Jak prawidłowo wybrać wakuumowe wyłączniki obwodowe

01 Wstęp

W systemach średniego napięcia przełączniki są niezwykle istotnymi elementami. Na rynku krajowym dominują przełączniki próżniowe. Dlatego poprawny projekt elektryczny jest nieodłączny od właściwego wyboru przełączników próżniowych. W tej sekcji omówimy jak poprawnie wybierać przełączniki próżniowe oraz typowe błędy w ich doborze.

02 Przerzutna moc prądu zwarciowego nie musi być zbyt wysoka

Przerzutna moc prądu zwarciowego przełącznika nie musi być zbyt wysoka, ale powinna mieć pewne rezerwy, aby móc sprostać przyszłemu rozszerzeniu sieci, które może prowadzić do wzrostu prądów zwarciowych. Jednak w rzeczywistych projektach elektrycznych często wybierana przerzutna moc przełączników jest zbyt wysoka. 

Na przykład, w transformatorach końcowych w systemach 10kV, prąd zwarciowy na szynach jest zwykle około 10kA, a w systemach o większej mocy może osiągać nawet 16kA. Mimo to, w projektach elektrycznych, przerzutna moc przełączników próżniowych często jest określana na poziomie 31.5kA, a nawet 40kA. Taka wysoka przerzutna moc prowadzi do marnowania inwestycji. W powyższych przypadkach, przerzutna moc 20kA lub 25kA byłaby wystarczająca. Obecnie jednak przełączniki próżniowe o przerzutnej mocy 31.5kA są bardzo popytowe i produkowane masowo, co prowadzi do obniżenia kosztów produkcji i cen, stając się bardziej popularne.

W projektach elektrycznych, obliczone prądy zwarciowe są zazwyczaj na wyższym poziomie. Powodem jest pomijanie oporu systemu i oporu kontaktów w obwodzie podczas obliczeń. Oczywiście, przerzutna moc przełączników musi być wybierana na podstawie maksymalnego możliwego prądu zwarciowego. Jednak wartość ustawienia ochrony zwarciowej nie powinna opierać się na maksymalnym prądzie zwarciowym. 

To dlatego, że podczas zwarć często występują łuki, a opór łuku jest bardzo wysoki. W obliczeniach projektowych, zwarcia traktowane są jako czyste zwarce trójfazowe metaliczne, zakładając brak łuku i oporu kontaktów. W rzeczywistych statystykach awarii, ponad 80% zwarć jest jednofazowych, a podczas zwarć prawie zawsze występują łuki. W rezultacie, rzeczywisty prąd zwarciowy jest znacznie niższy niż idealnie obliczona wartość. 

Jeśli wartość ustawienia ochrony jest zbyt wysoka, zmniejsza ona wrażliwość ochrony lub powoduje, że ochrona natychmiastowa nie działa. W praktyce inżynierskiej, problemem zazwyczaj nie jest to, że przełącznik nie przerywa, ale że element ochrony nie aktywuje się ze względu na zbyt wysokie wartości ustawień. Przy okazji, czyste zwarce trójfazowe metaliczne rzadko występują – zdarzają się tylko, gdy po konserwacji nie usunięto przewodów ziemnych przed zamknięciem przełącznika. Jednak przewodzenie ziemi odbywa się zwykle za pomocą przełączników ziemnych lub wózków ziemnych, a funkcje blokady są w miejscu, co czyni czyste zwarce metaliczne ekstremalnie mało prawdopodobnymi.

W rysunkach montażowych często można zobaczyć, że przerzutna moc głównego przełącznika wejściowego jest określana na poziomie wyższym niż przełączniki pasma. To jest niepotrzebne. Główny przełącznik obsługuje zwarcia na szynach, podczas gdy przełączniki pasma obsługują zwarcia w swoich odpowiednich obwodach. Jednak blisko strony obciążenia przełącznika pasma, z powodu bliskości szyn, prąd zwarciowy nie różni się znacząco od prądu zwarciowego na szynach. Dlatego przerzutne moce głównego i przełączników pasma powinny być takie same.

03 Wymagania dotyczące życia elektrycznego i mechanicznego nie muszą być zbyt wysokie

Mówiąc o życiu elektrycznym, nie mamy tu na myśli liczby otwarć i zamknięć przełącznika pod prądem nominalnym lub częściowym przy określonych interwałach, ale liczbę przerwań prądu zwarciowego bez konieczności konserwacji. Nie ma standardu narodowego dla tej liczby. Zazwyczaj producenci projektują na 30 takich przerwań. Niektóre produkty producentów mogą obsłużyć 50. W dokumentach ofertowych dla projektów użytkowników często można spotkać zbyt wysokie wymagania dotyczące liczby przerwań prądu zwarciowego. Na przykład, jeden dokument ofertowy wymagał, aby 12kV linia ochronna przełącznika próżniowego przerwała prąd zwarciowy nominalny 100 razy, z życiem mechanicznym 100 000 operacji i przerwaniami prądu nominalnego 20 000 razy – te wymagania są nierozsądne.

Zbyt wysokie liczby przerwań prądu zwarciowego są niepotrzebne. Zawarcie jest poważnym incydentem elektrycznym. Każde wystąpienie powinno być traktowane jako poważny wypadek wymagający analizy przyczyny i działania naprawczego, aby zapobiec jego ponownemu wystąpieniu. Dlatego, przez skuteczny okres użytkowania przełącznika, przerwie prądy zwarciowe tylko kilka razy. Im wyższe napięcie systemu, tym większe szkody spowodowane przez zwarcią, ale niższa jest prawdopodobieństwo jej wystąpienia. Dlatego przełącznik średniego napięcia zdolny do przerwania 30 prądów zwarciowych jest wystarczający. Testowanie typowe przerwania prądu zwarciowego jest drogie. Dla 12kV przełącznika próżniowego, każdy test przerwania prądu zwarciowego obecnie kosztuje około 10 000 CNY. Przeprowadzanie nadmiernych testów wiąże się z wysokimi kosztami i jest niepotrzebne.

Czy wyższa liczba udanych przerwań oznacza lepszą zdolność przerwania? To jest kolejne powszechne nieporozumienie. Klucz do testowania przerwania prądu zwarciowego przełączników próżniowych leży w pierwszych dziesięciu operacjach. O ile przełącznik pomyślnie przerwie określony prąd w pierwszych dziesięciu testach, jego późniejsze działanie jest zazwyczaj niezawodne. Statystyczne dane z testów typowych pokazują, że prawdopodobieństwo awarii jest najwyższe w pierwszych dziesięciu przerwaniach i stopniowo maleje wraz z zwiększeniem liczby przerwań. Po 30 przerwaniach, prawdopodobieństwo awarii w kolejnych testach jest niemal zerowe. Dlatego zdolność do przerwania 30 razy nie oznacza, że nie można przerwać 50 – po prostu dalsze testy są niepotrzebne.

Co do życia mechanicznego przełączników próżniowych, nie ma potrzeby zbyt wysokich wymagań. Klasa M1 wynosi oryginalnie nie mniej niż 2 000 operacji, a klasa M2 tylko 10 000. Teraz producenci rywalizują w życiu mechanicznym – jeden twierdzi 25 000, drugi 100 000. W procesach ofertowych uczestnicy porównują wartości życia mechanicznego, co jest bez sensu dla przełączników próżniowych do dystrybucji. Jednak w specyficznych zastosowaniach, takich jak częste przełączanie silników, pieców elektrycznych lub obwodów automatycznej kompensacji kondensatorów, kontakty próżniowe są bardziej odpowiednie (przełączniki SF6 są często używane do przełączania banków kondensatorów średniego napięcia). Kontakty mają życie mechaniczne i elektryczne przekraczające milion operacji (ich życie elektryczne mierzone jest przerwaniem prądu nominalnego, a nie prądu zwarciowego). Nie ma potrzeby rywalizować w życiu mechanicznym przełączników.

04 Zbyt wysokie wymagania dotyczące innych parametrów elektrycznych

Krótkotrwała wytrzymałość prądu zwarciowego przełącznika odnosi się do jego zdolności do znoszenia naprężeń cieplnych prądu zwarciowego podczas awarii. To nie to samo co wzrost temperatury. Testy wzrostu temperatury polegają na przepuszczaniu prądu nominalnego lub określonego przez przełącznik przez długi czas i zapewnieniu, że wzrost temperatury w różnych punktach nie przekracza określonych limitów. Krótkotrwała wytrzymałość prądu zwarciowego przełącznika jest zazwyczaj testowana przez 3 sekundy.

W tym czasie ciepło generowane przez prąd zwarciowy nie powinno uszkodzić przełącznika. Wytrzymałość cieplna przez 3 sekundy jest wystarczająca. Powodem jest to, że po wystąpieniu zwarca, ochrona oparta na czasie może obejmować intencjonalny opóźnienie, aby zapewnić selektywność. Dla ochrony opartej na czasie, opóźnienie 0,5 sekundy między sąsiednimi przełącznikami zapewnia selektywność. Jeśli przełączniki różnią się o dwa poziomy, opóźnienie wyłączania wynosi 1 sekundę; jeśli o trzy poziomy, 1,5 sekundy. Wytrzymałość przez 3 sekundy jest już wystarczająca. Jednak niektórzy użytkownicy lub projektanci nalegają na wytrzymałość cieplną przez 5 sekund, co jest naprawdę niepotrzebne.

Podczas zamykania przełącznika, poruszające się i stałe kontakty mogą odbić się. Jeśli czas odbicia jest zbyt długi lub asynchronizacja zamykania trójfazowego jest duża, może dojść do przebicia i ponownego zapłonu między kontaktami. Ponowny zapłon powoduje proces ładowania i rozładowania w obwodzie, zwiększając nachylenie i amplitudę przepięć. To przepięcie nazywane jest przepięciem ponownego zapłonu kontaktów.

Jego zagrożenie może nawet przekroczyć przepięcie related to current chopping in vacuum circuit breakers, threatening the turn-to-turn insulation of transformers and motors. Therefore, the contact bounce time and three-phase asynchronism should not exceed 2ms. Current circuit breaker parameters are manufactured to meet this requirement. However, some users demand values less than 2ms, even requiring no more than 1ms, which exceeds current technical capabilities.

05 Ujemne konsekwencje zbyt wysokiego prądu początkowego wyrzutników próżniowych

Nominalny prąd początkowy dla wyrzutników próżniowych średniego napięcia wynosi 630A. Obecnie niektórzy producenci nie produkują już wersji 630A, a minimalny prąd początkowy wzrósł do 1250A. Jest to związane z produkcją wyrzutników próżniowych. Jednak to prowadzi do szeregu negatywnych konsekwencji. Ponieważ prąd początkowy wyrzutników próżniowych jest zbyt wysoki, przełączniki próżniowe zmontowane z tych wyrzutników muszą odpowiadać klasyfikacji prądu wyrzutnika. 

W rezultacie wszystkie powiązane komponenty, takie jak słupy, styki wtykowe na słupach i stałe kontakty w szafach rozdzielczych, muszą również odpowiadać klasyfikacji prądu wyrzutnika. To prowadzi do poważnego marnowania materiałów nieżelaznych w większości przypadków. Na przykład, 12kV przełącznik próżniowy może dostarczać tylko 1000kVA transformator, którego prąd nominalny na stronie 10kV wynosi zaledwie 57,7A. Jednak, ponieważ wyrzutnik próżniowy rozpoczyna od 1250A, przełącznik musi być klasyfikowany na 1250A. W rezultacie, wszystkie akcesoria przełącznika muszą mieć klasyfikację prądu co najmniej 1250A, a stałe kontakty w szafie rozdzielczej muszą również być klasyfikowane co najmniej na 1250A, co prowadzi do znacznego marnowania metali nieżelaznych.

Gorsza sytuacja występuje, gdy użytkownicy lub projektanci nalegają, aby zdolność nośna przewodów głównych w szafie rozdzielczej odpowiadała zdolności nośnej przełącznika – czyli przewód jest projektowany na zdolność nośną 1250A. W rzeczywistości, zdolność nośna 60A byłaby wystarczająca, a pod warunkiem, że minimalny przekrój przewodu przesyłowego przeszedł testy dynamicznej i termicznej stabilności, jest duże pole do oszczędności materiałów.