چگونه می‌توان کاربرکننده‌ها را به درستی انتخاب کرد؟

۰۱ مقدمه

در سیستم‌های متوسط ولتاژ، دیودها اجزای اصلی ضروری هستند. دیودهای خلاء بیشتر بازار داخلی را در اختیار دارند. بنابراین، طراحی الکتریکی صحیح ناشی از انتخاب صحیح دیودهای خلاء است. در این بخش، نحوه انتخاب صحیح دیودهای خلاء و خطاهای رایج در انتخاب آنها را بررسی خواهیم کرد.

۰۲ ظرفیت قطع جریان کوتاه نباید بسیار بالا باشد

ظرفیت قطع جریان کوتاه دیود نباید بسیار بالا باشد، اما باید حاشیه‌ای داشته باشد تا گسترش آینده ظرفیت شبکه که ممکن است منجر به افزایش جریان کوتاه شود را پوشش دهد. با این حال، در طراحی الکتریکی واقعی، ظرفیت قطع انتخاب شده برای دیودها معمولاً بسیار بالاست.

به عنوان مثال، در زیرمجموعه‌های ترانسفورماتوری کاربر نهایی در سیستم‌های ۱۰kV، جریان کوتاه مادره بیشتر حدود ۱۰kA است و در سیستم‌های با ظرفیت بزرگ‌تر ممکن است تا ۱۶kA برسد. با این حال، در نقشه‌های طراحی الکتریکی، ظرفیت قطع دیودهای خلاء معمولاً به ۳۱.۵kA یا حتی ۴۰kA مشخص می‌شود. ظرفیت قطع بسیار بالا منجر به تلف صرفه‌جویی می‌شود. در موارد فوق، ظرفیت قطع ۲۰kA یا ۲۵kA کافی است. با این حال، دیودهای خلاء با ظرفیت قطع ۳۱.۵kA در حال حاضر در تقاضای بالا هستند و به تولید انبوه رسیده‌اند، که منجر به کاهش هزینه‌های تولید و قیمت شده و بنابراین به طور گسترده‌تری مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

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

دلیل این امر این است که در طول جریان کوتاه، قوس‌های الکتریکی معمولاً ایجاد می‌شوند و مقاومت قوس بسیار بالاست. در محاسبات طراحی، جریان کوتاه به عنوان یک جریان کوتاه سه فاز خالص فلزی در نظر گرفته می‌شود و فرض می‌شود که قوس یا مقاومت تماس وجود ندارد. در آمار واقعی خطاها، بیش از ۸۰٪ جریان‌های کوتاه تک فاز هستند و در حوادث جریان کوتاه، قوس‌ها تقریباً همیشه وجود دارند. بنابراین، جریان کوتاه واقعی بسیار کمتر از مقدار محاسبه شده ایده‌آل است.

اگر مقدار تنظیم حفاظتی بسیار بالا باشد، حساسیت حفاظتی کاهش می‌یابد یا عملکرد حفاظتی فوری متوقف می‌شود. در عمل مهندسی، مشکل معمولاً این نیست که دیود نتواند جریان را قطع کند، بلکه عناصر حفاظتی به دلیل مقادیر تنظیم بسیار بالا فعال نمی‌شوند. به طور میانبر، جریان‌های کوتاه سه فاز خالص فلزی به ندرت رخ می‌دهند—فقط زمانی که سیم‌های زمین‌بندی پس از نگهداری قبل از بستن دیود خارج نشده‌اند. با این حال، زمین‌بندی معمولاً از طریق سوئیچ‌های زمین‌بندی یا وسایل نقلیه زمین‌بندی انجام می‌شود و توابع قفل‌کردن در جای خود هستند، بنابراین جریان‌های کوتاه سه فاز خالص فلزی بسیار نادر هستند.

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

۰۳ نیاز به عمر مفید الکتریکی و مکانیکی بسیار بالا نیست

عمر مفید الکتریکی که در اینجا ذکر شده، به تعداد بارهای باز و بستن دیود تحت جریان اسمی یا جزئی بار در فواصل مشخص اشاره نمی‌کند، بلکه به تعداد بارهایی که دیود می‌تواند جریان کوتاه را بدون نیاز به نگهداری قطع کند اشاره دارد. استاندارد ملی برای این عدد وجود ندارد. معمولاً تولیدکنندگان برای ۳۰ بار طراحی می‌کنند. بعضی از محصولات تولیدکنندگان می‌توانند ۵۰ بار را مدیریت کنند. در مستندات پیشنهادی پروژه‌های کاربران، معمولاً نیازهای بسیار بالایی برای تعداد بارهای قطع جریان کوتاه مشاهده می‌شود. به عنوان مثال، یک مستند پیشنهادی نیاز به ۱۰۰ بار قطع جریان کوتاه اسمی برای یک دیود خلاء محافظ خط ۱۲kV را مشخص کرده است، با عمر مکانیکی ۱۰۰,۰۰۰ بار باز و بستن و ۲۰,۰۰۰ بار قطع جریان اسمی—این نیازها غیرمنطقی هستند.

تعداد بسیار بالایی از بارهای قطع جریان کوتاه لازم نیست. خطا جریان کوتاه یک حادثه بزرگ الکتریکی است. هر بار رخ دادن آن باید به عنوان یک حادثه جدی در نظر گرفته شود که نیاز به تحلیل علت اصلی و اقدامات اصلاحی برای جلوگیری از تکرار آن دارد. بنابراین، در طول عمر مفید دیود، فقط چند بار جریان کوتاه را قطع خواهد کرد. هرچه ولتاژ سیستم بالاتر باشد، آسیب ناشی از جریان کوتاه بیشتر است، اما احتمال وقوع آن کمتر است. بنابراین، یک دیود متوسط ولتاژ که می‌تواند ۳۰ بار جریان کوتاه را قطع کند کافی است. آزمون‌های نوعی برای قطع جریان کوتاه هزینه‌بر هستند. برای یک دیود خلاء ۱۲kV، هر آزمون قطع جریان کوتاه در حال حاضر حدود ۱۰,۰۰۰ یوان هزینه دارد. انجام آزمون‌های بیش از حد هزینه‌بر است و لازم نیست.

آیا تعداد بالاتری از بارهای موفق قطع به معنای توانایی قطع بهتر است؟ این یکی دیگر از اشتباهات رایج است. کلید موفقیت آزمون‌های قطع جریان کوتاه دیودهای خلاء در ده عملیات اول است. اگر دیود بتواند جریان مشخص را در ده آزمون اول قطع کند، عملکرد بعدی آن معمولاً قابل اعتماد است. داده‌های آماری آزمون‌های نوعی نشان می‌دهند که احتمال شکست بیشترین است در ده بار اول و با افزایش تعداد بارهای قطع، احتمال شکست کمتر می‌شود. پس از ۳۰ بار، احتمال شکست در آزمون‌های بعدی تقریباً صفر است. بنابراین، توانایی قطع ۳۰ بار به معنای عدم توانایی قطع ۵۰ بار نیست—بلکه به معنای عدم نیاز به آزمون‌های بیشتر است.

در مورد عمر مفید مکانیکی دیودهای خلاء، نیاز به نیازهای بسیار بالا نیست. کلاس M1 اصلی کمتر از ۲,۰۰۰ بار باز و بستن نیست و کلاس M2 فقط ۱۰,۰۰۰ بار است. حالا، تولیدکنندگان در عمر مفید مکانیکی رقابت می‌کنند—یکی ۲۵,۰۰۰ بار می‌گوید و دیگری ۱۰۰,۰۰۰ بار. در فرآیندهای پیشنهادی، شرکت‌کنندگان مقادیر عمر مفید مکانیکی را مقایسه می‌کنند، که برای دیودهای خلاء استفاده‌ای از توزیع بی‌معنی است. با این حال، در کاربردهای خاصی مانند تغییرات مکرر موتورها، کوره‌های قوس الکتریکی یا مدارهای جبران‌ساز خازنی خودکار، تماس‌گرهای خلاء مناسب‌تر هستند (دیودهای SF6 معمولاً برای تغییرات بانک‌های خازن متوسط ولتاژ استفاده می‌شوند). تماس‌گرهای مکانیکی و الکتریکی با بیش از یک میلیون بار باز و بستن (عمر مفید الکتریکی آنها با جریان اسمی، نه جریان کوتاه، اندازه‌گیری می‌شود) دارای عمر مفید هستند. نیازی به رقابت در عمر مفید مکانیکی دیودها نیست.

۰۴ نیازهای بیش از حد برای پارامترهای الکتریکی دیگر

جریان تحمل کوتاه‌مدت یک دیود به توانایی تحمل تنش حرارتی جریان کوتاه در طول یک خطا اشاره دارد. این مورد متفاوت از افزایش دما است. آزمون افزایش دما شامل عبور جریان اسمی یا مشخص شده از طریق دیود برای مدت طولانی و اطمینان از اینکه افزایش دما در نقاط مختلف از حد مشخص فراتر نرود. جریان تحمل کوتاه‌مدت یک دیود معمولاً برای ۳ ثانیه آزمون می‌شود.

در این مدت، گرمای تولید شده توسط جریان کوتاه نباید دیود را آسیب بزند. توانایی تحمل حرارتی ۳ ثانیه کافی است. دلیل این امر این است که پس از رخ دادن جریان کوتاه، حفاظت‌های زمانی ممکن است شامل تأخیر متعامد برای اطمینان از انتخابی بودن باشند. برای حفاظت‌های زمانی، یک تأخیر ۰.۵ ثانیه بین دیودهای مجاور انتخابی بودن را تضمین می‌کند. اگر دیودها دو سطح متفاوت باشند، تأخیر یک ثانیه است؛ اگر سه سطح متفاوت باشند، ۱.۵ ثانیه. توانایی تحمل حرارتی ۳ ثانیه از این رو کافی است. با این حال، برخی از کاربران یا طراحان توانایی تحمل حرارتی ۵ ثانیه را می‌طلبد، که واقعاً لازم نیست.

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

خطر آن ممکن است حتی بیشتر از افزایش ولتاژ برش جریان دیودهای خلاء باشد و عایق بین دورهای ترانسفورماتورها و موتورها را تهدید کند. بنابراین، زمان لرزش تماس و همزمانی سه فاز نباید بیش از ۲ میلی‌ثانیه باشد. پارامترهای فعلی دیودها برای رضایت از این نیاز ساخته شده‌اند. با این حال، برخی از کاربران مقادیر کمتر از ۲ میلی‌ثانیه را می‌طلبد، حتی کمتر از ۱ میلی‌ثانیه، که فراتر از توانایی‌های فنی فعلی است.

۰۵ مسائل منفی ناشی از جریان شروع بسیار بالای میان‌بُعد خلاء

جریان شروع اسمی برای میان‌بُعد خلاء ولتاژ متوسط ۶۳۰A است. در حال حاضر، برخی تولیدکنندگان دیگر نسخه ۶۳۰A را تولید نمی‌کنند و جریان شروع کمینه به ۱۲۵۰A افزایش یافته است. این مورد مرتبط با تولید میان‌بُعد خلاء است. با این حال، این مسئله مجموعه‌ای از پیامدهای منفی را به همراه دارد. چون جریان شروع میان‌بُعد خلاء بسیار بالا است، دیودهای خلاء که با این میان‌بُعد ساخته می‌شوند باید با جریان اسمی میان‌بُعد مطابقت داشته باشند.

بنابراین، تمامی قطعات مرتبط—مانند ستون‌های قطبی، تماس‌های پلاگین در ستون‌های قطبی و تماس‌های ثابت در تجهیزات کنترل—باید با جریان اسمی میان‌بُعد مطابقت داشته باشند. این امر معمولاً منجر به تلف بیش از حد مواد فلزی غیرآهنی می‌شود. به عنوان مثال، یک دیود خلاء ۱۲kV ممکن است فقط یک ترانسفورماتور ۱۰۰۰kVA را تأمین کند که جریان اسمی طرف ۱۰kV آن فقط ۵۷.۷A است. با این حال، چون میان‌بُعد خلاء با ۱۲۵۰A شروع می‌شود، دیود باید با ۱۲۵۰A طراحی شود. بنابراین، تمامی لوازم جانبی دیود باید جریان اسمی حداقل ۱۲۵۰A داشته باشند و تماس‌های ثابت در تجهیزات کنترل نیز باید حداقل ۱۲۵۰A باشند، که منجر به تلف بیش از حد مواد فلزی غیرآهنی می‌شود.

بدتر از این، کاربران یا طراحان اصرار دارند که ظرفیت حمل جریان مدارهای اصلی در تجهیزات کنترل باید با دیود مطابقت داشته باشد—یعنی ظرفیت حمل جریان مدارهای اصلی برای ۱۲۵۰A طراحی شود. در واقعیت، ظرفیت ۶۰A کافی است و هر چه کوچک‌ترین مقطع مدار رسانا از نظر پایداری دینامیکی و حرارتی گذر کند، فضای زیادی برای صرفه‌جویی در مواد وجود دارد.