En artikel til at forstå, hvordan man vælger mekaniske parametre for vakuumkredsløbsbrydere

1. Nominel kontaktspænding

Når en vakuumkredsløbsbryder er i åben position, kaldes afstanden mellem den bevægelige og den faste kontakt inden i vakuumafbryderen for nominel kontaktspænding. Denne parameter påvirkes af flere faktorer, herunder bryderens nominelle spænding, driftsbetingelser, karakteren af afbrydelsesstrømmen, kontaktmateriale og dielektrisk styrke i vakuumspændingen. Den afhænger primært af nominel spænding og kontaktmateriale.

Nominel kontaktspænding har en betydelig indflydelse på isoleringsydeevnen. Jo mere spændingen øges fra nul, jo bedre bliver dielektriske egenskaber. Men hvis spændingen øges yderligere over et bestemt punkt, vil det give mindre og mindre fordel for isoleringsydeevnen og kan alvorligt reducere den mekaniske levetid af afbryderen.

Baseret på installation, drift og vedligeholdelse, er typiske områder for nominel kontaktspænding:

• 6 kV og under: 4–8 mm

• 10 kV og under: 8–12 mm

• 35 kV: 20–40 mm

2. Kontaktdrift (Overtravel)

Kontaktdriften skal vælges således, at der opretholdes tilstrækkelig kontakttryk selv efter kontaktets slid. Det giver også den bevægelige kontakt initial kinetisk energi under åbning, hvilket øger den initielle åbningshastighed for at bryde løs svarede forbindelser, reducere buklængden og accelerere dielektrisk genoprettelse. Under lukning tillader det kontaktfjederen at give en jævn dæmpning, hvilket minimaliserer kontaktbouncing.

Hvis kontaktdriften er for lille:

• Utilstrækkeligt kontakttryk efter slid

• Lav initiel åbningshastighed, som påvirker brydekapaciteten og termisk stabilitet

• Alvorlig lukningsbouncing og vibration

Hvis kontaktdriften er for stor:

• Øget lukningsenergi kræves

• Reduceret pålidelighed af lukningsoperation

Typisk er kontaktdriften 20%–40% af nominel kontaktspænding. For 10 kV vakuumkredsløbsbrydere er dette generelt 3–4 mm.

3. Kontaktarbejdstryk

Arbejdstrykket for en vakuumkredsløbsbryders kontakter har en betydelig indflydelse på ydeevnen. Det er summen af vakuumafbryderens inbyggede selvlukningskraft og kontaktfjederens kraft. Korrekt valg skal opfylde fire krav:

• Oprethold kontaktmodstand inden for de angivne grænser

• Opfyld dynamiske stabilitetstestkrav

• Dæmpe lukningsbouncing

• Reducere åbningsvibration

Lukning under kortslutningsstrøm er den mest krævende betingelse: forudgående bukstrømme genererer elektromagnetisk afstødning, hvilket fører til kontaktbouncing, mens lukningshastigheden er lavest. Dette scenario tester kritisk, om kontakttrykket er tilstrækkeligt.

Hvis kontakttrykket er for lavt:

• Forøget lukningsbouncingtid

• Højere hovedkredsløbsmodstand, hvilket fører til unødig temperaturstigning under kontinuerlig drift

Hvis kontakttrykket er for højt:

• Forøget fjederkraft (da selvlukningskraft er konstant)

• Højere lukningsenergiforbrug

• Større belastning og vibration på vakuumafbryderen, med risiko for skade

I praksis afhænger elektronmagnetisk kontaktforce ikke kun af topkortslutningsstrøm, men også af kontaktstrukturen, størrelse, hærdhed og åbningshastighed. En komplet tilgang er nødvendig.

Empiriske data for kontakttryk baseret på afbrydelsesstrøm:

• 12.5 kA: 50 kg

• 16 kA: 70 kg

• 20 kA: 90–120 kg

• 31.5 kA: 140–180 kg

• 40 kA: 230–250 kg

4. Åbningshastighed

Åbningshastighed påvirker direkte hastigheden, hvormed dielektrisk styrke genoprettes efter strøm-nul. Hvis genoprettelsen af dielektrisk styrke er langsommere end stigende genopretningsspænding, kan buken genoprettes. For at forhindre genopretningsbuk og minimere buklængde er tilstrækkelig åbningshastighed afgørende.

Åbningshastighed afhænger primært af nominel spænding. For fast spænding og kontaktspænding varierer den nødvendige hastighed med afbrydelsesstrøm, lasttype og genopretningsspænding. Højere afbrydelsesstrømme og kapacitive strømme (med høj genopretningsspænding) kræver højere åbningshastighed.

Typisk åbningshastighed for 10 kV vakuumbrydere: 0.8–1.2 m/s, nogle gange over 1.5 m/s.

I praksis har den initielle åbningshastighed (målt over de første få millimeter) en større indflydelse på brydeydeevnen end gennemsnitshastighed. Højtydende og 35 kV vakuumbrydere specificerer ofte denne initielle hastighed.

Selvom højere hastighed synes fordelagtig, øger overdreven hastighed åbningsvibration og overtravel, hvilket intensiverer stress på bellows og føder til for tidlig træthed og lækkage. Det øger også mekanisk stress på mekanismen, hvilket risikerer komponentnedbrud.

5. Lukningshastighed

På grund af den høje statiske dielektriske styrke hos vakuumafbrydere ved nominel spænding, er den nødvendige lukningshastighed betydeligt lavere end åbningshastighed. Tilstrækkelig lukningshastighed er nødvendig for at minimere for-buk elektrisk erosion og forhindre kontaktsvaring. Imidlertid øger overdreven lukningshastighed lukningsenergien og udsætter afbryderen for større påvirkning, hvilket reducerer servicelejetid.

Typisk lukningshastighed for 10 kV vakuumbrydere: 0.4–0.7 m/s, op til 0.8–1.2 m/s, hvis det er nødvendigt.

6. Lukningsbouncingtid

Lukningsbouncingtid er en vigtig indikator for vakuumkredsløbsbryderens ydeevne. Den påvirkes af kontakttryk, lukningshastighed, kontaktspænding, kontaktmateriale, afbryderdesign, bryderstruktur og installations/justeringers kvalitet.

Kort bouncingtid indikerer bedre ydeevne. Overdreven bouncing forårsager alvorlig elektrisk erosion, øger risikoen for overspænding og kan føre til kontaktsvaring under kortslutning eller kondensatorskift, samt termiske stabilitetstests. Prolongeret bouncing fremskynder også bellows-træthed.

For 10 kV vakuumbrydere med kobber-kromkontakter bør lukningsbouncing ikke overstige 2 ms. For andre materialer kan det være lidt højere, men bør ikke overstige 5 ms.

7. Tre-pol synchronisme

Tre-pol-synchronisme måler graden af samtidighed i lukning eller åbning af de tre poler. Da lukning og åbningssynchronisme-værdier er lignende, specificeres normalt kun lukningssynchronisme.

Dårlig synchronisme påvirker alvorligt brydekapaciteten og forlænger buklængden. På grund af hurtige driftshastigheder og små spændinger, kan præcis justering let opfylde kravene. Lukningssynchronisme kræves normalt at være inden for 1 ms.

8. Justering af den bevægelige og den faste kontakt (Koaxialitet)

Korrekt koaxial justering af den bevægelige og den faste kontakt er afgørende for vakuumafbryderens ydeevne og sikres gennem produktionspræcision. Om denne justering opretholdes efter installation, afhænger af type operativ mekanisme og montering.

For hængende mekanismer bestemmes justeringen primært af mekanismen selv. For gulvmonterede typer er mekanisk justering lige så vigtig. Under installation undgå at anvende klippe- eller sidekraft på afbryderen.

Typisk koaxialitetstolerance: ≤2 mm.