Com escolleixar correctament els interruptors de circuit de buit?
01 Prefaci
En els sistemes de mitja tensió, els interruptors són components primaris indispensables. Els interruptors de buit dominen el mercat domèstic. Per tant, el disseny elèctric correcte no es pot separar de la tria adequada d'interruptors de buit. En aquesta secció, discutirem com seleccionar correctament els interruptors de buit i les concepcions errònies habituals en la seva selecció.
02 La capacitat d'interrompre la corrent de curtcircuït no ha de ser excessivament alta
La capacitat d'interrompre la corrent de curtcircuït d'un interruptor no ha de ser excessivament alta, però hauria de tenir un marge per acomodar l'expansió futura de la capacitat de la xarxa que podria conduir a una major corrent de curtcircuït. Tanmateix, en el disseny elèctric real, la capacitat d'interrompre seleccionada dels interruptors sovint és massa alta.
Per exemple, en les subestacions de transformadors d'usuaris finals dins dels sistemes de 10kV, la corrent de curtcircuït de la barra és principalment al voltant de 10kA, i en sistemes de major capacitat, pot arribar a 16kA. No obstant això, en els plans de disseny elèctric, la capacitat d'interrompre dels interruptors de buit sovint es especifica tan alta com 31.5kA, o fins i tot 40kA. Aquesta capacitat d'interrompre tan alta resulta en una inversió superflua. En els casos anteriors, una capacitat d'interrompre de 20kA o 25kA seria suficient. Actualment, tanmateix, els interruptors de buit amb una capacitat d'interrompre de 31.5kA tenen una gran demanda i es produeixen en massa, reduint els costos de fabricació i preus, fent-los més ampliament adoptats.
En el disseny elèctric, les corrents de curtcircuït calculades generalment estan al costat alt. La raó és que la impedància del sistema i la resistència de contacte en el circuit sovint s'ignoren durant el càlcul. Naturalment, la capacitat d'interrompre dels interruptors s'ha de seleccionar basant-se en la corrent de curtcircuït màxima possible. No obstant això, el valor de configuració de la protecció de curtcircuït no s'hauria de basar en la corrent de curtcircuït màxima.
Això és degut a que sovint ocorren arcs durant els curtcircuits, i la resistència dels arcs és molt alta. En els càlculs de disseny, els curtcircuits es tracten com a curtcircuits metàl·lics puros de tres fases, assumint que no hi ha arc ni resistència de contacte. En les estadístiques reals de fallades, més del 80% dels curtcircuits són de una sola fase, i gairebé sempre hi ha arcs durant els esdeveniments de curtcircuït. Com a resultat, la corrent de curtcircuït real és molt més baixa que el valor ideal calculat.
Si el valor de configuració de la protecció és massa alt, es redueix la sensibilitat de la protecció o provoca el fracàs de la protecció instantània. En la pràctica enginyera, el problema sovint no és que l'interruptor no interrompi, sinó que l'element de protecció no s'activi degut a valors de configuració excessius. D'altra banda, els curtcircuits metàl·lics puros de tres fases rarament ocorren—només passen quan els cables de terra no s'han eliminat després de la manteniment abans de tancar l'interruptor. No obstant això, la terra sol fer-se mitjançant commutadors de terra o carretes de terra, i hi ha funcions d'interbloqueig, fent que els curtcircuits metàl·lics purs siguin extremadament poc probables.
En els plans de construcció elèctrica, sovint es veu que la capacitat d'interrompre de l'interruptor d'entrada principal es especifica un nivell més alt que la dels interruptors de línia. Això no és necessari. L'interruptor principal gestiona les fallades de curtcircuït de la barra, mentre que els interruptors de línia gestionen les fallades dels seus circuits respectius. No obstant això, proper al costat de càrrega d'un interruptor de línia, a causa de la seva proximitat a la barra, la corrent de curtcircuït no és significativament diferent de la corrent de curtcircuït de la barra. Per tant, les capacitats d'interrompre de l'interruptor principal i dels interruptors de línia haurien de ser les mateixes.
03 Les exigències de vida elèctrica i mecànica no han de ser excessivament altes
La vida elèctrica mencionada aquí no es refereix al nombre de vegades que un interruptor pot obrir i tancar sota corrent nominal o parcial a intervals especificats, sinó al nombre de vegades que pot interrompre la corrent de curtcircuït sense necessitar manteniment. No hi ha un estàndard nacional per aquest número. Generalment, els fabricants dissenyen per 30 aquestes interrupcions. Alguns productes de fabricants poden gestionar 50. En documents de licitació per projectes d'usuaris, sovint es veuen exigències excessivament altes pel nombre d'interrupcions de curtcircuït. Per exemple, un document de licitació va requerir que un interruptor de buit de protecció de línia de 12kV interrompís la corrent de curtcircuït nominal 100 vegades, amb una vida mecànica de 100.000 operacions i 20.000 interrupcions de corrent nominal—aquestes exigències són irraisonables.
Nombre excessivament alt d'interrupcions de curtcircuït no són necessaris. Un defecte de curtcircuït és un incident elèctric major. Cada ocurrencia s'hauria de tractar com un accident greu que requereix anàlisi de la causa arrel i accions correctives per evitar la recurrència. Per tant, durant la vida útil efectiva d'un interruptor, només interromprà defectes de curtcircuït unes poques vegades. Quan més alta sigui la tensió del sistema, més daño causaran els curtcircuits, però menys probable serà que ocorrin. Així, un interruptor de mitja tensió capaç d'interrompre 30 defectes de curtcircuït és suficient. Les proves de tipus per a la interrupció de curtcircuït són careres. Per un interruptor de buit de 12kV, cada prova d'interrupció de curtcircuït actualment costa uns 10.000 RMB. Realitzar proves excessives inclosos costos elevats i no són necessaris.
Un nombre més alt d'interrupcions exitoses significa millor capacitat d'interrupció? Això és una altra concepció errònia habitual. La clau per a les proves d'interrupció de curtcircuït d'interruptors de buit es troba en les primeres deu operacions. Tant com l'interruptor interrompi la corrent especificada en les primeres deu proves, el seu rendiment posterior és generalment fiable. Les dades estadístiques de les proves de tipus mostren que la probabilitat de fallida és més alta durant les primeres deu interrupcions i disminueix gradualment a mesura que augmenta el nombre d'interrupcions. Després de 30 interrupcions, la possibilitat de fallida en proves posteriors és quasi zero. Per tant, poder interrompre 30 vegades no significa que no pugui interrompre 50—simplement vol dir que no calen més proves.
Quant a la vida mecànica dels interruptors de buit, no calen exigències excessivament altes. La classe M1 originalment no és inferior a 2.000 operacions, i la classe M2 només 10.000. Ara, els fabricants competiran en la vida mecànica—un reclama 25.000, un altre reclama 100.000. En processos de licitació, els participants comparen els valors de vida mecànica, el que no té sentit per als interruptors de buit d'ús de distribució. No obstant això, en aplicacions específiques com el commutació freqüent de motors, fornals d'arc, o circuits de compensació automàtica de condensadors, els contactors de buit són més adequats (els interruptors de SF6 s'utilitzen comunament per a la commutació de bancs de condensadors de mitja tensió). Els contactors tenen vides mecàniques i elèctriques que superen un milió d'operacions (la seva vida elèctrica es mesura per interrupcions de corrent nominal, no de curtcircuït). No cal competir en la vida mecànica dels interruptors.
04 Exigències excessives d'altres paràmetres elèctrics
La capacitat de suport de curt circuït a curt termini d'un interruptor es refereix a la seva capacitat per suportar l'estress tèrmic de la corrent de curtcircuït durant un defecte. Això no és el mateix que l'augment de temperatura. Les proves d'augment de temperatura impliquen passar la corrent nominal o especificada a través de l'interruptor durant un temps llarg i assegurar que l'augment de temperatura en diversos punts no superi els límits especificats. La capacitat de suport de curt circuït a curt termini d'un interruptor generalment es prova per 3 segons.
Durant aquest temps, el calor generat per la corrent de curtcircuït no hauria de danar l'interruptor. Una capacitat de suport tèrmic de 3 segons és suficient. La raó és que després d'un curtcircuït, la protecció graduada en el temps pot implicar un retard intencionat per assegurar la selectivitat. Per la protecció basada en el temps, un retard de 0,5 segons entre interruptors adjacents assegura la selectivitat. Si els interruptors difereixen en dos nivells, el retard de trencament és 1 segon; si tres nivells, 1,5 segons. Una capacitat de suport de 3 segons ja és suficient. No obstant això, alguns usuaris o dissenyadors insisten en una capacitat de suport tèrmic de 5 segons, que realment no és necessària.
Durant el procés de tancament d'un interruptor, els contactes mòbils i fixos poden rebotar. Si el temps de rebot és massa llarg o la sincronització de tancament de tres fases és gran, pot ocorre una ruptura i restabliment entre els contactes. El restabliment causa un procés de càrrega-des càrrega al circuit, augmentant la pendència i l'amplitud de la sobretensió. Aquesta sobretensió es coneix com a sobretensió de restabliment de contactes.
El seu perill pot fins i tot superar la sobretensió de tall de corrent dels interruptors de buit, amenaçant l'aïllament entre bobines de transformadors i motors. Per tant, el temps de rebot dels contactes i la desincronització de tres fases no haurien de superar 2 ms. Els paràmetres actuals dels interruptors són fabricats per complir aquest requisit. No obstant això, alguns usuaris demanen valors inferiors a 2 ms, fins i tot exigeixen que no superin 1 ms, el que excedeix les capacitats tècniques actuals.
05 Problemes negatius causats per una corrent inicial excessivament alta d'interruptors de buit
La corrent nominal inicial per a interruptors de buit de mitja tensió és 630A. Actualment, alguns fabricants ja no produeixen versions de 630A, i la corrent inicial mínima ha augmentat a 1250A. Això està relacionat amb la fabricació d'interruptors de buit. No obstant això, això porta una sèrie de conseqüències negatives. Com que la corrent inicial d'interruptors de buit és massa alta, els interruptors de buit assemblats amb aquests interruptors han de coincidir amb la classificació de corrent de l'interruptor.
Com a resultat, tots els components associats—com les columnes de pols, els contactes de connexió en les columnes de pols, i els contactes fixos en la maquinària de commutació—també han de coincidir amb la classificació de corrent de l'interruptor. Això porta a un despilfarro sever de materials de metall no ferrosos en la majoria de casos. Per exemple, un interruptor de buit de 12kV pot alimentar només un transformador de 1000 kVA, la seva corrent nominal al costat de 10kV és només 57,7A. No obstant això, ja que l'interruptor de buit comença a 1250A, l'interruptor ha de tenir una classificació de 1250A. Conseqüentment, tots els accessoris de l'interruptor han de tenir una classificació de corrent d'almenys 1250A, i els contactes fixos en la maquinària de commutació també han de tenir una classificació d'almenys 1250A, resultant en un despilfarro significatiu de metalls no ferrosos.
Encara pitjor, els usuaris o dissenyadors insisten que la capacitat de portar corrent dels conductors principals en la maquinària de commutació ha de coincidir amb la de l'interruptor—és a dir, la capacitat de portar corrent del conductor es dissenya per 1250A. En realitat, una capacitat de 60A seria suficient, i sempre que la secció mínima del conductor de circuit passi les proves d'estabilitat dinàmica i tèrmica, hi ha considerable margen per a l'estalvi de materials.
