Eén artikel om te begrijpen hoe je mechanische parameters van vacuüm circuitbrekers selecteert

1. Nominale contactafstand

Wanneer een vacuümschakelaar in de open stand is, wordt de afstand tussen de bewegende en vaste contacten binnen de vacuümonderbreker de nominale contactafstand genoemd. Deze parameter wordt beïnvloed door verschillende factoren, waaronder de nominale spanning van de schakelaar, werkomstandigheden, de aard van de onderbrekingsstroom, het contactmateriaal en de dielectrica sterkte van de vacuümruimte. Het hangt voornamelijk af van de nominale spanning en het contactmateriaal.

De nominale contactafstand heeft een significante invloed op de isolatieprestaties. Naarmate de afstand toeneemt van nul, verbetert de dielectrica sterkte. Echter, na een bepaald punt levert verdere verhoging van de afstand weinig extra voordeel op in termen van isolatieprestaties en kan dit de mechanische levensduur van de onderbreker ernstig verminderen.

Op basis van installatie-, bedrijfs- en onderhoudservaringen zijn typische nominale contactafstanden:

• 6 kV en lager: 4–8 mm

• 10 kV en lager: 8–12 mm

• 35 kV: 20–40 mm

2. Contactreis (Overreis)

De contactreis moet zodanig worden gekozen dat er zelfs na slijtage van de contacten voldoende contactdruk wordt gehandhaafd. Het biedt ook de bewegende contacten initiële kinetische energie tijdens het openen, waardoor de initiële openingsnelheid toeneemt om gelaste verbindingen te verbreken, de boogtijd te verkleinen en de herstel van de dielectrica sterkte te versnellen. Tijdens het sluiten zorgt het ervoor dat de contactveer soepel dempt, waardoor contacttrilling wordt geminimaliseerd.

Als de contactreis te klein is:

• Onvoldoende contactdruk na slijtage

• Lage initiële openingsnelheid, wat de onderbrekingscapaciteit en thermische stabiliteit beïnvloedt

• Ernstige sluittrilling en -vibratie

Als de contactreis te groot is:

• Verhoogde sluitenergie vereist

• Gereduceerde betrouwbaarheid van de sluitbeweging

Meestal is de contactreis 20%–40% van de nominale contactafstand. Voor 10 kV vacuümschakelaars is dit meestal 3–4 mm.

3. Contactwerkingsdruk

De werkingsdruk van de contacten van een vacuümschakelaar heeft een significante invloed op de prestaties. Het is de som van de inherente zelfsluitkracht van de vacuümonderbreker en de contactveerdruk. De juiste selectie moet aan vier eisen voldoen:

• Contactweerstand binnen gespecificeerde grenzen handhaven

• Aan de eisen van dynamische stabiliteitstests voldoen

• Sluittrilling onderdrukken

• Openingsvibratie verminderen

Het sluiten onder kortsluitstroom is de meest veeleisende conditie: voorboogstromen genereren elektromagnetische afstoting, wat contacttrilling veroorzaakt, terwijl de sluitingssnelheid het laagst is. Dit scenario test cruciaal of de contactdruk voldoende is.

Als de contactdruk te laag is:

• Verhoogde sluittrillingsduur

• Hogere hoofdschakelwegstand, wat leidt tot een te hoge temperatuurstijging tijdens continu bedrijf

Als de contactdruk te hoog is:

• Verhoogde veerdruk (aangezien de zelfsluitkracht constant is)

• Hogere sluitenergievereiste

• Grotere impact en vibratie op de vacuümonderbreker, met risico op beschadiging

In de praktijk hangt de contactelektromagnetische kracht niet alleen af van de piek kortsluitstroom, maar ook van de contactstructuur, grootte, hardheid en openingsnelheid. Een integrale benadering is essentieel.

Empirische gegevens voor contactdruk op basis van onderbrekingsstroom:

• 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. Openingsnelheid

De openingsnelheid heeft directe invloed op de snelheid waarmee de dielectrica sterkte herstelt na stroomnul. Als de herstel van de dielectrica sterkte trager is dan de stijgende herstelspanning, kan er een boogherstart optreden. Om boogherstart te voorkomen en de boogtijd te minimaliseren, is voldoende openingsnelheid essentieel.

De openingsnelheid hangt voornamelijk af van de nominale spanning. Bij vaste spanning en contactafstand varieert de vereiste snelheid met de onderbrekingsstroom, belastingtype en herstelspanning. Hogere onderbrekingsstromen en capacitaire stromen (met hoge herstelspanning) vereisen hogere openingsnelheden.

Typische openingsnelheid voor 10 kV vacuümschakelaars: 0,8–1,2 m/s, soms meer dan 1,5 m/s.

In de praktijk heeft de initiële openingsnelheid (gemeten over de eerste paar millimeter) een grotere invloed op de onderbrekingsprestaties dan de gemiddelde snelheid. Hoogwaardige en 35 kV vacuümschakelaars specificeren vaak deze initiële snelheid.

Hoewel een hogere snelheid lijkt te profiteren, vergroot een te hoge snelheid de openingsvibratie en overreis, wat de stress op de bellow verhoogt en vroegtijdige vermoeiing en lekkage veroorzaakt. Het vergroot ook de mechanische stress op het mechanisme, wat het risico op componentdefecten verhoogt.

5. Sluitingsnelheid

Vanwege de hoge statische dielectrica sterkte van vacuümonderbrekers bij nominale afstand, is de vereiste sluitingsnelheid aanzienlijk lager dan de openingsnelheid. Voldoende sluitingsnelheid is nodig om voorboogelektroerosie te minimaliseren en contactverwelding te voorkomen. Echter, een te hoge sluitingsnelheid vergroot de sluitenergie en onderwerpt de onderbreker aan grotere impact, wat de levensduur vermindert.

Typische sluitingsnelheid voor 10 kV vacuümschakelaars: 0,4–0,7 m/s, tot 0,8–1,2 m/s indien nodig.

6. Sluittrillingsduur

De sluittrillingsduur is een belangrijke indicator voor de prestaties van vacuümschakelaars. Het wordt beïnvloed door contactdruk, sluitingsnelheid, contactafstand, contactmateriaal, ontwerp van de onderbreker, constructie van de schakelaar en de kwaliteit van de installatie/afstelling.

Een kortere trillingsduur geeft betere prestaties aan. Excessieve trilling veroorzaakt ernstige elektrische erosie, verhoogt het risico op overspanning en kan leiden tot contactverwelding tijdens kortsluit- of condensatoroverschakelingen, evenals thermische stabiliteitstests. Lange trilling versnelt ook de vermoeiing van de bellow.

Voor 10 kV vacuümschakelaars met koper-chroomcontacten mag de sluittrillingsduur niet meer dan 2 ms bedragen. Voor andere materialen kan het iets hoger zijn, maar niet meer dan 5 ms.

7. Driepoolsynchroneïteit

Driepoolsynchroneïteit meet het mate van simultaneïteit bij het sluiten of openen van de drie polen. Aangezien de waarden voor sluit- en opensynchroneïteit vergelijkbaar zijn, wordt meestal alleen de sluitingsynchroneïteit gespecificeerd.

Slechte synchroneïteit heeft een ernstige invloed op de onderbrekingscapaciteit en verlengt de boogtijd. Vanwege de snelle werksnelheden en kleine afstanden kan nauwkeurige afstelling eenvoudig de eisen voldoen. Sluitingsynchroneïteit is meestal vereist binnen 1 ms.

8. Uitlijning van bewegende en vaste contacten (Coaxialiteit)

Juiste coaxiale uitlijning van bewegende en vaste contacten is cruciaal voor de prestaties van de vacuümonderbreker en wordt gewaarborgd door productieprecisie. Of deze uitlijning na installatie wordt behouden, hangt af van het type bedrijfsmechanisme en de montageprocedure.

Voor opgehangen mechanismen wordt de uitlijning voornamelijk bepaald door het mechanisme zelf. Voor vloormontages zijn mechanische uitlijning even belangrijk. Tijdens de installatie moet men schuif- of zijdelingse krachten op de onderbreker vermijden.

Typische coaxialiteitstolerantie: ≤2 mm.