Vakuové vs. vzduchové vypínače: Klíčové rozdíly

Nízkonapěťové vzduchové vypínače vs. vakuumové vypínače: Struktura, výkon a použití

Nízkonapěťové vzduchové vypínače, také známé jako univerzální nebo tvarované rámové vypínače (MCCBs), jsou navrženy pro střídavé napětí 380/690V a stejnosměrné napětí až 1500V, s nominálními proudy od 400A do 6300A nebo dokonce 7500A. Tyto vypínače používají vzduch jako prostředek k uhasení oblouku. Oblouk je uhašen prodloužením, dělením a chlazením pomocí obloukového kanálu (obloukové dráhy). Takové vypínače mohou přerušit krátkozávodné proudy 50kA, 80kA, 100kA, nebo až 150kA.

Hlavní komponenty a funkčnost

• Pohonný mechanismus: Nachází se na přední straně vypínače a poskytuje potřebnou rychlost pro oddělení a zavření kontaktů. Rychlé pohyby kontaktů pomáhají prodloužit a ochladit oblouk, což usnadňuje jeho uhasení.

• Inteligentní spouštěcí jednotka: Nainstalována vedle pohonného mechanismu, je to "mozek" nízkonapěťového vypínače. Přijímá signály proudu a napětí přes senzory, vypočítává elektrické parametry a porovnává je s předvolenými nastaveními LSIG ochrany:

• L: Dlouhodobé zpoždění (ochrana proti přetížení)

• S: Krátkodobé zpoždění (ochrana proti krátkému zapojení)

• I: Okamžité (okamžité spuštění)

• G: Ochrana proti zemnímu zkratu
  Na základě těchto nastavení spouštěcí jednotka signalizuje mechanismu, aby otevřel vypínač při přetížení nebo krátkém zapojení, což poskytuje komplexní ochranu.

• Oblouková komora a terminály: Nachází se na zadní straně, oblouková komora obsahuje kontakty a obloukový kanál. Spodní třífázové výstupní terminály jsou vybaveny:

• Elektronickými proudovými čidly (pro vstup signálů do spouštěcí jednotky)

• Elektromagnetickými proudovými transformátory (CTs) (pro dodávku provozního napájení spouštěcí jednotce)

Pohonný mechanismus obvykle má mechanický životnost menší než 10 000 cyklů.

Evoluce od vzduchového k vakuumovému přerušení

Historicky existovaly středonapěťové vzduchové vypínače, ale byly hromadné, měly omezenou přerušovací kapacitu a produkovaly významný obloukový blesk (nenulový oblouk), což je činilo nebezpečnými a nepoužitelnými.

Naopak, vakuumové vypínače (VCBs) mají podobnou celkovou dispozici: pohonný mechanismus vpředu a přerušovač vzadu. Avšak přerušovač používá vakuumový přerušovač (nebo "vakuumovou lahvici"), který je konstrukčně podobný žárovce - uzavřená skleněná nebo keramická obálka evakuovaná do vysokého vakuu.

Ve vakuu:

• Je potřeba pouze malý mezera mezi kontakty, aby splnila požadavky na izolaci a výdrž napětí.

• Oblouk je rychle uhašen díky absenci ionizovatelného prostředí a efektivní difúzi kovových par.

Použití vakuumových vypínačů

Vakuumové vypínače se rychle rozvíjejí a jsou nyní široce používány v nízkonapěťových, středonapěťových a vysokonapěťových systémech:

• Nízkonapěťové VCBs: Typicky označeny 1.14kV, s nominálními proudy až 6300A a krátkozávodní přerušovací kapacitou až 100kA.

• Středonapěťové VCBs: Nejčastější v rozmezí 3.6–40.5kV, s proudy až 6300A a přerušovací kapacitou až 63kA. Přes 95 % středonapěťových rozvoden nyní používá vakuumové přerušování.

• Vysokonapěťové VCBs: Jednopólové přerušovače dosahují 252kV, a 550kV vakuumové vypínače byly dosaženy sériovým spojením přerušovačů.

Klíčové konstrukční rozdíly

Na rozdíl od vzduchových vypínačů, které používají pružiny kontaktů, vakuumové vypínače vyžadují, aby pohonný mechanismus:

• Poskytl dostatečnou rychlost otevírání a zavírání

• Zajišťoval dostatečný tlak kontaktů

Tento tlak kontaktů musí zůstat dostatečný i po až 3mm opotřebení kontaktů, aby spolehlivě přenášel nominální proud a odolal vrcholovému krátkodobému proudu při poruchách.

Výhody vakuumových vypínačů

• Vysoká spolehlivost a bezpečnost

• Odolnost vůči okolním podmínkám (prach, vlhkost, nadmořská výška)

• Nulový obloukový blesk (žádné externí obloukové zapojení)

• Kompaktní rozměry a dlouhé intervaly údržby

Tyto výhody činí vakuumové vypínače ideálními pro použití v nebezpečných prostředích, jako jsou chemické továrny, uhelné doly, zařízení pro těžbu ropy a plynu, kde jsou kritické rizika exploze a požární bezpečnost.

Praktický případ: Výkon vakuumového a vzduchového vypínače při poruše

Velká chemická továrna nainstalovala dva vypínače - jeden vzduchový a jeden vakuumový - ve stejných obvodových konfiguracích a podrobila je stejným poruchovým podmínkám.

Obvod byl propojovací konfigurace, kde byly zdroje energie na obou stranách vypínače nesynchronizované. To vedlo k dočasnému napětí napříč kontaktní mezerou blížícím se k dvojnásobku nominálního napětí, což vedlo k selhání vypínače.

Výsledky:

• Vzduchový vypínač:
  Dosáhl kompletní destrukce. Obal vypínače praskl a sousední rozvody na obou stranách byly silně poškozeny. Byla nutná rozsáhlá rekonstrukce a náhrada.

• Vakuumový vypínač:
  Selhání bylo mnohem méně dramatické. Po náhradě vakuumového přerušovače a vyčištění produktů hoření (kopřivy) z vypínače a kompartmentu byl rozvod rychle obnoven do služby.

Závěr

Vakuumové vypínače ukazují lepší obsahování poruch, bezpečnost a spolehlivost oproti vzduchovým vypínačům, zejména při těžkých dočasných přepětích. Jejich uzavřené vakuumové přerušovače zabráňují šíření oblouku, minimalizují poškození a dobu výpadku.

V explozivních nebo hořlavých prostředích, jako jsou chemické továrny a uhelné doly, bezobloukové fungování a robustní výkon vakuumových vypínačů poskytují jasnou technologickou a bezpečnostní výhodu.