Vakuumschaltkreise für Kondensatorenbankschaltungen

Blindleistungskompensation und Kondensatorsteuerung in Energieversorgungssystemen

Die Blindleistungskompensation ist ein effektives Mittel, um die Betriebsspannung des Systems zu erhöhen, Netzverluste zu reduzieren und die Systemstabilität zu verbessern.

Konventionelle Lasten in Energieversorgungssystemen (Impedanzarten):

• Widerstand

• Induktive Reaktanz

• Kapazitive Reaktanz

Einschaltstrom beim Anlegen von Kondensatoren

Bei der Betriebsführung von Energieversorgungssystemen werden Kondensatoren eingeschaltet, um den Leistungsfaktor zu verbessern. Im Moment des Schließens entsteht ein hoher Einschaltstrom. Dies geschieht, weil der Kondensator bei der ersten Spannungsanlage ungeladen ist und der in ihn fließende Strom nur durch den Schleifenimpedanz begrenzt wird. Da die Schaltung nahe an einem Kurzschluss liegt und die Schleifenimpedanz sehr gering ist, fließt ein hoher transitorischer Einschaltstrom in den Kondensator. Der Spitzen-Einschaltstrom tritt im Moment des Schließens auf.

Wenn der Kondensator kurz nach dem Abkoppeln ohne ausreichende Entladung erneut angelegt wird, kann der resultierende Einschaltstrom bis zu zweimal so hoch wie bei der ursprünglichen Spannungsanlage sein. Dies geschieht, wenn der Kondensator noch Restladung hat und das erneute Schließen in dem Moment erfolgt, in dem die Systemspannung dem Betrag, aber dem entgegengesetzten Vorzeichen der Restspannung des Kondensators entspricht, was zu einer großen Spannungsdifferenz und somit zu einem hohen Einschaltstrom führt.

Schlüsselprobleme bei der Kondensatorsteuerung

• Neuanschlag

• Wiederentzündung

• NSDD (Nicht-nachhaltige Zerstörungsentladung)

Der Neuanschlag ist während der Tests für die Schaltung von kapazitiven Strömen zulässig. Schaltgeräte werden basierend auf ihrer Wiederentzündungsleistung in zwei Kategorien unterteilt:

• C1-Klasse: Bestätigt durch spezielle Typentests (6.111.9.2), mit niedriger Wahrscheinlichkeit von Wiederentzündungen bei der Schaltung von kapazitiven Strömen.

• C2-Klasse: Bestätigt durch spezielle Typentests (6.111.9.1), mit sehr niedriger Wahrscheinlichkeit von Wiederentzündungen, geeignet für häufige und anspruchsvolle Schaltungen von Kondensatorbänken.

Verbesserung der Erfolgsrate von Vakuumschaltgeräten für die Kondensatorsteuerung

1. Verbesserung der Isolationsfestigkeit von Vakuumschaltstellen

Die Vakuumschaltstelle ist das Herzstück eines Vakuumschaltgeräts und spielt eine entscheidende Rolle bei erfolgreicher Kondensatorsteuerung. Hersteller müssen das Design und die Materialien optimieren, um Folgendes zu erreichen:

• Gleichmäßige elektrische Feldverteilung

• Hohe Widerstandsfähigkeit gegen Verschweißungen

• Niedrigere Stromunterbrechungsstufe

Strukturelle und materielle Verbesserungen sind entscheidend, um eine zuverlässige Unterbrechung sicherzustellen.

2. Kontrolle des Fertigungsprozesses von Vakuumschaltstellen

• Minimieren und Entfernen von Fasern während der Bearbeitung von Metallteilen; Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit und Reinheit.

• Durchführen von Ultraschallreinigung der Komponenten vor dem Zusammenbau, um Mikroteilchen zu entfernen.

• Kontrolle der Luftfeuchtigkeit und der Luftpartikel im Montageraum.

• Reduzierung der Lagerzeit von Kontaktkomponenten und schneller Zusammenbau, um Oxidation und Verunreinigung zu minimieren.

3. Verbesserung des Designs und der Montagequalität des Schaltgeräts

Sicherstellen, dass die mechanischen Eigenschaften innerhalb optimaler Grenzen liegen:

• Ausbildungsstabausrichtung und vertikale Installation, um Spannungen zu vermeiden.

• Angemessene Ausgangsenergie des Betriebsmechanismus.

• Schließ- und Öffnungsgeschwindigkeiten innerhalb akzeptabler Grenzen.

• Minimieren von Schließruck und Öffnungsrückprall.

• Strenge Kontrolle der Komponentenqualität und Montagegenauigkeit.

4. Leerlaufbetrieb und Einlauf (Burn-in)

Nach dem Zusammenbau werden 300 Leerlaufoperationen durchgeführt, um die mechanischen Eigenschaften zu stabilisieren. Durchführen von Spannungs- und Hochstrombedingungen am vollständigen Schalter, um mikroskopische Auswüchse zu beseitigen und die Neuanschlagsrate bei der Kondensatorsteuerung zu reduzieren.

Parallel konditionierte Kondensatoren können die Isolationsfestigkeit des Produkts rasch verbessern.

5. Optimierung der Öffnungsgeschwindigkeit

Nach der Unterbrechung muss der Kontaktabstand eines Vakuumschaltgeräts bis zu 13 ms doppelt der Systemspannung (2×Um) standhalten. Die Kontakte müssen in dieser Zeit einen sicheren geöffneten Abstand erreichen. Daher muss die Öffnungsgeschwindigkeit ausreichend sein – insbesondere für 40,5 kV-Schaltgeräte.

6. Bedingung (Altern) von Vakuumschaltstellen

• Niedrigwirksame Methoden: Hochspannung/Niedrigstrom, Niederspannung/Hochstrom oder Impulsspannungsbedingungen haben eine begrenzte Wirkung, um die Neuanschlagsrate bei der Kondensatorsteuerung zu reduzieren.

• Effektive Methode: Hochspannung und Hochstrom-Einphasenbedingungen können die Leistung erheblich verbessern.

• Synthetische Prüfschaltkreisbedingungen werden auch verwendet, um reale Kondensatorsteuerbedingungen zu simulieren.

Für allgemeine Anwendungen wird Standardbedingung angewendet. Für Kondensatorsteuerdienste ist jedoch eine spezielle Bedingung erforderlich, um die elektrische Leistung und die initiale Unterbrechungsfähigkeit zu verbessern.

Bedingungsparameter:

• Strombedingung:
  3 kA bis 10 kA, 200 ms Halbwelle, 12 Schüsse pro Polarität (positiv und negativ).

• Druckbedingung:

• Statischer Druck (für axial magnetische Kontakte): 15–30 kN für 10 Sekunden anwenden.

• Schließen-Öffnen-Bedingung (für quergängige magnetische Kontakte): Schließen-Öffnen-Operationen auf einem Prüfgerät durchführen, das die tatsächliche Bewegung des Schalters simuliert.

• Spannungsbedingung:
  Anwendung einer 50 Hz Wechselspannung, die weit über der Nennspannung liegt (z.B. 110 kV für einen 12 kV-Unterbrecher) für 1 Minute.

Prüfparameter für die Kondensatorsteuerung

• GB/T 1984: Rück-zu-Rück-Kondensatoren, Einschaltstrom 20 kA, Frequenz 4250 Hz.

• IEC 62271-100 / ANSI-Normen:

• Kondensatorbanksteuerung: Strom 600 A, Einschaltstrom 15 kA, Frequenz 2000 Hz

• Schaltstrom 1000 A, Einschaltstrom 15 kA, Frequenz 1270 Hz

• ANSI erlaubt bis zu 1600 A für die Kondensatorsteuerung.

Nach ordnungsgemäßer Bedingung kann ein 12 kV-Vakuumschaltgerät normalerweise folgende Passieren:

• 400 A Rück-zu-Rück-Kondensatorbanksteuerung

• 630 A Einzelkondensatorbanksteuerung

Für 40,5 kV-Systeme ist dies jedoch extrem herausfordernd. Gängige Lösungen sind:

• Verwendung von SF₆-Schaltgeräten mit sanfteren Unterbrechungseigenschaften

• Verwendung von Doppelunterbrechervakuumschaltgeräten, bei denen zwei Unterbrecher in Serie geschaltet sind. Dies verbessert die Isolationswiederherstellungsstärke erheblich, sodass sie die Rate des transitorischen Überspannungsanstiegs bei der Kondensatorsteuerung übersteigen kann, wodurch eine erfolgreiche Bogenlöschung erreicht wird.