Як правильно вибирати вакуумні вимикачі
01 Передмова
У середньовольтажних системах вимикачі є незамінними основними компонентами. Вакуумні вимикачі домінують на внутрішньому ринку. Тому правильне електричне проектування неможливе без правильного вибору вакуумних вимикачів. У цьому розділі ми обговоримо, як правильно вибирати вакуумні вимикачі та типові помилки при їх виборі.
02 Здатність до переривання короткої землі не повинна бути надто високою
Здатність вимикача до переривання короткозамкнутого струму не повинна бути надто високою, але має мати деякий запас, щоб врахувати можливий розширення мережі у майбутньому, що може призвести до збільшення короткозамкнутого струму. Однак, на практиці при електричному проектуванні, обрана здатність до переривання вимикачів часто завищена.
Наприклад, у трансформаторних підстанціях кінцевих споживачів в системах 10кВ, короткозамкнутий струм шини переважно становить близько 10кА, а в системах більшої потужності може досягати 16кА. Але в електричних проектних кресленнях, здатність до переривання вакуумних вимикачів часто вказується як 31,5кА, а то й 40кА. Така висока здатність до переривання призводить до марних витрат. У вищевказаних випадках, здатність 20кА або 25кА була б достатньою. На даний момент, однак, вакуумні вимикачі з здатністю до переривання 31,5кА високим попитом і масово виробляються, що призводить до зниження виробничих витрат і цін, тому їх ширше застосовують.
При електричному проектуванні, розраховані короткозамкнуті струми зазвичай завищені. Це пояснюється тим, що при розрахунках часто не враховуються опори системи та контактні опори в контурі. Звичайно, здатність до переривання вимикачів повинна вибиратися на основі максимально можливого короткозамкнутого струму. Однак, значення налаштування захисту від короткого замикання не повинно базуватися на максимальному короткозамкнутому струмі.
Це тому, що під час короткого замикання часто виникають дуги, а опір дуги дуже високий. У проектних розрахунках коротке замикання розглядається як чисте металеве трифазне коротке замикання, без дуги та без контактних опор. За даними реальних аварій, більше 80% коротких замикань — однофазні, і під час них майже завжди присутня дуга. В результаті, фактичний короткозамкнутий струм набагато нижчий, ніж ідеально розрахований.
Якщо значення налаштування захисту занадто високе, це зменшує чутливість захисту або призводить до невідгуку швидкодіючого захисту. На практиці, проблема часто полягає не в тому, що вимикач не може перервати, а в тому, що елемент захисту не активується через завищені значення налаштування. До речі, чисті металеві трифазні короткі замикання майже не відбуваються — вони можуть трапитися лише, коли після ремонту заземлювальні дроти не знімаються перед закриттям вимикача. Однак, заземлення зазвичай виконується за допомогою заземлювальних перемикачів або заземлювальних тележок, і є функції взаємної заблоковки, що робить чисті металеві короткі замикання надзвичайно малоймовірними.
У електричних будівельних кресленнях часто вказано, що здатність до переривання головного входного вимикача вища на один рівень, ніж здатність до переривання вимикачів відходять. Це необхідно. Головний вимикач обробляє аварії короткого замикання шин, а вимикачі відходять — аварії в своїх відповідних контурах. Однак, біля сторони навантаження вимикача відходять, через близькість до шин, короткозамкнутий струм не суттєво відрізняється від короткозамкнутого струму шин. Тому, здатність до переривання головного та вимикачів відходять повинна бути однаковою.
03 Електричні та механічні вимоги до тривалості життя не повинні бути надто високими
Електричне життя, про яке йдеться, не означає кількість разів, коли вимикач може відкриватися та закриватися під номінальним або частковим навантаженням за визначеними інтервалами, а кількість разів, коли він може переривати короткозамкнутий струм без потреби у технічному обслуговуванні. Немає національного стандарту для цього числа. Зазвичай, виробники проектують на 30 таких переривань. Деякі виробництва можуть обслуговувати 50. У тендерних документах для проектів користувачів часто зустрічаються надто високі вимоги до кількості переривань короткого замикання. Наприклад, один тендерний документ вимагав, щоб 12кВ лінійний захисний вакуумний вимикач міг переривати номінальний короткозамкнутий струм 100 разів, з механічним життям 100 000 операцій та перериванням номінального струму 20 000 разів — ці вимоги нерозумні.
Надто високе число переривань короткого замикання не потрібне. Короткозамкнення — це серйозна електрична аварія. Кожен випадок повинен розглядатися як серйозна аварія, що вимагає аналізу первопричини та прийняття відповідних заходів для запобігання повторенню. Тому, протягом ефективного терміну служби вимикача, він буде переривати короткозамкнуті аварії лише декілька разів. Чим вище напруга системи, тим більші шкоди викликаються коротким замиканням, але менша ймовірність їх появи. Отже, середньовольтажний вимикач, який може переривати 30 короткозамкнутих аварій, достатньо. Тестування переривання короткого замикання дорого. Для 12кВ вакуумного вимикача кожен тест переривання короткого замикання наразі коштує близько 10 000 юанів. Проведення надмірних тестів коштує дорого і не потрібне.
Чи означає більша кількість успішних переривань кращу здатність до переривання? Це ще одна поширена помилка. Ключовим елементом тестування переривання короткого замикання вакуумних вимикачів є перші десять операцій. Якщо вимикач успішно перериває заданий струм у перших десяти тестах, його подальша робота зазвичай надійна. Статистичні дані типових тестів показують, що найвища ймовірність відмови відбувається у перших десяти переривань, а поступово зменшується зі зростанням кількості переривань. Після 30 переривань, ймовірність відмови в подальших тестах практично нульова. Тому, здатність до переривання 30 разів не означає, що він не може перервати 50 — просто додаткове тестування не потрібне.
Щодо механічного життя вакуумних вимикачів, немає потреби у надто високих вимог. Клас M1 спочатку не менше 2 000 операцій, а клас M2 — лише 10 000. Тепер, виробники конкурують за механічним життям — один заявляє 25 000, інший — 100 000. У процесі тендерів, участники порівнюють значення механічного життя, що немає значення для вакуумних вимикачів, використовуваних для розподілу. Однак, у специфічних застосуваннях, таких як часте включення двигунів, дугових печей або автоматичних конденсаторних компенсаційних контурів, вакуумні контактори більш придатні (SF6 вимикачі часто використовуються для включення середньовольтажних конденсаторних банок). Контактори мають механічне та електричне життя, що перевищує мільйон операцій (їх електричне життя вимірюється перериванням номінального струму, а не короткозамкнутого). Немає потреби конкурувати за механічним життям вимикачів.
04 Надто високі вимоги до інших електричних параметрів
Короткочасна здатність вимикача до витримання струму означає його здатність витримувати тепловий стрес короткозамкнутого струму під час аварії. Це не те саме, що підвищення температури. Тестування підвищення температури включає пропускання номінального або заданого струму через вимикач довгий час і гарантує, що підвищення температури в різних точках не перевищує заданих меж. Короткочасна здатність вимикача до витримання струму зазвичай тестирується протягом 3 секунд.
Протягом цього часу, тепло, виділене короткозамкнутим струмом, не повинно пошкодити вимикач. Трьохсекундна теплова здатність до витримання достатня. Причина полягає в тому, що після виникнення короткого замикання, часовий захист може включаювати намірну затримку, щоб забезпечити селективність. Для часових захистів, затримка 0,5 секунди між сусідніми вимикачами забезпечує селективність. Якщо вимикачі різняться на два рівні, затримка становить 1 секунду; якщо на три рівні, 1,5 секунди. Трьохсекундна здатність до витримання уже достатня. Однак, деякі користувачі або проектувальники настають на п'ятисекундній тепловой здатності, що справді не потрібно.
Під час процесу закриття вимикача, рухомі та статичні контакти можуть відскакувати. Якщо час відскоку занадто довгий або трифазна асинхронізація велика, може відбутися пробій та повторне замикання між контактами. Повторне замикання викликає процес зарядки-розрядки в контурі, збільшуючи крутизну та амплітуду наднапруги. Ця наднапруга відома як наднапруга від повторного замикання контактів.
Її шкода може навіть перевищувати наднапругу від розриву струму вакуумних вимикачів, загрожуючи міжвитковій ізоляції трансформаторів та двигунів. Тому, час відскоку контактів та трифазна асинхронізація не повинні перевищувати 2 мс. Параметри сучасних вимикачів виготовляються, щоб задовольняти цю вимогу. Однак, деякі користувачі вимагають значення менше 2 мс, навіть не більше 1 мс, що перевищує поточні технічні можливості.
05 Негативні наслідки від надто високого початкового струму вакуумних переривачів
Початковий номінальний струм для середньовольтажних вакуумних переривачів становить 630А. Наразі, деякі виробники більше не виготовляють версії 630А, а мінімальний початковий струм збільшився до 1250А. Це пов'язано з виробництвом вакуумних переривачів. Однак, це призводить до ряду негативних наслідків. Через надто високий початковий струм вакуумних переривачів, вакуумні вимикачі, складені з цих переривачів, повинні відповідати номінальному струму переривача.
В результаті, всі пов'язані компоненти, такі як стовпці, контактні вставки на стовпцях та статичні контакти в комутаційних пристроях, повинні також відповідати номінальному струму переривача. Це призводить до серйозного витратування кольорових металів у більшості випадків. Наприклад, 12кВ вакуумний вимикач може живити лише 1000кВА трансформатор, чий струм на стороні 10кВ становить лише 57,7А. Однак, оскільки вакуумний переривач починається з 1250А, вимикач повинен бути номіналом 1250А. В результаті, всі приладдя вимикача повинні мати номінальний струм принаймні 1250А, а статичні контакти в комутаційних пристроях також повинні бути номіналом не менше 1250А, що призводить до значного витратування кольорових металів.
Гірше того, користувачі або проектувальники настають, що струмопровідність головних провідників в комутаційних пристроях повинна відповідати струмопровідності вимикача, тобто струмопровідність провідника проектується на 1250А. Насправді, струмопровідність 60А достатня, і якщо мінімальна площина поперечного перерізу провідника проходить динамічну та термічну стабільність, є значний простір для економії матеріалів.
