Створення умов при короткозамкненні струму для комутаційного обладнання
Детальний пояснення процесу створення потоку струму та явища попереднього пробою в комутаційному обладнанні
У комутаційному обладнанні, зокрема у вимикачах (CB) та переключачах без навантаження (LBS), процес створення потоку струму відноситься до процесу, при якому індукується електрична дуга, коли контакти починають замикатися. Цей процес не починається точно в момент фізичного контакту, а може відбутися на кілька мілісекунд раніше через явище, відоме як попередній пробій. Нижче наведено детальне пояснення цього явища та його наслідки.
Попередній пробій: ініціація дуги перед фізичним контактом
Діелектричний розряд: Коли контакти наближаються один до одного під час операції замикання, ізоляційна середа (така як повітря, SF6 або вакуум) між ними піддається діелектричному розряду. Це відбувається тому, що електричне поле в проміжку між контактами зростає, коли вони наближаються. Коли сила поля перевищує діелектричну прочність ізоляційної середи, проміжок розряджується, і ініціюється переключальна дуга.
Нарощення електричного поля: Електричне поле між контактами нараховується, коли вони рухаються одне до одного. Це поле пропорційне напругі на контактах і обернено пропорційне відстані між ними. Коли поле стає достатньо сильно, воно викликає іонізацію газових молекул у проміжку, що призводить до формування провідного шляху для протікання струму.
Ініціація дуги: Дуга ініціюється перед тим, як контакти фактично торкнуться, зазвичай на кілька мілісекунд раніше. Це раннє початок дуги називається попереднім пробієм. Під час попереднього пробію дуга формується в маленькому проміжку між контактами, і струм починає протікати через дугу, а не чекає, поки контакти зроблять фізичний контакт.
Наслідки попереднього пробію
Перевищена розплавлення поверхонь контактів: Якщо енергія, що використовується при попередньому пробії, велика, це може спричинити перевищену розплавлення поверхонь контактів. Це особливо проблематично в умовах короткого замикання, де струм може бути надзвичайно високим. Розплавлений метал на поверхнях контактів може призвести до зварювання контактів, коли дві поверхні зливаються разом.
Зварювання контактів: Зварені контакти можуть запобігти правильній реакції переключального пристрою на наступну команду відкривання. Якщо механізм управління комутаційного обладнання не надає достатньої сили, щоб розривати зварені точки, пристрій може не відкриватися належним чином, що призводить до потенційних аварійних ситуацій та пошкодження обладнання.
Характеристики струму короткого замикання: Струми короткого замикання часто містять DC-компонент, що може призвести до значно більшого пікового значення струму, ніж у випадку чистого AC-короткого замикання. Це збільшене пикове значення струму може посилити ефекти попереднього пробію, що призводить до більш серйозного пошкодження контактів та зварювання.
Залежність напруги дуги: Напруга на дузі (напруга дуги) сильно залежить від використовуваного ізоляційного середовища в комутаційному обладнанні. Навіть при дуже коротких довжинах дуги, можуть бути значні падіння напруги біля електродів. Це тому, що опір дуги не є рівномірним вздовж її довжини, а регіони біля електродів мають більший опір через концентрацію тепла та іонізованих частинок.
Замикання в умовах короткого замикання
Вимикачі (CB): У вимикачах операція замикання в умовах короткого замикання є особливо складною. Високі рівні струму та наявність DC-компоненту можуть призвести до інтенсивного аркування та пошкодження контактів. Сучасні вимикачі проектуються з використанням передових матеріалів та систем охолодження, щоб знизити ці ефекти, але попередній пробій залишається проблемою.
Переключачі без навантаження (LBS): Переключачі без навантаження також підвержені попередньому пробію під час операції замикання, особливо в високострумових застосуваннях. Однак, пристрої LBS зазвичай використовуються в нижчих напругах та струмах порівняно з вимикачами, тому ризик серйозного пошкодження контактів загалом нижчий.
Етапи операції замикання в комутаційному обладнанні
Операція замикання комутаційного обладнання може бути розділена на декілька етапів, як показано на рисунку:
Етап 1: Початковий підхід контактів: Контакти починають рухатися одне до одного, і електричне поле між ними починає наростати. На цьому етапі жоден струм не протікає, але потенціал для попереднього пробію зростає.
Етап 2: Формування дуги попереднього пробію: Коли контакти наближаються, електричне поле перевищує діелектричну прочність ізоляційної середи, що призводить до діелектричного розряду. Формується дуга попереднього пробію, і струм починає протікати через дугу, ще до того, як контакти торкнуться.
Етап 3: Фізичний контакт та перенесення дуги: Контакти нарешті здійснюють фізичний контакт, і дуга переноситься з проміжку між контактами на поверхні контактів. Струм продовжує протікати через зачинений контур.
Етап 4: Стабільний режим роботи: Після повного замикання контактів система переходить в стабільний режим роботи, і струм протікає через замкнуті контакти без будь-якого аркування.
Стратегії зниження впливу
Для зменшення ефектів попереднього пробію та зварювання контактів можна використовувати кілька проектних та експлуатаційних стратегій:
Використання ізоляційних середовищ з високою діелектричною прочністю: Використання ізоляційних середовищ з високою діелектричною прочністю, таких як газ SF6 або вакуум, може знизити ймовірність попереднього пробію, вимагаючи більш високого електричного поля для ініціації розряду.
Сучасні матеріали контактів: Використання контактних матеріалів з високою точкою плавлення та добрею теплопровідністю може допомогти знизити пошкодження контактів під час попереднього пробію. Матеріали, такі як сплави міді-вольфраму, широко використовуються в високонапільному комутаційному обладнанні.
Механізми охолодження: Впровадження механізмів охолодження, таких як пневматичні системи або примусовий потік газу, може допомогти розподілити тепло від дуги та знизити температуру поверхонь контактів, зменшуючи ризик зварювання.
Покращення механічного дизайну: Забезпечення, що механізм управління надає достатню силу, щоб розривати будь-які зварені точки під час операції відкривання, може запобігти невдалості комутаційного обладнання, що не може відкриватися належним чином.
Системи захисту: Впровадження систем захисту, таких як реле перевищення струму та механізми виявлення аварій, може допомогти швидше виявити та реагувати на умови короткого замикання, зменшуючи тривалість та інтенсивність дуги.
Висновок
Явище попереднього пробію, коли дуга ініціюється до того, як контакти фактично торкнуться, є критичним аспектом операції замикання в комутаційному обладнанні. Воно може призвести до перевищеного пошкодження контактів, зварювання та потенційної невдалості переключального пристрою. Розуміння факторів, що спричиняють попередній пробій, таких як наростання електричного поля та характеристики ізоляційного середовища, є важливим для проектування та експлуатації надійного комутаційного обладнання. За допомогою відповідних стратегій зниження впливу, таких як використання ізоляційних середовищ з високою діелектричною прочністю, сучасних контактних матеріалів та механізмів охолодження, можна знизити ефекти попереднього пробію, забезпечуючи безпечну та надійну роботу комутаційного обладнання як у вимикачах, так і у переключачах без навантаження.
