طراحی شده برای عملیات مکرر: راه حل جدید حفاظت و کنترل هوشمند برای مدارهای FC فشار قوی

I. مروری بر راه‌حل​

این راه‌حل هدف دارد تا یک راه‌حل حفاظت جامع برای مدارهای FC بر اساس "کنتاکتور خلاء فشار بالا + بیم‌گسیلر جریان‌گیر فشار بالا" ارائه دهد. این راه‌حل به طور خاص برای حفاظت و کنترل موتورهای فشار بالا، ترانسفورماتورهای توزیع و بانک‌های خازن در محدوده ولتاژ ۳kV تا ۱۲kV طراحی شده است، به ویژه برای کاربردهای صنعتی که نیاز به عملیات مکرر و قابلیت اطمینان بالا دارند (مانند نیروگاه‌ها، کارخانه‌های بزرگ و معادن). مزیت اصلی آن در تنظیم دقیق بین کنتاکتور خلاء و بیم‌گسیلر جریان‌گیر قرار دارد که محافظت لایه‌ای علیه خطاهای بار زیاد و کوتاه‌شدن را فراهم می‌کند، در حالی که اقتصادی، ایمن و هوشمندانه است.

​II. مشخصات فنی مولفه‌های اصلی​

​1. کنتاکتور خلاء فشار بالا (مولفه عملیات و قطع بار زیاد مدار FC)​​
کنتاکتور خلاء فشار بالا اجرایی برای عملیات مکرر مدار و قطع جریان‌های بار زیاد است. مشخصات فنی آن به شرح زیر است:

• ​ساختار اصلی:​​
• ​پرتابه خلاء:​​ از پوشش سرامیکی با درجه خلاء داخلی به اندازه ۱.۳۳×۱۰⁻⁴ Pa استفاده می‌کند که اطمینان می‌دهد که قوس الکتریکی در اولین صفرگذر جریان خاموش می‌شود و عملیات بدون روغن و بدون نیاز به نگهداری انجام می‌شود.
• ​بازوی عایق و مکانیسم قفل:​​ شامل مونتاژ بیم‌گسیلرها و مجهز به مکانیسم قفل مهمی است. این مکانیسم اطمینان می‌دهد: ۱) اگر بیم‌گسیلر در هر فازی منفجر شود، فوراً قطع همزمان سه‌فاز کنتاکتور را تحریک می‌کند تا از عملیات یک‌فازی جلوگیری کند؛ ۲) اگر بیم‌گسیلر در هر فازی نصب نشده باشد، مکانیکی کنتاکتور را از بسته شدن قفل می‌کند تا ایمنی عملیاتی را تضمین کند.
• ​مکانیسم عملیات:​​ از مکانیسم الکترومغناطیسی استفاده می‌کند که تا ۲۰۰۰ بار در ساعت باز و بسته شدن مکرر را پشتیبانی می‌کند، که بسیار بیشتر از توانایی شیرهای قطع کننده است.
• ​اصل عملیات و قطع:​​
• ​اصل قطع:​​ از عایق‌بندی بالا و توانایی قدرتمند خاموش کردن قوس الکتریکی محیط خلاء استفاده می‌کند. قوس الکتریکی بخار فلزی که در زمان باز شدن ایجاد می‌شود، فوراً در نقطه صفرگذر جریان خاموش می‌شود و بازیابی سریع قدرت دی الکتریکی دارد. جریان برش آن کمتر از ۰.۵A است که به طور موثری ولتاژ‌های قطع را کاهش می‌دهد که برای عایق‌بندی موتور بسیار دوستانه است.
• ​روش نگهداری:​​ از روش‌های نگهداری الکتریکی (اقتصادی، کم‌صدا) و مکانیکی (قابلیت اطمینان بالا، مقاوم در برابر تداخل) پشتیبانی می‌کند. کاربران می‌توانند بر اساس نیازهای عملیاتی (مثلاً سری LHJCZR از نگهداری مکانیکی استفاده می‌کند) انتخاب کنند.
• ​پارامترهای کلیدی نامزد شده:​​

​2. بیم‌گسیلر جریان‌گیر فشار بالا (مولفه محافظت از خطاهای کوتاه‌شدن مدار FC)​​
بیم‌گسیلر جریان‌گیر فشار بالا به عنوان مؤلفه نهایی محافظت علیه خطاهای کوتاه‌شدن عمل می‌کند. مشخصات آن به شرح زیر است:

• ​کارکرد اصلی:​​ محافظت فوری (سریع) را فراهم می‌کند. هنگامی که خطای کوتاه‌شدن شدیدی (جریان بیش از ظرفیت قطع کنتاکتور) رخ می‌دهد، عنصر ذوب‌پذیر آن به سرعت ذوب می‌شود و مدار را قبل از رسیدن جریان به پیک پیش‌بینی شده قطع می‌کند. زمان قطع بسیار کوتاه (سطح میلی‌ثانیه) است که به حداقل رساندن انرژی جریان خطا و محافظت از تجهیزات پایین‌دست از آسیب رساند.
• ​اصل‌های انتخاب پایه:​​
• ​ولتاژ نامزد شده:​​ نباید کمتر از ولتاژ نامزد شده سیستم باشد تا ولتاژ بیش از حد ایجاد شده در زمان عملکرد بیم‌گسیلر از سطح تحمل عایق تجهیزات فراتر نرود (معمولاً به زیر ۲.۵ بار ولتاژ فاز محدود می‌شود).
• ​جریان نامزد شده:​​ نیاز به در نظر گرفتن جامع جریان‌های عادی/بار زیاد، مشخصات جریان شروع تجهیزات (مانند جریان شروع موتور، جریان مغناطیسی ترانسفورماتور) و اطمینان از هماهنگی انتخابی با دستگاه‌های محافظ بالادست (مانند رله‌ها) است.
• ​موقعیت نقش:​​ به عنوان محافظ پشتیبان در مدار FC عمل می‌کند. بار زیاد و جریان‌های کوتاه‌شدن کوچک‌تر توسط دستگاه محافظ جامع اعلام شده و کنتاکتور خلاء را می‌بازد. بیم‌گسیلر فقط در صورتی که جریان خطا بیش از ظرفیت قطع کنتاکتور باشد یا کنتاکتور نتواند عمل کند، عمل می‌کند.

​III. راهنمای انتخاب بر اساس شیء محافظت شده​

​1. انتخاب بیم‌گسیلر محافظت از موتور​
جریان شروع موتورها بالا و مدت زمان آن‌ها طولانی است، بنابراین در انتخاب باید احتیاط زیادی مبذول شود تا از عملیات غیرضروری جلوگیری شود.

• ​منطق هماهنگی محافظت:​​
• ​محافظت علیه بار زیاد (مانند گیر کردن، شروع مکرر):​​ با استفاده از رله‌های زمان-معکوس اجرا می‌شود که کنتاکتور را باز می‌کند.
• ​محافظت علیه خطاهای کوتاه‌شدن:​​ با استفاده از بیم‌گسیلر انجام می‌شود.
• ​نیاز به هماهنگی:​​ جریان نامزد شده بیم‌گسیلر باید بیشتر از جریان شروع موتور باشد و منحنی مشخصه زمان-جریان آن باید در یک نقطه با منحنی رله تقاطع داشته باشد تا هماهنگی کامل فراهم شود.
• ​مرجع انتخاب (استخراج):​​

• ​نکته کلیدی:​​ هرچه مدت زمان شروع طولانی‌تر و فرکانس شروع بیشتر باشد، جریان نامزد شده عنصر ذوب‌پذیر بیشتر خواهد بود.

​2. انتخاب بیم‌گسیلر محافظت از ترانسفورماتور​
انتخاب باید اطمینان دهد که بیم‌گسیلر می‌تواند جریان مغناطیسی بسته شدن ترانسفورماتور را تحمل کند و در عین حال محافظت مؤثر علیه خطاهای داخلی ارائه دهد.

• ​مرجع انتخاب (استخراج):​​

​3. انتخاب بیم‌گسیلر محافظت از بانک خازن​
بازگشت بانک خازن جریان‌های بسته شدن با فرکانس بالا و دامنه بالا ایجاد می‌کند که نیازهای خاصی برای انتخاب بیم‌گسیلر دارد.

• ​اعتبارات ویژه:​​ باید اطمینان حاصل شود که بیم‌گسیلر می‌تواند انرژی عبور (I²t) جریان بسته شدن را تحمل کند. نیاز: انرژی عبور < ۰.۷ بار انرژی مقدماتی کمینه بیم‌گسیلر.
• ​نیازهای انتخاب:​​
• جریان نامزد شده معمولاً ۱.۵~۲.۰ بار جریان نامزد شده خازن است.
• اگر جریان عبور بسیار زیاد باشد، در نظر بگیرید: ۱) انتخاب بیم‌گسیلر اختصاصی خازن (مانند سری WFN)؛ ۲) افزودن واکنش‌گیر جریان‌گیر سری با خازن؛ ۳) افزودن مقاومت دمپینگ سری در شاخه.
• ​توصیه:​​ باید از واکنش‌گیر جریان‌گیر استفاده شود وقتی (پیک جریان عبور * فرکانس عبور) > ۲۰۰۰۰ یا در عملیات بسیار مکرر.

​IV. محدوده کاربرد و موارد نمونه​

​1. محدوده کاربرد​
راه‌حل مدار FC عمومی نیست. مرزهای قابل کاربرد آن به شرح زیر است:

• ​موتورهای فشار بالا:​​ ≤ ۱۲۰۰ kW
• ​ترانسفورماتورهای توزیع:​​ ≤ ۱۶۰۰ kVA
• ​بانک‌های خازن:​​ ≤ ۱۲۰۰ kvar
  خارج از این محدوده‌های ظرفیت، باید راه‌حل شیر قطع کننده خلاء با ظرفیت قطع بالاتر و ثبات دینامیکی/حرارتی انتخاب شود تا ایمنی تضمین شود.

​2. تأیید موارد نمونه​
این راه‌حل با موفقیت در چندین پروژه اعمال شده و به صورت پایدار و قابل اعتماد عمل می‌کند:

• ​مورد ۱: کارخانه شیمیایی، تگزاس، ایالات متحده (عملیات مکرر و محیط انفجارناپذیر)​​
• ​مروری بر پروژه:​​ این پایگاه شیمیایی بزرگ نیاز به کنترل شروع-توقف مکرر موتورهای پمپ و کمپرسور فشار بالا در چندین خط تولید داشت، با نیازهای محیطی برای انفجارناپذیری و قابلیت اطمینان بالا.
• ​مزایای نشان داده شده:​​ فرکانس ۲۰۰۰ عملیات در ساعت کنتاکتور به طور کامل نیازهای تنظیم فرآیند را برآورده کرد؛ هماهنگی دقیق بین بیم‌گسیلر و رله محافظت دقیق علیه خطاهای کوتاه‌شدن موتورها را تحت شروع مکرر بدون عملیات غیرضروری فراهم کرد؛ جریان برش کم (<۰.۵A) ارائه شده توسط پرتابه خلاء به طور موثری ولتاژ‌های قطع را کاهش داد و عایق‌بندی موتورهای قدیمی را محافظت کرد. راه‌حل کلی به طور قابل توجهی نسبت به تجهیزات شیر قطع کننده خلاء صرفه‌جویی در سرمایه کرد.
• ​مورد ۲: کارخانه تولید خودرو، بایرن، آلمان (محافظت از ترانسفورماتور و جبران خازن)​​
• ​مروری بر پروژه:​​ یک کارخانه تولید هوشمند جدید نیاز به تأمین برق پایدار و با کیفیت برای سیستم‌های سروو رباتیک متعدد در خطوط تولید خودکار داشت، همراه با چندین ترانسفورماتور توزیع خشک و بانک‌های جبران خازن.
• ​مزایای نشان داده شده:​​ انتخاب جریان نامزد شده بیم‌گسیلر به طور کامل مشخصات جریان مغناطیسی بسته شدن ترانسفورماتور را در نظر گرفت و از عملیات غیرضروری در زمان بسته شدن جلوگیری کرد. برای بانک‌های خازن، بیم‌گسیلرهای اختصاصی به طور موفقیت‌آمیزی تأثیر جریان بسته شدن را تحمل کردند (تأیید I²t). بازگشت کم کنتاکتور اطمینان داد که خازن‌ها بدون بازشدن مجدد قطع می‌شوند و کیفیت برق شبکه را حفظ می‌کنند.

​V. خلاصه مزایای راه‌حل​

1. ​قابلیت اطمینان بالا:​​ پرتابه خلاء بدون نیاز به نگهداری با عمر مکانیکی تا میلیون‌ها عملیات؛ بیم‌گسیلرها محافظت سریع در سطح میلی‌ثانیه ارائه می‌دهند.
2. ​امنیت قوی:​​ مکانیسم قفل مکانیکی از عملیات یک‌فازی و بسته شدن با خطرات جلوگیری می‌کند؛ جریان برش کم عایق‌بندی تجهیزات را محافظت می‌کند.
3. ​اقتصادی خوب:​​ نسبت به تجهیزات شیر قطع کننده خلاء، تجهیزات FC با هزینه کمتر، اندازه کوچکتر و بهره‌وری بسیار بالا ارائه می‌دهند.
4. ​هوشمند:​​ کنتاکتورها می‌توانند به طور سلسه‌مرحله‌ای با دستگاه‌های محافظت مبتنی بر میکروپروسسور یکپارچه شوند و نظارت از راه دور، کنترل هوشمند و بارگذاری داده را ممکن می‌کنند.
5. ​نگهداری آسان:​​ مولفه‌های اصلی برای عملیات بدون نگهداری طراحی شده‌اند؛ پس از عملکرد بیم‌گسیلر، فقط نیاز به جایگزینی با یک عنصر ذوب‌پذیر مشابه است که عملیات آن ساده است.