コンデンサスイッチング突入電流の原因と特徴と制限方法

I. コンデンサスイッチング突入電流の原因

コンデンサのスイッチング突入電流の主な原因は、コンデンサがエネルギー貯蔵部品であり、その端子間の電圧が急激に変化できないことです。スイッチオンの瞬間はループインピーダンスが極めて低い「容量性負荷が回路に突然接続された」のと等価となり、瞬間的に大電流が流れます。具体的な条件の詳細は次のとおりです。

 

1. 最初のスイッチング (非充電状態): コンデンサの最初のスイッチング動作の瞬間、そのプレートは非充電状態にあり、端子間の初期電圧は 0 です。この時点でスイッチをオンにすると、システム電圧が瞬時にコンデンサの両端に印加されます。コンデンサの電圧は急激に変化できないため、回路内で瞬間的な充電電流が発生します。この電流は、合計ループ インピーダンス (ライン インダクタンス、変圧器の漏れインダクタンス、コンデンサ自体の等価直列抵抗 ESR を含む) によってのみ制限されます。スイッチオン時は等価ループインピーダンスが非常に小さい(短絡状態に近い)ため、大きな突入電流が発生します。最大突入電流は通常、スイッチオンの瞬間に発生します（システム電圧の位相に関係します。スイッチオン中にシステム電圧がピーク値に近い場合、突入電流の振幅は比較的大きくなります）。

 

2. 十分な放電を伴わない再スイッチング (充電スイッチング): コンデンサが遮断されて動作が停止された後、十分な放電が行われない状態で再度スイッチオンされた場合、スイッチング突入電流の振幅は最初のスイッチング (非充電状態) の 2 倍に達する可能性があります。その主な理由は、コンデンサが遮断された後、残留電荷がプレート上に残ることです（放電されない場合、残留電圧はシステムの定格相電圧に近くなります）。再スイッチオン時、システム電圧とコンデンサの残留電圧がまさに「大きさが等しく逆方向」の逆相状態にある場合、コンデンサの端子間の瞬時電位差は定格相電圧の2倍となり、充電電流が急激に増加し、スイッチング突入電流が大きくなります。したがって、充電されたスイッチングによって引き起こされる機器への大きな突入電流による損傷を避けるために、コンデンサは、遮断されて動作が停止された後に再スイッチオンする前に、完全に放電する必要があります (通常は、放電抵抗を介して安全電圧未満に放電されます)。-

 

II.コンデンサスイッチング突入電流の関連特性

コンデンサのスイッチング突入電流の振幅倍数は、主に 2 つの要因に関係します。1 つは、接続されたコンデンサの容量 (通常、容量が大きいほど、突入電流の振幅も大きくなります)。 2 つ目は、設置場所の短絡容量です（システムの短絡容量が大きいほど、等価ループ インダクタンスが小さくなり、突入電流の振幅が大きくなり、発振周波数が高くなります）。-短絡容量が大きい回路にコンデンサを取り付けると、ループインダクタンスが小さく、インピーダンスが低いため、突入電流の振幅が大きくなるだけでなく、発振周波数も大幅に高くなります。

 

測定データによると、従来の電力システムでは、コンデンサのスイッチング突入電流の振幅は、通常、コンデンサの定格電流の5～15倍です(特定の値はループパラメータの影響を受けます。たとえば、直列リアクトルの構成により突入電流の振幅を大幅に低減できます)。突入電流の発振周波数は一般に250~400Hzです(高周波突入電流に属します)。同時に、スイッチング過程で瞬間的な過電圧が発生し、その振幅は系統相電圧の約2～3倍になります（この過電圧は非常に短時間の過渡的な過電圧ですが、コンデンサの絶縁に影響を与える可能性があります）。

専門的補足説明：実際の工学では、スイッチング突入電流を抑制するために、通常、小型リアクトル（突入電流抑制リアクトル）をコンデンサループに直列に接続します。これにより、突入電流振幅を定格電流の2〜5倍に制限し、同時に過渡過電圧振幅を低減してコンデンサとループ機器を保護します。

 

Ⅲ．コンデンサのスイッチング突入電流を制限する方法

コンデンサの動作電流は、電源の基本電圧に関係するだけでなく、電圧周波数にも正の関係があります（容量性リアクタンスの公式 X による）。_C= 1/2πfC): 電源電圧波形が歪み、高次高調波電圧がコンデンサに印加されると、高調波周波数は基本周波数よりはるかに高いため、コンデンサの容量性リアクタンスが大幅に減少し、コンデンサを通過する高調波電流が大幅に増加します。同時に、コンデンサ電流も静電容量と正の関係があります。静電容量が大きくなると容量性リアクタンスが小さくなり、通過電流（基本波電流、高調波電流を含む）が大きくなり、電圧波形の歪みがさらに悪化する悪循環となります。

 

1. コンデンサのスイッチング突入電流を効果的に制限し、電力網内の高次高調波がコンデンサに及ぼす影響を抑制するには、コンデンサ ループにリアクトルを直列に接続することが、エンジニアリングにおいて最も一般的に使用され効果的な方法です。その中心となる原則は次のとおりです。金能電機鉄-コア高調波フィルタ リアクトル回路の総誘導性リアクタンスを増加させ、コンデンサの容量性リアクタンス（特定の高調波用）と直列共振を形成します。これにより、コンデンサのスイッチオン時の放電電流が低減されるだけでなく、高調波電流の侵入も抑制されます。直列リアクトルのパラメータを適切に選択すれば、スイッチング突入電流を機器の許容範囲内に安定して抑えることができます。

スイッチング突入電流を制限する目的のみで直列リアクトルを使用する場合、その容量(リアクタンス率)はコンデンサの定格容量(リアクタンス率0.2%～1%)の0.2%～1%程度の小さな値を選択する必要があります。エンジニアリング動作およびテストデータによれば、直列リアクタンス率 0.2% のリアクトルを接続すると、コンデンサのスイッチング突入電流が大幅に抑制され、従来の機器の動作要件を満たすことができます。高調波抑制（3 次および 5 次高調波の抑制など）を同時に考慮する必要がある場合は、リアクタンス率を適切に増加させることができます（3%、5% など）。

 

2.直列リアクトルに加えて、突入電流-のないコンデンサ切り替えスイッチ（たとえば、サイリスタスイッチ）も一般的に使用される突入電流抑制デバイスです。このタイプのスイッチは、主に双方向サイリスタ、トリガー回路、吸収回路、保護回路、インテリジェントヒートシンクで構成されています。独自に特許を取得したゼロ電圧スイッチングオンおよびゼロ電流スイッチング{{4}オフ技術を利用して、突入電流や衝撃のないコンデンサのスイッチングを実現できます。応答速度は速く、平均応答時間は 10ms 未満です。{6}衝撃負荷の無効電力需要を効果的に補償でき、従来のコンタクタ スイッチング デバイスをうまく置き換えることができ、コンタクタ スイッチング中のアーク衝撃や突入電流の問題を回避できます。