Förhållanden under kortslutström för strömbrytare
Detaljerad förklaring av strömförloppet och förförstarkningen i spännbrytare
I spännbrytare, särskilt i kretsstyckare (CB) och belastningsavkopplare (LBS), hänvisar strömförloppet vid anslutning till processen där en elektrisk båge initieras när kontakterna börjar stängas. Denna process börjar inte exakt när kontakterna fysiskt rör vid varandra, utan kan inträffa flera millisekunder tidigare på grund av ett fenomen som kallas förförstarkning. Nedan följer en detaljerad förklaring av detta fenomen och dess konsekvenser.
Förförstarkning: Initiering av båge innan kontakterna rör vid varandra
Dielektrisk nedbrytning: När kontakterna närmar sig varandra under stängningsoperationen utvecklas en dielektrisk nedbrytning i den isolerande mediet (som luft, SF6 eller vakuum) mellan dem. Detta inträffar eftersom det elektriska fältet i gapet mellan kontakterna ökar när de kommer närmare. När fältstyrkan överskrider det dielektriska motståndet i det isolerande mediet bryts gapet ned, och en spännbrytarbåge initieras.
Uppbyggnad av elektriskt fält: Fältet mellan kontakterna byggs upp när de rör sig mot varandra. Detta fält är proportionellt mot spänningen över kontakterna och omvänt proportionellt mot avståndet mellan dem. När fältet blir tillräckligt starkt orsakar det jonisering av gasmolekyler i gapet, vilket leder till bildandet av en ledande väg för strömmen att flöda genom.
Bågeinitiering: Bågen initieras innan kontakterna faktiskt rör vid varandra, vanligtvis flera millisekunder tidigare. Denna tidiga initiering av bågen kallas förförstarkning. Under förförstarkning formar bågen sig i det lilla gapet mellan kontakterna, och strömmen börjar flöda genom bågen snarare än att vänta på att kontakterna ska göra fysisk kontakt.
Konsekvenser av förförstarkning
Överdriven smältning av kontaktytor: Om energin som involveras i förförstarkningen är stor, kan det orsaka överdriven smältning av kontaktytor. Detta är särskilt problematiskt vid kortslutningsförhållanden, där strömmen kan vara extremt hög. Smältmetall på kontaktytor kan leda till svetsning av kontakter, där de två ytor fognas samman.
Svetsning av kontakter: Svetsade kontakter kan hindra spännbrytaren från att reagera korrekt på nästa öppningskommando. Om drivsystemet i spännbrytaren inte ger tillräcklig kraft för att bryta de svetsade punkterna, kan enheten misslyckas med att öppna korrekt, vilket kan leda till potentiella säkerhetsrisker och utrustningskada.
Kortslutningsströmsegenskaper: Kortslutningsströmmar innehåller ofta en DC-komponent, vilket kan orsaka att toppvärdet för strömmen blir mycket högre än för en ren AC-kortslutningsström. Denna ökade toppström kan förvärra effekterna av förförstarkning, vilket leder till mer allvarlig kontaktskada och svetsning.
Beroende av bågespänning: Spänningen över bågen (bågespänning) är starkt beroende av det avbrytande mediet som används i spännbrytaren. Även med mycket korta båglängder kan det finnas betydande spänningsfall nära elektroder. Detta beror på att bågens resistans inte är jämn längs sin längd, och regionerna nära elektroder tenderar att ha högre resistans på grund av värme- och joniserade partiklar.
Anslutning under kortslutningsförhållanden
Kretsstyckare (CB): I kretsstyckare är anslutningsoperationen under kortslutningsförhållanden särskilt utmanande. De höga strömnivåerna och närvaron av en DC-komponent kan leda till intensiv bågning och kontaktskada. Moderna kretsstyckare är utformade med avancerade material och kylningsmekanismer för att mildra dessa effekter, men förförstarkning är fortfarande en bekymmer.
Belastningsavkopplare (LBS): Belastningsavkopplare är också mottagliga för förförstarkning under anslutningsoperationen, särskilt i högströmsapplikationer. Men LBS-enheter används vanligtvis i lägre spänning och lägre strömsapplikationer jämfört med kretsstyckare, så risken för allvarlig kontaktskada är generellt sett lägre.
Steg i anslutningsoperationen i spännbrytare
Anslutningsoperationen i spännbrytare kan delas in i flera steg, som visas i figuren:
Steg 1: Inledande närmande av kontakter: Kontakterna börjar röra sig mot varandra, och det elektriska fältet mellan dem börjar byggas upp. På detta stadiet flödar ingen ström, men potentialen för förförstarkning ökar.
Steg 2: Bildning av förförstarkningsbåge: När kontakterna kommer närmare överskrider det elektriska fältet det dielektriska motståndet i det isolerande mediet, vilket leder till en dielektrisk nedbrytning. En förförstarkningsbåge bildas, och strömmen börjar flöda genom bågen innan kontakterna rör vid varandra.
Steg 3: Kontaktkontakt och bågetransfer: Kontakterna gör slutligen fysisk kontakt, och bågen överförs från gapet mellan kontakterna till kontaktytor. Strömmen fortsätter flöda genom den nu stängda kretsen.
Steg 4: Stillastående drift: Efter att kontakterna har fullständigt stängts går systemet över till stillastående drift, och strömmen flödar genom de stängda kontakterna utan någon bågning.
Minskningsstrategier
För att minimera effekterna av förförstarkning och kontaktsvetsning kan flera design- och driftstrategier användas:
Användning av isolerande medier med högt dielektriskt motstånd: Användning av isolerande medier med högt dielektriskt motstånd, som SF6-gas eller vakuum, kan minska sannolikheten för förförstarkning genom att kräva ett högre elektriskt fält för att initiera nedbrytning.
Avancerade kontaktmaterial: Användning av kontaktmaterial med höga smältpunkter och bra termiskt ledande kan hjälpa till att minska kontaktskada under förförstarkning. Material som koppar-volframlegeringar används ofta i högspänningsutrustning.
Kylningsmekanismer: Genom att integrera kylningsmekanismer, som puffer-system eller tvingad gasflöde, kan värme från bågen spridas bort och temperaturen på kontaktytor minskas, vilket minimerar risken för svetsning.
Mekaniska designförbättringar: Att säkerställa att drivsystemet ger tillräcklig kraft för att bryta eventuella svetsade punkter under öppningsoperationen kan förhindra att spännbrytaren misslyckas med att öppna korrekt.
Skyddssystem: Implementering av skyddssystem, som överströmsreläer och felupptäckningsmekanismer, kan hjälpa till att upptäcka och reagera på kortslutningsförhållanden snabbare, vilket minskar varaktigheten och intensiteten av bågen.
Slutsats
Förförstarkningsfenomenet, där bågen initieras innan kontakterna fysiskt rör vid varandra, är en kritisk aspekt av anslutningsoperationen i spännbrytare. Det kan leda till överdriven kontaktskada, svetsning och potentiell misslyckad funktion hos spännbrytaren. Förståelse för de faktorer som bidrar till förförstarkning, som uppbrott av elektriskt fält och egenskaperna hos det isolerande mediet, är avgörande för att utforma och drifta tillförlitlig spännbrytare. Genom att använda lämpliga minskningsstrategier, som användning av isolerande medier med högt dielektriskt motstånd, avancerade kontaktmaterial och kylningsmekanismer, kan effekterna av förförstarkning minimeras, vilket garanterar säker och tillförlitlig drift av spännbrytare både i kretsstyckare och belastningsavkopplare.
