Vakuové vypínače pro přepínání kondenzátorových baterií

Reaktivní kompenzace a přepínání kondenzátorů v elektrických systémech

Reaktivní kompenzace je efektivní způsob, jak zvýšit provozní napětí systému, snížit síťové ztráty a zlepšit stabilitu systému.

Tradiční zátěže v elektrických systémech (typy impedancí):

• Odpornost

• Induktivní reaktance

• Kapacitivní reaktance

Přílivový proud při energizaci kondenzátoru

V provozu elektrických systémů jsou kondenzátory zapínány k zlepšení faktoru využití. V okamžiku zapnutí se vygeneruje velký přílivový proud. Toto nastane proto, že během první energizace je kondenzátor nezabitý a proud, který do něj proudí, omezují pouze smyčková impedanční charakteristika. Protože stav obvodu je blízký krátkému spojení a smyčková impedanční charakteristika je velmi malá, do kondenzátoru teče velký přechodný přílivový proud. Přílivový proud dosáhne svého vrcholu v okamžiku zapnutí.

Pokud je kondenzátor znovu energizován krátce po odpojení bez dostatečného vypuštění, může výsledný přílivový proud být až dvojnásobný oproti první energizaci. To se stane, když kondenzátor stále udržuje reziduální nabíjení a při opětovném zapnutí nastane okamžik, kdy systémové napětí má stejnou velikost, ale opačnou polaritu oproti reziduálnímu napětí kondenzátoru, což vede k velké rozdílu napětí a tedy k vysokému přílivovému proudu.

Klíčové problémy při přepínání kondenzátorů

• Zapalování

• Opětovné zapalování

• NSDD (Nedočkavý destruktivní výboj)

Zapalování je povoleno během zkoušek přepínání kapacitního proudu. Spínače jsou děleny do dvou kategorií podle jejich výkonu při opětovném zapalování:

• Třída C1: Ověřeno specifickými typovými zkouškami (6.111.9.2), s nízkou pravděpodobností opětovného zapalování při přepínání kapacitního proudu.

• Třída C2: Ověřeno specifickými typovými zkouškami (6.111.9.1), s velmi nízkou pravděpodobností opětovného zapalování, vhodné pro časté a náročné přepínání bank kondenzátorů.

Zlepšení úspěšnosti vakuumových spínačů při přepínání kondenzátorů

1. Zlepšení dielektrické pevnosti vakuumových přerušovačů

Vakuumový přerušovač je srdcem vakuumového spínače a hraje klíčovou roli při úspěšném přepínání kondenzátorů. Výrobci musí optimalizovat návrh a materiály, aby dosáhli:

• Rovnoměrného rozdělení elektrického pole

• Vysoké odolnosti proti svařování

• Nižší úrovně řezání proudu

Strukturální a materiálové vylepšení jsou nezbytná pro zajištění spolehlivého přerušení.

2. Kontrola výrobního procesu vakuumových přerušovačů

• Minimalizace a odstranění hrubých okrajů během obrábění kovových dílů; zlepšení povrchové dokončenosti a čistoty.

• Provedení ultrazvukového čištění součástí před montáží pro odstranění mikročástic.

• Kontrola vlhkosti a vzdušných částic v montážním prostoru.

• Snížení doby skladování kontaktových součástí a rychlá montáž pro minimalizaci oxidace a kontaminace.

3. Zlepšení návrhu a kvality montáže spínače

Zajistěte, aby mechanické charakteristiky byly v optimálních rozmezích:

• Zarovnání a vertikální instalace vodičové tyče pro vyhnutí se stresu.

• Správná výstupní energie pohonných mechanismů.

• Rychlosti zavírání a otevírání v přijatelných mezích.

• Minimalizace odbounce při zavírání a otevírání.

• Přísná kontrola kvality součástí a přesnosti montáže.

4. Provoz bez zátěže a kondicionování (vypalování)

Po montáži proveďte 300 provozů bez zátěže pro stabilizaci mechanických charakteristik. Proveďte kondicionování napětím a vysokým proudem na kompletní spínač pro eliminaci mikroskopických vystupňování a snížení míry zapalování při přepínání kondenzátorů.

Paralelní kondicionování kondenzátorů může rychle zlepšit dielektrickou pevnost produktu.

5. Optimalizace rychlosti otevírání

Po přerušení musí mezera mezi styky vakuumového spínače odolat dvěma systémovým napětím (2×Um) po dobu až 13 ms. Styky musí dosáhnout bezpečné otevřené vzdálenosti v této době. Proto musí být rychlost otevírání dostatečná – zejména pro 40,5 kV spínače.

6. Kondicionování (stárnutí) vakuumových přerušovačů

• Metody s nízkým účinkem: Vysoké napětí/nízký proud, nízké napětí/vysoký proud nebo impulsní napětí mají omezený účinek na snížení zapalování při přepínání kondenzátorů.

• Efektivní metoda: Vysoké napětí a vysoký proud jednofázového kondicionování mohou výrazně zlepšit výkon.

• Syntetické testovací obvodové kondicionování se také používá k simulaci skutečných podmínek přepínání kondenzátorů.

Pro obecné aplikace se používá standardní kondicionování. Nicméně, pro přepínání kondenzátorů je potřebné speciální kondicionování k zlepšení elektrických vlastností a počáteční schopnosti přerušení.

Parametry kondicionování:

• Kondicionování proudu:
  3 kA až 10 kA, 200 ms polovlna, 12 impulsů na polaritu (kladnou a zápornou).

• Kondicionování tlaku:

• Statický tlak (pro axiální magnetické pole kontaktů): Aplikujte 15–30 kN po dobu 10 sekund.

• Kondicionování zavírání a otevírání (pro transverzální magnetické pole kontaktů): Proveďte operace zavírání a otevírání na testovacím zařízení, které simuluje skutečné pohyby spínače.

• Kondicionování napětím:
  Aplikujte 50 Hz střídavé napětí daleko převyšující nominální napětí (např. 110 kV pro 12 kV přerušovač) po dobu 1 minuty.

Testovací parametry pro přepínání kondenzátorů

• GB/T 1984: Paralelní banky kondenzátorů, přílivový proud 20 kA, frekvence 4250 Hz.

• IEC 62271-100 / ANSI normy:

• Přepínání bank kondenzátorů: proud 600 A, příliv 15 kA, frekvence 2000 Hz

• Přepínací proud 1000 A, příliv 15 kA, frekvence 1270 Hz

• ANSI umožňuje až 1600 A pro přepínání kondenzátorů.

Po správném kondicionování může 12 kV vakuumový spínač obvykle projít:

• 400 A paralelní přepínání bank kondenzátorů

• 630 A přepínání jedné banky kondenzátorů

Nicméně, pro systémy 40,5 kV je toto extrémně náročné. Běžné řešení zahrnuje:

• Použití SF₆ spínačů s jemnějšími přerušovacími vlastnostmi

• Použití dvojitých vakuumových spínačů, kde jsou dva přerušovače připojeny v sérii. To výrazně zlepšuje dielektrickou obnovovací sílu, což umožňuje překonat rychlost vzestupu přechodného přetlaku během přepínání kondenzátorů a dosáhnout úspěšného vytušení oblouku.