Jak správně vybírat vakuové spínací přerušovače

01 Předmluva

V středně napěťových systémech jsou spínače nezbytnými primárními komponenty. Vakuové spínače dominují na domácím trhu. Proto je správné elektrické návrhování nerozlučně spojeno s vhodnou volbou vakuových spínačů. V této části se zabýváme tím, jak správně vybírat vakuové spínače a běžnými mýty při jejich výběru.

02 Průsečná kapacita pro krátkozávodní proud nemusí být příliš vysoká

Průsečná kapacita spínače pro krátkozávodní proud nemusí být příliš vysoká, ale by měla mít nějakou rezervu pro budoucí rozšíření kapacity sítě, které může vést k zvýšení krátkozávodních proudů. Avšak ve skutečném elektrickém návrhu je často vybraná průsečná kapacita spínačů příliš vysoká.

Například v transformačních stanicích koncových uživatelů v systémech 10kV je krátkozávodní proud na sbírce obvykle okolo 10kA a v systémech s větší kapacitou může dosahovat až 16kA. Nicméně, v elektrických návrhových výkresech je často specifikována průsečná kapacita vakuových spínačů až 31.5kA, nebo dokonce 40kA. Tato vysoká průsečná kapacita vedou k zbytečnému investicím. V uvedených případech by bylo dostatečné mít průsečnou kapacitu 20kA nebo 25kA. V současnosti však vakuové spínače s průsečnou kapacitou 31.5kA jsou vysokou poptávkou a hromadně vyráběny, což snižuje výrobní náklady a ceny, takže se širší používají.

V elektrickém návrhu jsou vypočtené krátkozávodní proudy obvykle na vyšší straně. Důvodem je, že během výpočtu se často zanedbává impedancí systému a kontaktní odpor v obvodu. Samozřejmě, průsečná kapacita spínačů musí být vybrána podle maximálního možného krátkozávodního proudu. Avšak nastavená hodnota ochrany před krátkým zapojením by neměla být založena na maximálním krátkozávodním proudu.

To proto, že během krátkého zapojení často vznikají oblouky, a odpor oblouku je velmi vysoký. V návrhových výpočtech se krátké zapojení považují za čistě kovové trojfázové krátké zapojení, přičemž se předpokládá, že neexistují žádné oblouky a žádný kontaktní odpor. V reálných statistikách selhání je více než 80 % krátkých zapojení jednofázových a během krátkého zapojení jsou téměř vždy přítomny oblouky. V důsledku toho je skutečný krátkozávodní proud mnohem nižší než ideálně vypočtená hodnota.

Pokud je hodnota nastavení ochrany příliš vysoká, snižuje se citlivost ochrany nebo dochází k selhání okamžité ochrany. V inženýrské praxi problém není v tom, že spínač nepřeruší, ale že ochranný prvek nezačne fungovat kvůli příliš vysoké hodnotě nastavení. Mimochodem, čistě kovové trojfázové krátké zapojení se velmi zřídka vyskytují - stávají se pouze, pokud se po údržbě neodstraní zazemňovací drát před zavřením spínače. Nicméně, zazemňování se obvykle provádí pomocí zazemňovacích spínačů nebo vozíků a existují interlock funkce, což činí čistě kovové krátké zapojení extrémně nepravděpodobným.

V elektrických stavebních výkresech je běžné vidět, že průsečná kapacita hlavního příchozího spínače je specifikována o stupeň vyšší než průsečná kapacita spínačů vedení. To není nutné. Hlavní spínač řeší selhání krátkého zapojení na sbírce, zatímco spínače vedení řeší selhání v jejich vlastních obvodech. Nicméně, blízko zatížené strany spínače vedení, vzhledem k jeho blízkosti ke sbírce, je krátkozávodní proud podobný jako krátkozávodní proud na sbírce. Proto by měly být průsečné kapacity hlavního a vedlejšího spínače stejné.

03 Elektrické a mechanické životní požadavky nemusí být příliš vysoké

Elektrický život zde znamená ne počet otevření a zavření spínače pod nominálním nebo částečným proudem za určité intervaly, ale počet přerušení krátkozávodního proudu bez potřeby údržby. Pro tento počet neexistuje národní standard. Obecně výrobci navrhují 30 takových přerušení. Některé výrobky mohou zvládnout 50. V zadávacích dokumentech pro projekty uživatelů se často setkáváme s příliš vysokými požadavky na počet přerušení krátkozávodního proudu. Například jeden zadávací dokument požadoval, aby 12kV line protection vacuum circuit breaker mohl přerušit nominální krátkozávodní proud 100krát, s mechanickým životem 100 000 operací a přerušením nominálního proudu 20 000krát - tyto požadavky jsou nereálné.

Příliš vysoký počet přerušení krátkozávodního proudu není nutný. Krátkozávodní selhání je velkou elektrickou událostí. Každé takové selhání by mělo být bráno jako vážná havárie, která vyžaduje analýzu kořenové příčiny a opatření k prevenci opakování. Proto během efektivního životního cyklu spínače přeruší krátkozávodní selhání pouze několikrát. Čím vyšší je napětí systému, tím větší škody způsobí krátké zapojení, ale čím nižší je pravděpodobnost jeho výskytu. Tedy, středně napěťový spínač schopný přerušit 30 krátkozávodních selhání je dostatečný. Testování přerušení krátkozávodního proudu je nákladné. Pro 12kV vakuový spínač stojí každý test přerušení krátkozávodního proudu přibližně 10 000 CNY. Provádění příliš mnoha testů je nákladné a není třeba.

Znamená vyšší počet úspěšných přerušení lepší schopnost přerušení? To je další běžný mýtus. Klíčovým prvkem testování přerušení krátkozávodního proudu vakuových spínačů jsou prvních deset operací. Pokud spínač úspěšně přeruší zadaný proud v prvních deseti teste, jeho následná výkonnost je obecně spolehlivá. Statistická data typových testů ukazují, že pravděpodobnost selhání je nejvyšší v prvních deseti přerušeních a postupně klesá s rostoucím počtem přerušení. Po 30 přerušeních je pravděpodobnost selhání v následných teste téměř nulová. Z toho důvodu, schopnost přerušit 30krát neznamená, že nelze přerušit 50krát - prostě dále není třeba testovat.

Co se týče mechanického života vakuových spínačů, není třeba mít příliš vysoké požadavky. Třída M1 je původně nejméně 2 000 operací, a třída M2 pouze 10 000. Nyní se výrobci soutěží v mechanickém životě - jeden tvrdí 25 000, druhý 100 000. V zadávacích procesech se porovnávají hodnoty mechanického života, což pro distribuční vakuové spínače nemá smysl. Avšak v konkrétních aplikacích, jako je časté přepínání motorů, elektrických pecí nebo automatických kondenzátorových kompenzačních obvodů, jsou vhodnější vakuové kontaktory (SF6 spínače jsou běžně používány pro přepínání středně napěťových kondenzátorových bank). Kontaktory mají mechanický a elektrický život přes milion operací (jejich elektrický život se měří počtem přerušení nominálního proudu, nikoli krátkozávodního proudu). Není třeba soutěžit o mechanický život u spínačů.

04 Příliš vysoké požadavky na jiné elektrické parametry

Krátkodobá tepelná odolnost spínače označuje jeho schopnost odolat tepelnému stresu krátkozávodního proudu během selhání. To není totéž jako teplotní vzestup. Test teplotního vzestupu zahrnuje průchod nominálním nebo specifikovaným proudem spínačem po dlouhou dobu a zajištění, aby teplotní vzestup v různých místech nepřesáhl stanovené limity. Krátkodobá tepelná odolnost spínače je obvykle testována po dobu 3 sekund.

Během této doby nesmí teplo generované krátkozávodním proudem poškodit spínač. Tepelná odolnost 3 sekund je dostatečná. Důvodem je, že po výskytu krátkého zapojení může časově stupňovaná ochrana zahrnovat záměrné zpoždění pro zajištění selektivity. Pro časovou ochranu je 0,5 sekundy zpoždění mezi sousedními spínači dostatečné pro zajištění selektivity. Pokud se spínače liší o dva stupně, je zpoždění 1 sekunda; pokud o tři stupně, pak 1,5 sekundy. Tepelná odolnost 3 sekund je již dostatečná. Někteří uživatelé nebo návrháři však trvají na tepelné odolnosti 5 sekund, což není opravdu nutné.

Během zavírání spínače mohou pohyblivé a pevné kontakty poskakovat. Pokud je doba poskakování příliš dlouhá nebo je velká asynchronie zavírání třífázového obvodu, může dojít k průrazu a znovuvznícení mezi kontakty. Znovuvznícení způsobuje nabíjecí-odtácející proces v obvodu, což zvyšuje strmost a amplitudu přetlaku. Tento přetlak se nazývá přetlak při znovuvznícení kontaktů.

Jeho nebezpečí může překonat přetlak při přerušení proudu vakuových spínačů, ohrožující cívkovou izolaci transformátorů a motorů. Proto by doba poskakování kontaktů a třífázová asynchronie nesměla přesáhnout 2 ms. Parametry aktuálních spínačů jsou vyráběny tak, aby splňovaly tento požadavek. Někteří uživatelé však požadují hodnoty menší než 2 ms, dokonce až 1 ms, což překračuje současné technické možnosti.

05 Negativní dopady příliš vysokého počátečního proudu vakuových přerušovačů

Počáteční nominální proud pro středně napěťové vakuové přerušovače je 630 A. V současnosti někteří výrobci již nevyrábějí verze 630 A, a minimální počáteční proud se zvýšil na 1250 A. To je spojeno s výrobou vakuových přerušovačů. Avšak to má řadu negativních důsledků. Protože počáteční proud vakuových přerušovačů je příliš vysoký, musí vakuové spínače sestavené s těmito přerušovači odpovídat proudu přerušovače.

V důsledku toho musí všechny související komponenty, jako jsou sloupce, zapojovací kontakty na sloupcích a pevné kontakty v rozvodu, odpovídat proudu přerušovače. To vede k závažnému znehodnocení nekovových materiálů v mnoha případech. Například 12kV vakuový spínač může zásobovat pouze 1000kVA transformátor, jehož strana 10kV má nominální proud pouze 57.7 A. Nicméně, protože vakuový přerušovač začíná s 1250 A, musí mít spínač nominální proud 1250 A. V důsledku toho musí všechny příslušenství spínače mít nominální proud alespoň 1250 A a pevné kontakty v rozvodu musí mít nominální proud alespoň 1250 A, což vede k značnému znehodnocení nekovových kovů.

Horší je, když uživatelé nebo návrháři trvají na tom, že nosná kapacita hlavních vodičů v rozvodu musí odpovídat spínači - tj. nosná kapacita vodiče je navržena pro 1250 A. Ve skutečnosti je dostatečná kapacita 60 A a pokud je minimální průřez vodiče projednán pro dynamickou a tepelnou stabilitu, je značný prostor pro úsporu materiálů.