Come scegliere correttamente gli interruttori a vuoto?
01 Premessa
Nei sistemi a media tensione, gli interruttori sono componenti primari indispensabili. Gli interruttori a vuoto dominano il mercato domestico. Pertanto, un corretto progetto elettrico è inseparabile dalla scelta appropriata degli interruttori a vuoto. In questa sezione, discuteremo come selezionare correttamente gli interruttori a vuoto e le concezioni errate comuni nella loro selezione.
02 La Capacità di Interruzione per la Corrente di Cortocircuito Non Deve Essere Eccessivamente Alta
La capacità di interruzione della corrente di cortocircuito di un interruttore non deve essere eccessivamente alta, ma dovrebbe avere un margine per adattarsi all'espansione futura della capacità della rete che potrebbe portare a un aumento delle correnti di cortocircuito. Tuttavia, nel progetto elettrico effettivo, la capacità di interruzione selezionata degli interruttori è spesso troppo alta.
Ad esempio, nelle sottostazioni trasformatori finali dei sistemi a 10kV, la corrente di cortocircuito della barra è in genere intorno ai 10kA, e nei sistemi di maggiore capacità, può raggiungere fino a 16kA. Tuttavia, nei disegni di progettazione elettrica, la capacità di interruzione degli interruttori a vuoto viene spesso specificata fino a 31.5kA, o anche 40kA. Tale alta capacità di interruzione porta a un investimento sprecato. Nei casi sopra menzionati, una capacità di interruzione di 20kA o 25kA sarebbe sufficiente. Attualmente, tuttavia, gli interruttori a vuoto con una capacità di interruzione di 31.5kA sono molto richiesti e prodotti in massa, riducendo i costi di produzione e i prezzi, diventando così più ampiamente adottati.
Nel progetto elettrico, le correnti di cortocircuito calcolate sono generalmente sul lato alto. Il motivo è che durante il calcolo, l'impedenza del sistema e la resistenza di contatto nel circuito vengono spesso trascurate. Ovviamente, la capacità di interruzione degli interruttori deve essere selezionata in base alla massima corrente di cortocircuito possibile. Tuttavia, il valore di impostazione della protezione contro il cortocircuito non dovrebbe basarsi sulla corrente di cortocircuito massima.
Questo perché durante i cortocircuiti si verificano spesso archi, e la resistenza dell'arco è molto alta. Nei calcoli di progettazione, i cortocircuiti vengono trattati come cortocircuiti metallici trifase puri, assumendo che non ci siano archi e resistenze di contatto. Nelle statistiche reali dei guasti, oltre l'80% dei cortocircuiti sono monofasi, e durante i cortocircuiti sono quasi sempre presenti archi. Di conseguenza, la corrente di cortocircuito effettiva è molto inferiore al valore ideale calcolato.
Se il valore di impostazione della protezione è troppo alto, riduce la sensibilità della protezione o causa il mancato funzionamento della protezione istantanea. Nella pratica ingegneristica, il problema non è che l'interruttore non interrompa, ma che l'elemento di protezione non si attivi a causa di valori di impostazione eccessivi. A titolo di informazione, i cortocircuiti metallici trifase puri sono rari—si verificano solo quando i cavi di messa a terra non vengono rimossi dopo la manutenzione prima di chiudere l'interruttore. Tuttavia, la messa a terra è solitamente fatta tramite interruttori di messa a terra o carrelli di messa a terra, e ci sono funzioni di interblocco, rendendo i cortocircuiti metallici puri estremamente improbabili.
Nei disegni di costruzione elettrica, è comune vedere la capacità di interruzione dell'interruttore principale di ingresso specificata di un livello superiore rispetto a quella degli interruttori di alimentazione. Questo non è necessario. L'interruttore principale gestisce i guasti di cortocircuito della barra, mentre gli interruttori di alimentazione gestiscono i guasti nei rispettivi circuiti. Tuttavia, vicino al lato di carico di un interruttore di alimentazione, a causa della sua vicinanza alla barra, la corrente di cortocircuito non è significativamente diversa da quella della barra. Pertanto, le capacità di interruzione dell'interruttore principale e di quelli di alimentazione dovrebbero essere le stesse.
03 Le Esigenze di Vita Elettrica e Meccanica Non Devono Essere Eccessivamente Alte
La vita elettrica menzionata qui non si riferisce al numero di apertura e chiusura dell'interruttore sotto corrente nominale o parziale a intervalli specificati, ma piuttosto al numero di interruzioni di corrente di cortocircuito senza necessità di manutenzione. Non esiste uno standard nazionale per questo numero. Generalmente, i produttori progettano per 30 tali interruzioni. Alcuni prodotti di produttori possono gestire 50. Nei documenti di gara per progetti utente, è comune vedere requisiti eccessivamente elevati per il numero di interruzioni di cortocircuito. Ad esempio, un documento di gara ha richiesto che un interruttore a vuoto per la protezione di linea a 12kV interrompesse la corrente di cortocircuito nominale 100 volte, con una vita meccanica di 100.000 operazioni e 20.000 interruzioni di corrente nominale—questi requisiti sono irragionevoli.
Numeri eccessivamente elevati di interruzioni di cortocircuito non sono necessari. Un guasto di cortocircuito è un evento elettrico importante. Ogni occorrenza dovrebbe essere considerata un grave incidente che richiede un'analisi delle cause radici e azioni correttive per prevenire la ricorrenza. Pertanto, nel corso della vita operativa di un interruttore, interromperà i guasti di cortocircuito solo poche volte. Più alta è la tensione del sistema, maggiore è il danno causato dai cortocircuiti, ma minore è la probabilità di occorrenza. Quindi, un interruttore a media tensione in grado di interrompere 30 guasti di cortocircuito è sufficiente. I test di tipo per l'interruzione di cortocircuito sono costosi. Per un interruttore a vuoto a 12kV, ogni test di interruzione di cortocircuito attualmente costa circa 10.000 RMB. Eseguire test eccessivi comporta costi elevati ed è inutile.
Un numero più elevato di interruzioni riuscite significa una migliore capacità di interruzione? Questo è un altro errore comune. La chiave per i test di interruzione di cortocircuito degli interruttori a vuoto sta nelle prime dieci operazioni. Basta che l'interruttore interrompa correttamente la corrente specificata nelle prime dieci prove, e la sua performance successiva è generalmente affidabile. I dati statistici dei test di tipo mostrano che la probabilità di fallimento è più alta nelle prime dieci interruzioni e diminuisce gradualmente man mano che aumenta il numero di interruzioni. Dopo 30 interruzioni, la probabilità di fallimento nei test successivi è quasi zero. Quindi, essere in grado di interrompere 30 volte non significa che non possa interrompere 50—significa semplicemente che ulteriori test non sono necessari.
Riguardo alla vita meccanica degli interruttori a vuoto, non è necessario avere requisiti eccessivamente elevati. La classe M1 è originariamente non inferiore a 2.000 operazioni, e la classe M2 è solo 10.000. Ora, i produttori competono in termini di vita meccanica—uno rivendica 25.000, un altro 100.000. Nei processi di gara, i partecipanti confrontano i valori di vita meccanica, il che è privo di significato per gli interruttori a vuoto utilizzati in distribuzione. Tuttavia, in applicazioni specifiche come la commutazione frequente di motori, fornaci ad arco, o circuiti di compensazione automatica di condensatori, i contattatori a vuoto sono più adatti (gli interruttori a SF6 sono comunemente utilizzati per la commutazione di banchi di condensatori a media tensione). I contattatori hanno vite meccaniche ed elettriche superiori a un milione di operazioni (la loro vita elettrica è misurata dall'interruzione di corrente nominale, non di cortocircuito). Non c'è bisogno di competere sulla vita meccanica negli interruttori.
04 Requisiti Eccessivi per Altri Parametri Elettrici
La corrente di resistenza a breve termine di un interruttore si riferisce alla sua capacità di resistere allo stress termico della corrente di cortocircuito durante un guasto. Questo non è lo stesso dell'aumento di temperatura. I test di aumento di temperatura coinvolgono il passaggio di corrente nominale o specificata attraverso l'interruttore per un lungo periodo, assicurando che l'aumento di temperatura in vari punti non superi i limiti specificati. La corrente di resistenza a breve termine di un interruttore è generalmente testata per 3 secondi.
In questo tempo, il calore generato dalla corrente di cortocircuito non deve danneggiare l'interruttore. Una capacità di resistenza termica di 3 secondi è sufficiente. Il motivo è che, dopo un cortocircuito, la protezione a gradini temporali può prevedere un ritardo intenzionale per garantire la selettività. Per la protezione temporizzata, un ritardo di 0,5 secondi tra interruttori adiacenti garantisce la selettività. Se gli interruttori differiscono di due livelli, il ritardo di trip è 1 secondo; se di tre livelli, 1,5 secondi. Una capacità di resistenza di 3 secondi è già sufficiente. Tuttavia, alcuni utenti o progettisti insistono su una capacità di resistenza termica di 5 secondi, che è davvero inutile.
Durante il processo di chiusura di un interruttore, i contatti mobili e fissi possono rimbalzare. Se il tempo di rimbalzo è troppo lungo o l'asincronismo di chiusura trifase è elevato, possono verificarsi rotture e ristri del contatto. Il ristri causa un processo di carica-scarica nel circuito, aumentando la pendenza e l'ampiezza dell'sovratensione. Questa sovratensione è nota come sovratensione di ristri del contatto.
Il suo pericolo può persino superare l'sovratensione di interruzione di corrente degli interruttori a vuoto, minacciando l'isolamento tra spire dei trasformatori e dei motori. Pertanto, il tempo di rimbalzo del contatto e l'asincronismo trifase non dovrebbero superare i 2 ms. I parametri attuali degli interruttori sono prodotti per soddisfare questo requisito. Tuttavia, alcuni utenti richiedono valori inferiori a 2 ms, addirittura richiedendo non più di 1 ms, il che supera le attuali capacità tecniche.
05 Problemi Negativi Causati da una Corrente Iniziale Eccessivamente Alta degli Interruttori a Vuoto
La corrente nominale iniziale per gli interruttori a vuoto a media tensione è 630A. Attualmente, alcuni produttori non producono più versioni a 630A, e la corrente iniziale minima è aumentata a 1250A. Questo è legato alla fabbricazione degli interruttori a vuoto. Tuttavia, porta una serie di conseguenze negative. Poiché la corrente iniziale degli interruttori a vuoto è troppo alta, gli interruttori a vuoto assemblati con questi interruttori devono corrispondere alla corrente nominale dell'interruttore.
Di conseguenza, tutti i componenti associati—come le colonne polari, i contatti a presa sulle colonne polari e i contatti fissi nell'impianto di commutazione—devono anche corrispondere alla corrente nominale dell'interruttore. Ciò porta a un serio spreco di materiali non ferrosi in molti casi. Ad esempio, un interruttore a vuoto a 12kV può alimentare solo un trasformatore da 1000kVA, la cui corrente nominale sul lato a 10kV è solo 57,7A. Tuttavia, poiché l'interruttore a vuoto inizia a 1250A, l'interruttore deve essere classificato a 1250A. Di conseguenza, tutti gli accessori dell'interruttore devono avere una corrente nominale di almeno 1250A, e i contatti fissi nell'impianto di commutazione devono anche essere classificati non meno di 1250A, portando a un significativo spreco di metalli non ferrosi.
Peggio ancora, gli utenti o i progettisti insistono che la capacità di corrente dei conduttori principali nell'impianto di commutazione deve corrispondere a quella dell'interruttore—cioè, la capacità di corrente del conduttore è progettata per 1250A. In realtà, una capacità di 60A sarebbe sufficiente, e fintanto che la sezione minima del conduttore del circuito supera i controlli di stabilità dinamica e termica, c'è ampio margine per risparmiare materiali.
