Kuidas valida vakuumpõhised lülitid korrektselt

01 Sissejuhatus

Keskjõulistes süsteemides on lülitikud olulised peamised komponendid. Vakuumlülitikud domineerivad kodumaal turul. Seetõttu on õige elektriline disain seotud vakuumlülitikute korrektsel valikul. Selles jaoskonnas arutame, kuidas korrektselt valida vakuumlülitikke ja mida tuleb vältida nende valimisel.

02 Lühikese kinnituse katkestamise võime ei pea olema liiga suur

Lülitiku lühikese kinnituse katkestamise võime ei pea olema liiga suur, kuid peaks jääma mõne marginaali, et hõlmata tulevast võrgu kapatsiteedi laienemist, mis võib põhjustada lühikese kinnituse suurenemist. Kuid tegelikus elektrilises disainis on lülitikute valitud katkestamise võime sageli liiga suur. 

Näiteks 10kV süsteemides olevates lõppkasutaja transfoandmetes on juhtme lühikese kinnituse suurus tavaliselt umbes 10kA, suuremates kapatsitesüsteemides võib see ulatuda kuni 16kA-ni. Siiski näidatakse elektrilistes disainjoonistustes vakuumlülitikute katkestamise võimet sageli kuni 31.5kA-ni, isegi 40kA-ni. Selline suur katkestamise võime põhjustab üliinvesteeringu. Ülaltoodud juhtudel oleks piisav 20kA või 25kA katkestamise võime. Praegu on aga 31.5kA katkestamise võimega vakuumlülitikud suure nõudluse ja massitootmise tõttu odavamad, mistõttu neid kasutatakse laialdaselt.

Elektrilises disainis arvutatakse lühikese kinnituse suurusi tavaliselt liiga kõrgeks. Põhjus selleks on, et süsteemi impedants ja kontaktreeglid tsirkuitsi ringis arvutamisel tihti eiratakse. Muidugi tuleb lülitikute katkestamise võimet valida maksimaalse lühikese kinnituse suuruse alusel. Kuid lühikese kinnituse kaitse seadistusväärtus ei tohiks põhineda maksimaalsel lühikese kinnituse suurusal. 

Selle põhjuseks on, et lühikese kinnituse ajal ilmuvad tavaliselt plazmad, mille reeglid on väga kõrge. Disainiarvutustes käsitletakse lühikeseid kinnitusi puhtana metallilistena kolmfaasi lühikese kinnituse naasmise kui ilma plazma ja kontaktreeglita. Tegelike vigade statistika andmete kohaselt on rohkem kui 80% lühikeseid kinnitusi ühefaasilisi, ja plazma on lühikese kinnituse ajal tavaliselt olemas. Tulemuseks on, et tegelik lühikese kinnituse suurus on palju väiksem kui ideaalne arvutatud väärtus. 

Kui kaitse seadistusväärtus on liiga kõrge, siis vähendab see kaitse tundlikkust või põhjustab kiirete kaitsemeetmete mitteaktiveerumise. Inseneripraktikas on probleem tavaliselt mitte lülitiku katkestamisvõimet, vaid kaitseelementide mitteaktiveerumist liiga kõrgete seadistusväärtuste tõttu. Ükskõikas, puhtalt metallilised kolmfaasilised lühikese kinnituse naasmised on haruldased – need esinevad vaid siis, kui hoolduse järel maandusjuhed pole eemaldatud enne lülitiku sulgemist. Kuid maandumine toimub tavaliselt maandussuvikutega või maandumismehhanismidega, ning käsitöö interlokkidega, mis muudab puhtalt metalliliste lühikese kinnituse naasmiste esinemise äärmiselt ebatõenäoliseks.

Elektrilistes ehitusjoonistustes on tavaline näha, et päritolu lülitiku katkestamise võime on määratud ühe taseme kõrgemaks kui tarbijalülitikute katkestamise võime. See on ebavajalik. Peamine lülitik hoolitseb juhtme lühikese kinnituse vigade eest, samas kui tarbijalülitikud hoolitsevad oma vastavate tsirkuitide vigade eest. Kuid tarbijalülitiku läheduses, kuna see on lähedal juhtmel, on lühikese kinnituse suurus mitteoluliselt erinev juhtme lühikese kinnituse suurusest. Seetõttu peaksid peamise ja tarbijalülitikute katkestamise võimed olema samad.

03 Elektrilised ja mehaanilised elueeldused ei pea olema liiga kõrged

Siin mainitud elektriline elu ei viita sellele, kui mitu korda lülitik saab avada ja sulgeda määratletud intervallidega nominal- või osalisel laadiga, vaid mitu korda see saab lühikese kinnituse katkestada ilma hoolduseta. Selle arvu jaoks ei eksisteeri riiklikku standarti. Tavaliselt disainitakse tootjate poolt 30 sellist katkestust. Mõned tootjate tooted saavad teha 50. Kasutajaprojektide heitlustekstides on tavaline näha liiga kõrgeid nõudeid lühikese kinnituse katkestuste arvu kohta. Näiteks üks heitlustekst nõudis, et 12kV liini kaitse vakuumlülitik peaks katkestama nominal-lühikese kinnituse 100 korda, mehaanilise elu 100 000 korda ja nominal-laadi katkestamise 20 000 korda – need nõuded on ebapiisavad.

Liiga kõrge lühikese kinnituse katkestuste arv on ebavajalik. Lühikese kinnituse viga on suur elektriline sündmus. Iga sündmuse korral tuleb seda käsitleda tõsise vigana, mis nõuab põhjuse analüüsi ja parandusmeetmete rakendamist, et takistada taaspuutumist. Seetõttu katkestab lülitik oma kasutusaegadel ainult mõned kordi lühikeseid kinnitusi. Mida kõrgem süsteemi pingeline, seda suurem on lühikese kinnituse tekitatud kahju, kuid väiksem on selle esinemise tõenäosus. Seega on keskjõulise lülitiku, mis suudab katkestada 30 lühikese kinnituse, piisav. Lühikese kinnituse katkestamise tüübiproovide läbiviimine on kallis. 12kV vakuumlülitiku korral maksab igal hetkel umbes 10 000 RMB. Liiga paljude proovide läbiviimine on kallis ja ebavajalik.

Tähendab liiga suur katkestuste arv paremat katkestamisvõimet? See on teine levinud eksitus. Vakuumlülitiku lühikese kinnituse katkestamise proovide võtmepunkt on esimesed kümme katkestust. Kui lülitik suudab esimeses kümnes katkestuses määratletud laadi katkestada, on tema järgmine töö tavaliselt usaldusväärne. Tüübiproovidest tulenevad statistilised andmed näitavad, et katkestamise ebaõnnestumise tõenäosus on kõrgeim esimeses kümnes katkestuses ja see väheneb katkestuste arvu kasvu järel. Pärast 30 katkestust on järgmiste testide ebaõnnestumise tõenäosus peaaegu null. Seega, 30 katkestuse suudmine ei tähenda, et see ei suuda 50 katkestust – see tähendab lihtsalt, et lisaproovid on ebavajalikud.

Mehaanilise elu osas vakuumlülitikutele ei pea olema liiga kõrgeid nõudeid. M1 klass on alguses vähemalt 2 000 toimingut, M2 klass on ainult 10 000. Nüüd konkureerivad tootjad mehaanilise elu osas – üks väidab 25 000, teine 100 000. Heitlustes võrreldakse mehaanilisi elusuursusi, mis on mitteoluline jaotusvõrgu kasutamiseks vakuumlülitikute jaoks. Kuid konkreetsetes rakendustes, nagu tihtiva motori, plasmasoostiku või automaatse kondensaatorikompensatsioonitsirkuiidi lülitamine, on sobivamad vakuukontaktorid (SF6 lülitikud kasutatakse tavaliselt keskjõuliste kondensaatoripankade lülitamiseks). Kontaktorite mehaaniline ja elektriline elu ületab miljonit toimingut (nende elektriline elu mõõdetakse nominal-laadi katkestamise järgi, mitte lühikese kinnituse). Pole vaja konkureerida mehaanilise elu suuruse osas lülitikutes.

04 Teiste elektriliste parameetrite üleliigne nõudlus

Lülitiku lühiajaline kannatlikkus viitab sellele, kuidas see suudab taluda lühikese kinnituse termilist pinget vigade ajal. See ei ole sama mis temperatuuri tõus. Temperatuuri tõusu testimine hõlmab lülitiku läbimist nominal- või määratud laadiga pikka aega ja tagab, et temperatuuri tõus erinevatel punktidel ei ületa määratud limiite. Lülitiku lühiajaline kannatlikkus testimine toimub tavaliselt 3 sekundi jooksul.

Selles perioodil ei tohi lühikese kinnituse termiline energia kahjustada lülitikut. 3 sekundi termiline kannatlikkus on piisav. Põhjus selleks on, et lühikese kinnituse esinemisel võib aja-graaditud kaitse hõlmata eelistatud viivitust, et tagada selektiivsus. Aja-põhise kaitse korral tagab 0,5 sekundi viivitus kahe lähedase lülitiku vahel selektiivsuse. Kui lülitikud erinevad kaheteistkümne taseme võrra, on viivitus 1 sekund; kui kolm taseme võrra, 1,5 sekundit. 3 sekundi kannatlikkus on juba piisav. Siiski nõuavad mõned kasutajad või disainijad 5 sekundi termilist kannatlikkust, mis on tõesti ebavajalik.

Lülitiku sulgemisel võivad liigutava ja staatilise kontakti vahel esineda hüppelised kontaktd. Kui hüppeliste kontaktiliste aeg on liiga pikk või kolmefaasilise sulgemise asünkroonsus on suur, võib esineda kontaktide vahelise purunemise ja uuesti sülindumise. Uuesti sülindumine põhjustab tsirkuiidis laengutus-laadimisprotsessi, suurendades ülepinge tõusva kriipsuga ja amplituudiga. See ülepinge on tuntud kui kontaktide uuesti sülindumise ülepinge.

Selle ohu võib ületada isegi vakuumlülitiku laadi lõikamise ülepinge, ohustades transfoodi ja moitori keerukate vonke. Seetõttu ei tohi kontaktide hüppeliste aeg ja kolmefaasiline asünkroonsus ületada 2ms. Praegu toodetavad lülitikuparameetrid rahuldavad seda nõuet. Siiski nõuavad mõned kasutajad väärtusi, mis on alla 2ms, isegi nõudes, et see ei oleks suurem kui 1ms, mis ületab praegused tehnilised võimalused.

05 Negatiivsed küsimused, mida põhjustab vakuulülitite liiga kõrge alglaadi

Keskjõuliste vakuulülitite alglaadi nominal-mõõt on 630A. Praegu ei toota enam mõned tootjad 630A versioone, ja minimaalne alglaadi nominal-mõõt on tõstetud 1250A-le. See on seotud vakuulülitite tootmisega. See aga toob kaasa mitmeid negatiivseid tagajärgi. Kuna vakuulülitite alglaadi nominal-mõõt on liiga kõrge, peavad vakuulülitikute asendamisel need lülitikud vastama lülitikute nominal-mõõdile. 

Seetõttu peavad kõik seotud komponendid, nagu poolveerud, poolveerulised kontaktid ja statilised kontaktid võrguapparaatides, vastama lülitikute nominal-mõõdile. See põhjustab suure metallide raiskamise enamikus juhtudetes. Näiteks 12kV vakuulülitik võib tarnida ainult 1000kVA transfoodi, mille 10kV poolt nominal-laadi suurus on vaid 57,7A. Kuid kuna vakuulülitite alglaadi nominal-mõõt on 1250A, peab lülitik olema nominal-mõõduga 1250A. Seega peavad kõik lülitiku lisavarustuskomponendid olema nominal-mõõduga vähemalt 1250A, ja statilised kontaktid võrguapparaatides peavad olema nominal-mõõduga vähemalt 1250A, mis põhjustab suure metallide raiskamise.

Halvem veel, kasutajad või disainijad nõuavad, et võrguapparaatide peamiste juhtmeid tuleb projektida lülitiku nominal-mõõduga, st. juhtme nominal-mõõduga 1250A. Tegelikult oleks piisav 60A nominal-mõõt, ja kui tsirkuiidi juhtme minimaalne ristlõik läbib dünaamilist ja soojuslikku stabiilsuse kontrolli, on metallide raiskamiseks suur potentsiaal.