Vacuum vs Luchtcircuitschakelaars: Belangrijkste Verschillen

Laagspanningsluchtcircuitbrekers vs. vacuümcircuitbrekers: Structuur, prestaties en toepassing

Laagspanningsluchtcircuitbrekers, ook bekend als universele of gegoten frame circuitbrekers (MCCBs), zijn ontworpen voor wisselspanningen van 380/690V en gelijkspanningen tot 1500V, met genoemde stroomsterkten variërend van 400A tot 6300A of zelfs 7500A. Deze brekers gebruiken lucht als de boogblusmedium. De boog wordt gedoofd door boogverlenging, splitsing en afkoeling door een booguitlat (boogloper). Dergelijke brekers kunnen korte-slagsstromen van 50kA, 80kA, 100kA, of tot 150kA onderbreken.

Hoofdonderdelen en functionaliteit

• Bedieningsmechanisme: Gelegen aan de voorkant van de breker, biedt het de nodige snelheid voor contactafscheiding en sluiting. Snelle contactbeweging helpt bij het uitrekken en afkoelen van de boog, wat de doven bevordert.

• Slimme tripunit: Aangebracht naast het bedieningsmechanisme, is dit de "hersenen" van de laagspanningscircuitbreker. Het ontvangt stroom- en spanningssignalen via sensoren, berekent elektrische parameters en vergelijkt deze met vooraf ingestelde LSIG-beveiligingsinstellingen:

• L: Lange tijd vertraging (overbelastingsbeveiliging)

• S: Korte tijd vertraging (kortsluitingsbeveiliging)

• I: Onmiddellijk (onmiddellijke trip)

• G: Aardfoutbeveiliging
  Op basis van deze instellingen geeft de tripunit het mechanisme een signaal om de breker te openen bij overbelasting of kortsluiting, waardoor een alomvattende beveiliging wordt geboden.

• Boogkamer en aansluitingen: Gelegen aan de achterkant, bevat de boogkamer de contacten en booguitlat. De driefas uitgaande aansluitingen aan de onderkant zijn uitgerust met:

• Elektronische stroomsensoren (voor signaalinput naar de tripunit)

• Elektromagnetische stroomtransformatoren (CT's) (om werkingsspanning aan de tripunit te leveren)

Het bedieningsmechanisme heeft meestal een mechanisch levensduur van minder dan 10.000 bewerkingen.

Evolutie van lucht naar vacuümonderbreking

Historisch gezien bestonden middenspanningsluchtcircuitbrekers, maar waren deze omvangrijk, hadden beperkte onderbrekingscapaciteit en produceerden aanzienlijke boogflitsen (niet-nul boog), waardoor ze onveilig en onpraktisch waren.

In tegenstelling daarmee delen vacuümcircuitbrekers (VCBs) een vergelijkbare algemene opstelling: het bedieningsmechanisme aan de voorkant en de onderbreker aan de achterkant. Echter, de onderbreker gebruikt een vacuümonderbreker (of "vacuumbuis"), die structuurtechnisch vergelijkbaar is met een gloeilamp - een gesloten glazen of keramische huls die tot een hoog vacuüm is geëvacueerd.

In een vacuüm:

• Is slechts een kleine contactafstand nodig om isolatie- en spanningseisen te voldoen.

• Wordt de boog snel gedoofd door het ontbreken van ioniseerbaar medium en de efficiënte diffusie van metaalstoom.

Toepassingen van vacuümcircuitbrekers

Vacuümcircuitbrekers hebben zich snel ontwikkeld en worden nu breed toegepast in laagspannings-, middenspannings- en hoogspanningssystemen:

• Laagspannings VCBs: Meestal gerateerd op 1.14kV, met genoemde stroomsterkten tot 6300A en korte-slagonderbrekingscapaciteit tot 100kA.

• Middenspannings VCBs: Meest voorkomend in het bereik van 3.6–40.5kV, met stroomsterkten tot 6300A en onderbrekingscapaciteit tot 63kA. Meer dan 95% van de middenspanningsschakelinstallaties maakt nu gebruik van vacuümonderbreking.

• Hoogspannings VCBs: Enkele-polonderbrekers hebben 252kV bereikt, en 550kV vacuümcircuitbrekers zijn bereikt door serieverbonden onderbrekers.

Belangrijke ontwerpverschillen

In tegenstelling tot luchtcircuitbrekers die contactveeren gebruiken, vereist de vacuümcircuitbreker dat het bedieningsmechanisme:

• Voldoende openings- en sluitingsnelheid verschaft

• Voldoende contactdruk garandeert

Deze contactdruk moet zelfs na tot 3mm contactverslijtage voldoende blijven om de genoemde stroom betrouwbaar te dragen en de piek kortsluitstroom tijdens storingen te weerstaan.

Voordelen van vacuümcircuitbrekers

• Hoge betrouwbaarheid en veiligheid

• Bestand tegen omgevingsomstandigheden (stof, vocht, hoogte)

• Geen boogflits (geen externe boog)

• Compacte grootte en lange onderhoudsintervallen

Deze voordelen maken vacuümbrekers ideaal voor gebruik in gevaarlijke omgevingen zoals chemische fabrieken, steenkoolmijnen, olie- en gasinstallaties, waar explosierisico's en brandveiligheid cruciaal zijn.

Praktijkstudie: Prestaties van vacuüm versus luchtbrekers bij storing

Een grote chemische fabriek installeerde twee circuitbrekers - één luchtcircuitbreker en één vacuümcircuitbreker - in identieke schakelconfiguraties en onderwierp ze aan dezelfde storingcondities.

Het circuit was een koppelingconfiguratie, waarbij de energiebronnen aan weerszijden van de breker niet synchroon waren. Dit resulteerde in een tijdelijke spanning over de contactafstand die bijna tweemaal de genoemde spanning naderde, wat leidde tot een brekeruitval.

Resultaten:

• Luchtcircuitbreker:
  Onderging volledige vernietiging. De behuizing van de brekereenheid barstte, en de aangrenzende schakelinstallaties aan beide zijden werden zwaar beschadigd. Uitgebreide reconstructie en vervanging waren nodig.

• Vacuümcircuitbreker:
  Het falen was aanzienlijk minder hevig. Na het vervangen van de vacuümonderbreker en het reinigen van de boogbijproducten (roet) van de breker en compartiment, werd de schakelinstallatie snel weer in dienst gesteld.

Conclusie

Vacuümcircuitbrekers tonen superieure storingbeheersing, veiligheid en betrouwbaarheid vergeleken met luchtbrekers, vooral onder ernstige tijdelijke overspanningen. Hun afgesloten vacuümonderbrekers voorkomen boogvoortplanting, waardoor schade en downtime worden geminimaliseerd.

In explosieve of brandbare omgevingen zoals chemische fabrieken en steenkoolmijnen biedt de boogvrije werking en robuuste prestaties van vacuümcircuitbrekers een duidelijk technologisch en veiligheidsvoordeel.