Hvordan vælge vakuumkredsløbsbrydere korrekt

01 Forord

I mellemspændings-systemer er kredsløbsbrydere uundværlige primære komponenter. Vakuumkredsløbsbrydere dominerer den interne marked. Derfor er korrekt elektrisk design ikke adskilt fra den korrekte valg af vakuumkredsløbsbrydere. I denne sektion vil vi diskutere, hvordan man korrekt vælger vakuumkredsløbsbrydere og de almindelige misforståelser ved deres valg.

02 Afbrydelseskapacitet for kortslutningsstrøm behøver ikke være for høj

Kortslutningsafbrydelseskapaciteten for en kredsløbsbryder behøver ikke at være for høj, men bør have en vis margen for at imødekomme fremtidig netvækst, som kan føre til øget kortslutningsstrøm. Dog er den valgte afbrydelseskapacitet for kredsløbsbrydere ofte for høj i det faktiske elektriske design.

For eksempel ligger kortslutningsstrømmen på busbar i endbrugers transformatorstationer inden for 10kV systemer mest omkring 10kA, og i større kapacitets systemer kan den nå op til 16kA. Dog angives ofte afbrydelseskapaciteten for vakuumkredsløbsbrydere i elektriske designtegninger så højt som 31.5kA, eller endda 40kA. En så høj afbrydelseskapacitet fører til spildt investering. I ovenstående tilfælde ville en afbrydelseskapacitet på 20kA eller 25kA være tilstrækkelig. I øjeblikket er dog vakuumkredsløbsbrydere med 31.5kA afbrydelseskapacitet i høj efterspørgsel og massaproduceret, hvilket fører til lavere produktionsomkostninger og priser, og dermed bliver de mere udbredt.

I elektrisk design er beregnede kortslutningsstrømmer generelt på den høje side. Grunden er, at systemimpedans og kontaktresistens i kredsløbscirklen ofte overses under beregningen. Selvfølgelig skal afbrydelseskapaciteten for kredsløbsbryderen vælges ud fra den maksimale mulige kortslutningsstrøm. Men kortslutningsbeskyttelsesindstillingen bør ikke baseres på den maksimale kortslutningsstrøm.

Dette skyldes, at buer ofte opstår under kortslutninger, og bueresistens er meget høj. I designberegninger behandles kortslutninger som rene metalliske tre-fase kortslutninger, uden antagelse om buer eller kontaktresistens. I faktiske fejlstatistikker er over 80% af kortslutninger en-fasede, og buer findes næsten altid under kortslutningshændelser. Derved er den faktiske kortslutningsstrøm langt lavere end den ideelle beregnede værdi.

Hvis beskyttelsesindstillingen er for høj, reduceres beskyttelsessensitiviteten eller forhindres hurtig beskyttelse i at fungere. I ingeniørfremgangsmåder er problemet ofte ikke, at kredsløbsbryderen ikke afbryder, men at beskyttelselementet ikke aktiveres pga. for høje indstillinger. Forresten forekommer rene metalliske tre-fase kortslutninger sjældent – de sker kun, når jordtråde ikke fjernes efter vedligeholdelse før lukning af bryderen. Men jordning gøres normalt via jordudtag eller jordvogne, og låsesammenhænge er på plads, hvilket gør rene metalliske kortslutninger yderst usandsynlige.

I elektriske konstruktionstegninger ses det ofte, at afbrydelseskapaciteten for den hovedindgående kredsløbsbryder er angivet en niveau højere end den for feeder-brydere. Dette er unødvendigt. Hovedbryderen håndterer busbar kortslutningsfejl, mens feeder-bryderne håndterer fejl i deres respektive cirkler. Men nær belastnings-siden af en feeder-bryder, pga. dens nærhed til busbaren, er kortslutningsstrømmen ikke betydeligt forskellig fra busbar kortslutningsstrømmen. Derfor bør afbrydelseskapaciteterne for hoved- og feeder-bryderne være de samme.

03 Elektriske og mekaniske levetidskrav behøver ikke være for høje

Den elektriske levetid, der omtales her, refererer ikke til antallet af gange, en bryder kan åbnes og lukkes under nedsat eller delvis belastningsstrøm i bestemte intervaller, men snarere antallet af gange, den kan afbryde kortslutningsstrøm uden vedligeholdelse. Der findes ingen national standard for dette tal. Generelt designer producenter til 30 sådanne afbrydelser. Nogle producenters produkter kan klare 50. I udbudsbevis for brugerprojekter ses det ofte, at kravene til antallet af kortslutningsafbrydelser er for høje. For eksempel krævede et udbudsbevis, at en 12kV linje beskyttelse vakuumkredsløbsbryder skulle afbryde den nominerede kortslutningsstrøm 100 gange, med en mekanisk levetid på 100.000 operationer og afbrydelse af nomineret strøm 20.000 gange – disse krav er urimelige.

For høje tal af kortslutningsafbrydelser er unødvendige. En kortslutningsfejl er en vigtig elektrisk hændelse. Hver forekomst bør behandles som en alvorlig ulykke, der kræver rodårsanalyse og rettelser for at forhindre gentagelse. Derfor vil en kredsløbsbryder kun afbryde kortslutningsfejl få gange over sin effektive servicelevetid. Jo højere systemspændingen, jo større skade forårsages af kortslutninger, men jo lavere sandsynlighed for forekomst. Så en mellemspændings kredsløbsbryder, der kan afbryde 30 kortslutningsfejl, er tilstrækkelig. Typeprøve for kortslutningsafbrydelse er dyr. For en 12kV vakuumkredsløbsbryder koster hver kortslutningsafbrydelsesprøve i øjeblikket ca. 10.000 CNY. At udføre for mange prøver indebærer høje omkostninger og er unødvendigt.

Betyder et højere antal lykkedes afbrydelser bedre afbrydelseskapacitet? Dette er en anden almindelig misforståelse. Nøglen til kortslutningsafbrydelsestest af vakuumkredsløbsbrydere ligger i de første ti operationer. Så længe bryderen succesfuldt afbryder den angivne strøm i de første ti prøver, er dens senere ydeevne generelt pålidelig. Statistikdata fra typeprøver viser, at risikoen for fejl er højst under de første ti afbrydelser og gradvist falder, jo flere afbrydelser der udføres. Efter 30 afbrydelser er risikoen for fejl i senere prøver næsten nul. Så evnen til at afbryde 30 gange betyder ikke, at den ikke kan afbryde 50 – det betyder bare, at yderligere prøver er unødvendige.

Angående den mekaniske levetid for vakuumkredsløbsbrydere, er der ingen grund til for høje krav. Klasse M1 er oprindeligt ikke mindre end 2.000 operationer, og klasse M2 er kun 10.000. Nu konkurrerer producenter i mekanisk levetid – en påstår 25.000, en anden 100.000. I udbudsprocesser sammenligner deltagerne mekaniske levetidsværdier, hvilket er meningsløst for distribueringsbrugte vakuumkredsløbsbrydere. Men i specifikke anvendelser som hyppig skiftning af motorer, budefurnacer eller automatiske kondensator kompensationscirkler, er vakuumkontakter mere passende (SF6 kredsløbsbrydere anvendes ofte til skiftning af mellemspændings kondensatorbanker). Kontakter har mekaniske og elektriske levetider, der overstiger en million operationer (deres elektriske levetid måles ved afbrydelse af nomineret strøm, ikke kortslutningsstrøm). Der er ingen grund til at konkurrere om mekanisk levetid i kredsløbsbrydere.

04 For høje krav til andre elektriske parametre

Kortvarig tilsidesættelsesstrøm for en kredsløbsbryder refererer til dens evne til at modstå varmestrøm fra kortslutningsstrøm under en fejl. Dette er ikke det samme som temperaturstigning. Temperaturstigningstest involverer at sende nomineret eller angivet strøm gennem bryderen i lang tid og sikre, at temperaturstigningen på forskellige punkter ikke overstiger angivne grænser. Kortvarig tilsidesættelsesstrøm for en kredsløbsbryder testes generelt i 3 sekunder.

Inden for denne tid må den varme, der produceres af kortslutningsstrømmen, ikke skade bryderen. En 3-sekunders varmetilsidesættelseskapacitet er tilstrækkelig. Grunden er, at efter en kortslutning kan tidsafgraderet beskyttelse involvere bevidst forsinkelse for at sikre selektivitet. For tidsbaseret beskyttelse sikrer en 0,5-sekunds forsinkelse mellem nabobrydere selektivitet. Hvis brydere adskiller sig med to niveauer, er tripforsinkelsen 1 sekund; hvis tre niveauer, 1,5 sekunder. En 3-sekunders tilsidesættelseskapacitet er allerede tilstrækkelig. Dog insisterer nogle brugere eller designere på en 5-sekunders varmetilsidesættelseskapacitet, hvilket virkelig er unødvendigt.

Under lukningsprocessen for en kredsløbsbryder kan de bevægelige og faste kontakter hoppe. Hvis hoppetid er for lang eller tre-fase lukningssynkronisering er stor, kan breakdown og genopfyling opstå mellem kontakterne. Genopfyling forårsager en ladningsofladningsproces i cirklen, der øger støthed og amplituden af overstrøm. Denne overstrøm kaldes kontaktgenopfylingsoverstrøm.

Dens farlighed kan endda overstige strømbrydelsesoverstrøm af vakuumkredsløbsbrydere, truende turn-to-turn isolation af transfomatorer og motorer. Derfor bør kontakt-hoppetid og tre-fase asynkronisering ikke overstige 2ms. Nuværende kredsløbsbryderparametre er produceret for at opfylde dette krav. Dog kræver nogle brugere værdier under 2ms, endda kræver de ikke mere end 1ms, hvilket overstiger nuværende tekniske evner.

05 Negative problemer forårsaget af for høj startstrøm for vakuumafbrydere

Start-nomineret strøm for mellemspændings vakuumafbrydere er 630A. I øjeblikket producerer nogle producenter ikke længere 630A versioner, og den laveste startstrøm er steget til 1250A. Dette er relateret til produktion af vakuumafbrydere. Men det medfører en række negative konsekvenser. Fordi startstrømmen for vakuumafbrydere er for høj, skal vakuumkredsløbsbrydere, der monteres med disse afbrydere, matche afbryderens strømrating.

Dermed skal alle relaterede komponenter – som polonni, plug-in kontakter på polonni, og faste kontakter i switchgear – også matche afbryderens strømrating. Dette fører til alvorligt spild af ikke-jernmetalliske materialer i de fleste tilfælde. For eksempel kan en 12kV vakuumkredsløbsbryder kun forsyne en 1000kVA transformer, hvis 10kV-side nomineret strøm kun er 57,7A. Men da vakuumafbryderen starter på 1250A, skal kredsløbsbryderen være rated på 1250A. Dermed skal alle tilbehør til bryderen have en nomineret strøm på mindst 1250A, og de faste kontakter i switchgear skal også have en rating på mindst 1250A, hvilket resulterer i betydeligt spild af ikke-jernmetaller.

Værre endnu, insistere brugere eller designere på, at strømførende kapaciteten for hovedledere i switchgear skal matche den for kredsløbsbryderen – dvs. at ledernes strømførende kapacitet er designet til 1250A. I virkeligheden er en kapacitet på 60A tilstrækkelig, og så længe minimums-krydssectionen af kredsløbslederen passer dynamiske og termiske stabilitetschecks, er der betydelig plads til materialebesparelse.