Výhody a aplikace nízkonapěťových vakuových spínacích přepínačů
Nízkonapěťové vakuové vypínače: Výhody, použití a technické výzvy
Díky nižšímu napěťovému rozsahu mají nízkonapěťové vakuové vypínače menší mezeru mezi kontakty než středonapěťové typy. Při tak malých mezerach je technologie transverzálního magnetického pole (TMF) přednostnější než axiální magnetické pole (AMF) pro přerušování vysokých krátkozavředových proudů. Při přerušování velkých proudů se vakuová oblouk tenduje k soustřeďování do režimu omezujícího oblouku, kde mohou lokální erozní zóny dosáhnout varné teploty materiálu kontaktu.
Bez správné kontroly mohou přetopené oblasti na povrchu kontaktu emitovat nadměrné množství kovové páry, což může vést k dielektrickému propadu mezery mezi kontakty pod dočasnou obnovovací voltagem (TRV) po průchodu nulového proudu, což vede k selhání přerušení. Použití transverzálního magnetického pole – kolmého k osě oblouku – uvnitř vakuového vypínače pohání omezující oblouk k rychlé rotaci po povrchu kontaktu. To značně snižuje lokální erozi, zabrání nadměrnému zvýšení teploty po průchodu nulového proudu a tím velmi zlepšuje schopnost vypínače přerušovat proud.
Výhody vakuových vypínačů:
Kontakty nepotřebují údržbu
Dlouhá operační životnost, s elektrickou životností téměř rovnající se mechanické životnosti
Vakuové vypínače lze montovat v libovolné orientaci
Tichá práce
Žádné riziko požáru nebo exploze; oblouk je plně obsažen uvnitř uzavřené vakuové komory, což je vhodné pro nebezpečné, vybavení pro výbušné prostředí, jako jsou doly
Výkon není ovlivněn okolními podmínkami, jako jsou teplota, prach, vlhkost, solný mlha nebo nadmořská výška
Schopnost odolat vysokým napětím přes velmi malé vakuové mezery
Přerušení proudu obvykle dokončeno během prvního průchodu nulového proudu
Ekologicky přátelští a snadno recyklovatelní
Nízkonapěťové vakuové vypínače sdílejí stejnou komplexní ochranu, rozsáhlé měřicí možnosti a bohaté diagnostické funkce jako konvenční vzduchové vypínače (ACBs). Nicméně, nabízejí superiorní výhody, včetně vyšší elektrotechnické a mechanické odolnosti, většího počtu nominálních operací přerušení krátkozavření, silnější schopnosti uhasit oblouk a skutečné "nulové zábleskové" výkonu.
Tyto charakteristiky je činí zejména vhodnými pro tvrdé prostředí a vysokonapěťové nízkofrekvenční systémy, jako jsou AC690V a 1140V v konfiguracích TN, TT a IT – často se nacházejí v aplikacích fotovoltaiky a větrné energie. Umožňují vysokonapěťové sběrné systémy, které snižují ztráty při přenosu. Kromě ochrany linky mohou tyto vypínače chránit motory (splňují požadavky GB50055) a generátory (splňují normy GB755), poskytují uživatelům bezpečnější, spolehlivější a komplexnější řešení ochrany nízkonapěťového distribučního systému.
Proč nejsou vakuové vypínače širší používány v nízkonapěťových aplikacích?
Hlavní důvod spočívá v významných energetických požadavcích provozního mechanismu:
Nízkonapěťové vypínače obvykle používají lehké provozní mechanismy s kompaktními komponenty. Na druhou stranu, vakuové vypínače vyžadují výrazně více provozní energie – zejména ty navržené pro vysoké přerušovací kapacity. Díky malé mezere mezi kontakty je nutná intenzivní energie k uhasení oblouku. Pro odolání elektromagnetickým silám během přerušování poruchy je nezbytné vysoké kontaktní tlak. Například:
31,5kA vakuový vypínač vyžaduje přibližně 3200N kontaktní síly.
Pro udržení dostatečného tlaku po opotřebení kontaktů je potřeba cesta kontaktu 4mm.
Celková energie potřebná od zapnutí kontaktů do plného zavření je mnohem vyšší než u vzduchových vypínačů.
Specifické energetické požadavky zahrnují:
45 joulov pro 40kA vypínač (kontaktní síla: 4200N)
63 joulov pro 50kA vypínač (kontaktní síla: 6200N)
Proto musí být provozní mechanismus výrazně posílen, aby splnil tyto požadavky. Pro 100kA nízkonapěťovou aplikaci překračuje energie potřebná pro vakuový vypínač kapacitu standardních nízkonapěťových provozních mechanismů.
Je třeba provedení kompletní modernizace – větší pružiny pro ukládání energie, zvýšený tah pružiny atd. Některé existující mechanismy mají minimální tah (např. pouze 25mm), a ani zvýšení tuhosti pružiny nedosáhne dostatečné energie. Místo toho jsou potřebné mechanismy s delším tahem. Jak ukazují středonapěťové vakuové vypínače, pružiny poháněné kuličkovým ložiskem často dosahují tahu přes 50mm, umožňují dostatečné ukládání energie. Kromě toho musí být celková mechanická pevnost, tvrdost a tuhost provozního mechanismu posílena, aby zvládla vysoké síly, které jsou zapojeny.
