Kako pravilno izbirati vakuumne preklopnike

01 Uvod

V srednjepresnih sistemih so preklopniki nezamenljivi osnovni komponenti. Dominirajo vakuumski preklopniki na domačem trgu. Zato je pravilna električna izbira neodvisna od pravilne izbire vakuumskih preklopnikov. V tem razdelku bomo razpravljali o tem, kako pravilno izbirati vakuumne preklopnike in o pogostih zamenjaveh pri njihovi izbiri.

02 Prekinjavna zmogljivost za kratkoročno tok ni potrebno prekomerno visoka

Prekinjavna zmogljivost preklopnika za kratkoročne tokove ni potrebno prekomerno visoka, ampak mora imeti neko maržo, da bi se upoštevala prihodnja širitev omrežja, ki bi lahko pripeljala do večjih kratkoročnih tokov. Vendar pa v dejanski električni izbiro je izbrana prekinjavna zmogljivost preklopnikov pogosto prekomerno visoka.

Na primer, v končni pretvorovalnih postajah v 10kV sistemih je kratkoročni tok na busu običajno okoli 10kA, v sistemih z večjo zmogljivostjo pa lahko doseže do 16kA. Velečas v električnih izbrisih je prekinjavna zmogljivost vakuumskih preklopnikov določena do 31.5kA ali celo 40kA. Takšna visoka prekinjavna zmogljivost povzroča nesmiselne investicije. V zgornjih primerih bi bila prekinjavna zmogljivost 20kA ali 25kA dovolj. Trenutno pa so vakuumski preklopniki z prekinjavno zmogljivostjo 31.5kA visoko povprašani in masovno proizvedeni, kar je zmanjšalo proizvodne stroške in cene, tako da so postal bolj široko sprejeti.

V električni izbiri so izračunani kratkoročni tokovi običajno na višji strani. Razlog je, da se med izračunom pogosto zanemarja upor sistema in stikovnega upora v krožnici. Seveda mora biti prekinjavna zmogljivost preklopnika izbrana glede na največji možen kratkoročni tok. Vendar pa ne sme biti vrednost zaščite proti kratkoročnim tokom temeljita na največjem kratkoročnem toku.

To je zato, ker se ob kratkoročnih tokovih pogosto pojavijo loki, ki imajo zelo visok upor. Pri izračunih se kratkoročni tokovi obravnavajo kot čisti metalni trifazni kratkoročni tokovi, brez loka in stikovnega upora. V dejanskih statistikah o težavah je več kot 80% kratkoročnih tokov enofaznih, in loki so običajno prisotni med kratkoročnimi dogodki. Tako je dejanski kratkoročni tok veliko manjši od idealno izračunane vrednosti.

Če je vrednost zaščite prekomerno visoka, to zmanjša občutljivost zaščite ali povzroči, da trenutna zaščita ne deluje. V inženirskem praktiku je problem običajno ta, da zaščitni element ne deluje zaradi prekomerno visokih vrednosti. Medtem ko je redko, da pride do čistega metalnega trifaznega kratkoročnega toka, se to zgodi le, če se zemljenje ne odstrani po vzdrževanju pred zaprtjem preklopnika. Vendar pa se zemljenje običajno izvaja z zemljenjskimi preklopniki ali zemljenjskimi vozički, in obstajajo interlokacijske funkcije, ki čiste metalne kratkoročne tokove naredijo zelo neverjetne.

V električnih grafičnih izbrisih je pogosto, da je prekinjavna zmogljivost glavnega vhodnega preklopnika določena za eno stopnjo višjo od prekinjavne zmogljivosti preklopnikov odvoznih linij. To ni potrebno. Glavni preklopnik se ukvarja z napakami na busu, medtem ko preklopniki odvoznih linij se ukvarjajo z napakami v svojih krožnicah. Vendar pa blizu bremenske strani preklopnika odvozne linije, zaradi bližine busa, je kratkoročni tok neveličastno drugačen od busnega kratkoročnega toka. Zato bi morale biti prekinjavne zmogljivosti glavnega in odvoznih preklopnikov enake.

03 Električni in mehanični življenjski zahtevi niso potrebno prekomerno visoki

Električno življenje, o katerem tu govorimo, se ne nanaša na število odpiranj in zapiranj preklopnika pod nominalnimi ali delnimi bremenskimi tokovi v določenih intervalih, ampak na število prekinjanj kratkoročnih tokov brez potrebe po vzdrževanju. Za to število ni nacionalnega standarda. Običajno proizvajalci oblikujejo za 30 takšnih prekinjanj. Nekateri proizvajalci lahko izvedejo 50. V dokumentih za javne nabave za projekte uporabnikov je pogosto mogoče videti prekomerno visoke zahteve za število prekinjanj kratkoročnih tokov. Na primer, en javni nabor zahteval 12kV linijno zaščito vakuumnega preklopnika, da prekine nominalni kratkoročni tok 100-krat, z mehaničnim življenjem 100.000 operacij in prekinjanjem nominalnega toka 20.000-krat - te zahteve so nesmiselne.

Prekomerno visoko število prekinjanj kratkoročnih tokov ni potrebno. Kratkoročna napaka je velika električna nesreča. Vsak dogodek bi moral biti obravnavan kot resna nesreča, za katero je potrebno analizirati bistveno vzročilo in izvesti popravila, da se prepreči ponovitev. Torej, skozi učinkovito življenjsko dobo preklopnika bo prekinil kratkoročne napake le nekajkrat. Številčne napake se pojavljajo z večjo verjetnostjo pri višjih sistemskih napetostih, toda verjetnost pojavljanja je manjša. Tako je dovolj, da srednje-presni preklopnik lahko prekine 30 kratkoročnih napak. Testiranje prekinjanja kratkoročnih tokov je dragi. Za 12kV vakuumnega preklopnika trenutno stane vsak test prekinjanja kratkoročnega toka okoli 10.000 RMB. Izvajanje prekomernih testov je dragi in nepotreben.

Pomeni li višje število uspešnih prekinjanj boljšo prekinjalno zmogljivost? To je še ena pogosta zamenjava. Ključ za testiranje prekinjanja kratkoročnih tokov vakuumnih preklopnikov je v prvih desetih operacijah. Če preklopnik uspešno prekine določen tok v prvih desetih testih, je njegovo nadaljnje delovanje običajno zanesljivo. Statistični podatki tipiziranja kažejo, da je verjetnost odpovedi najvišja med prvimi desetimi prekinjanji in se zmanjšuje s povečevanjem števila prekinjanj. Po 30 prekinjanjih je verjetnost odpovedi v nadaljnjih testih skoraj nič. Torej, če lahko prekine 30-krat, to ne pomeni, da ne more prekiniti 50-krat, ampak preprosto, da nadaljnje testiranje ni potrebno.

Glede mehaničnega življenja vakuumnih preklopnikov ni potrebno prekomerno visokih zahtev. Klasa M1 je izvirno ni manj kot 2.000 operacij, in klasa M2 je samo 10.000. Sedaj se proizvajalci tekmujejo v mehaničnem življenju - eden trdi 25.000, drugi 100.000. V procesih javnih nabav se primerjajo vrednosti mehaničnega življenja, kar ni smiselno za vakuumne preklopnike za distribucijo. Vendar pa v posebnih uporabah, kot je pogosto preklopljanje motorjev, luknjastih peči ali avtomatskih kondenzatorskih kompenzacij, so bolj primerni vakuumni kontaktorji (SF6 preklopniki so običajno uporabljeni za preklopljanje srednje-presnih kondenzatorjev). Kontaktorji imajo mehanično in električno življenje, ki presega milijon operacij (njihovo električno življenje se meri z prekinjanjem nominalnega toka, ne kratkoročnega toka). Ni potrebno, da se konkuriše v mehaničnem življenju preklopnikov.

04 Prekomerne zahteve za druge električne parametre

Kratkoročna pretrpljivost toka preklopnika se nanaša na njegovo sposobnost, da pretrpi termalni stres kratkoročnega toka med napako. To ni isto kot povišanje temperature. Testiranje povišanja temperature vključuje pretekanje nominalnega ali določenega toka skozi preklopnik dolgo časa in zagotavljanje, da povišanje temperature na različnih mestih ne preseže določenih mej. Kratkoročna pretrpljivost toka preklopnika se običajno testira za 3 sekunde.

V tem času ne smejo toplinske energije, generirane z kratkoročnim tokom, poškodovati preklopnika. Termalna pretrpljivost za 3 sekunde je dovolj. Razlog je, da po nastanku kratkoročnega toka lahko časovno ločena zaščita vključuje namerno zamudo, da se zagotovi selektivnost. Za časovno zaščito je 0,5-sekundna zamuda med sosednjima preklopnikoma dovolj, da se zagotovi selektivnost. Če sta preklopnika različna za dve stopnji, je zamuda 1 sekunda; če za tri stopnje, 1,5 sekunde. Termalna pretrpljivost za 3 sekunde je že dovolj. Vendar pa nekateri uporabniki ali oblikovalci trdijo, da je potrebna termalna pretrpljivost za 5 sekund, kar je resnično nepotreben.

Med zapiranjem preklopnika lahko gibljive in fiksne stiki pobegnejo. Če je čas pobega prekomerno dolg ali je velika asinhronost zapiranja treh faz, se lahko med stiki pojavi prepust in ponovno zapiranje. Ponovno zapiranje povzroča nabiranje in izpust v krožnici, kar poveča strmota in amplituda previsokih napetosti. Ta previsoka napetost se imenuje previsoka napetost zaradi ponovnega zapiranja stikov.

Njegov škodljiv vpliv lahko preseže previsoko napetost zaradi prekinjanja toka vakuumnih preklopnikov, grozijoči vrtni izolaciji transformatorjev in motorjev. Zato ne sme biti čas pobega stikov in asinhronost treh faz daljša od 2 ms. Trenutni parametri preklopnikov so izdelani, da ustrezajo temu zahtevu. Vendar pa nekateri uporabniki zahtevajo vrednosti manjše od 2 ms, celo, da ne presežejo 1 ms, kar presega trenutne tehnične zmogljivosti.

05 Negativne posledice zaradi prekomerno visokega začetnega toka vakuumnih prekiniteljev

Začetni nominalni tok za srednje-presne vakuumne prekinitelje je 630 A. Trenutno nekateri proizvajalci več ne proizvajajo verzij z 630 A, in najnižji začetni tok je povečan na 1250 A. To je povezano z izdelavo vakuumnih prekiniteljev. Vendar to prinaša serijo negativnih posledic. Ker je začetni tok vakuumnih prekiniteljev prekomerno visok, morajo vakuumni preklopniki, sestavljeni s temi prekinitelji, ujemati nominalni tok prekinitelja.

Tako morajo vse pripadajoče komponente, kot so stolpi, stikali na stolpih in fiksni stiki v napravah, ujemati nominalni tok prekinitelja. To v večini primerov povzroča težko porabo nerjavinskih kovin. Na primer, 12kV vakuumni preklopnik lahko snabduje le 1000kVA transformator, katerega nominalni tok na strani 10kV je le 57,7 A. Vendar ker začetni tok vakuumnega prekinitelja znaša 1250 A, mora biti preklopnik označen za 1250 A. Tako morajo vse dodatke preklopnika imeti nominalni tok vsaj 1250 A, in fiksni stiki v napravah morajo biti tudi označeni za vsaj 1250 A, kar prinaša znatno porabo nerjavinskih kovin.

Še slabše, uporabniki ali oblikovalci trdijo, da mora nosilnost glavnih vodnikov v napravah ujemati nosilnost preklopnika, torej, da je nosilnost vodnika oblikovana za 1250 A. V resnici bi bila nosilnost 60 A dovolj, in če najmanjša prereza vodnikov preklopnika presežejo dinamične in termalne stabilne preglede, obstaja veliko prostora za varčevanje materialov.