Hur väljer man vakuumkretsbråckare korrekt

01 Förord

I medelspännings-system är strömbrytare oersättliga primära komponenter. Vakuumbrytare dominerar den inhemska marknaden. Därför är korrekt elektrisk design otillgänglig utan rätt val av vakuumbrytare. I det här avsnittet kommer vi att diskutera hur man korrekt väljer vakuumbrytare och vanliga missuppfattningar vid deras val.

02 Avbrottskapacitet för kortslutningsström behöver inte vara överdrivet hög

En strömbrytares kapacitet att bryta kortslutningsström behöver inte vara överdrivet hög, men bör ha en viss marginal för att kunna hantera framtida utbyggnad av nätverkskapacitet som kan leda till ökade kortslutningsströmmar. Men i praktisk elektrisk design är den valda avbrottskapaciteten för strömbrytare ofta alltför hög. 

Till exempel, i slutanvändars transformatorstationer inom 10kV-system ligger busbar kortslutningsströmmen mestadels runt 10kA, och i system med större kapacitet kan den nå upp till 16kA. Ändå anges i elektriska ritningar ofta avbrottskapaciteten för vakuumbrytare så högt som 31.5kA, eller till och med 40kA. Sådan hög avbrottskapacitet resulterar i onödig investering. I de ovan nämnda fallen skulle en avbrottskapacitet på 20kA eller 25kA vara tillräcklig. Nuvarande efterfrågan på vakuumbrytare med 31.5kA avbrottskapacitet är emellertid stor och massproduceras, vilket leder till lägre tillverkningskostnader och priser, vilket gör dem mer populära.

I elektrisk design är beräknade kortslutningsströmmar generellt sett på den högre sidan. Anledningen är att systemimpedans och kontaktresistans i kretsloopen ofta ignoreras under beräkningarna. Självklart måste avbrottskapaciteten för strömbrytare väljas baserat på den maximala möjliga kortslutningsströmmen. Men skyddssättningsvärdet för kortslutning bör inte baseras på den maximala kortslutningsströmmen. 

Detta beror på att bågar ofta uppstår vid kortslutning, och bågar har en mycket hög resistans. I designberäkningar behandlas kortslutningar som rena metalliska trefas-kortslutningar, med antagandet om inga bågar och ingen kontaktresistans. I faktiska felstatistik uppstår över 80% av kortslutningarna i en fas, och bågar är nästan alltid närvarande vid kortslutningshändelser. Som ett resultat är den faktiska kortslutningsströmmen mycket lägre än det idealiska beräknade värdet. 

Om skyddssättningsvärdet är för högt minskar det skyddskänsligheten eller orsakar att snabbskyddet inte fungerar. I ingenjörsvana är problemet ofta inte att strömbrytaren inte bryter, utan att skyddelementet inte aktiveras på grund av för höga sättningsvärden. Vid sidan av detta inträffar rena metalliska trefas-kortslutningar sällan - de inträffar endast om jordningsledningar inte tas bort efter underhåll innan brytaren stängs. Men jordning görs vanligtvis via jordningskoppar eller jordningsvagnar, och låsande funktioner finns, vilket gör rena metalliska kortslutningar extremt osannolika.

I elektriska konstruktionsritningar är det vanligt att se att huvudinloppsbrytarens avbrottskapacitet anges ett nivå högre än försörjningsbrytarnas. Detta är onödigt. Huvudbrytaren hanterar busbar kortslutningsfel, medan försörjningsbrytare hanterar fel i sina respektive kretsar. Men nära belastningsidan av en försörjningsbrytare, på grund av dess närhet till busbar, skiljer sig kortslutningsströmmen inte betydligt från busbar kortslutningsströmmen. Därför bör avbrottskapaciteten för huvud- och försörjningsbrytare vara densamma.

03 Elektriska och mekaniska livslängdskrav behöver inte vara överdrivet höga

Den elektriska livslängd som nämns här refererar inte till antalet gånger en brytare kan öppnas och stängas under nominal- eller delbelastningsström vid angivna intervall, utan antalet gånger den kan bryta kortslutningsström utan att kräva underhåll. Det finns inget nationellt standard för detta nummer. Generellt sett utformar tillverkare för 30 sådana avbrott. Några tillverkares produkter kan hantera 50. I upphandlingsdokument för användarprojekt är det vanligt att se överdrivet höga krav på antalet kortslutningsavbrott. Till exempel krävde ett upphandlingsdokument att en 12kV linjeskyddsvakuumbrytare skulle bryta nominell kortslutningsström 100 gånger, med en mekanisk livslängd på 100 000 operationer och avbrott av nominell ström 20 000 gånger - dessa krav är orimliga.

Överdrivet höga antal kortslutningsavbrott är onödiga. Ett kortslutfel är en allvarlig elektrisk incident. Varje förekomst bör behandlas som en allvarlig olycka som kräver rotorsaksanalys och åtgärder för att förhindra återkomst. Därför kommer en strömbrytare under sin effektiva livslängd bara att bryta kortslutningsfel några få gånger. Ju högre systemspänning, desto större skada orsakas av kortslutning, men desto lägre sannolikhet för inträffande. En medelspänningsbrytare som kan bryta 30 kortslutningsfel är därför tillräcklig. Typprovning för kortslutningsavbrott är dyrt. För en 12kV vakuumbrytare kostar varje kortslutningsavbrotttest för närvarande cirka 10 000 RMB. Att genomföra överdrivet många tester innebär höga kostnader och är onödigt.

Betyder ett högre antal framgångsrika avbrott bättre avbrottsförmåga? Detta är en annan vanlig missuppfattning. Nyckeln till vakuumbrytarens kortslutningsavbrottprovning ligger i de första tio operationerna. Så länge brytaren framgångsrikt bryter den angivna strömmen under de första tio testerna, är dess efterföljande prestanda generellt tillförlitlig. Statistiska data från typprov visar att sannolikheten för fel är högst under de första tio avbrotten och minskar gradvis med ökande antal avbrott. Efter 30 avbrott är sannolikheten för fel i efterföljande tester nästan noll. Så att kunna bryta 30 gånger betyder inte att den inte kan bryta 50 - det betyder helt enkelt att ytterligare provning är onödig.

Angående vakuumbrytarnas mekaniska livslängd finns det ingen anledning att ha överdrivet höga krav. M1-klassen är ursprungligen inte mindre än 2 000 operationer, och M2-klassen är bara 10 000. Nu tävlar tillverkare i mekanisk livslängd - en hävdar 25 000, en annan 100 000. I upphandlingsprocesser jämför deltagare mekaniska livslängdsvärden, vilket är meningslöst för distributionsanvända vakuumbrytare. Men i specifika tillämpningar som ofta växling av motorer, bugeleldugnar eller automatiska kondensatorkompensationskretsar är vakuumkontaktorer mer lämpliga (SF6-brytare används vanligtvis för växling av medelspänningskondensatorbankar). Kontaktorer har mekaniska och elektriska livslängder som överstiger en miljon operationer (deras elektriska livslängd mäts av avbrott av nominell ström, inte kortslutningsström). Det finns ingen anledning att tävla om mekanisk livslängd i brytare.

04 Överdrivet krav på andra elektriska parametrar

Korttidsuthållighetsströmmen för en strömbrytare refererar till dess förmåga att motstå termisk stress från kortslutningsström under ett fel. Detta är inte samma sak som temperaturökning. Temperaturökningsprovning innebär att passera nominell eller angiven ström genom brytaren under en längre tid och säkerställa att temperaturökningen vid olika punkter inte överstiger angivna gränser. Korttidsuthållighetsströmmen för en strömbrytare testas generellt sett i 3 sekunder.

Under denna tid får den värme som genereras av kortslutningsströmmen inte skada brytaren. En termisk uthållighet på 3 sekunder är tillräcklig. Anledningen är att efter ett kortslut, kan tidsgraderat skydd involvera avsiktlig fördröjning för att säkerställa selektivitet. För tidsbaserat skydd garanterar en 0,5-sekunds fördröjning mellan intilliggande brytare selektivitet. Om brytare skiljer sig med två nivåer, är trip-fördröjningen 1 sekund; om tre nivåer, 1,5 sekunder. En uthållighet på 3 sekunder är redan tillräcklig. Men vissa användare eller designer insisterar på en 5-sekunders termisk uthållighet, vilket verkligen är onödigt.

Under stängningsprocessen för en strömbrytare kan rörliga och fasta kontakter studsa. Om studstiden är för lång eller trefasstudsasynkronismen är stor, kan nedbrytning och återeldning uppstå mellan kontakterna. Återeldning orsakar en laddning/laddningsprocess i kretsen, vilket ökar brantheten och amplituden av överspänning. Denna överspänning kallas kontaktåtereldningsöverspanning.

Dess fara kan till och med överstiga vakuumbrytarnas strömkavringsoverspanning, hotande vindel-till-vindelisolering av transformer och motorer. Därför bör kontaktstudstiden och trefasstudsasynkronismen inte överstiga 2ms. Aktuella strömbrytarparametrar tillverkas för att uppfylla detta krav. Men vissa användare kräver värden under 2ms, till och med att de inte ska överstiga 1ms, vilket överskrider nuvarande tekniska kapaciteter.

05 Negativa aspekter orsakade av överdrivet hög startström för vakuumbrytare

Startnominell ström för medelspänningsvakuumbrytare är 630A. För närvarande producerar vissa tillverkare inte längre 630A-versioner, och den lägsta startströmmen har ökat till 1250A. Detta är relaterat till tillverkning av vakuumbrytare. Men det medför en rad negativa konsekvenser. Eftersom startströmmen för vakuumbrytare är för hög, måste vakuumbrytare monterade med dessa brytare matcha brytarens strömrating. 

Som ett resultat måste alla associerade komponenter - såsom polkolonner, pluggkontakter på polkolonner och fasta kontakter i switchgear - också matcha brytarens strömrating. Detta leder till allvarlig slöseri med icke-järnmalmshålliga material i de flesta fall. Till exempel kan en 12kV vakuumbrytare bara leverera en 1000kVA-transformator, vars 10kV-sidan nominella ström är endast 57,7A. Men eftersom vakuumbrytaren startar på 1250A, måste brytaren vara dimensionerad för 1250A. Därför måste alla tillbehör till brytaren ha en nominell ström på minst 1250A, och fasta kontakter i switchgear måste också ha en nominell ström på minst 1250A, vilket resulterar i betydande slöseri med icke-järnmalmshålliga metaller.

Värre är det att användare eller designer insisterar på att strömförmågan för huvuddragsledarna i switchgear måste matcha brytarens - dvs. dragsledens strömförmåga är dimensionerad för 1250A. I verkligheten är en kapacitet på 60A tillräcklig, och så länge som den minsta tvärsnittsdiametern av kretsförbindelsen passerar dynamiska och termiska stabilitetskontroller, finns det betydande utrymme för materialbesparing.