Izdelava pogojev za kratkoročni tok za preklopnike

Podroben razlagi nastanka tokovnega pretoka in pojava predzajeka v preklopnih napravah

V preklopnih napravah, zlasti v preklopnih ventilih (CB) in preklopnih ventilih za obremenitve (LBS), se s procesom nastanka tokovnega pretoka nanaša na postopek, pri katerem se električni luk začne, ko se kontakta začnejo zapirati. Ta postopek se ne začne točno, ko se kontakta fizično dotikata, ampak se lahko zgodi nekaj milisekund ranee zaradi pojave, ki se imenuje predzajek. Spodaj je podrobna razlaga te pojave in njenih posledic.

1. Predzajek: Zaganjanje luka pred dotikom kontaktov

• Dielektrično razpadanje: Ko se kontakta med operacijo zapiranja približujeta drug drugega, dobi izolacijsko sredstvo (na primer zrak, SF6 ali vakuum) med njima dielektrično razpadanje. To se zgodi, ker se električno polje v praznini med kontaktoma povečuje, ko se ti približujejo. Ko preseže moč polja dielektrično trdoto izolacijskega sredstva, se praznina razbije in se zagnane električni luk.

• Nastanek električnega polja: Električno polje med kontaktoma se gradi, ko se ti premikata drug proti drugemu. To polje je sorazmerno z naponom med kontaktoma in obratno sorazmerno z razdaljo med njima. Ko postane polje dovolj močno, povzroči ionizacijo plinskih molekul v praznini, kar vodi k nastanku prevodnega poteka za pretok toka.

• Zaganjanje luka: Luk se začne preden se kontakta dejansko dotikata, tipično nekaj milisekund ranee. To rano zaganjanje luka se imenuje predzajek. Med predzajkom se luk formira v majhni praznini med kontaktoma in tok se začne pretokati skozi luk namesto, da bi čakal, da se kontakta fizično dotikata.

2. Posledice predzajeka

• Prevelika taljenje površin kontaktov: Če je energija, vpletena v predzajek, velika, lahko povzroči preveliko taljenje površin kontaktov. To je zlasti problematično v pogojih kratkih krmil, kjer je toker lahko zelo visok. Taljen metal na površinah kontaktov lahko vodi do varjenja kontaktov, kjer se dve površini združita.

• Varjenje kontaktov: Varjeni kontakti lahko preprečijo, da preklopna naprava ustrezno odziva na naslednji ukaz za odpiranje. Če delovanje mehanizma preklopnih naprav ne zagotovi dovolj moči, da prekine varjene točke, se naprava lahko odpri nepravilno, kar vodi do morebitnih varnostnih tveganj in poškodbe opreme.

• Značilnosti toka pri kratkem krmilu: Tok pri kratkem krmilu pogosto vsebuje DC komponento, ki lahko povzroči, da je vrhovna vrednost toka mnogo višja kot pri čistem AC toku pri kratkem krmilu. Ta povečana vrhovna vrednost toka lahko poslabša učinke predzajeka, kar vodi do bolj težke škode kontaktov in varjenja.

• Odvisnost luku napetosti: Napetost na luku (napetost luka) je zelo odvisna od prekinjalnega sredstva, uporabljenga v preklopnih napravah. Tudi pri zelo kratkih dolžinah luka lahko obstajajo znatni padeci napetosti blizu elektrod. To je zato, ker ni enakomerno porazdeljena upornost luka vzdolž njegove dolžine, in regije blizu elektrod imajo običajno višjo upornost zaradi koncentracije toplote in joniziranih delcev.

3. Zapiranje v pogojih kratkega krmila

• Preklopna ventila (CB): V preklopnih ventilih je operacija zapiranja v pogojih kratkega krmila zlasti izzivna. Visoke ravni toka in prisotnost DC komponente lahko vodita do intenzivnega lukanja in škode kontaktov. Moderna preklopna ventila so oblikovana z naprednimi materiali in hlačnimi mehanizmi, da se zmanjšajo ti učinki, vendar ostaja predzajek pomembna skrb.

• Preklopna ventila za obremenitve (LBS): Preklopna ventila za obremenitve so tudi občutljivi na predzajek med operacijo zapiranja, zlasti v aplikacijah z visokim tokom. Vendar pa so LBS naprave običajno uporabljene v aplikacijah z nižjim napetostjo in tokom v primerjavi s preklopni ventili, zato je tveganje za težko škodo kontaktov običajno manjše.

4. Faze operacije zapiranja v preklopnih napravah

Operacija zapiranja preklopnih naprav se lahko razdeli na več faz, kot je prikazano na sliki:

• Faza 1: Začetni približevanje kontaktov: Kontakta se začnejo premikati drug proti drugemu in električno polje med njima se začne graditi. V tej fazi ne gre noben toker, vendar se povečuje potencial za predzajek.

• Faza 2: Oblikovanje predzajek luka: Ko se kontakta približujeta, preseže električno polje dielektrično trdotu izolacijskega sredstva, kar povzroči dielektrično razpadanje. Formira se predzajek luka in tok se začne pretokati skozi luk preden se kontakta dotikata.

• Faza 3: Dotik kontaktov in prenos luka: Kontakta končno fizično dotikata in luk se prenese iz praznine med kontaktoma na površine kontaktov. Toker nadaljuje s pretokom skozi zdaj zaprti tokokrog.

• Faza 4: Steady-state operacija: Po tem, ko so se kontakta popolnoma zaprli, sistem vstopi v steady-state operacijo in toker teče skozi zaprte kontakte brez kakršnekoli lukanja.

5. Strategije zmanjševanja

Za zmanjšanje učinkov predzajeka in varjenja kontaktov se lahko uporabi več dizajnskih in operativnih strategij:

• Uporaba izolacijskih sredstev z visoko dielektrično trdoto: Uporaba izolacijskih sredstev z visoko dielektrično trdoto, kot so plin SF6 ali vakuum, lahko zmanjša verjetnost predzajeka, saj zahteva višjo moč električnega polja za zaganjanje razpadanja.

• Napredni materiali za kontakte: Uporaba materialov za kontakte z visokimi taljenimi točkami in dobro toplinsko prevodnostjo lahko pomaga zmanjšati škodo kontaktov med predzajekom. Materiali, kot so legiranja bakra in volframa, so pogosto uporabljeni v visokonapetostnih preklopnih napravah.

• Hlačni mehanizmi: Vključitev hlačnih mehanizmov, kot so sistemi puhal in prisilni pretok plina, lahko pomaga disipirati toplotno energijo iz luka in zmanjša temperaturo površin kontaktov, kar zmanjša tveganje varjenja.

• Poboljšave mehanskega dizajna: Zagotavljanje, da delovalni mehanizem zagotavlja dovolj moč, da prekine katere koli varjene točke med operacijo odpiranja, lahko prepreči, da bi preklopna naprava odpri nepravilno.

• Sistemi za zaščito: Implementacija sistemov za zaščito, kot so reléji za preveliki toker in mehanizmi za zaznavanje napak, lahko pomaga hitreje zaznati in odzivati na pogoje kratkega krmila, kar zmanjša trajanje in intenziteto luka.

Zaključek

Pojav predzajeka, kjer se luk začne preden se kontakta fizično dotikata, je ključen vidik operacije zapiranja v preklopnih napravah. Lahko vodi do prevelike škode kontaktov, varjenja in morebitnega odpovedovanja preklopne naprave. Razumevanje dejavnikov, ki prispevajo k predzajku, kot je gradnja električnega polja in značilnosti izolacijskega sredstva, je ključno za oblikovanje in delovanje zanesljivih preklopnih naprav. S uporabo ustreznih strategij zmanjševanja, kot je uporaba izolacijskih sredstev z visoko dielektrično trdoto, naprednih materialov za kontakte in hlačnih mehanizmov, se lahko učinki predzajeka zmanjšajo, kar zagotavlja varno in zanesljivo delovanje preklopnih naprav v preklopnih ventilih in preklopnih ventilih za obremenitve.