Zaprojektowane do częstego użytku: Nowoczesne inteligentne rozwiązanie ochrony i sterowania dla obwodów wysokiego napięcia FC

I. Przegląd rozwiązania​

To rozwiązanie ma na celu zapewnienie kompleksowego systemu ochrony obwodów FC opartego na "Wysokonapięciowych wakuumowych kontaktorach + wysokonapięciowych ograniczających prąd skoczny złączach". Jest ono specjalnie zaprojektowane do ochrony i sterowania wysokonapięciowymi silnikami, transformatorami dystrybucyjnymi i bankami kondensatorów w zakresie napięć od 3kV do 12kV, szczególnie odpowiednimi dla przemysłowych zastosowań wymagających częstych operacji i wysokiej niezawodności (takich jak elektrownie, duże fabryki i kopalnie). Jego kluczową zaletą jest precyzyjna koordynacja między wakuomowym kontaktorem a ograniczającym prąd skoczny złączem, osiągając stopniową ochronę przed przeciążeniami i awariami krótkiego spięcia, jednocześnie oferując ekonomiczność, bezpieczeństwo i inteligencję.

​II. Techniczne cechy głównych komponentów​

​1. Wysokonapięciowy wakuomowy kontaktor (komponent operacji i przerwania obwodu FC)​​
Wysokonapięciowy wakuomowy kontaktor to wykonawczy element służący do częstych operacji obwodu i przerwania prądów przeciążeniowych. Jego techniczne cechy są następujące:

• ​Kluczowa struktura:​​
• ​Chambera wakuomowa:​​ Wykorzystuje ceramiczną obudowę z wewnętrznym stopniem próżni wynoszącym 1.33×10⁻⁴ Pa, co gwarantuje skuteczne gaszenie łuku przy pierwszym zerowym przebiegu prądu, umożliwiając bezolejowe i bezobsługowe działanie.
• ​Obudowa izolacyjna i mechanizm zabezpieczający:​​ Zintegrowana z montażami złączami i wyposażona w kluczowy mechanizm zabezpieczający. Ten mechanizm zapewnia: ① Jeżeli złącze w dowolnej fazie się roztopi, natychmiastowo wywołuje jednoczesne wyłączenie trójfazowe kontaktora, zapobiegając jednofazowej pracy; ② Jeżeli złącze w dowolnej fazie nie jest zamontowane, mechanicznie blokuje zamknięcie kontaktora, zapewniając bezpieczeństwo operacji.
• ​Mechanizm działania:​​ Wykorzystuje elektromagnetyczny mechanizm, obsługujący do 2000 otwarć i zamknięć na godzinę, znacznie przekraczając możliwości przełączników.
• ​Zasada działania i przerwania:​​
• ​Zasada przerwania:​​ Wykorzystuje wysoką izolację i mocną zdolność do gaszenia łuku w mediozie wakuowej. Metalowy parowy łuk generowany podczas otwierania jest natychmiastowo gaszony w punkcie zerowego przebiegu prądu, z szybkim odzyskiem dielektrycznego napięcia. Jego prąd cięcia jest poniżej 0.5A, skutecznie hamując nadnapięcia przepustowe, co jest bardzo przyjazne dla izolacji silników.
• ​Sposób utrzymania:​​ Obsługuje zarówno elektryczne samotrzymanie (oszczędzające energię, niskie hałasy) jak i mechaniczne samotrzymanie (wysoka niezawodność, odporność na zakłócenia). Użytkownicy mogą wybrać w zależności od wymagań operacyjnych (np. seria LHJCZR używa mechanicznego samotrzymania).
• ​Kluczowe parametry nominalne:​​

​2. Wysokonapięciowe ograniczające prąd skoczny złącze (komponent ochrony przed krótkim spięciem w obwodzie FC)​​
Wysokonapięciowe ograniczające prąd skoczny złącze służy jako ostateczny element ochrony przed awariami krótkiego spięcia. Jego cechy są następujące:

• ​Kluczowa funkcja:​​ Zapewnia natychmiastową (szybkoprzepustową) ochronę. Gdy wystąpi poważna awaria krótkiego spięcia (prąd przekracza pojemność przerwania kontaktora), jego element rozpuszczalny szybko topi się i przerzuca obwód przed osiągnięciem przez prąd potencjalnego szczytu. Czas przerwania jest niezwykle krótki (poziom milisekund), maksymalnie ograniczając energię prądu awaryjnego i chroniąc urządzenia poniżej przed uszkodzeniem.
• ​Podstawowe zasady wyboru:​​
• ​Napięcie nominalne:​​ Nie może być niższe niż napięcie nominalne systemu, aby zapobiec przekroczeniu przez napięcie przepustowe generowane podczas działania złącza poziomu wytrzymałości izolacji sprzętu (zwykle ograniczone do poniżej 2.5 razy napięcie fazowe).
• ​Prąd nominalny:​​ Wymaga kompleksowej oceny normalnych/przeciążeniowych prądów, charakterystyk impulsu startowego sprzętu (np. prąd startowy silnika, impuls magnetyzacyjny transformatora) oraz zapewnienia selektywnej koordynacji z urządzeniami ochronnymi powyżej (np. relé).
• ​Rola pozycjonowania:​​ Służy jako ochrona zapasowa w obwodzie FC. Normalne przeciążenia i mniejsze prądy krótkiego spięcia są usuwane przez urządzenie ochronne sygnalizujące włączenie wakuomowego kontaktora. Złącze działa tylko, gdy prąd awaryjny przekracza pojemność przerwania kontaktora lub jeśli kontaktor nie działa.

​III. Wskazówki dotyczące wyboru w zależności od chronionego obiektu​

​1. Wybór złącza ochronnego dla silnika​
Prądy startowe silników są wysokie i trwają długo, co wymaga dodatkowej ostrożności przy wyborze, aby uniknąć fałszywych operacji.

• ​Logika koordynacji ochrony:​​
• ​Ochrona przeciw przeciążeniom (np. zacięcie, powtarzane uruchamianie):​​ Realizowana przez relé czasowe, sterujące otwarciem kontaktora.
• ​Ochrona przeciw krótkiemu spięciu:​​ Realizowana przez złącze.
• ​Wymagania dotyczące koordynacji:​​ Prąd nominalny złącza musi być większy niż prąd startowy silnika, a jego krzywa charakterystyki prąd-czas musi przecinać krzywą relé w jednym punkcie, aby osiągnąć idealną koordynację.
• ​Referencja wyboru (fragment):​​

• ​Kluczowy punkt:​​ Im dłuższy czas startu i im wyższa częstotliwość startu, tym większy wymagany prąd nominalny elementu złącza.

​2. Wybór złącza ochronnego dla transformatora​
Wybór musi zapewnić, że złącze jest w stanie wytrzymać impuls magnetyzacyjny transformatora podczas zamykania, jednocześnie zapewniając skuteczną ochronę przed wewnętrznymi awariami.

• ​Referencja wyboru (fragment):​​

​3. Wybór złącza ochronnego dla banku kondensatorów​
Przełączanie banku kondensatorów generuje wysokie częstotliwości i amplitudy impulsu zamykania, co stawia specjalne wymagania przy wyborze złącza.

• ​Specjalne uwagi:​​ Należy zweryfikować, czy złącze jest w stanie wytrzymać energię przepuszczalną (I²t) impulsu zamykania. Wymaganie: Energia przepuszczalna impulsu < 0.7 razy minimalna energia przedarcowania złącza.
• ​Wymagania dotyczące wyboru:​​
• Prąd nominalny zwykle wynosi 1.5~2.0 razy prąd nominalny kondensatora.
• Jeżeli prąd impulsu jest zbyt duży, należy rozważyć: ① Wybór dedykowanych złącz kondensatorowych (np. serii WFN); ② Dodanie szeregowego reaktora ograniczającego prąd z kondensatorem; ③ Dodanie szeregowego rezystora tłumienia w gałęzi.
• ​Zalecenie:​​ Reaktor ograniczający prąd musi być używany, gdy (Szczytowy prąd impulsu * Częstotliwość impulsu) > 20000 lub podczas ekstremalnie częstych operacji.

​IV. Zakres zastosowania i typowe przypadki​

​1. Zakres zastosowania​
Rozwiązanie obwodu FC nie jest uniwersalne. Jego granice zastosowania są następujące:

• ​Wysokonapięciowe silniki:​​ ≤ 1200 kW
• ​Transformatory dystrybucyjne:​​ ≤ 1600 kVA
• ​Banki kondensatorów:​​ ≤ 1200 kvar
  Poza tymi zakresami pojemności należy wybrać rozwiązanie z przełącznikiem wakuomowym o wyższej pojemności przerwania i stabilności dynamicznej/cieplnej, aby zapewnić bezpieczeństwo.

​2. Typowe przypadki weryfikacji​
To rozwiązanie zostało pomyślnie zastosowane w wielu projektach, działając stabilnie i niezawodnie:

• ​Przypadek 1: Fabryka chemiczna, Teksas, USA (częste operacje i środowisko wybuchobezpieczne)​​
• ​Przegląd projektu:​​ Ta duża baza chemiczna wymagała częstego sterowania start-stop wysokonapięciowymi pompami i silnikami sprężarki na wielu liniach produkcyjnych, z wymogami środowiskowymi dotyczącymi wybuchobezpieczności i wysokiej niezawodności.
• ​Wykazane zalety:​​ Częstotliwość 2000 operacji/godzina kontaktora doskonale spełniała potrzeby dostosowania procesu; precyzyjna koordynacja między złączem a relé zapewniała dokładną ochronę przed krótkim spięciem silników podczas częstych startów bez fałszywych operacji; niski prąd cięcia (<0.5A) zapewniany przez chamberę wakuomową skutecznie hamował nadnapięcia przepustowe, chroniąc izolację starszych silników. Całkowite rozwiązanie oszczędziło znaczną inwestycję w porównaniu z przełącznikami wakuomowymi.
• ​Przypadek 2: Fabryka produkcji samochodów, Bawaria, Niemcy (ochrona transformatorów i banków kondensatorów)​​
• ​Przegląd projektu:​​ Nowa inteligentna fabryka wymagała stabilnego, wysokiej jakości zasilania dla licznych systemów servo robotów na automatycznych liniach produkcyjnych, wraz z wieloma suchymi transformatorami dystrybucyjnymi i bankami kondensatorów.
• ​Wykazane zalety:​​ Wybór prądu nominalnego złącza został w pełni uwzględniony charakterystyki impulsu magnetyzacyjnego transformatora, unikając fałszywych operacji podczas zamykania. Dla banków kondensatorów, dedykowane złącza pomyślnie wytrzymały wpływ impulsu zamykania (zweryfikowane I²t). Niski odbijający kontaktora zapewnił przełączanie kondensatorów bez ponownego zapłonu, chroniąc jakość zasilania w sieci.

​V. Podsumowanie zalet rozwiązania​

1. ​Wysoka niezawodność:​​ Chambera wakuomowa jest bezobsługowa z życiem mechanicznym wynoszącym miliony operacji; złącza zapewniają ochronę o czasie rzędu milisekund.
2. ​Wysokie bezpieczeństwo:​​ Mechaniczny mechanizm zabezpieczający zapobiega jednofazowej pracy i zamykaniu z potencjalnymi zagrożeniami; niski prąd cięcia chroni izolację sprzętu.
3. ​Dobra ekonomia:​​ W porównaniu z przełącznikami wakuomowymi, przełączniki FC oferują niższe koszty, mniejsze rozmiary i niezwykle wysoką efektywność kosztów.
4. ​Inteligencja:​​ Kontakitory mogą być bezproblemowo zintegrowane z mikroprocesorowymi urządzeniami ochronnymi, umożliwiając zdalne monitorowanie, inteligentne sterowanie i przesyłanie danych.
5. ​Łatwa konserwacja:​​ Kluczowe komponenty są zaprojektowane do bezobsługowej pracy; po działaniu złącza wymagana jest tylko wymiana elementu złącza o tej samej specyfikacji, co upraszcza operację.