Como escollecer correctamente os interruptores de corrente de vacío
01 Prefacio
Nas instalacións de media tensión, os interruptores son componentes primarios indispensables. Os interruptores de vácuo dominan o mercado doméstico. Polo tanto, un deseño eléctrico correcto non se pode separar da elección adecuada de interruptores de vácuo. Nesta sección, discutiremos como seleccionar correctamente interruptores de vácuo e as concepcións erróneas comúns na súa selección.
02 A capacidade de interrupción para corrente de cortocircuito non debe ser excesivamente alta
A capacidade de interrupción de cortocircuito dun interruptor non debe ser excesivamente alta, pero debe ter algunha margen para acomodar a expansión futura da capacidade da rede que pode levar a un aumento das correntes de cortocircuito. No entanto, no deseño eléctrico real, a capacidade de interrupción seleccionada dos interruptores é a miúdo demasiado alta.
Por exemplo, nas subestacións de transformadores de usuarios finais dentro de sistemas de 10kV, a corrente de cortocircuito da barra de distribución está case sempre arredor de 10kA, e en sistemas de maior capacidade, pode chegar a 16kA. No entanto, nos desenhos de deseño eléctrico, a capacidade de interrupción de interruptores de vácuo frecuentemente especifica tan alta como 31.5kA, ou incluso 40kA. Esta alta capacidade de interrupción resulta nun investimento desperdiciado. Nos casos anteriores, unha capacidade de interrupción de 20kA ou 25kA sería suficiente. Actualmente, sinón, os interruptores de vácuo con capacidade de interrupción de 31.5kA están en gran demanda e en produción en masa, o que leva a unha redución dos custos de fabricación e prezos, polo que se adoptan máis ampliamente.
No deseño eléctrico, as correntes de cortocircuito calculadas xeralmente están no lado superior. A razón é que a impedancia do sistema e a resistencia de contacto no circuito a miúdo se ignoran durante o cálculo. Claro, a capacidade de interrupción dos interruptores debe seleccionarse baseada na máxima corrente de cortocircuito posible. Pero o valor de axuste da protección contra cortocircuitos non debe basarse na máxima corrente de cortocircuito.
Isto é porque os arcos a miúdo ocorren durante os cortocircuitos, e a resistencia do arco é moi alta. Nos cálculos de deseño, os cortocircuitos trátanse como cortocircuitos puros metálicos trifásicos, supondo que non hai arco nin resistencia de contacto. Nas estatísticas reais de fallos, máis do 80% dos cortocircuitos son monofásicos, e os arcos están presentes case sempre durante eventos de cortocircuito. Como resultado, a corrente de cortocircuito real é moito menor que o valor ideal calculado.
Se o valor de axuste da protección é demasiado alto, reduce a sensibilidade da protección ou causa a falla da protección instantánea. Na práctica de enxeñaría, o problema a miúdo non é que o interruptor non interrompa, senón que o elemento de protección non actúe debido a valores de axuste excesivos. Por cierto, os cortocircuitos puros metálicos rara vez ocorren—só ocorren cando os cables de terra non se retiran despois da manutención antes de pechar o interruptor. Pero a terra xeralmente fágose mediante interruptores de terra ou carros de terra, e existen funcións de bloqueo, facendo que os cortocircuitos puros metálicos sexan extremadamente improbables.
Nos desenhos de construción eléctrica, é común ver que a capacidade de interrupción do interruptor principal de entrada especifícase un nivel máis alto que a dos interruptores de alimentación. Isto non é necesario. O interruptor principal maneja fallos de cortocircuito na barra de distribución, mentres que os interruptores de alimentación manejan fallos nos seus respectivos circuitos. Pero, cerca do lado de carga dun interruptor de alimentación, debido á súa proximidade á barra de distribución, a corrente de cortocircuito non é significativamente diferente da corrente de cortocircuito da barra de distribución. Polo tanto, as capacidades de interrupción do interruptor principal e os de alimentación deben ser os mesmos.
03 Os requisitos de vida eléctrica e mecánica non deben ser excesivamente altos
A vida eléctrica mencionada aquí non se refire ao número de veces que un interruptor pode abrir e pechar baixo corrente nominal ou parcial a intervalos especificados, senón ao número de veces que pode interromper a corrente de cortocircuito sen requireir manutención. Non hai un estándar nacional para este número. Xeralmente, os fabricantes diseñan para 30 tales interrupcións. Algunhas marcas poden manexar 50. Nos documentos de licitación de proxectos de usuarios, é común ver requisitos excesivamente altos para o número de interrupcións de cortocircuito. Por exemplo, un documento de licitación requiriu que un interruptor de vácuo de protección de liña de 12kV interrumpise a corrente de cortocircuito nominal 100 veces, cunha vida mecánica de 100.000 operacións e interrupción de corrente nominal 20.000 veces—estes requisitos son irracionais.
Os números excesivamente altos de interrupcións de cortocircuito non son necesarios. Un fallo de cortocircuito é un incidente eléctrico importante. Cada ocorrencia debe tratarse como un accidente grave que require análise da causa raíz e medidas correctivas para evitar a recurrencia. Polo tanto, ao longo da vida útil efectiva dun interruptor, só interromperá fallos de cortocircuito unhas poucas veces. Cuánto máis alta é a tensión do sistema, máis dano causan os cortocircuitos, pero menor é a probabilidade de ocorrer. Así, un interruptor de media tensión capaz de interromper 30 fallos de cortocircuito é suficiente. As probas de tipo para interrupción de cortocircuito son caras. Para un interruptor de vácuo de 12kV, cada proba de interrupción de cortocircuito actualmente custa arredor de 10.000 RMB. Realizar probas excesivas incide en custos altos e é innecesario.
Un número maior de interrupcións exitosas significa unha mellor capacidade de interrupción? Esta é outra concepción errónea común. A clave para as probas de interrupción de cortocircuito de interruptores de vácuo está nas primeiras dez operacións. En tanto que o interruptor interrompa con éxito a corrente especificada nas primeiras dez probas, o seu rendemento posterior xeralmente é confiable. Os datos estatísticos das probas de tipo mostran que a probabilidade de fallo é máxima nas primeiras dez interrupcións e diminúe gradualmente a medida que aumenta o número de interrupcións. Despois de 30 interrupcións, a probabilidade de fallo nas probas posteriores é case cero. Polo tanto, poder interromper 30 veces non significa que non se poida interromper 50—simplemente significa que non é necesario realizar máis probas.
En relación coa vida mecánica de interruptores de vácuo, non é necesario ter requisitos excesivamente altos. A clase M1 orixinalmente non é menos de 2.000 operacións, e a clase M2 só é 10.000. Agora, os fabricantes competen en vida mecánica—uns afirmam 25.000, outros 100.000. Nos procesos de licitación, os participantes comparan os valores de vida mecánica, o que é inútil para interruptores de vácuo de distribución. Pero, en aplicacións específicas como o conmutado frecuente de motores, fornos de arco, ou circuitos de compensación automática de condensadores, os contactores de vácuo son máis adecuados (os interruptores de SF6 son comúns para o conmutado de bancos de condensadores de media tensión). Os contactores teñen vidas mecánicas e eléctricas que superan o millón de operacións (a súa vida eléctrica mídese por interrupción de corrente nominal, non de cortocircuito). Non é necesario competir en vida mecánica en interruptores.
04 Requisitos excesivos para outros parámetros eléctricos
A capacidade de resistencia a curto prazo dun interruptor refírese á súa capacidade para soportar o estrés térmico da corrente de cortocircuito durante un fallo. Isto non é o mesmo que o aumento de temperatura. As probas de aumento de temperatura implican pasar corrente nominal ou especificada a través do interruptor durante un tempo longo e asegurar que o aumento de temperatura en diversos puntos non supere os límites especificados. A capacidade de resistencia a curto prazo dun interruptor xeralmente se proba durante 3 segundos.
Dentro deste tempo, o calor xerado pola corrente de cortocircuito non debe danar o interruptor. Unha capacidade de resistencia térmica de 3 segundos é suficiente. A razón é que, despois de ocorrer un cortocircuito, a protección graduada en tempo pode implicar un retardo intencionado para asegurar a selectividade. Para a protección baseada en tempo, un retardo de 0,5 segundos entre interruptores adxacentes asegura a selectividade. Se os interruptores difiren en dous niveis, o retardo de disparo é de 1 segundo; se tres niveis, 1,5 segundos. Unha capacidade de resistencia de 3 segundos xa é suficiente. No entanto, algúns usuarios ou deseñadores insisten en unha capacidade de resistencia térmica de 5 segundos, que realmente non é necesaria.
Durante o proceso de peche dun interruptor, os contactos móviles e fixos poden rebotar. Se o tempo de rebote é demasiado longo ou a asincronía de peche trifásico é grande, pode ocorrer un rompimento e rechispa entre os contactos. A rechispa causa un proceso de carga-descarga no circuito, aumentando a pendencia e a amplitud da sobretensión. Esta sobretensión coñécese como sobretensión de rechispa de contactos.
O seu perigo pode incluso superar a sobretensión de corte de corrente de interruptores de vácuo, ameazando o aislamento entre espiras de transformadores e motores. Polo tanto, o tempo de rebote de contactos e a asincronía trifásica non deben superar 2 ms. Os parámetros actuais de interruptores están fabricados para cumprir este requisito. No entanto, algúns usuarios solicitan valores menores a 2 ms, incluso requerindo que non supere 1 ms, o que excede as capacidades técnicas actuais.
05 Problemas negativos causados por unha corrente de arranque excesivamente alta de interrupcións de vácuo
A corrente nominal de arranque para interrupcións de vácuo de media tensión é 630A. Actualmente, algúns fabricantes xa non producen versións de 630A, e a corrente de arranque mínima aumentou a 1250A. Isto está relacionado coa fabricación de interrupcións de vácuo. Pero trae unha serie de consecuencias negativas. Debido a que a corrente de arranque de interrupcións de vácuo é demasiado alta, os interruptores de vácuo montados con estas interrupcións deben coincidir coa clasificación de corrente do interruptor.
Como resultado, todos os compoñentes asociados—como as columnas de polo, os contactos de inserción nas columnas de polo e os contactos fixos no armario de distribución—tambén deben coincidir coa clasificación de corrente do interruptor. Isto leva a un desperdicio grave de materias primas non ferrosas en moitas ocasións. Por exemplo, un interruptor de vácuo de 12kV pode abastecer só un transformador de 1000kVA, cuxa corrente nominal do lado de 10kV é só 57,7A. Pero, xa que a interrupción de vácuo arranca a 1250A, o interruptor debe estar clasificado a 1250A. Consecuentemente, todos os accesorios do interruptor deben ter unha corrente nominal de polo menos 1250A, e os contactos fixos no armario de distribución tamén deben estar clasificados a polo menos 1250A, resultando nun desperdicio significativo de metais non ferrosos.
Peor aínda, os usuarios ou deseñadores insisten en que a capacidade de conducción de corrente dos conductores principais no armario de distribución debe coincidir coa do interruptor—isto é, a capacidade de conducción de corrente do conductor diseña para 1250A. Na realidade, unha capacidade de 60A é suficiente, e en tanto que a sección mínima do conductor de circuito pasa as probas de estabilidade dinámica e térmica, hai considerable espazo para economizar materiais.
