Hoe kiest u vacuüm schakelaars correct?
01 Inleiding
In middenspanningsystemen zijn schakelaars onmisbare primaire componenten. Vacuümschakelaars domineren de nationale markt. Daarom is correcte elektrische ontwerp onlosmakelijk verbonden met de juiste selectie van vacuümschakelaars. In deze sectie bespreken we hoe je vacuümschakelaars correct kunt selecteren en welke veelvoorkomende misvattingen er zijn bij hun selectie.
02 Onderbrekingscapaciteit voor kortsluitstroom hoeft niet te hoog te zijn
De onderbrekingscapaciteit voor kortsluitstroom van een schakelaar hoeft niet te hoog te zijn, maar moet wel een marge hebben om toekomstige uitbreidingen van het netwerkcapaciteit die leiden tot hogere kortsluitstromen te kunnen opvangen. Echter, in de praktijk wordt de geselecteerde onderbrekingscapaciteit van schakelaars vaak te hoog gekozen.
Bijvoorbeeld, in eindgebruikers transformatorstations binnen 10kV-systemen ligt de kortsluitstroom op de busbar meestal rond de 10kA, en in systemen met grotere capaciteit kan dit oplopen tot 16kA. Toch wordt in elektrische ontwerptekeningen de onderbrekingscapaciteit van vacuümschakelaars vaak zo hoog als 31.5kA, of zelfs 40kA gespecificeerd. Zulke hoge onderbrekingscapaciteit leidt tot overbodige investeringen. In de bovenstaande gevallen zou een onderbrekingscapaciteit van 20kA of 25kA voldoende zijn. Tegenwoordig zijn echter vacuümschakelaars met 31.5kA onderbrekingscapaciteit zeer gewild en massaproductief, wat de productiekosten en prijzen verlaagt, waardoor ze breder worden toegepast.
Bij elektrisch ontwerp zijn berekende kortsluitstromen doorgaans aan de hoge kant. De reden hiervoor is dat systeemimpedantie en contactweerstand in het circuitloop vaak worden genegeerd tijdens de berekening. Natuurlijk moet de onderbrekingscapaciteit van schakelaars gebaseerd zijn op de maximaal mogelijke kortsluitstroom. Echter, de instelwaarde voor kortsluitbescherming mag niet gebaseerd zijn op de maximale kortsluitstroom.
Dit komt omdat er vaak bogen ontstaan tijdens kortsluitingen, en de weerstand van een boog is zeer hoog. Bij ontwerpberekeningen worden kortsluitingen behandeld als zuiver metalen driefasige kortsluitingen, waarbij geen boog en geen contactweerstand worden aangenomen. Volgens feitelijke foutstatistieken zijn meer dan 80% van de kortsluitingen eenfasig, en zijn er bijna altijd bogen aanwezig tijdens kortsluitgebeurtenissen. Hierdoor is de werkelijke kortsluitstroom veel lager dan de ideale berekende waarde.
Als de instelwaarde voor bescherming te hoog is, verminderd dit de beschermgevoeligheid of veroorzaakt het een falen van de snelle bescherming. In de praktijk is het probleem vaak niet dat de schakelaar niet kan onderbreken, maar dat het beschermingselement niet activeert vanwege te hoge instelwaarden. Terzijde, zuiver metalen driefasige kortsluitingen komen zelden voor—ze gebeuren alleen wanneer grondkabels na onderhoud niet zijn verwijderd voordat de schakelaar wordt gesloten. Echter, gronding gebeurt meestal via grondschakelaars of grondkarretjes, en er zijn interlockfuncties, waardoor zuivere metalen kortsluitingen uiterst onwaarschijnlijk zijn.
In elektrische bouwtekeningen is het gebruikelijk om de onderbrekingscapaciteit van de hoofdingangs-schakelaar één niveau hoger te specificeren dan die van de afvoerschakelaars. Dit is niet nodig. De hoofdschakelaar handelt busbar kortsluitfouten af, terwijl afvoerschakelaars fouten in hun respectieve circuits afhandelen. Echter, dicht bij de belastingzijde van een afvoerschakelaar, vanwege de nabijheid van de busbar, is de kortsluitstroom niet aanzienlijk verschillend van de busbar kortsluitstroom. Daarom moeten de onderbrekingscapaciteiten van de hoofd- en afvoerschakelaars hetzelfde zijn.
03 Elektrische en mechanische levensduurvereisten hoeven niet te hoog te zijn
Hiermee wordt de elektrische levensduur bedoeld, niet het aantal keren dat een schakelaar kan openen en sluiten onder genormeerde of gedeeltelijke belastingsstroom op bepaalde intervallen, maar het aantal keren dat hij kortsluitstroom kan onderbreken zonder onderhoud. Er is geen nationale norm voor dit aantal. Meestal ontwerpen fabrikanten voor 30 dergelijke onderbrekingen. Sommige fabrikanten' producten kunnen 50 hanteren. In aanbestedingsdocumenten voor klantprojecten zien we vaak te hoge vereisten voor het aantal kortsluitonderbrekingen. Bijvoorbeeld, een aanbestedingsdocument vereiste dat een 12kV lijnbeveiliging vacuümschakelaar 100 keer de genormeerde kortsluitstroom moest onderbreken, met een mechanische levensduur van 100.000 bewegingen en 20.000 keer de genormeerde stroomonderbreking—deze vereisten zijn onredelijk.
Te hoge aantallen kortsluitonderbrekingen zijn niet nodig. Een kortsluitfout is een ernstig elektrisch incident. Elke gebeurtenis moet worden behandeld als een ernstig ongeluk dat vraagt om oorzakanalyse en correctieve maatregelen om herhaling te voorkomen. Daarom zal een schakelaar gedurende zijn effectieve levensduur slechts enkele keren kortsluitfouten onderbreken. Hoe hoger de systeemspanning, hoe groter de schade door kortsluitingen, maar hoe kleiner de kans op optreden. Dus een middenspanningschakelaar die 30 kortsluitonderbrekingen kan hanteren, is voldoende. Typeproeven voor kortsluitonderbreking zijn duur. Voor een 12kV vacuümschakelaar kost elke kortsluitonderbrekingstest momenteel ongeveer 10.000 RMB. Uitvoeren van te veel tests leidt tot hoge kosten en is niet nodig.
Betekent een hoger aantal succesvolle onderbrekingen betere onderbrekingscapaciteit? Dit is nog een andere algemene misvatting. Het belangrijkste bij kortsluitonderbrekingstests voor vacuümschakelaars ligt in de eerste tien operaties. Zolang de schakelaar de gespecificeerde stroom in de eerste tien tests succesvol onderbreekt, is de latere prestatie meestal betrouwbaar. Statistische gegevens van typeproeven laten zien dat de kans op mislukking het hoogst is tijdens de eerste tien onderbrekingen en geleidelijk afneemt naarmate het aantal onderbrekingen toeneemt. Na 30 onderbrekingen is de kans op mislukking in latere tests bijna nul. Dus het kunnen onderbreken van 30 keer betekent niet dat het 50 keer niet kan, maar dat verdere tests niet nodig zijn.
Wat betreft de mechanische levensduur van vacuümschakelaars, is er geen behoefte aan te hoge eisen. Klasse M1 is oorspronkelijk niet minder dan 2.000 bewegingen, en klasse M2 is slechts 10.000. Nu concurreren fabrikanten in mechanische levensduur—een beweert 25.000, een ander 100.000. In aanbestedingsprocessen vergelijken deelnemers de waarden van de mechanische levensduur, wat zinloos is voor distributie-vacuümschakelaars. Echter, in specifieke toepassingen zoals frequent schakelen van motoren, ovens, of automatische condensatorcompensatiecircuits, zijn vacuümcontactors geschikter (SF6 schakelaars worden vaak gebruikt voor schakelen van middenspanningscondensatorbanken). Contactors hebben mechanische en elektrische levensduur van meer dan een miljoen bewegingen (hun elektrische levensduur wordt gemeten door de genormeerde stroomonderbreking, niet de kortsluitstroom). Er is geen behoefte aan concurrentie op mechanische levensduur in schakelaars.
04 Te hoge eisen voor andere elektrische parameters
De kortetermijnbestendigheid van een schakelaar verwijst naar zijn vermogen om de thermische spanning van de kortsluitstroom tijdens een storing te doorstaan. Dit is niet hetzelfde als temperatuurstijging. Temperatuurstijgingstests omvatten het langdurig doorlaten van de genormeerde of gespecificeerde stroom door de schakelaar en ervoor zorgen dat de temperatuurstijging op verschillende punten niet de gespecificeerde limieten overschrijdt. De kortetermijnbestendigheid van een schakelaar wordt meestal getest voor 3 seconden.
Binnen deze tijd mag de warmte die door de kortsluitstroom wordt geproduceerd, de schakelaar niet beschadigen. Een thermische bestendigheid van 3 seconden is voldoende. De reden hiervoor is dat na een kortsluiting, tijdsgebaseerde bescherming kan omvatten een opzetmatige vertraging om selectiviteit te waarborgen. Voor tijdsgebaseerde bescherming is een 0,5-seconde vertraging tussen aangrenzende schakelaars voldoende om selectiviteit te waarborgen. Als schakelaars twee niveaus verschillen, is de uitschakelvertraging 1 seconde; als drie niveaus, 1,5 seconden. Een bestendigheid van 3 seconden is al voldoende. Echter, sommige gebruikers of ontwerpers staan erop dat er een thermische bestendigheid van 5 seconden nodig is, wat echt niet nodig is.
Tijdens het sluiten van een schakelaar kunnen de bewegende en vaste contacten trillen. Als de triltijd te lang is of de driefasige sluitasynchronisatie groot, kan er een doorbraak en restrike tussen de contacten optreden. Restrike veroorzaakt een lading-ontladingproces in het circuit, waardoor de steilheid en amplitude van de overspanning toenemen. Deze overspanning staat bekend als contactrestrikeoverspanning.
Het gevaar hiervan kan zelfs de stroomafknipperoverspanning van vacuümschakelaars overtreffen, wat de spoel-isolatie van transformatoren en motoren bedreigt. Daarom mogen de contacttriltijd en de driefasige asynchronisatie niet langer zijn dan 2 ms. Huidige schakelaarparameters worden vervaardigd om aan deze eis te voldoen. Echter, sommige gebruikers eisen waarden van minder dan 2 ms, zelfs niet meer dan 1 ms, wat de huidige technische mogelijkheden te boven gaat.
05 Negatieve gevolgen van een te hoge startstroom van vacuümonderbrekers
De startgenormeerde stroom voor middenspanningsvacuümonderbrekers is 630 A. Momenteel produceren sommige fabrikanten de 630 A-versies niet langer, en de minimale startstroom is gestegen tot 1250 A. Dit is gerelateerd aan de vervaardiging van vacuümonderbrekers. Echter, dit brengt een reeks negatieve gevolgen met zich mee. Omdat de startstroom van vacuümonderbrekers te hoog is, moeten vacuümschakelaars die met deze onderbrekers worden samengesteld, overeenkomen met de stroomrating van de onderbreker.
Daarom moeten alle bijbehorende componenten, zoals polecollumnes, plug-in contacten op polecollumnes, en vaste contacten in schakelkasten, ook overeenkomen met de stroomrating van de onderbreker. Dit leidt in de meeste gevallen tot ernstige verspilling van niet-ferrometallische materialen. Bijvoorbeeld, een 12kV vacuümschakelaar kan slechts een 1000kVA transformatier voeden, waarvan de 10kV zijde genormeerde stroom slechts 57,7 A is. Echter, omdat de vacuümonderbreker start met 1250 A, moet de schakelaar gerateerd zijn op 1250 A. Daarom moeten alle accessoires van de schakelaar minstens 1250 A gerateerd zijn, en de vaste contacten in de schakelkast moeten ook minstens 1250 A gerateerd zijn, wat resulteert in aanzienlijke verspilling van niet-ferrometallische materialen.
Erger nog, gebruikers of ontwerpers staan erop dat de stroomdraagcapaciteit van de hoofdleiders in de schakelkast overeenkomt met die van de schakelaar—dat wil zeggen, de stroomdraagcapaciteit van de leiders is ontworpen voor 1250 A. In werkelijkheid is een capaciteit van 60 A voldoende, en zolang de minimale doorsnede van de kringleider dynamische en thermische stabiliteitstests doorstaat, is er aanzienlijke ruimte voor besparingen op materialen.
