Как правильно выбрать вакуумные выключатели
01 Введение
В средневольтных системах выключатели являются незаменимыми основными компонентами. Вакуумные выключатели доминируют на внутреннем рынке. Поэтому правильное электрическое проектирование невозможно без правильного выбора вакуумных выключателей. В этом разделе мы обсудим, как правильно выбирать вакуумные выключатели и какие распространенные ошибки допускаются при их выборе.
02 Прерывная способность для тока короткого замыкания не должна быть чрезмерно высокой
Прерывная способность выключателя для тока короткого замыкания не должна быть чрезмерно высокой, но должна иметь некоторый запас для учета будущего расширения мощности сети, которое может привести к увеличению тока короткого замыкания. Однако в реальном электрическом проектировании часто выбирается слишком высокая прерывная способность выключателей.
Например, в трансформаторных подстанциях конечных пользователей в системах 10 кВ ток короткого замыкания на шинах обычно составляет около 10 кА, а в системах большей мощности он может достигать 16 кА. Тем не менее, в электрических проектных чертежах прерывная способность вакуумных выключателей часто указывается как 31,5 кА или даже 40 кА. Такая высокая прерывная способность приводит к излишним затратам. В вышеупомянутых случаях прерывная способность 20 кА или 25 кА была бы достаточной. В настоящее время, однако, вакуумные выключатели с прерывной способностью 31,5 кА находятся в высоком спросе и массово производятся, что снижает стоимость производства и цены, делая их более распространенными.
В электрическом проектировании расчетные значения тока короткого замыкания обычно завышенные. Причина в том, что при расчетах часто игнорируются сопротивление системы и контактное сопротивление в цепи. Конечно, прерывная способность выключателей должна выбираться исходя из максимального возможного тока короткого замыкания. Однако значение защиты от короткого замыкания не должно базироваться на максимальном токе короткого замыкания.
Это связано с тем, что при коротких замыканиях часто возникают дуги, и сопротивление дуги очень высоко. В расчетах короткие замыкания рассматриваются как чистые металлические трехфазные короткие замыкания, предполагая отсутствие дуги и контактного сопротивления. В реальной статистике аварий более 80% коротких замыканий однофазные, и дуги почти всегда присутствуют при коротких замыканиях. В результате фактический ток короткого замыкания значительно ниже идеального расчетного значения.
Если значение защиты слишком высокое, это снижает чувствительность защиты или приводит к отказу мгновенной защиты. В инженерной практике проблема часто заключается не в том, что выключатель не прерывает, а в том, что элемент защиты не активируется из-за чрезмерно высоких значений. Кстати, чистые металлические трехфазные короткие замыкания редко происходят — они случаются только тогда, когда заземляющие провода не были удалены после обслуживания перед включением выключателя. Однако заземление обычно выполняется через заземляющие выключатели или заземляющие тележки, и имеются блокировочные функции, что делает чистые металлические короткие замыкания крайне маловероятными.
На электрических строительных чертежах часто можно увидеть, что прерывная способность главного входного выключателя указывается на один уровень выше, чем у линейных выключателей. Это необязательно. Главный выключатель управляет короткими замыканиями на шинах, а линейные выключатели — на своих соответствующих участках. Однако близко к нагрузочной стороне линейного выключателя, из-за близости к шинам, ток короткого замыкания не сильно отличается от тока короткого замыкания на шинах. Следовательно, прерывные способности главного и линейных выключателей должны быть одинаковыми.
03 Электрические и механические требования к сроку службы не должны быть чрезмерно высокими
Здесь говорится о электрическом сроке службы, который не относится к количеству операций включения и отключения под номинальным или частичным током нагрузки с определенными интервалами, а к количеству прерываний тока короткого замыкания без необходимости технического обслуживания. Нет национального стандарта для этого числа. Обычно производители проектируют на 30 таких прерываний. Некоторые производители предлагают продукты, которые могут перенести 50. В тендерных документах для проектов пользователей часто встречаются чрезмерно высокие требования к количеству прерываний тока короткого замыкания. Например, в одном тендерном документе требовалось, чтобы 12-кВ вакуумный выключатель для защиты линии мог прервать номинальный ток короткого замыкания 100 раз, с механическим сроком службы 100 000 операций и прерыванием номинального тока 20 000 раз — эти требования неразумны.
Чрезмерно высокое количество прерываний тока короткого замыкания не требуется. Короткое замыкание — это серьезное электрическое событие. Каждое такое событие должно рассматриваться как серьезная авария, требующая анализа причин и принятия мер по предотвращению повторения. Поэтому за весь срок службы выключателя он будет прерывать ток короткого замыкания лишь несколько раз. Чем выше напряжение системы, тем больше повреждений вызывает короткое замыкание, но тем меньше вероятность его возникновения. Таким образом, средневольтный выключатель, способный прервать 30 коротких замыканий, является достаточным. Типовые испытания на прерывание короткого замыкания дороги. Для 12-кВ вакуумного выключателя каждое испытание на прерывание короткого замыкания сейчас стоит около 10 000 юаней. Проведение чрезмерного количества испытаний дорого и не требуется.
Означает ли более высокое количество успешных прерываний лучшую прерывную способность? Это еще одна распространенная ошибка. Ключ к испытанию вакуумных выключателей на прерывание короткого замыкания лежит в первых десяти операциях. Если выключатель успешно прерывает заданный ток в первых десяти тестах, его последующее поведение обычно надежно. Статистические данные типовых испытаний показывают, что вероятность отказа самая высокая в первых десяти прерываниях и постепенно уменьшается с увеличением количества прерываний. После 30 прерываний вероятность отказа в последующих тестах практически равна нулю. Следовательно, способность прервать 30 раз не означает, что он не может прервать 50 — просто дальнейшие испытания не нужны.
Что касается механического срока службы вакуумных выключателей, то нет необходимости в чрезмерно высоких требованиях. Класс M1 изначально не менее 2 000 операций, а класс M2 — всего 10 000. Теперь производители соревнуются в механическом сроке службы — один заявляет 25 000, другой 100 000. В процессе торгов участники сравнивают значения механического срока службы, что бесполезно для вакуумных выключателей, используемых в распределении. Однако для конкретных применений, таких как частое переключение двигателей, дуговых печей или автоматических компенсационных цепей, более подходят вакуумные контакторы (для переключения средневольтных конденсаторных банок обычно используются выключатели SF6). Контакторы имеют механический и электрический срок службы, превышающий миллион операций (их электрический срок службы измеряется прерыванием номинального тока, а не тока короткого замыкания). Нет необходимости соревноваться в механическом сроке службы выключателей.
04 Чрезмерные требования к другим электрическим параметрам
Коротковременная термическая стойкость выключателя относится к его способности выдерживать тепловое воздействие тока короткого замыкания во время аварии. Это не то же самое, что нагрев. Испытания на нагрев включают длительное прохождение номинального или указанного тока через выключатель с обеспечением, что нагрев в различных точках не превышает установленных пределов. Коротковременная термическая стойкость выключателя обычно проверяется в течение 3 секунд.
За это время тепло, генерируемое током короткого замыкания, не должно повредить выключатель. Термическая стойкость в течение 3 секунд достаточна. Причина в том, что после возникновения короткого замыкания временная защита может включать намеренную задержку для обеспечения селективности. Для временной защиты задержка между соседними выключателями 0,5 секунды обеспечивает селективность. Если выключатели различаются на два уровня, задержка составляет 1 секунду; если на три уровня, 1,5 секунды. Термическая стойкость в течение 3 секунд уже достаточна. Однако некоторые пользователи или проектировщики настаивают на термической стойкости в течение 5 секунд, что действительно не нужно.
Во время процесса включения выключателя подвижные и неподвижные контакты могут отскакивать. Если время отскока слишком велико или асинхронность включения трех фаз значительна, между контактами может произойти пробой и повторное воспламенение. Повторное воспламенение вызывает процесс зарядки-разрядки в цепи, увеличивая крутизну и амплитуду перенапряжения. Это перенапряжение известно как перенапряжение от повторного воспламенения контактов.
Его опасность может превышать перенапряжение от обрыва тока вакуумных выключателей, угрожая межвитковой изоляции трансформаторов и двигателей. Поэтому время отскока контактов и асинхронность включения трех фаз не должны превышать 2 мс. Параметры современных выключателей соответствуют этому требованию. Однако некоторые пользователи требуют значения менее 2 мс, даже не более 1 мс, что превышает текущие технические возможности.
05 Отрицательные последствия, вызванные чрезмерно высоким номинальным током вакуумных прерывателей
Номинальный ток начала работы для средневольтных вакуумных прерывателей составляет 630 А. В настоящее время некоторые производители больше не выпускают версии на 630 А, и минимальный номинальный ток увеличился до 1250 А. Это связано с производством вакуумных прерывателей. Однако это приводит к ряду отрицательных последствий. Поскольку номинальный ток вакуумных прерывателей слишком высок, вакуумные выключатели, собранные с этими прерывателями, должны соответствовать номинальному току прерывателя.
В результате все связанные компоненты, такие как стойки, вставные контакты на стойках и неподвижные контакты в распределительных устройствах, также должны соответствовать номинальному току прерывателя. Это приводит к серьезному расходу цветных металлов в большинстве случаев. Например, 12-кВ вакуумный выключатель может питать только трансформатор мощностью 1000 кВА, номинальный ток на стороне 10 кВ которого составляет всего 57,7 А. Однако, поскольку вакуумный прерыватель начинает работу с 1250 А, выключатель должен быть рассчитан на 1250 А. Следовательно, все аксессуары выключателя должны иметь номинальный ток не менее 1250 А, а неподвижные контакты в распределительных устройствах также должны быть рассчитаны на не менее 1250 А, что приводит к значительному расходу цветных металлов.
Хуже того, пользователи или проектировщики настаивают, что проводящая способность главных проводников в распределительных устройствах должна соответствовать проводящей способности выключателя, то есть проводящая способность проводников должна быть рассчитана на 1250 А. На самом деле, достаточно проводящей способности 60 А, и если минимальное сечение проводника проходит проверку на динамическую и тепловую стабильность, есть значительный потенциал для экономии материалов.
