Paano Tumatalo ng mga Vacuum Circuit Breakers nang Tama?

01 Panimula

Sa mga sistemang may medium voltage, ang mga circuit breaker ay mahalagang pangunahing komponente. Ang mga vacuum circuit breaker ang naghahari sa lokal na merkado. Kaya, ang tama at epektibong disenyo ng elektrikal ay hindi maaaring maghiwalay sa tamang pagpili ng vacuum circuit breakers. Sa seksyong ito, ipapakita natin kung paano tama ang pagpili ng vacuum circuit breakers at ang mga karaniwang pagkakamali sa kanilang pagpili.

02 Ang Kapasidad ng Pag-interrupt para sa Short-Circuit Current Ay Hindi Kinakailangang Masyadong Mataas

Ang kapasidad ng pag-interrupt ng short-circuit ng isang circuit breaker ay hindi kinakailangang masyadong mataas, ngunit dapat may konting margin upang ma-accommodate ang future na expansion ng grid capacity na maaaring mag-lead sa pagtaas ng short-circuit current. Gayunpaman, sa aktwal na disenyo ng elektrikal, ang napiling kapasidad ng pag-interrupt ng mga circuit breaker ay madalas masyadong mataas. 

Halimbawa, sa mga end-user transformer substations sa loob ng mga 10kV system, ang busbar short-circuit current ay kadalasang nasa paligid ng 10kA, at sa mas malaking-capacity na sistema, maaaring umabot hanggang 16kA. Gayunpaman, sa mga drawing ng disenyo ng elektrikal, ang kapasidad ng pag-interrupt ng vacuum circuit breakers ay madalas itinatakda bilang 31.5kA, o kahit 40kA. Ang ganitong mataas na kapasidad ng pag-interrupt ay nagreresulta sa sayang na investment. Sa mga kasong ito, sapat na ang 20kA o 25kA. Ngunit, sa kasalukuyan, ang mga vacuum circuit breakers na may 31.5kA kapasidad ng pag-interrupt ay may mataas na demand at mass-produced, nagreresulta sa pagbaba ng cost ng paggawa at presyo, kaya mas lalong naging malawak ang paggamit nito.

Sa disenyo ng elektrikal, ang inaasahang short-circuit currents ay kadalasang nasa mataas na bahagi. Ang dahilan dito ay ang system impedance at contact resistance sa circuit loop ay madalas iniignore sa pagkalkula. Siyempre, ang kapasidad ng pag-interrupt ng mga circuit breaker ay dapat pumili batay sa pinakamataas na posible na short-circuit current. Gayunpaman, ang setting value ng short-circuit protection ay hindi dapat batayan ang pinakamataas na short-circuit current. 

Ito ay dahil madalas may arco na lumilitaw sa panahon ng short-circuit, at ang resistance ng arco ay napakataas. Sa mga calculation ng disenyo, ang short-circuit ay tinreat bilang pure metallic three-phase short-circuit, na walang arco at walang contact resistance. Sa aktwal na fault statistics, higit sa 80% ng mga short-circuit ay single-phase, at halos lagi ang arco ay naroroon sa panahon ng short-circuit events. Bilang resulta, ang aktwal na short-circuit current ay maraming mas mababa kaysa sa ideal na inaasahang value. 

Kung ang setting value ng protection ay masyadong mataas, ito ay nagbabawas ng sensitivity ng protection o nagdudulot ng failure ng instantaneous protection na gumana. Sa engineering practice, ang problema ay madalas hindi ang circuit breaker na hindi nakakapag-interrupt, kundi ang protection element na hindi nag-aactivate dahil sa masyadong mataas na setting values. Sige-siguro, ang pure metallic three-phase short-circuits ay malamang na hindi mangyayari—ito lamang nangyayari kapag ang grounding wires ay hindi inalis pagkatapos ng maintenance bago isara ang breaker. Gayunpaman, ang grounding ay kadalasang ginagawa sa pamamagitan ng grounding switches o grounding trolleys, at ang interlocking functions ay naka-set, kaya ang pure metallic short-circuits ay napakabababa ang posibilidad.

Sa mga construction drawings ng elektrikal, kadalasan makikita ang kapasidad ng pag-interrupt ng main incoming circuit breaker na itinatakda ng isang antas na mas mataas kaysa sa feeder circuit breakers. Ito ay hindi kinakailangan. Ang main breaker ay nag-handle ng busbar short-circuit faults, habang ang feeder breakers ay nag-handle ng mga fault sa kanilang respective circuits. Gayunpaman, malapit sa load side ng isang feeder breaker, dahil sa kanyang pagkakaroon ng malapit sa busbar, ang short-circuit current ay hindi masyadong iba sa busbar short-circuit current. Kaya, ang kapasidad ng pag-interrupt ng main at feeder breakers ay dapat magkapareho.

03 Ang Electrical at Mechanical Life Requirements Ay Hindi Kinakailangang Masyadong Mataas

Ang electrical life na binanggit dito ay hindi tumutukoy sa bilang ng beses na ang breaker ay maaaring mag-open at mag-close sa ilalim ng rated o partial load current sa tiyak na interval, kundi ang bilang ng beses na ito ay maaaring mag-interrupt ng short-circuit current nang walang pangangailangan ng maintenance. Walang national standard para sa bilang na ito. Karaniwan, ang mga manufacturer ay nagdisenyo para sa 30 na ganyang interruption. Ang ilang mga produkto ng manufacturer ay maaaring handlin 50. Sa bidding documents para sa mga user project, kadalasang makikita ang masyadong mataas na requirements para sa bilang ng short-circuit interruptions. Halimbawa, ang isang tender document ay nangangailangan ng 12kV line protection vacuum circuit breaker na mag-interrupt ng rated short-circuit current 100 beses, may mechanical life ng 100,000 operations at rated current interruption 20,000 beses—ang mga requirements na ito ay hindi reasonable.

Ang masyadong mataas na bilang ng short-circuit interruptions ay hindi kinakailangan. Ang short-circuit fault ay isang major na electrical incident. Bawat pag-occur nito ay dapat tratuhin bilang isang serious na accident na nangangailangan ng root cause analysis at corrective actions upang maiwasan ang recurrence. Kaya, sa loob ng effective service life ng isang circuit breaker, ito ay maaaring mag-interrupt ng short-circuit faults ng ilang beses lamang. Ang mas mataas na system voltage, mas malaking damage ang gawa ng short-circuits, ngunit mas mababa ang probability ng occurrence. Kaya, ang isang medium-voltage circuit breaker na maaaring mag-interrupt ng 30 short-circuit faults ay sapat na. Ang type testing para sa short-circuit interruption ay mahal. Para sa 12kV vacuum circuit breaker, ang bawat short-circuit interruption test ngayon ay nagsisimula ng humigit-kumulang 10,000 RMB. Ang pag-conduct ng masyadong maraming tests ay nagreresulta sa mataas na cost at hindi kinakailangan.

Nagmumula ba ang mas mataas na bilang ng successful interruptions sa mas mahusay na interrupting capability? Ito ay isa pang karaniwang pagkakamali. Ang key sa vacuum circuit breaker short-circuit interruption testing ay nasa unang sampung operasyon. Basta ang breaker ay matagumpay na mag-interrupt ng inilaan na current sa unang sampung tests, ang susunod na performance nito ay karaniwang reliable. Ang statistical data mula sa type tests ay nagpapakita na ang probability ng failure ay pinakamataas sa unang sampung interruptions at unti-unting bumababa habang tumaas ang bilang ng interruptions. Matapos ang 30 interruptions, ang posibilidad ng failure sa susunod na tests ay halos zero. Kaya, ang maaaring mag-interrupt ng 30 beses ay hindi nangangahulugan na hindi ito maaaring mag-interrupt ng 50—it simply means further testing is unnecessary.

Tungkol sa mechanical life ng vacuum circuit breakers, walang kinakailangang masyadong mataas na requirements. Ang M1 class ay orihinal na hindi bababa sa 2,000 operations, at ang M2 class ay lamang 10,000. Ngayon, ang mga manufacturer ay nag-compete sa mechanical life—isang claim na 25,000, at isa naman na 100,000. Sa bidding processes, ang mga participant ay nag-compare ng mga value ng mechanical life, na walang kahulugan para sa distribution-use vacuum circuit breakers. Gayunpaman, sa mga specific application tulad ng frequent switching ng motors, arc furnaces, o automatic capacitor compensation circuits, ang vacuum contactors ang mas suitable (SF6 circuit breakers ang common para sa switching ng medium-voltage capacitor banks). Ang mga contactors ay may mechanical at electrical lives na lumampas sa one million operations (ang kanilang electrical life ay measured by rated current interruption, hindi short-circuit current). Walang kinakailangang compete sa mechanical life sa mga circuit breakers.

04 Excessive Requirements for Other Electrical Parameters

Ang short-time withstand current ng isang circuit breaker ay tumutukoy sa kakayahan nito na tanggapin ang thermal stress ng short-circuit current sa panahon ng fault. Ito ay hindi pareho sa temperature rise. Ang temperature rise testing ay involve ang pagpasa ng rated o specified current sa breaker sa mahabang panahon at siguraduhin na ang temperature rise sa iba't ibang puntos ay hindi lampa sa inilaan na limit. Ang short-time withstand current ng isang circuit breaker ay karaniwang itest sa 3 segundo.

Sa loob ng panahong ito, ang init na nalilikha ng short-circuit current ay hindi dapat sumira sa breaker. Ang 3-second thermal withstand capability ay sapat na. Ang dahilan dito ay pagkatapos ng short circuit, ang time-graded protection maaaring may intentional delay upang matiyak ang selectivity. Para sa time-based protection, ang 0.5-second delay sa pagitan ng adjacent breakers ay matitiyak ang selectivity. Kung ang breakers ay may dalawang level ng pagkakaiba, ang trip delay ay 1 segundo; kung tatlo, 1.5 segundo. Ang 3-second withstand capability ay sapat na. Gayunpaman, ang ilang users o designers ay insistent na 5-second thermal withstand capability, na talagang hindi kinakailangan.

Sa panahon ng closing process ng isang circuit breaker, ang moving at fixed contacts maaaring mag-bounce. Kung ang bounce time ay masyadong mahaba o ang three-phase closing asynchronism ay malaki, maaaring magkaroon ng breakdown at restrike sa pagitan ng contacts. Ang restrike ay nagdudulot ng charge-discharge process sa circuit, na nagpapataas ng steepness at amplitude ng overvoltage. Ang overvoltage na ito ay kilala bilang contact restrike overvoltage.

Ang panganib nito maaaring lalo pa sa current chopping overvoltage ng vacuum circuit breakers, na nanganganib sa turn-to-turn insulation ng transformers at motors. Kaya, ang contact bounce time at three-phase asynchronism ay hindi dapat lampa sa 2ms. Ang kasalukuyang parameters ng circuit breaker ay ginawa upang matugunan ang requirement na ito. Gayunpaman, ang ilang users ay nangangailangan ng values na mas mababa sa 2ms, kahit na nangangailangan ng hindi lampa sa 1ms, na lumampas sa kasalukuyang teknikal na capabilities.

05 Negative Issues Caused by Excessively High Starting Current of Vacuum Interrupters

Ang starting rated current para sa medium-voltage vacuum interrupters ay 630A. Kasalukuyan, ang ilang manufacturers ay hindi na gumagawa ng 630A versions, at ang minimum starting current ay tumaas hanggang 1250A. Ito ay may kaugnayan sa vacuum interrupter manufacturing. Gayunpaman, ito ay nagdadala ng serye ng negative consequences. Dahil ang starting current ng vacuum interrupters ay masyadong mataas, ang mga vacuum circuit breakers na inassemble gamit ang mga interrupters na ito ay kailangang mag-match sa current rating ng interrupter. 

Dahil dito, lahat ng associated components—tulad ng pole columns, plug-in contacts sa pole columns, at fixed contacts sa switchgear—ay kailangang mag-match din sa current rating ng interrupter. Ito ay nagresulta sa severe na waste ng non-ferrous metal materials sa karamihan ng mga kaso. Halimbawa, ang 12kV vacuum circuit breaker ay maaaring supply lang ng 1000kVA transformer, na ang 10kV side rated current ay lamang 57.7A. Gayunpaman, dahil ang vacuum interrupter ay nagsisimula sa 1250A, ang circuit breaker ay kailangang mag-rate ng 1250A. Bilang resulta, lahat ng accessories ng breaker ay kailangang mag-rate ng hindi bababa sa 1250A, at ang fixed contacts sa switchgear ay kailangang mag-rate ng hindi bababa sa 1250A, na nagreresulta sa significant na waste ng non-ferrous metals.

Mas masama pa, ang mga users o designers ay insistent na ang carrying capacity ng main conductors sa switchgear ay dapat mag-match sa carrying capacity ng circuit breaker—na ang conductor’s carrying capacity ay designed para sa 1250A. Sa totoo lang, ang 60A ay sapat na, at basta ang minimum cross-section ng circuit conductor ay lumalampas sa dynamic at thermal stability checks, mayroon pa ring malaking room para sa savings ng materials.