Создание условий при коротком замыкании для коммутационного оборудования
Подробное объяснение процесса протекания тока и явления предварительного пробоя в коммутационном оборудовании
В коммутационном оборудовании, особенно в выключателях (CB) и переключателях нагрузки (LBS), под протеканием тока понимается процесс, при котором возникает электрическая дуга, когда контакты начинают смыкаться. Этот процесс не начинается точно в момент физического соприкосновения контактов, а может происходить на несколько миллисекунд раньше из-за явления, известного как предварительный пробой. Ниже приведено подробное объяснение этого явления и его последствий.
Предварительный пробой: инициирование дуги до физического соприкосновения контактов
Диэлектрический пробой: Когда контакты приближаются друг к другу во время операции смыкания, диэлектрическая среда (например, воздух, SF6 или вакуум) между ними подвергается диэлектрическому пробою. Это происходит потому, что электрическое поле в зазоре между контактами увеличивается по мере их приближения. Когда напряженность поля превышает диэлектрическую прочность диэлектрической среды, зазор пробивается, и инициируется дуга.
Накопление электрического поля: Электрическое поле между контактами накапливается по мере их приближения друг к другу. Это поле пропорционально напряжению между контактами и обратно пропорционально расстоянию между ними. Когда поле становится достаточно сильным, оно вызывает ионизацию газовых молекул в зазоре, создавая проводящий путь для протекания тока.
Инициирование дуги: Дуга инициируется до того, как контакты фактически соприкоснутся, обычно за несколько миллисекунд. Это раннее инициирование дуги называется предварительным пробоем. Во время предварительного пробоя дуга формируется в небольшом зазоре между контактами, и ток начинает протекать через дугу, а не ждет физического соприкосновения контактов.
Последствия предварительного пробоя
Чрезмерное плавление поверхностей контактов: Если энергия, участвующая в предварительном пробое, велика, это может привести к чрезмерному плавлению поверхностей контактов. Это особенно проблематично при коротком замыкании, где ток может быть чрезвычайно высоким. Расплавленный металл на поверхностях контактов может привести к сварке контактов, когда две поверхности сплавляются вместе.
Сварка контактов: Сваренные контакты могут препятствовать нормальному отклику коммутационного устройства на следующую команду на размыкание. Если механизм управления коммутационного оборудования не обеспечивает достаточной силы для разрушения сваренных точек, устройство может не открываться должным образом, что может привести к потенциальным опасностям и повреждению оборудования.
Характеристики тока короткого замыкания: Ток короткого замыкания часто содержит постоянную составляющую, которая может привести к тому, что пиковая величина тока будет намного выше, чем у чистого переменного тока короткого замыкания. Это увеличенная пиковая величина тока может усиливать эффекты предварительного пробоя, приводя к более серьезному повреждению контактов и сварке.
Зависимость напряжения дуги: Напряжение на дуге (напряжение дуги) сильно зависит от используемой среды прерывания в коммутационном оборудовании. Даже при очень коротких длинах дуги могут наблюдаться значительные падения напряжения вблизи электродов. Это связано с тем, что сопротивление дуги не является равномерным вдоль ее длины, и области вблизи электродов имеют большее сопротивление из-за концентрации тепла и ионизированных частиц.
Смыкание при условиях короткого замыкания
Выключатели (CB): В выключателях операция смыкания при условиях короткого замыкания особенно сложна. Высокие уровни тока и наличие постоянной составляющей могут привести к интенсивному образованию дуги и повреждению контактов. Современные выключатели проектируются с использованием передовых материалов и систем охлаждения для снижения этих эффектов, но предварительный пробой остается проблемой.
Переключатели нагрузки (LBS): Переключатели нагрузки также подвержены предварительному пробою во время операции смыкания, особенно в применениях с высоким током. Однако устройства LBS обычно используются в сетях с более низким напряжением и током по сравнению с выключателями, поэтому риск серьезного повреждения контактов обычно ниже.
Этапы операции смыкания в коммутационном оборудовании
Операция смыкания в коммутационном оборудовании может быть разделена на несколько этапов, как показано на рисунке:
Этап 1: Начальное приближение контактов: Контакты начинают двигаться друг к другу, и электрическое поле между ними начинает накапливаться. На этом этапе ток еще не протекает, но вероятность предварительного пробоя увеличивается.
Этап 2: Формирование дуги предварительного пробоя: По мере приближения контактов, электрическое поле превышает диэлектрическую прочность диэлектрической среды, вызывая диэлектрический пробой. Формируется дуга предварительного пробоя, и ток начинает протекать через дугу до физического соприкосновения контактов.
Этап 3: Физическое соприкосновение контактов и передача дуги: Контакты, наконец, физически соприкасаются, и дуга передается от зазора между контактами на поверхности контактов. Ток продолжает протекать через теперь замкнутый контур.
Этап 4: Установившийся режим работы: После полного смыкания контактов система переходит в установившийся режим работы, и ток протекает через закрытые контакты без образования дуги.
Стратегии минимизации
Для минимизации эффектов предварительного пробоя и сварки контактов можно применять несколько конструктивных и эксплуатационных стратегий:
Использование диэлектрических сред с высокой диэлектрической прочностью: Использование диэлектрических сред с высокой диэлектрической прочностью, таких как газ SF6 или вакуум, может снизить вероятность предварительного пробоя, требуя более высокого электрического поля для инициирования пробоя.
Применение продвинутых материалов контактов: Использование материалов контактов с высокой температурой плавления и хорошей теплопроводностью может помочь снизить повреждение контактов при предварительном пробое. Материалы, такие как медно-вольфрамовые сплавы, широко используются в высоковольтном коммутационном оборудовании.
Механизмы охлаждения: Включение механизмов охлаждения, таких как системы поддува или принудительного газового потока, может помочь рассеивать тепло от дуги и снижать температуру поверхностей контактов, минимизируя риск сварки.
Улучшения механического дизайна: Обеспечение того, чтобы механизм управления обеспечивал достаточную силу для разрушения любых сваренных точек во время операции размыкания, может предотвратить отказ коммутационного оборудования от нормального открытия.
Системы защиты: Реализация систем защиты, таких как реле максимального тока и механизмы обнаружения неисправностей, может помочь быстрее обнаруживать и реагировать на условия короткого замыкания, сокращая длительность и интенсивность дуги.
Заключение
Явление предварительного пробоя, при котором дуга инициируется до физического соприкосновения контактов, является критическим аспектом операции смыкания в коммутационном оборудовании. Оно может привести к чрезмерному повреждению контактов, сварке и потенциальному отказу коммутационного устройства. Понимание факторов, способствующих предварительному пробою, таких как накопление электрического поля и характеристики диэлектрической среды, является важным для проектирования и эксплуатации надежного коммутационного оборудования. Применяя соответствующие стратегии минимизации, такие как использование диэлектрических сред с высокой диэлектрической прочностью, продвинутых материалов контактов и механизмов охлаждения, можно снизить эффекты предварительного пробоя, обеспечивая безопасную и надежную работу коммутационного оборудования, как в выключателях, так и в переключателях нагрузки.
