چگونه می‌توان کورکس‌بریکرهای خلاء را به درستی انتخاب کرد؟

01 پیشگفتار

در سیستم‌های متوسط ولتاژ، دیودها جزئیات اصلی غیرقابل انفصال هستند. دیودهای خلاء غالب بازار داخلی را تشکیل می‌دهند. بنابراین، طراحی الکتریکی صحیح ناشی از انتخاب صحیح دیودهای خلاء است. در این بخش، ما نحوه انتخاب صحیح دیودهای خلاء و اشتباهات رایج در انتخاب آنها را بررسی خواهیم کرد.

02 ظرفیت قطع جریان کوتاه نیازی به بسیار بالا ندارد

ظرفیت قطع جریان کوتاه دیود نیازی به بسیار بالا ندارد، اما باید حاشیه‌ای برای تغییرات آینده شبکه که ممکن است منجر به افزایش جریان کوتاه شود، داشته باشد. با این حال، در طراحی الکتریکی واقعی، ظرفیت قطع دیودهای انتخاب شده اغلب بسیار بالاست.

به عنوان مثال، در زیرстанسیون‌های ترانسفورماتوری کاربر نهایی در سیستم‌های 10kV، جریان کوتاه مادر اغلب حدود 10kA است، و در سیستم‌های با ظرفیت بزرگتر ممکن است تا 16kA برسد. با این حال، در نقشه‌های طراحی الکتریکی، ظرفیت قطع دیودهای خلاء معمولاً به 31.5kA یا حتی 40kA مشخص می‌شود. ظرفیت قطع بسیار بالا منجر به سرمایه‌گذاری اضافی می‌شود. در موارد فوق، ظرفیت قطع 20kA یا 25kA کافی است. در حال حاضر، دیودهای خلاء با ظرفیت قطع 31.5kA در تقاضای بالا هستند و به صورت انبوه تولید می‌شوند که منجر به کاهش هزینه‌های تولید و قیمت می‌شود و در نتیجه مورد استفاده گسترده‌تر قرار می‌گیرند.

در طراحی الکتریکی، جریان‌های کوتاه محاسبه شده معمولاً در سطح بالاتری هستند. دلیل این امر این است که مقاومت سیستم و مقاومت تماس در حلقه مداری اغلب در محاسبات نادیده گرفته می‌شوند. البته، ظرفیت قطع دیودها باید بر اساس بیشترین جریان کوتاه ممکن انتخاب شود. اما مقدار تنظیم محافظت از جریان کوتاه نباید بر اساس بیشترین جریان کوتاه باشد.

دلیل این امر این است که در طی جریان کوتاه، قوس‌های الکتریکی معمولاً ایجاد می‌شوند و مقاومت قوس بسیار بالا است. در محاسبات طراحی، جریان کوتاه به عنوان یک جریان کوتاه سه فاز خالص فلزی در نظر گرفته می‌شود، با فرض عدم وجود قوس و مقاومت تماس. در آمار واقعی حوادث، بیش از 80٪ جریان‌های کوتاه تک‌فاز هستند و قوس‌ها در طی حوادث جریان کوتاه تقریباً همیشه وجود دارند. بنابراین، جریان کوتاه واقعی بسیار کمتر از مقدار محاسبه شده ایده‌آل است.

اگر مقدار تنظیم محافظت بسیار بالا باشد، حساسیت محافظت کاهش می‌یابد یا عملکرد محافظت لحظه‌ای از کار می‌افتد. در عمل مهندسی، مشکل اغلب این نیست که دیود قادر به قطع نیست، بلکه عناصر محافظت به دلیل مقادیر تنظیم بسیار بالا فعال نمی‌شوند. ضمناً، جریان کوتاه سه فاز خالص به ندرت رخ می‌دهد - فقط زمانی که سیم‌های زمینی بعد از نگهداری قبل از بستن دیود حذف نشده‌اند. با این حال، زمین‌کاری معمولاً از طریق سوئیچ‌های زمینی یا واگن‌های زمینی انجام می‌شود و توابع متقابل وجود دارد که جریان کوتاه سه فاز خالص بسیار نادر است.

در نقشه‌های ساخت الکتریکی، معمولاً ظرفیت قطع دیود ورودی اصلی یک سطح بالاتر از دیودهای فیدر مشخص می‌شود. این امر لازم نیست. دیود اصلی با خطاهای جریان کوتاه مادر مواجه می‌شود، در حالی که دیودهای فیدر با خطاهای مدارهای خود مواجه می‌شوند. با این حال، در نزدیکی سمت بار دیود فیدر، به دلیل نزدیکی به مادر، جریان کوتاه به طور قابل توجهی با جریان کوتاه مادر متفاوت نیست. بنابراین، ظرفیت قطع دیودهای اصلی و فیدر باید یکسان باشد.

03 نیاز به عمر مفید الکتریکی و مکانیکی بسیار بالا ندارد

عمر مفید الکتریکی اشاره شده در اینجا به تعداد بارهای باز و بستن دیود تحت جریان کاری یا جزئی در فواصل مشخص شده نیست، بلکه به تعداد بارهای قطع جریان کوتاه بدون نیاز به تعمیر و نگهداری اشاره دارد. استاندارد ملی برای این عدد وجود ندارد. معمولاً تولیدکنندگان برای 30 بار چنین قطعی طراحی می‌کنند. بعضی از محصولات تولیدکنندگان می‌توانند 50 بار قطع کنند. در مستنداتlicitation پروژه‌های کاربری، معمولاً نیازهای بسیار بالایی برای تعداد قطع جریان کوتاه مشاهده می‌شود. به عنوان مثال، یک مستندlicitation نیاز به 100 بار قطع جریان کوتاه مشخص برای یک دیود خلاء محافظت خط 12kV، با عمر مفید مکانیکی 100000 بار و قطع جریان کاری 20000 بار را مشخص کرده است - این نیازها منطقی نیستند.

تعداد بسیار بالای قطع جریان کوتاه لازم نیست. خطای جریان کوتاه یک حوادث الکتریکی بزرگ است. هر بار رخ دادن آن باید به عنوان یک حادثه جدی در نظر گرفته شود و تحلیل علت اصلی و اقدامات اصلاحی برای جلوگیری از تکرار آن انجام شود. بنابراین، در طول عمر مفید یک دیود، فقط چندین بار جریان کوتاه را قطع خواهد کرد. هرچه ولتاژ سیستم بالاتر باشد، خسارت ناشی از جریان کوتاه بیشتر خواهد بود، اما احتمال رخ دادن آن کمتر است. بنابراین، یک دیود متوسط ولتاژ که می‌تواند 30 بار جریان کوتاه را قطع کند کافی است. تست قطع جریان کوتاه گران است. برای یک دیود خلاء 12kV، هر بار تست قطع جریان کوتاه در حال حاضر حدود 10000 یوان هزینه دارد. انجام تست‌های بیش از حد هزینه بالایی دارد و لازم نیست.

آیا تعداد بیشتر قطع موفق به معنای توان قطع بهتر است؟ این یک اشتباه رایج دیگر است. کلیدی در تست قطع جریان کوتاه دیودهای خلاء اولین ده عملیات است. به شرطی که دیود بتواند جریان مشخص را در اولین ده تست موفق قطع کند، عملکرد بعدی آن معمولاً قابل اطمینان است. داده‌های آماری تست‌های نوع نشان می‌دهند که احتمال خرابی در اولین ده قطع بالاترین است و با افزایش تعداد قطع کاهش می‌یابد. پس از 30 قطع، احتمال خرابی در تست‌های بعدی تقریباً صفر است. بنابراین، توانایی قطع 30 بار به معنای ناتوانی در قطع 50 بار نیست - فقط به معنای عدم نیاز به تست‌های بیشتر است.

در مورد عمر مفید مکانیکی دیودهای خلاء، نیازی به نیازهای بسیار بالا نیست. کلاس M1 اصلی کمتر از 2000 عملیات نیست و کلاس M2 فقط 10000 عملیات است. حالا، تولیدکنندگان در عمر مفید مکانیکی رقابت می‌کنند - یکی 25000 عملیات می‌گوید و دیگری 100000 عملیات. در فرآیندlicitation، شرکت‌کنندگان مقادیر عمر مفید مکانیکی را مقایسه می‌کنند، که برای دیودهای خلاء استفاده‌ای در توزیع بی‌معنی است. با این حال، در کاربردهای خاصی مانند تغییر مکرر موتورها، کوره‌های قوس الکتریکی یا مدارهای جبران‌کننده خازنی خودکار، کنتکتورهای خلاء مناسب‌تر هستند (دیودهای SF6 معمولاً برای تغییر بانک‌های خازنی متوسط ولتاژ استفاده می‌شوند). عمر مکانیکی و الکتریکی کنتکتورها بیش از یک میلیون عملیات است (عمر الکتریکی آنها با قطع جریان کاری اندازه‌گیری می‌شود، نه جریان کوتاه). نیازی به رقابت در عمر مفید مکانیکی دیودها نیست.

04 نیازهای بیش از حد برای پارامترهای الکتریکی دیگر

مقاومت کوتاه‌مدت یک دیود به توانایی تحمل تنش حرارتی جریان کوتاه در طی یک خطا اشاره دارد. این مورد با افزایش دما یکسان نیست. تست افزایش دما شامل عبور جریان کاری یا مشخص شده از طریق دیود برای مدت طولانی و اطمینان از اینکه افزایش دما در نقاط مختلف از حد مشخص فراتر نرود. مقاومت کوتاه‌مدت یک دیود معمولاً برای 3 ثانیه تست می‌شود.

در این مدت، گرما تولید شده توسط جریان کوتاه نباید دیود را خراب کند. توانایی تحمل حرارتی 3 ثانیه کافی است. دلیل این امر این است که پس از رخ دادن جریان کوتاه، محافظت‌های زمانی ممکن است شامل تأخیر مقصودی برای اطمینان از انتخابی باشند. برای محافظت‌های زمانی، تأخیر 0.5 ثانیه بین دیودهای مجاور اطمینان انتخابی را فراهم می‌کند. اگر دیودها دو سطح متفاوت باشند، تأخیر قطع 1 ثانیه است؛ اگر سه سطح متفاوت باشند، 1.5 ثانیه. توانایی تحمل حرارتی 3 ثانیه قبلاً کافی است. با این حال، بعضی کاربران یا طراحان به توانایی تحمل حرارتی 5 ثانیه اصرار دارند، که واقعاً لازم نیست.

در طی فرآیند بستن یک دیود، تماس‌های متحرک و ثابت ممکن است نوسان کنند. اگر زمان نوسان بسیار طولانی باشد یا همزمانی بستن سه فاز بسیار زیاد باشد، شکست و قطع مجدد می‌تواند بین تماس‌ها رخ دهد. قطع مجدد باعث فرآیند شارژ-دیشارژ در مدار می‌شود، که شیب و دامنه ولتاژ اضافی را افزایش می‌دهد. این ولتاژ اضافی به عنوان ولتاژ اضافی قطع مجدد تماس شناخته می‌شود.

خطر آن ممکن است حتی بیشتر از ولتاژ اضافی قطع جریان دیودهای خلاء باشد و عایق بین لایه‌های ترانسفورماتورها و موتورها را تهدید کند. بنابراین، زمان نوسان تماس و همزمانی سه فاز نباید بیش از 2ms باشد. پارامترهای فعلی دیودها به گونه‌ای ساخته شده‌اند که این نیاز را برآورده کنند. با این حال، بعضی کاربران مقادیر کمتر از 2ms را می‌طلبد، حتی کمتر از 1ms، که فراتر از توانایی‌های فنی فعلی است.

05 مسائل منفی ناشی از جریان شروع بسیار بالای میان‌قطع‌کننده‌های خلاء

جریان شروع میان‌قطع‌کننده‌های خلاء متوسط ولتاژ 630A است. در حال حاضر، بعضی تولیدکنندگان دیگر نسخه 630A را تولید نمی‌کنند و جریان شروع کمترین به 1250A افزایش یافته است. این موضوع مرتبط با تولید میان‌قطع‌کننده‌های خلاء است. با این حال، این مسئله مجموعه‌ای از پیامدهای منفی را به همراه دارد. چون جریان شروع میان‌قطع‌کننده‌های خلاء بسیار بالا است، دیودهای خلاء که با این میان‌قطع‌کننده‌ها مونتاژ می‌شوند باید با جریان میان‌قطع‌کننده مطابقت داشته باشند.

بنابراین، تمام قطعات مرتبط - مانند ستون‌های قطبی، تماس‌های پلاگین روی ستون‌های قطبی و تماس‌های ثابت در تجهیزات توزیع - باید با جریان میان‌قطع‌کننده مطابقت داشته باشند. این امر منجر به تلف شدید مواد فلزی غیرآهنی در بیشتر موارد می‌شود. به عنوان مثال، یک دیود خلاء 12kV ممکن است فقط یک ترانسفورماتور 1000kVA را تأمین کند که جریان کاری سمت 10kV آن فقط 57.7A است. با این حال، چون میان‌قطع‌کننده خلاء با 1250A شروع می‌شود، دیود باید 1250A باشد. بنابراین، تمام لوازم جانبی دیود باید جریان کاری حداقل 1250A داشته باشند و تماس‌های ثابت در تجهیزات توزیع نیز باید حداقل 1250A باشند، که منجر به تلف شدید مواد فلزی غیرآهنی می‌شود.

بدتر از این، کاربران یا طراحان اصرار دارند که ظرفیت حمل جریان مدارهای اصلی در تجهیزات توزیع باید با دیود مطابقت داشته باشد - یعنی ظرفیت حمل جریان مدارهای اصلی برای 1250A طراحی شود. در واقعیت، ظرفیت 60A کافی است و به شرطی که مساحت کمینه مدار عبوری از آزمون‌های پایداری دینامیکی و حرارتی عبور کند، فضای قابل توجهی برای صرفه‌جویی در مواد وجود دارد.