Hvordan velge vakuumkretsbruddere korrekt

01 Innledning

I mediumspændingssystemer er sirkuitsikringer uunnværlige primære komponenter. Vakuumsirkuitsikringer dominerer den innenlandske markedet. Derfor er riktig elektrisk design ikke å skille fra riktig valg av vakuumsirkuitsikringer. I denne seksjonen vil vi diskutere hvordan man velger vakuumsirkuitsikringer riktig og vanlige misforståelser ved valget av dem.

02 Avbryterkapasiteten for kortslutningsstrøm trenger ikke være for høy

Avbryterkapasiteten for kortslutningsstrøm hos en sirkuitsikring trenger ikke være for høy, men bør ha litt margin for å akkommodere fremtidig kapasitetsutvidelse i nettet som kan føre til økte kortslutningsstrømer. Imidlertid er den valgte avbryterkapasiteten for sirkuitsikringer ofte for høy i det faktiske elektriske designet. 

For eksempel, i sluttkundens transformatorstasjoner i 10kV-systemer, er kortslutningsstrømmen på busbar mest sannsynlig rundt 10kA, og i større systemer kan den nå opp til 16kA. Likevel er avbryterkapasiteten for vakuumsirkuitsikringer ofte angitt så høyt som 31.5kA, eller enda 40kA, i elektriske designtegninger. Slik høy avbryterkapasitet fører til unødvendig investering. I de nevnte tilfellene ville en avbryterkapasitet på 20kA eller 25kA vært tilstrekkelig. For tiden er imidlertid vakuumsirkuitsikringer med 31.5kA avbryterkapasitet på høy etterspørsel og massaprodusert, noe som fører til reduserte produksjonskostnader og priser, og dermed blir de mer utbredt.

I elektrisk design er beregnede kortslutningsstrømmer generelt på den høye siden. Grunnet er at systemimpedansen og kontaktmotstand i krettsløyfen ofte overses under beregningen. Selvfølgelig må avbryterkapasiteten for sirkuitsikringer velges basert på den maksimale mulige kortslutningsstrømmen. Men kortslutningsbeskyttelsesinnstillingen bør ikke baseres på den maksimale kortslutningsstrømmen. 

Dette er fordi buer ofte oppstår under kortslutning, og buemotstand er veldig høy. I designberegninger behandles kortslutninger som ren metallisk tre-fase kortslutning, uten antagelse om buer eller kontaktmotstand. I faktiske feilstatistikk er over 80% av kortslutningene én-fasede, og buer er nesten alltid til stede under kortslutningshendelser. Dette resulterer i at den faktiske kortslutningsstrømmen er mye lavere enn den ideelle beregnede verdien. 

Hvis beskyttelsesinnstillingen er for høy, reduserer dette beskyttelsessensitiviteten eller hindrer øyeblikkelig beskyttelse i virke. I ingeniørpraksis er problemet ofte ikke at sirkuitsikringen ikke avbryter, men at beskyttelselementet ikke aktiveres på grunn av for høye innstillinger. Forresten, rene metalliske tre-fase kortslutninger forekommer sjeldent—de skjer bare når jordingsleder ikke fjernes etter vedlikehold før sirkuitsikringen lukkes. Men jording utføres vanligvis gjennom jordingskontaktorer eller jordingsvogn, og det er interlockfunksjoner i plass, noe som gjør rene metalliske kortslutninger ekstremt usannsynlige.

I elektriske konstruksjontegninger er det vanlig å se at avbryterkapasiteten for hovedinngående sirkuitsikring er spesifisert ett nivå høyere enn for utgangs-sirkuitsikringer. Dette er unødvendig. Hovedsikring håndterer busbar kortslutningsfeil, mens utgangssikringer håndterer feil i deres respektive kretser. Men nær lastside av en utgangssikring, på grunn av nærheten til busbar, er kortslutningsstrømmen ikke signifikant forskjellig fra busbar kortslutningsstrømmen. Derfor bør avbryterkapasiteten for hoved- og utgangssikringer være den samme.

03 Elektriske og mekaniske levetidskrav trenger ikke være for høye

Den elektriske livstiden som nevnes her refererer ikke til antallet ganger en sikring kan åpne og lukke under spesifisert intervall under nominal- eller delbelastningsstrøm, men snarere antallet ganger den kan avbryte kortslutningsstrøm uten vedlikehold. Det er ingen nasjonal standard for dette tallet. Generelt designer produsenter for 30 slike avbrytninger. Noen produsenters produkter kan håndtere 50. I budsjettbehandlingen for brukerprosjekter er det vanlig å se for høye krav til antallet kortslutningsavbrytninger. For eksempel, en anbudsdokument krever at en 12kV linje beskyttelse vakuumsirkuitsikring skal avbryte nominell kortslutningsstrøm 100 ganger, med en mekanisk livstid på 100 000 operasjoner og nominal strømavbrytning 20 000 ganger—disse kravene er urimelige.

For høyt antall kortslutningsavbrytninger er unødvendig. En kortslutningsfeil er en stor elektrisk hendelse. Hver forekomst bør behandles som en alvorlig ulykke som krever årsaksanalyse og rettelser for å forhindre gentakelse. Derfor vil en sirkuitsikring bare avbryte kortslutningsfeil noen få ganger over sin effektive bruksperiode. Jo høyere systemspenning, jo større skade forårsaket av kortslutninger, men jo lavere sannsynlighet for forekomst. Derfor er en mediumspændingssirkuitsikring som kan avbryte 30 kortslutningsfeil tilstrekkelig. Typeprøving for kortslutningsavbrytning er dyrt. For en 12kV vakuumsirkuitsikring koster hver kortslutningsavbrytningstest omtrent 10 000 RMB i dag. Å gjennomføre for mange tester innebærer høye kostnader og er unødvendig.

Betyr et høyere antall vellykkede avbrytninger bedre avbrytingskapasitet? Dette er en annen vanlig misforståelse. Nøkkelen til kortslutningsavbrytningstesting av vakuumsirkuitsikringer ligger i de første ti operasjonene. Så lenge sikringen vellykket avbryter den spesifiserte strømmen i de første ti testene, er dens senere ytelse generelt betroelig. Statistiske data fra typeprøver viser at sannsynligheten for feil er høyest under de første ti avbrytingene og gradvis minker med økende antall avbrytninger. Etter 30 avbrytninger er sannsynligheten for feil i senere tester nærmest null. Derfor betyr det at den kan avbryte 30 ganger ikke at den ikke kan avbryte 50—it betyr bare at ytterligere testing er unødvendig.

Angående den mekaniske livstiden til vakuumsirkuitsikringer, er det ikke nødvendig med for høye krav. M1-klassen er opprinnelig ikke mindre enn 2 000 operasjoner, og M2-klassen er bare 10 000. Nå konkurrerer produsenter om mekanisk livstid—den ene hevder 25 000, en annen 100 000. I anbudskonkurranser sammenligner deltakere mekanisk livstid, noe som er meningsløst for distribusjon-bruk vakuumsirkuitsikringer. Men i spesifikke anvendelser som hyppig skifting av motorer, buelovner, eller automatiske kondensatorkompeensasjonskretser, er vakuumbrytere mer egnet (SF6-sirkuitsikringer brukes ofte for skifting av mediumspændingskondensatorbanker). Brytere har mekanisk og elektrisk livstid over en million operasjoner (deres elektriske livstid måles ved nominal strømavbrytning, ikke kortslutningsstrøm). Det er ikke nødvendig å konkurrere om mekanisk livstid i sirkuitsikringer.

04 For høye krav til andre elektriske parametre

Den kortvarige tålmodigheten til en sirkuitsikring refererer til dens evne til å takle termisk stress fra kortslutningsstrøm under en feil. Dette er ikke det samme som temperaturstigning. Temperaturstigningstesting involverer å sende nominal eller spesifisert strøm gjennom sikringen over lengre tid og sikre at temperaturstigningen i ulike punkter ikke overstiger spesifiserte grenser. Den kortvarige tålmodigheten til en sirkuitsikring blir generelt testet i 3 sekunder.

Innen denne tiden må varmen produsert av kortslutningsstrømmen ikke skade sikringen. En termisk tålmodighet på 3 sekunder er tilstrekkelig. Grunnet er at etter en kortslutning kan tidsbasert beskyttelse involvere bevisst forsinkelse for å sikre selektivitet. For tidsbasert beskyttelse sikrer en 0,5-sekunds forsinkelse mellom nabosikringer selektivitet. Hvis sikringer skiller seg med to nivåer, er tripforsinkelsen 1 sekund; hvis tre nivåer, 1,5 sekund. En tålmodighet på 3 sekunder er allerede tilstrekkelig. Men noen brukere eller designere insistere på en 5-sekunders termisk tålmodighet, noe som virkelig er unødvendig.

Under lukkingen av en sirkuitsikring kan de flyttbare og faste kontaktene hoppe. Hvis hoppetid er for lang eller tre-fase lukking asynkronisering er stor, kan nedbrytning og restriking forekomme mellom kontaktpunktene. Restriking fører til en ladning-oppladningsprosess i kretsen, som øker steepness og amplituden av overvoltage. Denne overvoltage kalles kontaktrestrikingsovervoltage.

Dens fare kan endda overstige strømkuttingsovervoltage av vakuumsirkuitsikringer, truer vindingsisoleringen av transformer og motorer. Derfor bør kontakt-hoppetiden og tre-fase asynkronisering ikke overstige 2ms. Nåværende sirkuitsikringparametre er produsert for å møte dette kravet. Men noen brukere krever verdier under 2ms, selv krever ikke mer enn 1ms, som overstiger nåværende tekniske kapasiteter.

05 Negative problemer forårsaket av for høy startstrøm for vakuumbrytere

Startnominalstrømmen for mediumspændings-vakuumbrytere er 630A. For tiden produserer noen produsenter ikke lenger 630A-versjoner, og den minste startstrømmen har økt til 1250A. Dette er relatert til vakuumbryterproduksjon. Men det fører til en rekke negative konsekvenser. Fordi startstrømmen for vakuumbrytere er for høy, må vakuumsirkuitsikringer montert med disse bryterne matche bryterens strømklasse. 

Dermed må alle relaterte komponenter—som stolper, stiftkontakter på stolper, og faste kontakter i switchgear—også matche bryterens strømklasse. Dette fører til alvorlig sløsing av ikke-ferriske metaller i de fleste tilfeller. For eksempel, en 12kV vakuumsirkuitsikring kan kun forsyne en 1000kVA-transformator, hvis 10kV-side nominalstrøm er bare 57,7A. Men siden vakuumbryteren starter på 1250A, må sirkuitsikringen være rated på 1250A. Dermed må alle tilbehør til sikringen ha en nominalstrøm på minst 1250A, og de faste kontaktene i switchgear må også ha en nominalstrøm på minst 1250A, noe som fører til betydelig sløsing av ikke-ferriske metaller.

Verre enn det, brukere eller designere insistere på at strømføringsevnen til hovedlederne i switchgear må matche sirkuitsikringens—altså er ledens strømføringsevne designet for 1250A. I virkeligheten er en kapasitet på 60A tilstrekkelig, og så lenge minimumskryssseksjonen av krettslederen passer dynamisk og termisk stabilitetstester, er det mye rom for materialebesparelse.