Uslovi za rad pod struju krátog spoja za aparatne postrojenje

Detaljno objašnjenje toka struje i fenomena pre-strike u komutacionom opremi

U komutacionoj opremi, posebno u prekidačima (CB) i prekidnicama za opterećenje (LBS), tok struje se odnosi na proces inicijacije električne lukice kada kontakte počinju da se zatvaraju. Ovaj proces ne počinje tačno kada kontakte fizički dodirnu, već može nastupiti nekoliko milisekundi ranije zbog fenomena poznatog kao pre-strike. U nastavku sledi detaljno objašnjenje ovog fenomena i njegovih implikacija.

1. Pre-strike: Inicijacija luke pre fizičkog dodira kontakata

• Dielektrični propad: Dok se kontakte približavaju jedan drugom tokom operacije zatvaranja, izolativna sredina (poput vazduha, SF6 ili vakuma) između njih podlegava dielektričnom propadu. Ovo se dešava jer električno polje u raskolu između kontakata raste kako se one približavaju. Kada snaga polja premaši dielektričnu čvrstoću izolativne sredine, raskola se propada i inicijalizuje se luka preklapanja.

• Nastanak električnog polja: Električno polje između kontakata raste dok se one kreću jedna ka drugoj. Ovo polje je proporcionalno naponu između kontakata i obrnuto proporcionalno rastojanju između njih. Kada polje postane dovoljno jako, dovodi do jonizacije molekula gasa u raskolu, što dovodi do formiranja vodljive putanje za tok struje.

• Inicijacija luke: Luka se inicijalizuje pre nego što kontakte fizički dodirnu, obično nekoliko milisekundi ranije. Ova rana inicijacija luke se naziva pre-strike. Toku pre-strike, luka se formira u maloj raskoli između kontakata, a struja počinje da teče kroz lukum umesto da čeka da kontakte fizički dodirnu.

2. Implikacije pre-strike-a

• Prevashodno taloženje površina kontakata: Ako je energija uključena u pre-strike velika, može dovesti do prevashodnog taloženja površina kontakata. Ovo je posebno problematično u uslovima kratkog spoja, gde može biti ekstremno visoka struja. Talozeni metal na površinama kontakata može dovesti do savarenja kontakata, gde se dve površine spajaju zajedno.

• Savarenje kontakata: Savareni kontakti mogu sprečiti da prekidni uređaj pravilno reaguje na sledeću naredbu otvaranja. Ako radni mehanizam komutacione opreme ne pruža dovoljnu snagu da prekine savarene tačke, uređaj može neuspelo otvoriti, što može dovesti do potencijalnih bezbednosnih opasnosti i oštećenja opreme.

• Karakteristike struje kratkog spoja: Struja kratkog spoja često sadrži DC komponentu, koja može dovesti do toga da je vrhovna vrednost struje mnogo veća od vrhovne vrednosti čiste AC struje kratkog spoja. Ova povećana vrhovna struja može pogoršati efekte pre-strike-a, dovodeći do ozbiljnijeg oštećenja kontakata i savarenja.

• Zavisnost napona luke: Napon preko luke (napon luke) je visoko zavistan od prekidne sredine koriscene u komutacionoj opremi. Čak i sa veoma kratkim dužinama luke, može biti značajan pad napona blizu elektroda. To je zato što otpor luke nije uniforman duž svoje dužine, a regioni blizu elektroda imaju veći otpor zbog koncentracije toplote i jonizovanih čestica.

3. Formiranje pod uslovima kratkog spoja

• Prekidači (CB): U prekidačima, operacija formiranja pod uslovima kratkog spoja je posebno izazovna. Visoke nivo struje i prisustvo DC komponente može dovesti do intenzivnog lukovanja i oštećenja kontakata. Moderni prekidači su dizajnirani sa naprednim materijalima i hlađećim mehanizmima kako bi se smanjili ovi efekti, ali pre-strike ostaje problem.

• Prekidnice za opterećenje (LBS): Prekidnice za opterećenje takođe su podložne pre-strike tokom operacije formiranja, posebno u aplikacijama visokih struja. Međutim, LBS uređaji se tipično koriste u aplikacijama nižeg napona i niže struje u poređenju sa prekidačima, pa je rizik od ozbiljnog oštećenja kontakata opšte manji.

4. Etape operacije formiranja u komutacionoj opremi

Operacija formiranja u komutacionoj opremi može se podeliti u nekoliko etapa, kao što je prikazano na slici:

• Etapa 1: Početni pristup kontakata: Kontakte počinju da se kreću jedna ka drugoj, a električno polje između njih počinje da se gradi. Na ovoj etapi, nema toka struje, ali potencijal za pre-strike raste.

• Etapa 2: Formiranje luke pre-strike: Kako se kontakte približavaju, električno polje premaši dielektričnu čvrstoću izolativne sredine, dovodeći do dielektričnog propada. Formira se luka pre-strike, a struja počinje da teče kroz lukum pre nego što kontakte dodirnu.

• Etapa 3: Dodir kontakata i prenos luke: Kontakte konačno fizički dodirnu, a luka se prenosi sa raskole između kontakata na površine kontakata. Struja nastavlja da teče kroz sada zatvorenu vezu.

• Etapa 4: Steady-state operacija: Nakon što su kontakte potpuno zatvorene, sistem ulazi u steady-state operaciju, a struja teče kroz zatvorene kontakte bez lukovanja.

5. Strategije mitigacije

Da bi se smanjili efekti pre-strike-a i savarenja kontakata, mogu se primeniti nekoliko dizajnerskih i operativnih strategija:

• Korišćenje sredina sa visokom dielektričnom čvrstoćom: Korišćenje izolativnih sredina sa visokom dielektričnom čvrstoćom, poput SF6 gasa ili vakuma, može smanjiti verovatnoću pre-strike-a, tražeći više električno polje da inicijalizuje propad.

• Napredni materijali kontakata: Korišćenje materijala kontakata sa visokim temperaturama taloženja i dobrim termalnim provodnošću može pomoći u smanjenju oštećenja kontakata tokom pre-strike-a. Materijali poput legura bakar-volfram se često koriste u visokonaponskoj komutacionoj opremi.

• Hlađeći mehanizmi: Ugradnja hlađećih mehanizama, poput puferskih sistema ili prisilnog protoka gasa, može pomoći u disipiranju toplote od luke i smanjenju temperature površina kontakata, minimizujući rizik od savarenja.

• Unapređenja mehaničkog dizajna: Osiguranje da radni mehanizam pruža dovoljnu snagu da prekine bilo kakve savarene tačke tokom operacije otvaranja može sprečiti da komutaciona oprema neuspešno otvori.

• Sistemi zaštite: Implementacija sistema zaštite, poput releja za prekomernu struju i mehanizama za detektovanje grešaka, može pomoći u bržem detektovanju i reagovanju na uslove kratkog spoja, smanjujući trajanje i intenzitet luke.

Zaključak

Fenomen pre-strike, gde se luka inicijalizuje pre nego što kontakte fizički dodirnu, jeste ključan aspekt operacije formiranja u komutacionoj opremi. Može dovesti do prevashodnog oštećenja kontakata, savarenja i potencijalnog otkaza prekidnog uređaja. Razumevanje faktora koji doprinose pre-strike-u, poput gradnje električnog polja i karakteristika izolativne sredine, jest esencijalno za dizajniranje i operaciju pouzdane komutacione opreme. Primenom odgovarajućih strategija mitigacije, poput korišćenja sredina sa visokom dielektričnom čvrstoćom, naprednih materijala kontakata i hlađećih mehanizama, efekti pre-strike-a mogu biti minimizirani, osiguravajući sigurnu i pouzdanu operaciju komutacione opreme u prekidačima i prekidnicama za opterećenje.