyczące prądu zwarciowego dla przełączników
Szczegółowe wyjaśnienie przepływu prądu i zjawiska pre-strike w aparatach przełączających
W aparatach przełączających, szczególnie w wyłącznikach (CB) i przełącznikach obciążenia (LBS), przepływ prądu powstaje w momencie, gdy rozpoczyna się łuk elektryczny, gdy kontakty zaczynają się zamykać. Ten proces nie zaczyna się dokładnie w momencie fizycznego dotknięcia kontaktów, ale może wystąpić kilka milisekund wcześniej z powodu zjawiska znanego jako pre-strike. Poniżej znajduje się szczegółowe wyjaśnienie tego zjawiska oraz jego konsekwencji.
Pre-strike: Inicjacja łuku przed dotknięciem kontaktów
Złam dielektryczny: Podczas operacji zamykania, gdy kontakty zbliżają się do siebie, izolujący środek (taki jak powietrze, SF6 lub próżnia) między nimi ulega zlamowi dielektrycznemu. To zjawisko następuje, ponieważ pole elektryczne w przerwie między kontaktami wzrasta, gdy one są coraz bliżej siebie. Gdy siła pola przekracza siłę dielektryczną izolującego środka, przerwa ulega zlamowi, a inicjuje się łuk przepustowy.
Nakładanie pola elektrycznego: Pole elektryczne między kontaktami buduje się, gdy one poruszają się ku sobie. To pole jest proporcjonalne do napięcia między kontaktami i odwrotnie proporcjonalne do odległości między nimi. Gdy pole staje się dostatecznie silne, powoduje jonizację cząsteczek gazu w przerwie, prowadząc do formowania się przewodzącej ścieżki dla przepływu prądu.
Inicjacja łuku: Łuk inicjuje się przed faktycznym dotknięciem kontaktów, zwykle kilka milisekund wcześniej. Ta wczesna inicjacja łuku nazywana jest pre-strike. Podczas pre-strike, łuk tworzy się w małej przerwie między kontaktami, a prąd zaczyna płynąć przez łuk, zamiast czekać na fizyczne dotknięcie kontaktów.
Konsekwencje pre-strike
Nadmierny stopienie powierzchni kontaktów: Jeśli energia zaangażowana w pre-strike jest duża, może to spowodować nadmierne stopienie powierzchni kontaktów. Jest to szczególnie problematyczne w warunkach krótkiego spięcia, gdzie prąd może być ekstremalnie wysoki. Stopiony metal na powierzchni kontaktów może prowadzić do spawania kontaktów, gdzie dwie powierzchnie złączą się razem.
Spawanie kontaktów: Spawane kontakty mogą zapobiec odpowiedniej reakcji urządzenia przełączającego na kolejne polecenie otwarcia. Jeśli mechanizm działania aparatu przełączającego nie zapewni wystarczającej siły do złamania spawanych punktów, urządzenie może nie otworzyć się poprawnie, prowadząc do potencjalnych zagrożeń bezpieczeństwa i uszkodzenia sprzętu.
Charakterystyka prądu krótkiego spięcia: Prądy krótkiego spięcia często zawierają składową DC, co może powodować, że wartość szczytowa prądu jest znacznie wyższa niż w przypadku czystego prądu AC krótkiego spięcia. Ten zwiększone szczyt prądu może nasilić skutki pre-strike, prowadząc do bardziej poważnych uszkodzeń kontaktów i spawania.
Zależność napięcia łuku: Napięcie na łuku (napięcie łuku) jest bardzo zależne od używanego środka przerwania w aparacie przełączającym. Nawet przy bardzo krótkich długościach łuku może występować znaczny spadek napięcia w pobliżu elektrod. Wynika to z tego, że opór łuku nie jest jednorodny wzdłuż jego długości, a regiony w pobliżu elektrod mają tendencję do wyższego oporu ze względu na koncentrację ciepła i jonizowanych cząsteczek.
Operacja zamykania w warunkach krótkiego spięcia
Wyłączniki (CB): W wyłącznikach, operacja zamykania w warunkach krótkiego spięcia jest szczególnie trudna. Wysokie poziomy prądu i obecność składowej DC mogą prowadzić do intensywnego łukowania i uszkodzenia kontaktów. Nowoczesne wyłączniki są projektowane z zaawansowanymi materiałami i mechanizmami chłodzenia, aby zmniejszyć te efekty, ale pre-strike pozostaje problemem.
Przełączniki obciążenia (LBS): Przełączniki obciążenia są również podatne na pre-strike podczas operacji zamykania, zwłaszcza w aplikacjach o wysokim prądzie. Jednak urządzenia LBS są zazwyczaj stosowane w aplikacjach o niższym napięciu i niższym prądzie w porównaniu do wyłączników, więc ryzyko ciężkiego uszkodzenia kontaktów jest ogólnie mniejsze.
Etap operacji zamykania w aparatach przełączających
Operacja zamykania aparatu przełączającego może być podzielona na kilka etapów, jak pokazano na rysunku:
Etap 1: Początkowe zbliżanie kontaktów: Kontakty zaczynają się poruszać ku sobie, a pole elektryczne między nimi zaczyna się budować. Na tym etapie nie płynie żaden prąd, ale potencjał pre-strike rośnie.
Etap 2: Formowanie łuku pre-strike: Gdy kontakty są coraz bliżej, pole elektryczne przekracza siłę dielektryczną izolującego środka, powodując zlamowanie dielektryczne. Tworzy się łuk pre-strike, a prąd zaczyna płynąć przez łuk przed dotknięciem kontaktów.
Etap 3: Dotknięcie kontaktów i transfer łuku: Kontakty w końcu dotykają się fizycznie, a łuk przenosi się z przerwy między kontaktami na powierzchnie kontaktów. Prąd nadal płynie przez teraz zamkniętą obwód.
Etap 4: Stabilna praca: Po całkowitym zamknięciu kontaktów, system wchodzi w fazę stabilnej pracy, a prąd płynie przez zamknięte kontakty bez łukowania.
Strategie redukcji
Aby zminimalizować skutki pre-strike i spawania kontaktów, można zastosować kilka strategii projektowych i operacyjnych:
Użycie izolujących środków o wysokiej sile dielektrycznej: Używanie izolujących środków o wysokiej sile dielektrycznej, takich jak gaz SF6 lub próżnia, może zmniejszyć prawdopodobieństwo pre-strike, wymagając wyższego pola elektrycznego do inicjacji zlamowania.
Zaawansowane materiały kontaktowe: Używanie materiałów kontaktowych o wysokich temperaturach topnienia i dobrych właściwościach przewodzenia ciepła może pomóc zredukować uszkodzenia kontaktów podczas pre-strike. Materiały takie jak stop miedź-wolfram są powszechnie stosowane w aparatach przełączających o wysokim napięciu.
Mechanizmy chłodzenia: Wprowadzenie mechanizmów chłodzenia, takich jak systemy pufery czy wymuszony przepływ gazu, może pomóc rozpraszać ciepło z łuku i obniżać temperaturę powierzchni kontaktów, minimalizując ryzyko spawania.
Wzmocnienia konstrukcyjne: Zapewnienie, że mechanizm działania zapewnia wystarczającą siłę do złamania wszelkich spawanych punktów podczas operacji otwarcia, może zapobiec awariom aparatu przełączającego, który nie otwiera się poprawnie.
Systemy ochronne: Implementacja systemów ochronnych, takich jak relays przeciwprądowe i mechanizmy wykrywania uszkodzeń, może pomóc szybciej wykrywać i reagować na warunki krótkiego spięcia, zmniejszając czas i intensywność łuku.
Podsumowanie
Zjawisko pre-strike, polegające na inicjacji łuku przed faktycznym dotknięciem kontaktów, jest kluczowym aspektem operacji zamykania w aparatach przełączających. Może prowadzić do nadmiernych uszkodzeń kontaktów, spawania i potencjalnej awarii urządzenia przełączającego. Zrozumienie czynników wpływających na pre-strike, takich jak budowanie się pola elektrycznego i charakterystyka izolującego środka, jest niezbędne do projektowania i obsługi niezawodnych aparatów przełączających. Zastosowanie odpowiednich strategii redukcji, takich jak użycie izolujących środków o wysokiej sile dielektrycznej, zaawansowanych materiałów kontaktowych i mechanizmów chłodzenia, może zminimalizować skutki pre-strike, zapewniając bezpieczne i niezawodne działanie aparatów przełączających zarówno w wyłącznikach, jak i w przełącznikach obciążenia.
