איך לבחור בקרת מתח וואקום נכון?

01 הקדמה

במערכות מתח בינוני, מתגים חותכים הם רכיבים ראשוניים בלתי נמנעים. מתגי חתך וואקום מובילים את השוק המקומי. לכן, תכנון חשמלי נכון אינו נפרד מהבחירה הנכונה של מתגי חתך וואקום. בחלק זה, נדון כיצד לבחור נכון את מתגי החתך הוואקום ואת המיתוסים הנפוצים בחירתם.

02 יכולת חתך לזרם קצר לא צריכה להיות גבוהה מדי

היכולת לחתוך זרם קצר של מתג חתך אינה צריכה להיות גבוהה מדי, אך צריכה להכיל קצת שוליים כדי להכיל את ההרחבה העתידית של קיבולת הרשת שהייתכן שתוביל לזרמי קצר גבוהים יותר. עם זאת, בתכנון החשמלי האמיתי, היכולת לחתוך שנבחרת למתגי חתך היא לעתים קרובות גבוהה מדי. 

לדוגמה, בתחנות טרנספורמציה של משתמש סופי במערכות של 10kV, זרם הקצר של הצינור הוא ברובו סביב 10kA, ובמערכות עם קיבולת גבוהה יותר הוא עשוי להגיע עד 16kA. עם זאת, בתוכניות התכנון החשמלי, היכולת לחתוך של מתגי החתך הוואקום מוגדרת לעיתים קרובות עד 31.5kA, ואפילו 40kA. יכולת חתך גבוהה כזו מובילה להשקעה מיותרת. במקרה הזה, יכולת חתך של 20kA או 25kA תהיה מספקת. כיום, עם זאת, מתגי חתך וואקום עם יכולת חתך של 31.5kA הם בשיא הביקוש והם מיוצרים באופן המוני, מה שמוביל להוזלת עלויות ייצור ומחיר, ובכך הם נעשים נפוצים יותר.

בתכנון חשמלי, זרמי הקצר המוערכים בדרך כלל גבוהים. הסיבה לכך היא שכדי חישוב, מזנחים לעיתים קרובות את עמידות המערכת וההתנגדות של מגע בסרט החשמל. כמובן, יש לבחור את יכולת החתך של המתגים בהתאם לזרם הקצר האפשרי הגבוה ביותר. עם זאת, ערך ההגנה על הזרם הקצר לא צריך להיות מבוסס על הזרם הקצר הגבוה ביותר. 

זה מכיוון שארכות מופיעות לעיתים קרובות במהלך זרם קצר, וההתנגדות של ארכות היא מאוד גבוהה. בחישובים של תכנון, זרמי קצר מטופלים כקצר תלת-פאזי מטאלי טהור, בהנחה שאין ארכות ואין התנגדות מגע. בסטטיסטיקה של תקלות אמיתיות, מעל 80% מהזרמים הקצרים הם חד-פאזיים, וארכות מופיעות כמעט תמיד במהלך אירועים של זרם קצר. כתוצאה מכך, הזרם הקצר האמיתי הרבה יותר נמוך מהערך המושלם המוערך. 

אם ערך ההגנה גבוה מדי, זה מוריד את רגישות ההגנה או גורם להגנה מיידית שלא תפעל. בעשייה הנדסית, הבעיה היא לעתים קרובות לא שהמתג אינו חותך, אלא שהרכיב הגנתי אינו פועל בשל ערכים גבוהים מדי. דרך אגב, קצר תלת-פאזי מטאלי טהור נדיר מאוד — הוא קורה רק כאשר קווי קרקעית אינם מוסרים לאחר תחזוקה לפני פתיחת המתג. עם זאת, הקרקעית היא בדרך כלל באמצעות מתגים או קרוניות קרקעית, ויש תכונות אינטרלוקינג, כך שהקצר המטאלי הטהור נדיר מאוד.

בתוכניות בניית חשמל, מקובל לראות שהיכולת לחתוך של המתג הראשי המגיע מוגדרת ברמה גבוהה יותר מאשר זו של מתגי המשאבים. זה לא הכרחי. המתג הראשי מטפל באירועי קצר בצינור, בעוד המתגים המשניים מטפלים באירועי קצר בסרט שלהם. עם זאת, בצד המטען של מתג משני, עקב הקרבה לצינור, הזרם הקצר אינו שונה באופן משמעותי מהזרם הקצר בצינור. לכן, יכולת החתך של המתגים הראשיים והמשניים צריכה להיות זהה.

03 אין צורך בדרישות גבוהות מדי לגבי חיי חשמל ומכניים

חיי החשמל המוזכרים כאן אינם מתארים את מספר הפעמים שבהן המתג יכול לפתוח ולהיסגר תחת זרם מטען מלא או חלק במרווחים מוגדרים, אלא את מספר הפעמים שהוא יכול לחתוך זרם קצר מבלי להזדקק לתיקונים. אין תקן לאומי למספר זה. בדרך כלל, יצרנים מתכננים עבור 30 פעולות כאלה. מוצרים של כמה יצרנים יכולים להתמודד עם 50. בתעודות הזמנה לפרויקטים של משתמשים, מקובל לראות דרישות גבוהות מדי למספר פעולות חתך קצר. לדוגמה, תעודת הזמנה אחת דרשה שמתג חתך וואקום להגנה על קו 12kV יחתוך זרם קצר מוגדר 100 פעמים, עם חיים מכניים של 100,000 פעולות וחיתוך זרם מוגדר 20,000 פעמים — דרישות אלו הן בלתי סבירות.

מספר גבוה מדי של פעולות חתך קצר אינו הכרחי. אירוע קצר הוא תאונה חשמלית גדולה. כל אירוע כזה צריך להיחשב כתאונה קשה שדורשת ניתוח סיבת השורש ופעולות תיקון למנוע הישנות. לכן, לאורך חייו המועילים של מתג חתך, הוא יחתוך תקלות קצר רק מספר פעמים. ככל שהמתח במערכת גבוה יותר, כך越高，短路造成的损坏越大，但发生的概率越低。因此，能够中断30次短路故障的中压断路器已经足够。短路中断型式试验成本很高。对于12kV真空断路器，每次短路中断测试目前大约需要10,000元人民币。进行过多的测试会带来高昂的成本且没有必要。 中断次数越多是否意味着更好的中断能力？这是另一个常见的误解。真空断路器短路中断测试的关键在于前10次操作。只要断路器在前10次测试中成功中断了规定的电流，其后续性能通常是可以信赖的。型式试验的统计数据表明，故障概率在前10次中断时最高，并随着中断次数的增加而逐渐降低。经过30次中断后，后续测试中出现故障的可能性几乎为零。因此，能够中断30次并不意味着不能中断50次，只是进一步测试没有必要。 关于真空断路器的机械寿命，也没有必要要求过高。M1级原本不低于2,000次操作，M2级仅为10,000次。现在，制造商们在机械寿命上竞争——一个声称25,000次，另一个声称100,000次。在招标过程中，参与者比较机械寿命值，这对用于配电的真空断路器来说毫无意义。然而，在特定应用中，如频繁切换电机、电弧炉或自动电容器补偿电路时，真空接触器更为合适（中压电容器组的切换通常使用SF6断路器）。接触器的机械和电气寿命超过一百万次操作（其电气寿命是通过额定电流中断来衡量的，而不是短路电流）。在断路器中不需要竞争机械寿命。 ### 04 对其他电气参数的过高要求 断路器的短时耐受电流是指其在故障期间承受短路电流热应力的能力。这与温升不同。温升测试涉及长时间通过断路器通以额定或指定电流，并确保各点的温升不超过规定限值。断路器的短时耐受电流通常测试时间为3秒。 在这段时间内，短路电流产生的热量不得损坏断路器。3秒的耐热能力已经足够。原因是短路发生后，分级保护可能涉及有意延迟以确保选择性。对于基于时间的保护，相邻断路器之间的0.5秒延迟可确保选择性。如果断路器相差两级，跳闸延迟为1秒；如果相差三级，则为1.5秒。3秒的耐热能力已经足够。然而，一些用户或设计师坚持要求5秒的耐热能力，这确实是不必要的。 在断路器合闸过程中，动触头和静触头可能会弹跳。如果弹跳时间过长或三相合闸不同步较大，触头之间可能会发生击穿和重燃。重燃会导致电路中的充放电过程，增加过电压的陡度和幅值。这种过电压称为触头重燃过电压。 它的危害甚至可能超过真空断路器的电流截断过电压，威胁变压器和电机的匝间绝缘。因此，触头弹跳时间和三相不同步不应超过2毫秒。当前断路器参数制造已满足此要求。然而，一些用户要求小于2毫秒，甚至要求不超过1毫秒，这超出了当前的技术能力。 ### 05 真空灭弧室起始电流过高的负面影响 中压真空灭弧室的起始额定电流为630A。目前，一些制造商不再生产630A版本，最低起始电流已提高到1250A。这与真空灭弧室的制造有关。然而，这带来了一系列负面影响。由于真空灭弧室的起始电流过高，装配这些灭弧室的真空断路器必须匹配灭弧室的电流等级。 结果，所有相关组件——如极柱、极柱上的插接触头和开关柜内的固定触头——也必须匹配灭弧室的电流等级。这导致大多数情况下有色金属材料的严重浪费。例如，一个12kV真空断路器可能只为一台1000kVA变压器供电，其10kV侧的额定电流仅为57.7A。然而，由于真空灭弧室的起始电流为1250A，断路器必须额定为1250A。因此，断路器的所有附件必须至少额定为1250A，开关柜内的固定触头也必须至少额定为1250A，导致大量有色金属的浪费。 更糟糕的是，用户或设计师坚持开关柜主导体的载流能力必须与断路器匹配——即导体的载流能力设计为1250A。实际上，60A的容量就足够了，只要电路导体的最小截面通过动态和热稳定性检查，就有很大的节省材料的空间。