Kako točno odabrati vakuumne prekidače

01 Uvod

U srednjenskim naponskim sustavima prekidnici su nezamenjivi primarni komponenti. Vakuumski prekidnici dominiraju domaći tržište. Stoga je točno električno dizajniranje neodvojivo od pravilnog odabira vakuumskih prekidnika. U ovom odjeljku razgovarati ćemo o tome kako pravilno odabrati vakuumski prekidnik i o uobičajenim pogreškama u njegovom odabiru.

02 Prekidna sposobnost za strujni prekid ne mora biti prevelika

Prekidna sposobnost prekidnika za strujni prekid ne mora biti prevelika, ali treba imati neki rezerv za buduću ekspanziju mreže koja može dovesti do povećanja strujnih prekida. Međutim, u stvarnom električnom dizajnu, izabrana prekidna sposobnost prekidnika često je previsoka. 

Na primjer, u transformatornim postajama krajnjih korisnika unutar 10kV sustava, struja strujnog prekida na busbarskim provodnicama najčešće je oko 10kA, a u sustavima veće kapacitete može doseći do 16kA. Ipak, u crtežima električnog dizajna, prekidna sposobnost vakuumskih prekidnika često se navodi kao visoka kao 31.5kA, ili čak 40kA. Tako visoka prekidna sposobnost dovodi do nepotrebnog ulaganja. U gornjim slučajevima, prekidna sposobnost od 20kA ili 25kA bi bila dovoljna. Trenutno, međutim, vakuumski prekidnici s prekidnom sposobnošću od 31.5kA su u velikoj potražnji i masovno proizvedeni, što dovodi do smanjenih troškova proizvodnje i cijena, te se široko primjenjuju.

U električnom dizajnu, izračunate struje strujnih prekida obično su više na strani. Razlog je taj što se impedancija sustava i kontaktne otpornosti u krugu često zanemaruju tijekom izračuna. Naravno, prekidna sposobnost prekidnika mora se odabrati temeljem maksimalne moguće struje strujnog prekida. Međutim, postavljena vrijednost zaštite od strujnog prekida ne smije temeljiti se na maksimalnoj strujnom prekidu. 

To je zato jer se tijekom strujnih prekida često javljaju lukovi, a otpor lukova je vrlo visok. U izračunima dizajna, strujni prekidi se tretiraju kao čisti metalički tri-fazni strujni prekidi, pretpostavljajući da nema luka i nema kontaktne otpornosti. U stvarnim statistikama grešaka, preko 80% strujnih prekida su jednofazni, a tijekom strujnih prekida skoro uvijek postoje luki. Stoga je stvarna struja strujnog prekida mnogo niža od idealno izračunate vrijednosti. 

Ako je postavljena vrijednost zaštite previsoka, smanjuje se osjetljivost zaštite ili uzrokuje neuspijeh trenutne zaštite. U inženjerskoj praksi, problem često nije taj da prekidnik ne prekida, već da element zaštite ne aktivira zbog previsokih postavljenih vrijednosti. Uzalud, čisti metalički tri-fazni strujni prekidi rijetko se događaju—oni se događaju samo kada se zemljačke žice ne uklone nakon održavanja prije zatvaranja prekidnika. Međutim, zemljanje obično se obavlja putem zemljačkih prekidača ili zemljačkih vagoneta, a postoje interlokacijske funkcije, što čini čiste metaličke strujne prekide izuzetno nevjerojatnim.

U crtežima električne konstrukcije, često se vidjeti da je prekidna sposobnost glavnog ulaznog prekidnika navedena jednu razinu više od prekidne sposobnosti prekidnika za isporuku. To nije nužno. Glavni prekidnik rješava greške strujnih prekida na busbarskim provodnicama, dok prekidnici za isporuku rješavaju greške u svojim odgovarajućim krugovima. Međutim, blizu opterećene strane prekidnika za isporuku, zbog blizine busbarskim provodnicama, struja strujnog prekida nije značajno različita od struje strujnog prekida na busbarskim provodnicama. Stoga bi prekidne sposobnosti glavnog i prekidnika za isporuku trebale biti iste.

03 Električka i mehanička životna doba ne moraju biti previsoke

Električka životna doba ovdje spomenuta ne odnosi se na broj otvaranja i zatvaranja prekidnika pod nominalnom ili djelomičnom opterećujućom strujom u određenim intervalima, već na broj prekida struje strujnog prekida bez potrebe za održavanjem. Za taj broj ne postoji nacionalni standard. Općenito, proizvođači dizajniraju za 30 takvih prekida. Neke proizvode mogu obraditi 50. U natjecateljskim dokumentima za projekte korisnika, često se vidjeti previsoke zahtjeve za broj prekida struje strujnog prekida. Na primjer, jedan natječajni dokument zahtijevao je da 12kV linija zaštitnog vakuumskog prekidnika prekine nominalnu struju strujnog prekida 100 puta, s mehaničkom životnom dobom od 100.000 radnji i prekidom nominalne struje 20.000 puta—ti zahtjevi su nerazičljivi.

Previsoki broj prekida struje strujnog prekida nije potreban. Strujni prekid je veliki električni incident. Svaki pojedinačni događaj treba tretirati kao ozbiljan incident koji zahtijeva analizu korijenog uzroka i korektivne akcije kako bi se sprečilo ponavljanje. Stoga će prekidnik tijekom svog efektivnog vremena trajanja prekinuti strujne prekide samo nekoliko puta. Što je naponski sustav visok, to je veća šteta uzrokovana strujnim prekidom, ali manja vjerojatnost njegovog pojavljivanja. Stoga je srednji-voltovski prekidnik sposoban prekinuti 30 strujnih prekida dovoljan. Tip testiranja za prekid struje strujnog prekida je skupo. Za 12kV vakuumski prekidnik, svaki test prekida struje strujnog prekida trenutno košta oko 10.000 RMB. Provoditi previsoko testiranje povlači visoke troškove i nije potrebno.

Znači li više uspješnih prekida bolju prekidnu sposobnost? To je još jedna uobičajena pogreška. Ključ za testiranje prekida struje strujnog prekida vakuumskih prekidnika leži u prvih deset operacija. Ako prekidnik uspješno prekine određenu struju u prvih deset testova, njegova nadaljnja performanca je općenito pouzdana. Statistički podaci tip testiranja pokazuju da je vjerojatnost neuspjeha najveća tijekom prvih deset prekida i postupno opada s povećanjem broja prekida. Nakon 30 prekida, vjerojatnost neuspjeha u sljedećim testovima je gotovo nula. Stoga, mogućnost prekida 30 puta ne znači da ne može prekinuti 50, već jednostavno da daljnje testiranje nije potrebno.

S obzirom na mehaničku životnu dobu vakuumskih prekidnika, nema potrebe za previsokim zahtjevima. Klasa M1 je originalno barem 2.000 radnji, a klasa M2 je samo 10.000. Sada, proizvođači se natječu u mehaničkoj životnoj dobi—jedan tvrdi 25.000, drugi 100.000. U procesu natječaja, sudionici upoređuju vrijednosti mehaničke životne dobi, što je besmisleno za vakuumne prekidnike za distribuciju. Međutim, u specifičnim primjenama poput česte prekidne rade motora, luknih pećnica ili automatskih kondenzatorskih kompenzacijskih krugova, vakuumne kontaktnice su prikladnije (SF6 prekidnici se često koriste za prekid srednjenskih kondenzatorskih banki). Kontaktnice imaju mehaničku i električku životnu dobu preko milijun radnji (njihova električka životna doba mjeri se prekidom nominalne struje, a ne strujnim prekidom). Nema potrebe za natjecanjem u mehaničkoj životnoj dobi kod prekidnika.

04 Previsoki zahtjevi za drugim električkim parametrima

Kratkotrajna izdržljivost struje prekidnika odnosi se na njegovu sposobnost izdržati termalni stres struje strujnog prekida tijekom greške. To nije isto kao porast temperature. Testiranje porasta temperature uključuje prolazak nominalne ili određene struje kroz prekidnik dugo vremena i osiguravanje da porast temperature na različitim točkama ne prelazi određene granice. Kratkotrajna izdržljivost struje prekidnika obično se testira 3 sekunde.

Tijekom tog vremena, toplina generirana strujnim prekidom ne smije oštetiti prekidnik. Trosekundna termalna izdržljivost je dovoljna. Razlog je taj što nakon nastanka strujnog prekida, vremenski graduirana zaštita može uključivati namjerno odgađanje kako bi se osigurala selektivnost. Za vremensku zaštitu, 0,5-sekundska odgoda između susjednih prekidnika osigurava selektivnost. Ako prekidnici razlikuju dvije razinu, odgoda prekidnice je 1 sekunda; ako tri razinu, 1,5 sekundi. Trosekundna izdržljivost je već dovoljna. Međutim, neki korisnici ili dizajneri insistiraju na petosekundsnoj termalnoj izdržljivosti, što je stvarno nepotrebno.

Tijekom zatvaranja prekidnika, pomični i fiksni kontakti mogu odbiti. Ako je vrijeme odbijanja predugo ili asinhronizam zatvaranja tri faze velik, može doći do rušenja i ponovnog zapaljenja između kontakata. Ponovno zapaljenje uzrokuje proces nabijanja i ispraznjava u krugu, povećavajući strmota i amplituda preopterećenja. Ovo preopterećenje naziva se preopterećenje od ponovnog zapaljenja kontakata.

Njegova opasnost može čak i premašiti preopterećenje od prekida struje vakuumskih prekidnika, prijetići slojevitom izolaciji transformatora i motora. Stoga, vrijeme odbijanja kontakata i asinhronizam zatvaranja tri faze ne smije prelaziti 2 ms. Trenutni parametri prekidnika proizvedeni su da ispunjavaju taj zahtjev. Međutim, neki korisnici zahtijevaju vrijednosti manje od 2 ms, čak i do 1 ms, što premašuje trenutne tehničke mogućnosti.

05 Negativni problemi uzrokovani previsokom početnom strujom vakuumskih prekidnika

Početna nominalna struja za srednje-naponske vakuumski prekidnike iznosi 630 A. Trenutno, neki proizvođači više ne proizvode verzije od 630 A, a minimalna početna struja povećana je na 1250 A. To je vezano uz proizvodnju vakuumskih prekidnika. Međutim, to donosi niz negativnih posljedica. Zbog previsoke početne struje vakuumskih prekidnika, vakuumski prekidnici montirani s tim prekidnicima moraju odgovarati strujnoj klasi prekidnika. 

Stoga, sve pripadajuće komponente—poput stupova, ubacivih kontakata na stupovima i fiksnih kontakata u uređajima za prekid—moraju također odgovarati strujnoj klasi prekidnika. To dovodi do značajnog zaboravljanja neferoznih metala u većini slučajeva. Na primjer, 12kV vakuumski prekidnik može snabdevati samo 1000kVA transformator, čija je struja na strani 10kV samo 57,7 A. Međutim, budući da vakuumski prekidnik počinje sa 1250 A, prekidnik mora biti klasificiran na 1250 A. Stoga, sve dodatne komponente prekidnika moraju imati nominalnu struju od najmanje 1250 A, a fiksni kontakti u uređaju za prekid također moraju imati nominalnu struju od najmanje 1250 A, što dovodi do značajnog zaboravljanja neferoznih metala.

Gore od toga, korisnici ili dizajneri insistiraju da nosivost struje glavnih provodnika u uređaju za prekid mora odgovarati prekidniku—dakle, nosivost struje provodnika dizajnirana je za 1250 A. U stvarnosti, kapacitet od 60 A bi bio dovoljan, a ukoliko najmanji presjek provodnika prođe dinamičke i termalne stabilnosti, postoji značajan prostor za uštedu materijala.