Navrženo pro časté operace: Nová generace inteligentních řešení pro ochranu a řízení vysokovoltových FC obvodů

I. Přehled řešení​

Toto řešení má za cíl poskytnout komplexní ochranné řešení pro FC obvody založené na "Vysokonapěťových vakuumových spínacích přestavovačích + vysokonapěťových proudových omezujících pojistkách". Je speciálně navrženo pro ochranu a řízení vysokonapěťových motorů, distribučních transformátorů a kondenzátorských baterií v rozsahu napětí od 3 kV do 12 kV, zejména pro průmyslové aplikace vyžadující časté provozování a vysokou spolehlivost (jako jsou elektrárny, velké továrny a doly). Jeho hlavní výhodou je přesná koordinace mezi vakuumovým spínacím přestavovačem a proudovou omezující pojistkou, což umožňuje stupňovanou ochranu proti přetížení a krátkozaměrkovým poruchám, zatímco nabízí ekonomickou efektivitu, bezpečnost a inteligenci.

​II. Technické charakteristiky klíčových komponent​

​1. Vysokonapěťový vakuumový spínací přestavovač (Komponenta pro operaci a přerušení přetížení v FC obvodu)​​
Vysokonapěťový vakuumový spínací přestavovač je aktuátor pro časté provozování obvodů a přerušení přetížení. Jeho technické charakteristiky jsou následující:

• ​Konstrukce jádra:​​
• ​Vakuumová přerušovací komora:​​ Používá keramickou obálku s vnitřním vakuem dosahujícím 1,33×10⁻⁴ Pa, což zajišťuje úspěšné uhasení oblouku již při prvním nulovém průchodu proudu, což umožňuje provoz bez oleje a bez údržby.
• ​Izolační držák a interlockový mechanismus:​​ Integruje držáky pro pojistky a je vybaven důležitým interlockovým mechanismem. Tento mechanismus zajistí: ① Pokud dojde k prasknutí pojistky v libovolné fázi, okamžitě aktivuje trojfázové současné vypnutí spínacího přestavovače, aby se zabránilo jednofázovému provozu; ② Pokud není v libovolné fázi nainstalována pojistka, mechanicky blokuje spínací přestavovač, aby se zajistila operační bezpečnost.
• ​Operační mechanismus:​​ Používá elektromagnetický mechanismus, který podporuje časté otevírání a zavírání až 2000krát/hodinu, což výrazně překračuje schopnosti spínačů.
• ​Princip operace a přerušení:​​
• ​Princip přerušení:​​ Využívá vysokou izolaci a silnou schopnost uhašení oblouku vakuumového prostředí. Kovy párový oblouk generovaný během otevírání je okamžitě uhašen v bodě nulového průchodu proudu s rychlým obnovováním dielektrické pevnosti. Jeho řezný proud je nižší než 0,5 A, což efektivně potlačuje přepínací přetížení, což je extrémně příznivé pro izolaci motorů.
• ​Způsob držení:​​ Podporuje jak elektrické samočinné držení (energeticky efektivní, nízké hlučnost) tak i mechanické samočinné držení (vysoká spolehlivost, odolnost proti rušivým vlivům). Uživatelé mohou volit na základě operačních požadavků (např. série LHJCZR používá mechanické samočinné držení).
• ​Klíčové nominální parametry:​​

​2. Vysokonapěťová proudová omezující pojistka (Komponenta pro ochranu před krátkozaměrkovými poruchami v FC obvodu)​​
Vysokonapěťová proudová omezující pojistka slouží jako konečná ochranná komponenta proti krátkozaměrkovým poruchám. Její charakteristiky jsou následující:

• ​Základní funkce:​​ Poskytuje okamžitou (rychlou) ochranu. Při výskytu závažné krátkozaměrkové poruchy (proud přesahuje přerušovací kapacitu spínacího přestavovače), její splínovací element rychle taje a přeruší obvod, než proud dosáhne svého maximálního možného vrcholu. Čas přerušení je extrémně krátký (milisekundové úrovně), což maximalizuje omezení energie poruchového proudu a chrání zařízení v dolní části obvodu před poškozením.
• ​Základní principy výběru:​​
• ​Nominální napětí:​​ Nesmí být nižší než nominální napětí systému, aby se zabránilo překročení izolační odolnosti zařízení při výkonu pojisty (obvykle omezeno na méně než 2,5krát fázové napětí).
• ​Nominální proud:​​ Vyžaduje komplexní zohlednění normálních/přetížených proudů, charakteristik startovacích proudů zařízení (např. startovací proud motoru, magnetizační proud transformátoru) a zajištění selektivní koordinace s ochrannými zařízeními nadřazenými (např. relé).
• ​Role a pozice:​​ Slouží jako záložní ochrana v FC obvodu. Normální přetížení a menší krátkozaměrkové proudy jsou vyřešeny signálem komplexního ochranného zařízení, který otevírá vakuumový spínací přestavovač. Pojistka funguje pouze tehdy, když proud překročí přerušovací kapacitu spínacího přestavovače nebo pokud spínací přestavovač nefunguje.

​III. Výběr podle chráněného objektu​

​1. Výběr pojistky pro ochranu motoru​
Startovací proudy motorů jsou vysoké a trvají dlouho, což vyžaduje dodatečnou opatrnost při výběru, aby se zabránilo nepotřebnému fungování.

• ​Logika koordinace ochrany:​​
• ​Ochrana proti přetížení (např. zastavení, opakované startování):​​ Implementováno inverzními časovými relémi, která ovládají spínací přestavovač k otevření.
• ​Ochrana proti krátkozaměrkovým poruchám:​​ Implementováno pojistkou.
• ​Požadavek na koordinaci:​​ Nominální proud pojistky musí být vyšší než startovací proud motoru a její časově-proudová charakteristická křivka musí mít jeden průsečík s křivkou relé, aby byla dosažena perfektní koordinace.
• ​Referenční výběr (výňatek):​​

• ​Klíčový bod:​​ Čím delší čas startu a čím vyšší frekvence startu, tím vyšší nominální proud spojkové pojistky je potřeba.

​2. Výběr pojistky pro ochranu transformátoru​
Výběr musí zaručit, že pojistka může snést magnetizační proud při zavírání transformátoru, zatímco poskytuje efektivní ochranu proti vnitřním poruchám.

• ​Referenční výběr (výňatek):​​

​3. Výběr pojistky pro ochranu kondenzátorské baterie​
Přepínání kondenzátorské baterie generuje vysokofrekvenčné, vysoké amplitudní proudy při zavírání, což klade speciální požadavky na výběr pojistky.

• ​Speciální zohlednění:​​ Je třeba ověřit, že pojistka může snést propustnou energii (I²t) při zavírání. Požadavek: Propustná energie při zavírání < 0,7krát minimální předoblouková energie pojistky.
• ​Požadavky na výběr:​​
• Nominální proud je obvykle 1,5~2,0krát nominální proud kondenzátoru.
• Pokud je proud při zavírání příliš vysoký, zvažte: ① Výběr specializovaných kondenzátorových pojistek (např. série WFN); ② Přidání sériového proudového omezujícího reaktoru s kondenzátorem; ③ Přidání sériového tlumiče v odvětví.
• ​Doporučení:​​ Proudový omezující reaktor musí být použit, pokud (vrcholový proud při zavírání * frekvence zavírání) > 20 000 nebo při extrémně častém provozování.

​IV. Oblast použití a typické případy​

​1. Oblast použití​
Řešení FC obvodu není univerzální. Jeho použitelné hranice jsou následující:

• ​Vysokonapěťové motory:​​ ≤ 1200 kW
• ​Distribuční transformátory:​​ ≤ 1600 kVA
• ​Kondenzátorské baterie:​​ ≤ 1200 kvar
  Při překročení těchto kapacitních rozsahů je třeba vybrat řešení s vysokonapěťovým vakuumovým spínačem s vyšší přerušovací kapacitou a dynamickou/termickou stabilitou, aby se zajistila bezpečnost.

​2. Ověření typických případů​
Toto řešení bylo úspěšně uplatněno v několika projektech, kde funguje stabilně a spolehlivě:

• ​Případ 1: Chemický závod, Texas, USA (Časté provozování a výbušně bezpečné prostředí)​​
• ​Přehled projektu:​​ Tento velký chemický základ vyžadoval časté start-stop řízení vysokonapěťových čerpadel a kompresorových motorů na několika výrobních linkách, s požadavky na výbušnou bezpečnost a vysokou spolehlivost.
• ​Prokázané výhody:​​ Frekvence 2000 provozů/hodina spínacího přestavovače dokonale splnila potřeby procesního nastavení; přesná koordinace mezi pojistkou a relé zajišťovala přesnou ochranu motorů před krátkozaměrkovými poruchami při častém startování bez nepotřebného fungování; nízký řezný proud (<0,5 A) poskytovaný vakuumovým přerušovacím článkem efektivně potlačil přepínací přetížení, chráníc izolaci starších motorů. Celkové řešení výrazně ušetřilo investice v porovnání s vysokonapěťovým vakuumovým spínačem.
• ​Případ 2: Automobilová výrobní továrna, Bavorsko, Německo (Ochrana transformátoru a kondenzátorové kompenzace)​​
• ​Přehled projektu:​​ Nová inteligentní výrobní továrna vyžadovala stabilní, vysokokvalitní dodávku elektrické energie pro mnoho robotických servosystémů na automatizovaných výrobních linkách, spolu s několika suchými distribučními transformátory a kondenzátorovými kompenzačními bateriemi.
• ​Prokázané výhody:​​ Výběr nominálního proudu pojistky plně zohlednil magnetizační proud transformátoru, což zabránilo nepotřebnému fungování při zavírání. Pro kondenzátorové baterie specializované pojistky úspěšně snesly dopad při zavírání (ověření I²t proběhlo úspěšně). Nízké pohyblivost spínacího přestavovače zajišťovaly přepínání kondenzátorů bez znovu-zapalování, chráníc kvalitu síťové energie.

​V. Shrnutí výhod řešení​

1. ​Vysoká spolehlivost:​​ Vakuumová přerušovací komora je bezúdržbová s mechanickou životností až v milionech provozů; pojistky poskytují ochranu na milisekundové úrovni.
2. ​Vysoká bezpečnost:​​ Mechanický interlockový mechanismus brání jednofázovému provozu a zavírání s potenciálními nebezpečími; nízký řezný proud chrání izolaci zařízení.
3. ​Dobrá ekonomika:​​ V porovnání s vysokonapěťovým vakuumovým spínačem, FC spínač poskytuje nižší náklady, menší rozměry a extrémně vysokou cenovou výhodnost.
4. ​Inteligence:​​ Spínací přestavovače lze bezproblémově integrovat s mikroprocesorovými ochrannými zařízeními, což umožňuje vzdálené monitorování, inteligentní řízení a nahrávání dat.
5. ​Jednoduchá údržba:​​ Klíčové komponenty jsou navrženy pro bezúdržbový provoz; po funkci pojistky stačí nahradit spojkový prvek stejnými specifikacemi, což zjednodušuje operaci.