Hogyan válasszunk helyesen vakuum átmeneteket?

01 Bevezetés

A középhatású rendszerekben a vezetékátkapcsolók elengedhetetlen alapelemek. A vákuum vezetékátkapcsolók uralkodnak a hazai piacokon. Ezért a helyes elektromos tervezés nem szétválhat a vákuum vezetékátkapcsolók megfelelő kiválasztásától. Ebben a fejezetben azt fogjuk megbeszélni, hogyan kell helyesen kiválasztani a vákuum vezetékátkapcsolókat, és milyen hibás nézetek ismerhetők fel a kiválasztásuk során.

02 A rövidzárló áramtöredelő képesség nem szükséges túlzottan magasnak lennie

A vezetékátkapcsoló rövidzárló áramtöredelő képessége nem szükséges túlzottan magasnak lennie, de bizonyos tartalékot kellene fenntartania, hogy lehessen alkalmazni a jövőbeli hálózati kapacitás bővítésének, ami növekedett rövidzárló áramokhoz vezethet. Azonban a gyakorlati elektromos tervezésben a kiválasztott áramtöredelő képesség gyakran túlzottan magas. 

Például a 10kV rendszerek végfelhasználói transzformátor-átszabályozókban a buszsor rövidzárló árama leginkább 10kA körül mozog, nagyobb kapacitású rendszerekben pedig akár 16kA-ra is meghaladhat. Ugyanakkor az elektromos tervezési rajzon a vákuum vezetékátkapcsolók áramtöredelő képessége gyakran 31.5kA, vagy akár 40kA-ra is meghatározva van. Ilyen magas áramtöredelő képesség felesleges befektetést jelent. A fenti esetekben 20kA vagy 25kA áramtöredelő képesség elegendő lenne. Jelenleg azonban a 31.5kA áramtöredelő képességű vákuum vezetékátkapcsolók nagy keresletben állnak és tömegesen gyártódnak, ami csökkenti a gyártási költségeket és az árakat, így szélesebb körben használták őket.

Az elektromos tervezésben a kiszámított rövidzárló áramok általában a magasabb oldalon vannak. Az oka, hogy a rendszer ellenállása és a körben lévő kapcsolódási ellenállások gyakran figyelmen kívül hagyódnak a számítás során. Természetesen a vezetékátkapcsolók áramtöredelő képességét a lehető legnagyobb rövidzárló áram alapján kell kiválasztani. Azonban a rövidzárló védelem beállítási értéke nem szabad, hogy a legnagyobb rövidzárló áram alapján legyen. 

Ez azért, mert a rövidzárló során gyakran időnként lángrészben is előfordulhat, amelynek ellenállása nagyon magas. A tervezési számításokban a rövidzárló tiszta fémmes háromfázisú rövidzárlónak tekinthető, feltételezve, hogy nincsenek időnként lángrész vagy kapcsolódási ellenállás. A valós hibastatisztikák szerint 80%-nál több rövidzárló egyfázisú, és a rövidzárló során gyakran időnként lángrész is jelenik meg. Ennek eredményeképpen a valós rövidzárló áram jelentősen alacsonyabb, mint a számítás alapján kialakított ideális érték. 

Ha a védelem beállítási értéke túl magas, csökkenti a védelmi érzékenységet, vagy akár a pillanatos védelem sem működik. A mérnöki gyakorlatban a probléma gyakran nem abban rejlik, hogy a vezetékátkapcsoló nem tudja megszakítani, hanem abban, hogy a védelmi elem túl magas beállítási érték miatt nem aktiválódik. Ráadásul a tiszta fémmes háromfázisú rövidzárlók ritkán fordulnak elő – csak akkor történnek, ha a karbantartás után a tápegés nem került eltávolításra a vezetékátkapcsoló bezárása előtt. Azonban a tápegést általában tápegőkapcsolókkal vagy tápegővillanyokkal végezik, és interlock funkciók is léteznek, ami azt jelenti, hogy a tiszta fémmes rövidzárlók szinte kizárólagosan nem fordulnak elő.

Az elektromos építési rajzon gyakran megtalálható, hogy a fő behajtó vezetékátkapcsoló áramtöredelő képessége egy szinttel magasabb, mint a vezető vezetékátkapcsolóké. Ez felesleges. A fő vezetékátkapcsoló kezeli a buszsor rövidzárló hibáit, míg a vezető vezetékátkapcsolók kezelik a saját vonaluk hibáit. De a vezető vezetékátkapcsoló közepe a terheléshez közel, a buszsorhoz közeli rövidzárló áram nem jelentősen tér el a buszsor rövidzárló áramától. Tehát a fő és a vezető vezetékátkapcsolók áramtöredelő képességei ugyanolyanok kellene, hogy legyenek.

03 Elektromos és mechanikus élettartam követelményei nem szükségesek túlzottan magasnak lenniük

Itt említett elektromos élettartam nem jelenti a vezetékátkapcsoló képességét, hogy adott intervallumokon belül a nominális vagy részleges terhelési áram mellett nyissa és zárja a vezetékátkapcsolót, hanem annak számát, hogy hány alkalommal tudja megszakítani a rövidzárló áramot karbantartás nélkül. Nincs országos szabvány erre a számra. Általában a gyártók 30 ilyen megszakítást terveznek. Néhány gyártó terméke 50 ilyen megszakítást képes kezelni. A felhasználói projektek licitekben gyakran túlzottan magas követelmények találhatók a rövidzárló megszakítások számára. Például egy licitezési dokumentumban megkövetelték, hogy egy 12kV vonalvédelmi vákuum vezetékátkapcsoló képes legyen 100-szer megszakítani a nominális rövidzárló áramot, 100 000 működés mécanikus élettartammal és 20 000 nominális áram megszakításával – ezek a követelmények nem indokoltak.

Túlzottan magas rövidzárló megszakítások száma nem szükséges. A rövidzárló hiba komoly elektromos incidens. Minden ilyen esetet komoly balesetként kell kezelni, gyökér ok elemzése és korrektív intézkedések szükségesek, hogy a megismétlődhessen. Így a vezetékátkapcsoló hatékonynak szánt élettartama alatt csak pár rövidzárló hibát fog megszakítani. Minél magasabb a rendszer feszültsége, annál nagyobb kárt okoz a rövidzárló, de annál kisebb a bekövetkezés valószínűsége. Tehát egy középhatású vezetékátkapcsoló, ami 30 rövidzárló hibát képes megszakítani, elegendő. A rövidzárló megszakítás típusvizsgálata drága. Egy 12kV vákuum vezetékátkapcsoló esetén minden rövidzárló megszakítás teszt jelenleg körülbelül 10 000 CNY-ba kerül. Túlzott tesztek sok költséget jelentenek, és nem szükségesek.

A több sikeres megszakítás azt jelenti, hogy jobb a megszakító képesség? Ez egy másik gyakori tévedés. A vákuum vezetékátkapcsoló rövidzárló megszakítás tesztjének kulcsa az első tíz működésben van. Ha a vezetékátkapcsoló sikeresen megszakítja a megadott áramot az első tíz teszten, a későbbi teljesítménye általában megbízható. A típusvizsgálat statisztikái szerint a legnagyobb meghibásodási valószínűség az első tíz megszakítás között van, és a megszakítások számának növekedése során csökken. 30 megszakítás után a további tesztek meghibásodási valószínűsége majdnem nulla. Tehát a 30 megszakítás képessége nem jelenti azt, hogy 50-et nem tudna megszakítani, csak azt, hogy további tesztek nem szükségesek.

A vákuum vezetékátkapcsolók mechanikus élettartamára sem szükséges túlzottan magas követelmények. Az M1 osztály eredetileg nem kevesebb, mint 2 000 működés, az M2 osztály pedig csak 10 000. Most a gyártók versenyeznek a mechanikus élettartamban – az egyik 25 000-re, a másik 100 000-re állít. A licitezési folyamatban a résztvevők összehasonlítják a mechanikus élettartam értékeit, ami a szétosztási célú vákuum vezetékátkapcsolóknál értelmetlen. Azonban specifikus alkalmazásokban, mint például a motorok gyakori kapcsolása, a lángrész, vagy az automatikus kondenzátor-kiegyenlítő körök, a vakuum kapcsolók inkább alkalmasak (a középhatású kondenzátorbankok kapcsolásához általában SF6 vezetékátkapcsolókat használnak). A kapcsolók mechanikus és elektromos élettartama meghaladja az egy millió működést (az elektromos élettartam a nominális áram megszakításával mérhető, nem a rövidzárló árammal). A vezetékátkapcsolókban nincs szükség a mechanikus élettartam versenyre.

04 Túlzottan magas követelmények más elektromos paraméterekre

A vezetékátkapcsoló rövididőbeli ártalommentessége azt jelenti, hogy a vezetékátkapcsoló képes a rövidzárló áram hőmérsékleti stresszeinek ellenállni a hiba során. Ez nem ugyanaz, mint a hőmérséklet-emelkedés. A hőmérséklet-emelkedés vizsgálata során a vezetékátkapcsoló átesik a nominális vagy megadott áramon hosszú ideig, és ellenőrzi, hogy a különböző pontok hőmérséklet-emelkedése ne haladja meg a megadott határértékeket. A vezetékátkapcsoló rövididőbeli ártalommentessége általában 3 másodperces vizsgálatot igényel.

Ezen idő alatt a rövidzárló áram által generált hő nem szabad, hogy károsítsa a vezetékátkapcsolót. Egy 3 másodperces hőmérsékleti ellenálló képesség elegendő. Az oka, hogy a rövidzárló bekövetkezése után a időszakolt védelem esetén szándékos késleltetés lehet, hogy biztosítsa a selejtezőt. Időszakolt védelem esetén 0,5 másodperces késleltetés garantálja a selejtezőt szomszédos vezetékátkapcsolók között. Ha a vezetékátkapcsolók két szinten különböznek, a késleltetés 1 másodperc, ha három szinten, akkor 1,5 másodperc. Egy 3 másodperces ellenálló képesség már elegendő. Azonban néhány felhasználó vagy tervező 5 másodperces hőmérsékleti ellenálló képességet követel, ami valóban felesleges.

A vezetékátkapcsoló bezárása során a mozgó és a rögzített kontaktusok repedhetnek. Ha a repedési idő túl hosszú, vagy a háromfázis bezárás aszinkronizmus nagy, a kontaktusok között történhet áthatás és újraszükség. Az újraszükség a körben tölthetőség-pusztítás folyamatot okoz, ami növeli a túlfeszültség meredekségét és amplitúdját. Ez a túlfeszültség a kontaktus újraszükség túlfeszültségének nevezik.

Ez a veszély még a vákuum vezetékátkapcsolók áramtöredelő túlfeszültségénél is nagyobb lehet, fenyegetve a transzformátorok és motorok forgatócsoportok közötti izolációját. Így a kontaktus repedési ideje és a háromfázis aszinkronizmus nem szabad, hogy meghaladjon 2 ms-t. A jelenlegi vezetékátkapcsoló paraméterek ezt a követelményt teljesítik. Azonban néhány felhasználó kisebb értékeket követel, még 2 ms-nél is, akár 1 ms-nél, ami meghaladja a jelenlegi technológiai képességeket.

05 Negatív hatások a vákuum szakítók túl magas indítási áramának miatt

A középhatású vákuum szakítók indítási nominális árama 630A. Jelenleg néhány gyártó már nem gyárt 630A verziót, és a legkisebb indítási áram 1250A-ra emelkedett. Ez a vákuum szakítók gyártásával kapcsolatos. Azonban ez sora negatív következményekkel jár. Mivel a vákuum szakítók indítási árama túl magas, a vákuum vezetékátkapcsolók, amelyeket ezekkel a szakítókkal állítanak össze, meg kell feleljenek a szakítók áramarányának. 

Ezért a vezetékátkapcsoló összes kapcsolódó komponense – például a henger oszlopai, a henger oszlopainak illesztő kontaktusai, és a tárgyalóban lévő rögzített kontaktusok – is meg kell, hogy feleljenek a szakítók áramarányának. Ez szélsőségesen felesleges nemvasfém anyagok felhasználását eredményezi a legtöbb esetben. Például egy 12kV vákuum vezetékátkapcsoló csak 1000kVA transzformátort elláthat, amely 10kV oldali nominális árama csak 57,7A. Azonban, mivel a vákuum szakító indítási árama 1250A, a vezetékátkapcsolónak 1250A-osra kell, hogy legyen beállítva. Emiatt a vezetékátkapcsoló összes tartozéka legalább 1250A-osra kell, hogy legyen beállítva, és a tárgyalóban lévő rögzített kontaktusok is legalább 1250A-osra kell, hogy legyenek beállítva, ami jelentős felesleges nemvasfém felhasználást eredményez.

Sosem rosszabb, ha a felhasználók vagy tervezők azt követelik, hogy a tárgyalóban lévő fő vezeték áramviselő képessége meg kell, hogy feleljen a vezetékátkapcsoló áramviselő képességének – azaz, a vezeték áramviselő képessége 1250A-ra van tervezve. Valójában 60A elegendő, és ha a vezeték minimális kerete dinamikus és hőmérsékleti stabilitás vizsgálaton megy át, akkor jelentős lehetőség van az anyagok megtakarítására.