Analisi e soluzione dei problemi di sovratensione causati dai banchi di condensatori di commutazione degli interruttori sotto vuoto

La sovratensione generata quando gli interruttori automatici in vuoto commutano i banchi di condensatori è un problema comune e significativo nei sistemi di alimentazione che richiede molta attenzione. Tale sovratensione può rappresentare una minaccia per l'isolamento dei condensatori, degli interruttori automatici e dell'intero sistema. Quella che segue è un’analisi sistematica di questo problema e delle potenziali soluzioni:

Il motivo principale è da attribuire all’interazione tra le caratteristiche di interruzione degli interruttori in vuoto e le caratteristiche di accumulo di energia dei banchi di condensatori, che nello specifico si manifesta come:

1. Commutazione della corrente di spunto e sovratensione di funzionamento

2. Meccanismo: Al momento della chiusura, la tensione ai capi della batteria di condensatori è zero, mentre la tensione del sistema è ad un certo valore istantaneo. La grande differenza di tensione tra i due provoca una corrente di spunto ad alta-frequenza con un'ampiezza molto grande e un'alta frequenza (fino a diverse o decine di volte la corrente nominale).

Impatto: la corrente di spunto ad alta-frequenza genera una caduta di tensione ad alta-frequenza attraverso l'impedenza del sistema, che potrebbe sovrapporsi alla tensione della frequenza di alimentazione per formare una sovratensione di funzionamento. Nel caso di più banchi di condensatori che funzionano in parallelo, quando un altro banco di condensatori è collegato a un banco di condensatori (o sistema) carico, la differenza di tensione può essere ancora maggiore e i problemi di corrente di spunto e di sovratensione diventano più gravi.

Questa è la fonte di sovratensione più tipica e impegnativa quando gli interruttori automatici in vuoto vengono utilizzati per commutare i condensatori, principalmente correlata alle caratteristiche di interruzione del mezzo sotto vuoto:

Taglio di corrente: la stabilità dell'arco sotto vuoto è scarsa. A correnti basse (ad esempio inferiori a decine di ampere), l'arco può spegnersi improvvisamente prima che la corrente raggiunga naturalmente lo zero, fenomeno noto come "interruzione della corrente". L'energia del campo elettrico (la carica sul condensatore) corrispondente alla corrente interrotta (principalmente corrente capacitiva) non può essere rilasciata immediatamente, determinando una sovratensione transitoria di corrente interrotta sul condensatore superiore alla tensione del sistema.

Sovratensione con riaccensioni multiple (la più pericolosa): questa è la forma più grave di sovratensione.

Primo riavvio: dopo l'apertura dell'interruttore, la distanza tra i contatti aumenta gradualmente. Quando la tensione residua sul condensatore (CC o bassa-frequenza) è nella direzione opposta alla tensione di alimentazione del sistema, la tensione di recupero tra i contatti potrebbe superare la forza di recupero dielettrica dell'intervallo di vuoto in quel momento, provocando la rottura dell'intervallo e il verificarsi di un riavvio. Al momento della riaccensione, la tensione sul condensatore oscillerà verso la tensione di alimentazione del sistema attraverso l'induttanza del circuito.

Aumento "a gradino" della tensione: il riavvio genera una corrente oscillante ad alta-frequenza. Gli interruttori automatici sottovuoto sono particolarmente adatti allo spegnimento degli archi al passaggio per lo zero-delle correnti ad alta-frequenza. Se l'arco viene interrotto con successo al primo o al secondo passaggio per lo zero-della corrente ad alta-frequenza, il condensatore verrà "bloccato" su un nuovo valore di tensione. A causa del processo di scarica della riaccensione, questo nuovo valore di tensione potrebbe essere molto più alto della tensione prima della riaccensione.

Processo ripetuto: man mano che la distanza di contatto continua ad aumentare, la tensione di ripristino aumenta nuovamente e possono verificarsi un secondo, un terzo o più riavvii. Ogni riaccensione può causare un aumento "a gradino" della tensione sul condensatore. Teoricamente, dopo diversi riaccensioni, la sovratensione di picco su entrambe le estremità del condensatore può raggiungere tre volte o addirittura superare la tensione di fase del sistema.

1. Per il condensatore stesso: la sovratensione minaccia direttamente l'isolamento degli elementi del condensatore, accelera l'invecchiamento del dielettrico e gli effetti a lungo-termine possono portare al guasto, provocando l'esplosione del condensatore.

2. Per interruttori automatici in vuoto: riaccensioni multiple possono generare tensioni di ripristino e correnti di riaccensione estremamente elevate, intensificando l'usura elettrica dei contatti e causando potenzialmente danni all'isolamento dell'interruttore stesso.

3. Per altre apparecchiature nel sistema: la sovratensione può essere trasmessa attraverso le linee, mettendo a rischio l'isolamento dei trasformatori collegati, dei trasformatori di strumenti, dei cavi e di altre apparecchiature.

4. Attivazione di un funzionamento errato o di un mancato funzionamento della protezione: il processo transitorio ad alta-frequenza può interferire con il campionamento e il giudizio logico dei dispositivi di protezione basati su microcomputer-.

I principali approcci risolutivi ruotano attorno alla "limitazione della corrente di spunto", alla "prevenzione della riaccensione" e all'"assorbimento/limitazione della sovratensione".

Ottimizzare la selezione e l'utilizzo degli interruttori automatici.

1.Selezionare interruttori automatici in vuoto di "grado C2" o "dedicati all'interruzione di corrente capacitiva": questa è la misura più fondamentale ed efficace. Questi interruttori automatici sono stati verificati attraverso rigorosi test di tipo e possono garantire che non si verifichi alcun riattivazione o che la probabilità di riattivazione sia estremamente bassa quando si interrompe la corrente capacitiva nominale. I materiali dei contatti, la progettazione del campo magnetico e i processi di produzione sono tutti ottimizzati per i carichi capacitivi.

Evita di utilizzare interruttori automatici-per uso generale o solo interruttori automatici testati "L75": gli interruttori automatici-per uso generale possono soddisfare i requisiti di interruzione dei carichi induttivi, ma non possono garantire le prestazioni di interruzione per i carichi capacitivi.

Garantire caratteristiche meccaniche stabili: assicurarsi che la velocità di apertura dell'interruttore sia rapida e sufficientemente stabile da stabilire rapidamente una distanza di apertura sufficiente e migliorare la resistenza di recupero dielettrica.

2. Installazione di dispositivi di protezione da sovratensione

Metal Oxide Arrester (MOA): collegato in parallelo all'inizio del banco di condensatori o sul lato delle sbarre, è una configurazione standard per limitare l'ampiezza della sovratensione. Può bloccare la sovratensione a un livello sicuro. Il modello appropriato con tensione operativa continua e tensione residua adeguata deve essere selezionato e installato il più vicino possibile alla batteria di condensatori.

Circuito di assorbimento smorzamento RC: un circuito di condensatori con resistore in parallelo- è installato sui contatti dell'interruttore o tra il banco di condensatori e l'interruttore.

Funzione: ridurre la velocità di aumento della tensione di recupero (du/dt); fornire un percorso a bassa-impedenza per la corrente ad alta-frequenza che può verificarsi dopo il riinnesco e consumarne l'energia; per sopprimere la sovratensione di interruzione di corrente.

Chiave di progettazione: i parametri (valori R e C) devono essere calcolati in base ai parametri del sistema per ottenere il miglior effetto di smorzamento.

3. Migliorare i metodi operativi

Adottare interruttori sincroni (dispositivi di chiusura/sgancio con selezione di fase): controllando la chiusura dell'interruttore nel momento in cui la differenza tra la tensione del sistema e la tensione residua del condensatore è minima (ad esempio al passaggio per lo zero della tensione), la corrente di spunto e la sovratensione alla chiusura possono essere **notevolmente ridotte**. Allo stesso modo, può anche essere controllato per intervenire esattamente al passaggio per lo zero della corrente, riducendo il rischio di interruzione di corrente. Questa è attualmente una tecnologia avanzata per sopprimere la sovratensione operativa.

Ottimizzare la sequenza operativa: per i banchi di condensatori in parallelo, si consiglia che la sequenza operativa sia la seguente: quando l'alimentazione è disattivata, scollegare prima l'interruttore automatico, quindi l'interruttore isolante; quando l'alimentazione è attiva, chiudere prima il sezionatore e poi l'interruttore automatico. Evitare di far funzionare condensatori carichi con l'interruttore isolante.

4. Considerazioni lato sistema-

Reattori in serie: i reattori in serie con un determinato tasso di reattanza (tipicamente dallo 0,5% all'1% per limitare la corrente di spunto e dal 5% al ​​6% per sopprimere l'amplificazione armonica) sono collegati nel circuito del banco di condensatori.

Funzioni: limitare l'ampiezza e la frequenza della corrente di spunto; formare un ramo del filtro con condensatori; può anche modificare in una certa misura i parametri del processo transitorio e influenzare le condizioni di riattivazione.

Disposizione elettrica ragionevole: accorciare la lunghezza della linea di collegamento tra il banco di condensatori e l'interruttore automatico, ridurre l'induttanza del circuito

Il problema della sovratensione causato dagli interruttori automatici in vuoto che commutano banchi di condensatori è fondamentalmente dovuto al conflitto tra le caratteristiche di interruzione e reinnesco della corrente degli archi in vuoto e le caratteristiche di accumulo di energia dei condensatori.

Le strategie di soluzione dovrebbero seguire la seguente gerarchia:

1. La prevenzione innanzitutto (affrontando la causa principale): durante le fasi di progettazione e approvvigionamento, dovrebbero essere selezionati solo interruttori automatici di "grado C2" o in vuoto appositamente progettati per la commutazione di banchi di condensatori e certificati da organismi autorevoli.

2. Protezione come scudo (affrontare i sintomi): standardizzare la configurazione degli scaricatori di ossido di metallo (MOA) come ultima linea di difesa contro la sovratensione.

3. Ottimizzazione come misura ausiliaria (aumento dell'efficienza): a seconda dell'importanza e del budget del progetto, prendere in considerazione l'installazione di circuiti di smorzamento RC, interruttori sincroni e la configurazione razionale di reattori in serie.

4. Funzionamento e manutenzione come fondamenta: ispezionare regolarmente le caratteristiche meccaniche degli interruttori automatici e lo stato degli scaricatori e seguire rigorosamente le corrette procedure operative.

Nell'ingegneria pratica, dovrebbe essere effettuato un confronto tecnico ed economico tenendo conto di fattori quali il livello di tensione del sistema, la capacità del banco di condensatori, la modalità operativa e il costo, per selezionare una o più misure di soppressione combinate per garantire il funzionamento sicuro e affidabile del sistema.

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