การกำหนดเงื่อนไขภายใต้กระแสรั่วสำหรับอุปกรณ์สวิตช์เกียร์
คำอธิบายอย่างละเอียดเกี่ยวกับการไหลของกระแสไฟฟ้าและการเกิดอาร์กไฟฟ้าล่วงหน้าในสวิตช์เกียร์
ในสวิตช์เกียร์ โดยเฉพาะในวงจรตัดกระแส (CB) และสวิตช์ตัดโหลด (LBS) การไหลของกระแสไฟฟ้าหมายถึงกระบวนการที่อาร์กไฟฟ้าเริ่มต้นเมื่อคอนแทคเริ่มปิด กระบวนการนี้ไม่ได้เริ่มต้นทันทีที่คอนแทคสัมผัสกันแต่อาจเกิดขึ้นหลายมิลลิวินาทีก่อนเนื่องจากปรากฏการณ์ที่เรียกว่า pre-strike ด้านล่างนี้เป็นคำอธิบายอย่างละเอียดเกี่ยวกับปรากฏการณ์นี้และผลกระทบของมัน
Pre-Strike: การเริ่มต้นอาร์กไฟฟ้าก่อนคอนแทคสัมผัส
การแตกหักทางดีเอเล็กทริก: เมื่อคอนแทคเข้าใกล้กันระหว่างการปิด สารฉนวน (เช่น อากาศ SF6 หรือสุญญากาศ) ระหว่างคอนแทคจะเกิดการแตกหักทางดีเอเล็กทริก เนื่องจากสนามไฟฟ้าในช่องว่างระหว่างคอนแทคเพิ่มขึ้นเมื่อคอนแทคเข้าใกล้กัน ขณะที่ความแรงของสนามไฟฟ้าเกินกำลังดีเอเล็กทริกของสารฉนวน ช่องว่างจะแตกหักและอาร์กไฟฟ้าจะเริ่มต้น
การสะสมของสนามไฟฟ้า: สนามไฟฟ้าระหว่างคอนแทคสะสมขึ้นเมื่อคอนแทคเคลื่อนที่เข้าหากัน สนามนี้เป็นสัดส่วนกับแรงดันระหว่างคอนแทคและกลับสัดส่วนกับระยะห่างระหว่างคอนแทค เมื่อสนามมีความแข็งแกร่งเพียงพอ มันจะทำให้โมเลกุลแก๊สในช่องว่างไอออนไนซ์ นำไปสู่การสร้างเส้นทางนำไฟฟ้าสำหรับกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน
การเริ่มต้นอาร์ก: อาร์กเริ่มต้นก่อนที่คอนแทคจะสัมผัสกันโดยทั่วไปจะเร็วกว่าหลายมิลลิวินาที ความเริ่มต้นอาร์กในช่วงเวลานี้เรียกว่า pre-strike ระหว่าง pre-strike อาร์กจะเกิดขึ้นในช่องว่างเล็ก ๆ ระหว่างคอนแทค และกระแสไฟฟ้าจะเริ่มไหลผ่านอาร์กแทนที่จะรอให้คอนแทคสัมผัสกัน
ผลกระทบที่เกิดจาก Pre-Strike
การหลอมเหลวมากเกินไปของพื้นผิวคอนแทค: หากพลังงานที่เกี่ยวข้องกับ pre-strike มีจำนวนมาก มันสามารถทำให้พื้นผิวคอนแทคลอมเหลวมากเกินไป ซึ่งเป็นปัญหาเฉพาะในกรณีที่เกิดภาวะลัดวงจร ที่กระแสไฟฟ้าสามารถสูงมาก พื้นผิวคอนแทคที่หลอมเหลวสามารถนำไปสู่การเชื่อมต่อของคอนแทค โดยที่สองพื้นผิวรวมตัวกัน
การเชื่อมต่อของคอนแทค: คอนแทคที่เชื่อมต่อสามารถป้องกันไม่ให้อุปกรณ์สวิตช์ตอบสนองอย่างเหมาะสมต่อคำสั่งเปิดครั้งถัดไป หากกลไกการทำงานของสวิตช์เกียร์ไม่สามารถให้แรงเพียงพอในการแยกจุดเชื่อมต่อ อุปกรณ์อาจไม่สามารถเปิดอย่างถูกต้อง นำไปสู่ภัยคุกคามด้านความปลอดภัยและการเสียหายของอุปกรณ์
ลักษณะของกระแสไฟฟ้าลัดวงจร: กระแสไฟฟ้าลัดวงจรบ่อยครั้งมีส่วนประกอบของ DC ซึ่งสามารถทำให้ค่าสูงสุดของกระแสไฟฟ้าสูงกว่ากระแสไฟฟ้า AC ลัดวงจรบริสุทธิ์ กระแสสูงสุดที่เพิ่มขึ้นนี้สามารถทำให้ผลของการ pre-strike รุนแรงขึ้น นำไปสู่ความเสียหายของคอนแทคและการเชื่อมต่อที่รุนแรงขึ้น
การขึ้นอยู่กับแรงดันอาร์ก: แรงดันระหว่างอาร์ก (แรงดันอาร์ก) ขึ้นอยู่กับสารตัดกระแสที่ใช้ในสวิตช์เกียร์ แม้กระทั่งกับความยาวอาร์กที่สั้นมาก ก็สามารถมีแรงดันตกอย่างมากใกล้กับอิเล็กโทรด นี่เป็นเพราะความต้านทานของอาร์กไม่สม่ำเสมอตามความยาว และบริเวณใกล้กับอิเล็กโทรดมักมีความต้านทานสูงเนื่องจากการรวมตัวของความร้อนและอนุภาคที่ไอออนไนซ์
การปิดวงจรภายใต้ภาวะลัดวงจร
วงจรตัดกระแส (CB): ในวงจรตัดกระแส การปิดวงจรภายใต้ภาวะลัดวงจรเป็นงานที่ท้าทายอย่างมาก ระดับกระแสไฟฟ้าที่สูงและมีส่วนประกอบของ DC สามารถนำไปสู่การอาร์กที่รุนแรงและเสียหายของคอนแทค วงจรตัดกระแสสมัยใหม่ได้ออกแบบด้วยวัสดุขั้นสูงและกลไกทำความเย็นเพื่อลดผลกระทบเหล่านี้ แต่ pre-strike ยังคงเป็นปัญหาที่ต้องระวัง
สวิตช์ตัดโหลด (LBS): สวิตช์ตัดโหลดก็ไวต่อ pre-strike ระหว่างการปิดวงจร โดยเฉพาะในแอปพลิเคชันที่มีกระแสสูง อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ LBS ทั่วไปใช้ในแอปพลิเคชันที่มีแรงดันและกระแสต่ำกว่าวงจรตัดกระแส ดังนั้นความเสี่ยงของการเสียหายของคอนแทคที่รุนแรงมักจะน้อยกว่า
ขั้นตอนของการปิดวงจรในสวิตช์เกียร์
การปิดวงจรของสวิตช์เกียร์สามารถแบ่งออกเป็นหลายขั้นตอน ดังแสดงในรูป:
ขั้นตอนที่ 1: การเข้าใกล้กันของคอนแทค: คอนแทคเริ่มเคลื่อนที่เข้าหากัน และสนามไฟฟ้าระหว่างคอนแทคเริ่มสะสม ในขั้นตอนนี้ ยังไม่มีกระแสไฟฟ้าไหล แต่ศักยภาพในการเกิด pre-strike กำลังเพิ่มขึ้น
ขั้นตอนที่ 2: การสร้างอาร์ก pre-strike: เมื่อคอนแทคเข้าใกล้กัน สนามไฟฟ้าเกินกำลังดีเอเล็กทริกของสารฉนวน ทำให้เกิดการแตกหักทางดีเอเล็กทริก อาร์ก pre-strike จะเกิดขึ้น และกระแสไฟฟ้าจะเริ่มไหลผ่านอาร์กก่อนที่คอนแทคจะสัมผัสกัน
ขั้นตอนที่ 3: การสัมผัสกันของคอนแทคและการโอนอาร์ก: คอนแทคสุดท้ายสัมผัสกัน และอาร์กจะโอนจากช่องว่างระหว่างคอนแทคไปยังพื้นผิวคอนแทค กระแสไฟฟ้าจะยังคงไหลผ่านวงจรที่ปิดแล้ว
ขั้นตอนที่ 4: การทำงานในสถานะคงที่: หลังจากคอนแทคปิดเต็มที่ ระบบจะเข้าสู่สถานะการทำงานคงที่ และกระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านคอนแทคที่ปิดโดยไม่มีอาร์กใด ๆ
กลยุทธ์การลดผลกระทบที่เกิดจาก pre-strike
เพื่อลดผลกระทบที่เกิดจาก pre-strike และการเชื่อมต่อของคอนแทค สามารถใช้การออกแบบและกลยุทธ์การดำเนินงานต่าง ๆ ดังนี้:
การใช้สารฉนวนที่มีกำลังดีเอเล็กทริกสูง: การใช้สารฉนวนที่มีกำลังดีเอเล็กทริกสูง เช่น แก๊ส SF6 หรือสุญญากาศ สามารถลดโอกาสของการเกิด pre-strike โดยต้องการสนามไฟฟ้าที่สูงกว่าในการเริ่มต้นการแตกหัก
วัสดุคอนแทคขั้นสูง: การใช้วัสดุคอนแทคที่มีจุดหลอมเหลวสูงและความสามารถในการนำความร้อนที่ดีสามารถช่วยลดความเสียหายของคอนแทคระหว่าง pre-strike วัสดุเช่น โลหะผสมทองแดง-ทังสเตน มักใช้ในสวิตช์เกียร์แรงดันสูง
กลไกการทำความเย็น: การรวมกลไกการทำความเย็น เช่น ระบบพัฟเฟอร์หรือการไหลของแก๊สบังคับ สามารถช่วยกระจายความร้อนจากอาร์กและลดอุณหภูมิของพื้นผิวคอนแทค ลดความเสี่ยงของการเชื่อมต่อ
การปรับปรุงการออกแบบเชิงกล: การตรวจสอบว่ากลไกการทำงานให้แรงเพียงพอในการแยกจุดเชื่อมต่อระหว่างการเปิด สามารถป้องกันไม่ให้สวิตช์เกียร์ล้มเหลวในการเปิดอย่างถูกต้อง
ระบบป้องกัน: การใช้ระบบป้องกัน เช่น รีเลย์กระแสเกินและกลไกตรวจจับความผิดปกติ สามารถช่วยตรวจจับและตอบสนองต่อภาวะลัดวงจรได้เร็วขึ้น ลดระยะเวลาและความรุนแรงของอาร์ก
สรุป
ปรากฏการณ์ pre-strike ซึ่งอาร์กเริ่มต้นก่อนที่คอนแทคจะสัมผัสกัน เป็นส่วนสำคัญของการปิดวงจรในสวิตช์เกียร์ มันสามารถนำไปสู่ความเสียหายของคอนแทคที่มากเกินไป การเชื่อมต่อ และการล้มเหลวของอุปกรณ์สวิตช์ การเข้าใจปัจจัยที่ทำให้เกิด pre-strike เช่น การสะสมของสนามไฟฟ้าและลักษณะของสารฉนวน เป็นสิ่งสำคัญในการออกแบบและดำเนินงานสวิตช์เกียร์ที่เชื่อถือได้ ด้วยการใช้กลยุทธ์การลดผลกระทบที่เหมาะสม เช่น การใช้สารฉนวนที่มีกำลังดีเอเล็กทริกสูง วัสดุคอนแทคขั้นสูง และกลไกการทำความเย็น ผลกระทบที่เกิดจาก pre-strike สามารถลดลง ทำให้การดำเนินงานของสวิตช์เกียร์ทั้งในวงจรตัดกระแสและสวิตช์ตัดโหลดปลอดภัยและเชื่อถือได้
