Interruttori a vuoto per il commutazione di banchi di condensatori

Compensazione della potenza reattiva e commutazione dei condensatori nei sistemi di potenza

La compensazione della potenza reattiva è un mezzo efficace per aumentare la tensione di funzionamento del sistema, ridurre le perdite di rete e migliorare la stabilità del sistema.

Carichi convenzionali nei sistemi di potenza (tipi di impedenza):

• Resistenza

• Reattività induttiva

• Reattività capacitiva

Corrente d'ingresso durante l'alimentazione del condensatore

Nell'operazione del sistema di potenza, i condensatori vengono inseriti per migliorare il fattore di potenza. Al momento della chiusura, si genera una grande corrente d'ingresso. Questo avviene perché, durante la prima alimentazione, il condensatore non è carico e la corrente che vi fluisce è limitata solo dall'impedenza del circuito. Poiché la condizione del circuito è vicina a un cortocircuito e l'impedenza del circuito è molto piccola, una grande corrente transitoria d'ingresso fluisce nel condensatore. La corrente d'ingresso massima si verifica all'istante della chiusura.

Se il condensatore viene rialimentato poco dopo la disconnessione senza una scarica sufficiente, la corrente d'ingresso risultante può essere fino al doppio rispetto alla prima alimentazione. Questo accade quando il condensatore mantiene una carica residua e la riconnessione avviene nel momento in cui la tensione del sistema è uguale in magnitudine ma opposta in polarità alla tensione residua del condensatore, causando una grande differenza di tensione e quindi una corrente d'ingresso elevata.

Problemi chiave nella commutazione dei condensatori

• Riacceso

• Ricollocazione

• NSDD (Discharge Distruttiva Non Sostenuta)

Il riaccensione è permesso durante i test di commutazione della corrente capacitiva. I disgiuntori sono classificati in due categorie in base alle loro prestazioni di ricollocazione:

• Classe C1: Verificato da specifici test di tipo (6.111.9.2), con bassa probabilità di ricollocazione durante la commutazione della corrente capacitiva.

• Classe C2: Verificato da specifici test di tipo (6.111.9.1), con probabilità molto bassa di ricollocazione, adatto per la commutazione frequente e ad alta richiesta di banchi di condensatori.

Miglioramento del tasso di successo dei disgiuntori a vuoto per la commutazione dei condensatori

1. Aumentare la resistenza dielettrica degli interruttori a vuoto

L'interruttore a vuoto è il cuore del disgiuntore a vuoto e svolge un ruolo critico nella commutazione dei condensatori. I produttori devono ottimizzare la progettazione e i materiali per ottenere:

• Distribuzione uniforme del campo elettrico

• Alta resistenza alla saldatura

• Livello di troncamento della corrente più basso

Le migliorie strutturali e dei materiali sono essenziali per garantire un'interruzione affidabile.

2. Controllare il processo di fabbricazione degli interruttori a vuoto

• Minimizzare ed eliminare le scorie durante la lavorazione delle parti metalliche; migliorare la finitura superficiale e la pulizia.

• Eseguire la pulizia ultrasonica dei componenti prima dell'assemblaggio per rimuovere le micro-particelle.

• Controllare l'umidità e le particelle sospese nell'aria nella stanza di assemblaggio.

• Ridurre il tempo di stoccaggio dei componenti di contatto e assemblarli prontamente per minimizzare l'ossidazione e la contaminazione.

3. Migliorare la progettazione e la qualità dell'assemblaggio del disgiuntore

Assicurarsi che le caratteristiche meccaniche siano entro range ottimali:

• Allineamento e installazione verticale della barra conduttrice per evitare stress.

• Energia di uscita adeguata del meccanismo di funzionamento.

• Velocità di chiusura e apertura entro limiti accettabili.

• Minimizzare il rimbalzo di chiusura e il rinculo di apertura.

• Controllo rigoroso della qualità dei componenti e della precisione dell'assemblaggio.

4. Operazione a vuoto e condizionamento (rodaggio)

Dopo l'assemblaggio, eseguire 300 operazioni a vuoto per stabilizzare le caratteristiche meccaniche. Eseguire il condizionamento a tensione e corrente elevata sul commutatore completo per eliminare le protuberanze microscopiche e ridurre il tasso di riaccensione durante la commutazione dei condensatori.

Il condizionamento parallelo dei condensatori può rapidamente migliorare la resistenza dielettrica del prodotto.

5. Ottimizzare la velocità di apertura

Dopo l'interruzione, la distanza tra i contatti del disgiuntore a vuoto deve resistere a due volte la tensione del sistema (2×Um) per fino a 13 ms. I contatti devono raggiungere una distanza di apertura sicura entro questo tempo. Pertanto, la velocità di apertura deve essere sufficiente - specialmente per i disgiuntori a 40,5 kV.

6. Condizionamento (invecchiamento) degli interruttori a vuoto

• Metodi a basso effetto: il condizionamento a tensione elevata/corrente bassa, tensione bassa/corrente elevata o tensione impulso ha un effetto limitato nella riduzione della riaccensione durante la commutazione dei condensatori.

• Metodo efficace: il condizionamento monofase ad alta tensione e corrente elevata può migliorare significativamente le prestazioni.

• Il condizionamento con circuito di prova sintetico viene anche utilizzato per simulare le condizioni reali di commutazione dei condensatori.

Per applicazioni generali, viene applicato il condizionamento standard. Tuttavia, per il servizio di commutazione dei condensatori, è richiesto un condizionamento speciale per migliorare le prestazioni elettriche e la capacità iniziale di interruzione.

Parametri di condizionamento:

• Condizionamento di corrente:
  da 3 kA a 10 kA, mezza onda di 200 ms, 12 colpi per polarità (positiva e negativa).

• Condizionamento di pressione:

• Pressione statica (per contatti con campo magnetico assiale): applicare 15–30 kN per 10 secondi.

• Condizionamento di collegamento e spegnimento (per contatti con campo magnetico trasversale): eseguire operazioni di chiusura e apertura su un banco di prova che simula il movimento effettivo del disgiuntore.

• Condizionamento di tensione:
  applicare tensione AC a 50 Hz ben superiore alla tensione nominale (ad esempio, 110 kV per un interruttore da 12 kV) per 1 minuto.

Parametri di test per la commutazione dei condensatori

• GB/T 1984: banchi di condensatori in configurazione back-to-back, corrente d'ingresso 20 kA, frequenza 4250 Hz.

• IEC 62271-100 / Standard ANSI:

• Commutazione di banchi di condensatori: corrente 600 A, corrente d'ingresso 15 kA, frequenza 2000 Hz

• Corrente di commutazione 1000 A, corrente d'ingresso 15 kA, frequenza 1270 Hz

• ANSI consente fino a 1600 A per la commutazione dei condensatori.

Dopo un corretto condizionamento, un disgiuntore a vuoto da 12 kV può tipicamente passare:

• Commutazione di banchi di condensatori back-to-back da 400 A

• Commutazione di un singolo banco di condensatori da 630 A

Tuttavia, per i sistemi a 40,5 kV, ciò è estremamente sfidante. Le soluzioni comuni includono:

• L'utilizzo di disgiuntori a SF₆ con caratteristiche di interruzione più morbide

• L'utilizzo di disgiuntori a vuoto a doppia interruzione, dove due interruttori sono connessi in serie. Questo migliora significativamente la forza di recupero dielettrico, permettendogli di superare il tasso di aumento della sovratensione transitoria durante la commutazione dei condensatori, conseguendo così l'estinzione dell'arco.