วิธีการเลือกสวิตช์วงจรป้องกันแรงดันสูงอย่างถูกต้อง

01 บทนำ

ในระบบไฟฟ้าแรงดันกลาง วงจรป้องกันลัดวงจรเป็นส่วนประกอบหลักที่จำเป็นไม่ได้ขาด วงจรป้องกันลัดวงจรแบบสุญญากาศมีความนิยมในตลาดภายในประเทศ ดังนั้น การออกแบบไฟฟ้าอย่างถูกต้องจะต้องมาพร้อมกับการเลือกวงจรป้องกันลัดวงจรแบบสุญญากาศที่เหมาะสม ในส่วนนี้ เราจะพูดถึงวิธีการเลือกวงจรป้องกันลัดวงจรแบบสุญญากาศและข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในการเลือก

02 ความสามารถในการตัดกระแสลัดวงจรไม่จำเป็นต้องสูงเกินไป

ความสามารถในการตัดกระแสลัดวงจรของวงจรป้องกันลัดวงจรไม่จำเป็นต้องสูงเกินไป แต่ควรมีขอบเขตเพื่อรองรับการขยายกำลังการผลิตของระบบไฟฟ้าในอนาคตซึ่งอาจทำให้กระแสลัดวงจรเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม ในการออกแบบไฟฟ้าจริงๆ ความสามารถในการตัดกระแสลัดวงจรของวงจรป้องกันลัดวงจรที่เลือกมักจะสูงเกินไป

ตัวอย่างเช่น ในสถานีแปลงไฟฟ้าของผู้ใช้ปลายทางในระบบ 10kV กระแสลัดวงจรของบัสบาร์ส่วนใหญ่อยู่ที่ประมาณ 10kA และในระบบกำลังมากกว่านั้นอาจสูงถึง 16kA แต่ในภาพวาดการออกแบบไฟฟ้า ความสามารถในการตัดกระแสลัดวงจรของวงจรป้องกันลัดวงจรแบบสุญญากาศมักระบุไว้สูงถึง 31.5kA หรือแม้กระทั่ง 40kA ความสามารถในการตัดกระแสลัดวงจรที่สูงเช่นนี้ทำให้เกิดการลงทุนที่สูญเปล่า ในกรณีดังกล่าว ความสามารถในการตัดกระแสลัดวงจรที่ 20kA หรือ 25kA จะเพียงพอแล้ว แต่ในปัจจุบัน วงจรป้องกันลัดวงจรแบบสุญญากาศที่มีความสามารถในการตัดกระแสลัดวงจร 31.5kA มีความต้องการสูงและผลิตจำนวนมาก ทำให้ต้นทุนการผลิตลดลงและราคาลดลง จึงได้รับความนิยมมากขึ้น

ในการออกแบบไฟฟ้า กระแสลัดวงจรที่คำนวณได้มักจะสูงเกินไป เนื่องจากการคำนวณมักละเลยความต้านทานของระบบและความต้านทานการติดต่อในวงจร แน่นอนว่า ความสามารถในการตัดกระแสลัดวงจรของวงจรป้องกันลัดวงจรต้องเลือกตามกระแสลัดวงจรที่สูงที่สุด แต่ค่าตั้งค่าการป้องกันลัดวงจรไม่ควรกำหนดตามกระแสลัดวงจรที่สูงที่สุด

เนื่องจากในกรณีลัดวงจร มักจะมีอาร์กเกิดขึ้น และอาร์กมีความต้านทานสูง ในการคำนวณการออกแบบ ลัดวงจรจะถูกมองว่าเป็นลัดวงจรสามเฟสแบบโลหะบริสุทธิ์โดยไม่มีอาร์กและไม่มีความต้านทานการติดต่อ ในสถิติความผิดปกติจริง มากกว่า 80% ของลัดวงจรเป็นลัดวงจรหนึ่งเฟส และมักจะมีอาร์กเกิดขึ้นในเหตุการณ์ลัดวงจร ดังนั้น กระแสลัดวงจรจริงมักจะต่ำกว่าค่าที่คำนวณได้

หากค่าตั้งค่าการป้องกันสูงเกินไป จะทำให้ความไวในการป้องกันลดลงหรือทำให้การป้องกันทันทีไม่ทำงาน ในทางปฏิบัติทางวิศวกรรม ปัญหาไม่ได้อยู่ที่วงจรป้องกันลัดวงจรไม่สามารถตัดกระแสได้ แต่มาจากองค์ประกอบการป้องกันไม่ทำงานเนื่องจากค่าตั้งค่าสูงเกินไป โดยทางที่ผ่านมา ลัดวงจรสามเฟสแบบโลหะบริสุทธิ์เกิดขึ้นได้น้อยมาก—มักเกิดขึ้นเมื่อสายกราวน์ไม่ถูกถอดออกหลังจากการบำรุงรักษาก่อนที่จะปิดสวิตช์ แต่การกราวน์มักทำผ่านสวิตช์กราวน์หรือรถเข็นกราวน์ และมีระบบป้องกันการกระทำร่วมกัน ทำให้ลัดวงจรสามเฟสแบบโลหะบริสุทธิ์เกิดขึ้นได้น้อยมาก

ในภาพวาดการออกแบบไฟฟ้า มักจะเห็นความสามารถในการตัดกระแสลัดวงจรของวงจรป้องกันลัดวงจรขาเข้าหลักระบุไว้สูงกว่าวงจรป้องกันลัดวงจรขาออก ซึ่งไม่จำเป็น เนื่องจากวงจรป้องกันลัดวงจรขาเข้าหลักรับผิดชอบการลัดวงจรของบัสบาร์ ส่วนวงจรป้องกันลัดวงจรขาออกรับผิดชอบการลัดวงจรในวงจรของตนเอง แต่ใกล้กับด้านโหลดของวงจรป้องกันลัดวงจรขาออก เนื่องจากอยู่ใกล้กับบัสบาร์ กระแสลัดวงจรไม่แตกต่างจากกระแสลัดวงจรของบัสบาร์มากนัก ดังนั้น ความสามารถในการตัดกระแสลัดวงจรของวงจรป้องกันลัดวงจรขาเข้าหลักและขาออกควรเท่ากัน

03 ความต้องการชีวิตการใช้งานไฟฟ้าและเครื่องกลไม่จำเป็นต้องสูงเกินไป

ชีวิตการใช้งานไฟฟ้าที่กล่าวถึงที่นี่ไม่ได้หมายถึงจำนวนครั้งที่วงจรป้องกันลัดวงจรสามารถเปิด-ปิดภายใต้กระแสโหลดเรตติ้งหรือบางส่วนในช่วงเวลาที่กำหนด แต่หมายถึงจำนวนครั้งที่สามารถตัดกระแสลัดวงจรได้โดยไม่ต้องบำรุงรักษา ไม่มีมาตรฐานระดับชาติสำหรับจำนวนครั้งนี้ ทั่วไปแล้วผู้ผลิตออกแบบให้สามารถตัดกระแสลัดวงจรได้ 30 ครั้ง บางผู้ผลิตสามารถทำได้ 50 ครั้ง ในเอกสารประกวดราคาโครงการผู้ใช้ มักจะเห็นความต้องการที่สูงเกินไปสำหรับจำนวนครั้งในการตัดกระแสลัดวงจร ตัวอย่างเช่น เอกสารประกวดราคาฉบับหนึ่งระบุว่าวงจรป้องกันลัดวงจรแบบสุญญากาศสำหรับสาย 12kV ต้องสามารถตัดกระแสลัดวงจรเรตติ้งได้ 100 ครั้ง ชีวิตการใช้งานเครื่องกล 100,000 ครั้ง และการตัดกระแสเรตติ้ง 20,000 ครั้ง—ความต้องการเหล่านี้ไม่สมเหตุสมผล

จำนวนครั้งในการตัดกระแสลัดวงจรที่สูงเกินไปไม่จำเป็น ความผิดปกติลัดวงจรเป็นเหตุการณ์ไฟฟ้าสำคัญ แต่ละครั้งที่เกิดขึ้นควรถูกพิจารณาเป็นเหตุการณ์ที่ร้ายแรงซึ่งต้องมีการวิเคราะห์สาเหตุและดำเนินการแก้ไขเพื่อป้องกันการเกิดขึ้นซ้ำ ดังนั้น ในช่วงอายุการใช้งานที่มีประสิทธิภาพของวงจรป้องกันลัดวงจร จะตัดกระแสลัดวงจรเพียงไม่กี่ครั้ง ยิ่งแรงดันระบบสูง ความเสียหายที่เกิดจากลัดวงจรยิ่งมาก แต่โอกาสที่จะเกิดขึ้นยิ่งน้อย ดังนั้น วงจรป้องกันลัดวงจรแรงดันกลางที่สามารถตัดกระแสลัดวงจรได้ 30 ครั้งจะเพียงพอ การทดสอบการตัดกระแสลัดวงจรมีค่าใช้จ่ายสูง สำหรับวงจรป้องกันลัดวงจรแบบสุญญากาศ 12kV แต่ละครั้งของการทดสอบการตัดกระแสลัดวงจรในปัจจุบันมีค่าใช้จ่ายประมาณ 10,000 หยวน การทดสอบเกินไปทำให้เกิดค่าใช้จ่ายสูงและไม่จำเป็น

การตัดกระแสได้ครั้งมากขึ้นหมายความว่าความสามารถในการตัดกระแสสูงขึ้นหรือไม่ นี่เป็นความเข้าใจผิดอีกอย่างหนึ่ง ความสำคัญของการทดสอบการตัดกระแสลัดวงจรของวงจรป้องกันลัดวงจรแบบสุญญากาศอยู่ที่ 10 ครั้งแรก หากวงจรป้องกันลัดวงจรสามารถตัดกระแสที่กำหนดได้ใน 10 ครั้งแรก ประสิทธิภาพในภายหลังมักจะเชื่อถือได้ ข้อมูลสถิติจากการทดสอบประเภทแสดงว่าความน่าจะเป็นของการล้มเหลวสูงที่สุดใน 10 ครั้งแรกและค่อยๆ ลดลงเมื่อจำนวนครั้งเพิ่มขึ้น หลังจาก 30 ครั้ง ความน่าจะเป็นของการล้มเหลวในครั้งต่อๆ ไปแทบจะเป็นศูนย์ ดังนั้น สามารถตัดกระแสได้ 30 ครั้งไม่ได้หมายความว่าไม่สามารถตัดกระแสได้ 50 ครั้ง แต่หมายความว่าการทดสอบเพิ่มเติมไม่จำเป็น

เกี่ยวกับชีวิตการใช้งานเครื่องกลของวงจรป้องกันลัดวงจรแบบสุญญากาศ ไม่จำเป็นต้องมีความต้องการที่สูงเกินไป คลาส M1 ต้องไม่น้อยกว่า 2,000 ครั้ง และคลาส M2 เพียง 10,000 ครั้ง ปัจจุบัน ผู้ผลิตแข่งขันในชีวิตการใช้งานเครื่องกล—บางคนอ้างว่า 25,000 ครั้ง บางคนอ้างว่า 100,000 ครั้ง ในกระบวนการประกวดราคา ผู้เข้าร่วมประกวดเปรียบเทียบค่าชีวิตการใช้งานเครื่องกล ซึ่งไม่มีความหมายสำหรับวงจรป้องกันลัดวงจรแบบสุญญากาศสำหรับการกระจาย แต่ในแอปพลิเคชันเฉพาะ เช่น การสลับสวิตช์มอเตอร์ เตาอาร์ก หรือวงจรควบคุมคาปาซิเตอร์อัตโนมัติ คอนแทคเตอร์สุญญากาศเหมาะสมกว่า (วงจรป้องกันลัดวงจร SF6 มักใช้สำหรับการสลับคาปาซิเตอร์แบงค์แรงดันกลาง) คอนแทคเตอร์มีชีวิตการใช้งานเครื่องกลและไฟฟ้ามากกว่าหนึ่งล้านครั้ง (ชีวิตการใช้งานไฟฟ้าวัดโดยการตัดกระแสเรตติ้ง ไม่ใช่กระแสลัดวงจร) ไม่จำเป็นต้องแข่งขันในชีวิตการใช้งานเครื่องกลของวงจรป้องกันลัดวงจร

04 ความต้องการที่สูงเกินไปสำหรับพารามิเตอร์ไฟฟ้าอื่นๆ

ความสามารถในการทนกระแสลัดวงจรระยะสั้นของวงจรป้องกันลัดวงจรหมายถึงความสามารถในการทนความร้อนของกระแสลัดวงจรในระหว่างเหตุการณ์ ซึ่งไม่เหมือนกับการเพิ่มอุณหภูมิ การทดสอบการเพิ่มอุณหภูมิทำโดยการผ่านกระแสเรตติ้งหรือกระแสที่กำหนดผ่านวงจรป้องกันลัดวงจรเป็นเวลานานและตรวจสอบให้แน่ใจว่าการเพิ่มอุณหภูมิที่จุดต่างๆ ไม่เกินค่าที่กำหนด ความสามารถในการทนกระแสลัดวงจรระยะสั้นของวงจรป้องกันลัดวงจรโดยทั่วไปทดสอบเป็นเวลา 3 วินาที

ในระยะเวลาดังกล่าว ความร้อนที่เกิดจากกระแสลัดวงจรไม่ควรทำลายวงจรป้องกันลัดวงจร ความสามารถในการทนความร้อนเป็นเวลา 3 วินาทีเพียงพอ เนื่องจากหลังจากเกิดลัดวงจร ระบบป้องกันที่มีการล่าช้าโดยเจตนาเพื่อให้มีการเลือกสรร สำหรับระบบป้องกันที่มีการล่าช้า ความล่าช้า 0.5 วินาทีระหว่างวงจรป้องกันลัดวงจรที่อยู่ติดกันจะทำให้มีการเลือกสรร หากวงจรป้องกันลัดวงจรต่างกันสองระดับ ความล่าช้าจะเป็น 1 วินาที ถ้าต่างกันสามระดับ ความล่าช้าจะเป็น 1.5 วินาที ความสามารถในการทนความร้อนเป็นเวลา 3 วินาทีเพียงพอ แต่บางผู้ใช้หรือผู้ออกแบบยืนยันว่าต้องการความสามารถในการทนความร้อนเป็นเวลา 5 วินาที ซึ่งไม่จำเป็น

ในระหว่างกระบวนการปิดวงจรป้องกันลัดวงจร คอนแทคที่เคลื่อนที่และคอนแทคคงที่อาจกระเด้ง หากเวลากระเด้งยาวเกินไปหรือความไม่ตรงกันของการปิดสามเฟสมากเกินไป อาจเกิดการแตกและเกิดอาร์กขึ้นระหว่างคอนแทค การเกิดอาร์กทำให้เกิดกระบวนการประจุ-ปล่อยประจุในวงจร ทำให้ความชันและความสูงของแรงดันเกินเพิ่มขึ้น แรงดันเกินที่เกิดจากอาร์กคอนแทคนี้เรียกว่าแรงดันเกินจากการเกิดอาร์กคอนแทค

ความเสี่ยงอาจสูงกว่าแรงดันเกินจากการตัดกระแสของวงจรป้องกันลัดวงจรแบบสุญญากาศ ทำให้เกิดภัยคุกคามต่อฉนวนระหว่างวงจรของหม้อแปลงและมอเตอร์ ดังนั้น เวลาระหว่างการกระเด้งของคอนแทคและความไม่ตรงกันของสามเฟสไม่ควรเกิน 2 มิลลิวินาที วงจรป้องกันลัดวงจรในปัจจุบันถูกผลิตให้ตรงตามความต้องการนี้ แต่บางผู้ใช้ต้องการค่าที่น้อยกว่า 2 มิลลิวินาที จนถึงขนาดที่ไม่เกิน 1 มิลลิวินาที ซึ่งเกินความสามารถทางเทคนิคในปัจจุบัน

05 ปัญหาเชิงลบจากการเริ่มต้นกระแสสูงเกินไปของวงจรป้องกันลัดวงจรแบบสุญญากาศ

กระแสเริ่มต้นเรตติ้งของวงจรป้องกันลัดวงจรแบบสุญญากาศแรงดันกลางคือ 630A ปัจจุบัน บางผู้ผลิตไม่ได้ผลิตเวอร์ชัน 630A อีกต่อไป และกระแสเริ่มต้นต่ำสุดเพิ่มขึ้นเป็น 1250A ซึ่งเกี่ยวข้องกับการผลิตวงจรป้องกันลัดวงจรแบบสุญญากาศ แต่ทำให้เกิดปัญหาเชิงลบหลายอย่าง เนื่องจากกระแสเริ่มต้นของวงจรป้องกันลัดวงจรแบบสุญญากาศสูงเกินไป วงจรป้องกันลัดวงจรที่ประกอบด้วยวงจรป้องกันลัดวงจรเหล่านี้ต้องตรงกับอัตรากระแสของวงจรป้องกันลัดวงจร

ดังนั้น ส่วนประกอบทั้งหมด เช่น โพลคอลัมน์ คอนแทคแบบปลั๊กบนโพลคอลัมน์ และคอนแทคคงที่ในสวิตช์เกียร์ ต้องตรงกับอัตรากระแสของวงจรป้องกันลัดวงจร ทำให้เกิดการสิ้นเปลืองวัสดุโลหะไม่เป็นเหล็กอย่างมากในส่วนใหญ่ ตัวอย่างเช่น วงจรป้องกันลัดวงจร 12kV อาจจ่ายไฟให้กับหม้อแปลง 1000kVA ซึ่งกระแสเรตติ้งฝั่ง 10kV เพียง 57.7A แต่เนื่องจากวงจรป้องกันลัดวงจรเริ่มต้นที่ 1250A วงจรป้องกันลัดวงจรต้องมีอัตรากระแส 1250A ดังนั้น ส่วนเสริมทั้งหมดของวงจรป้องกันลัดวงจรต้องมีอัตรากระแสอย่างน้อย 1250A และคอนแทคคงที่ในสวิตช์เกียร์ต้องมีอัตรากระแสไม่น้อยกว่า 1250A ทำให้เกิดการสิ้นเปลืองวัสดุโลหะไม่เป็นเหล็กอย่างมาก

ที่แย่กว่านั้น ผู้ใช้หรือผู้ออกแบบยืนยันว่าความสามารถในการขนส่งกระแสของสายหลักในสวิตช์เกียร์ต้องตรงกับวงจรป้องกันลัดวงจร—คือ ความสามารถในการขนส่งกระแสของสายต้องออกแบบให้เป็น 1250A ที่จริง ความสามารถในการขนส่งกระแสเพียง 60A ก็เพียงพอแล้ว และตราบใดที่ขนาดขั้นต่ำของสายวงจรผ่านการตรวจสอบความมั่นคงทางความร้อนและพลังงานได้ ยังมีโอกาสประหยัดวัสดุอย่างมาก