Schéma ochrany střídavého obvodu pro pomocný elektrický systém 3~12 kV: Návrh výběr a případové studie

I. Přehled řešení​
Toto řešení má za cíl poskytnout kompletní systém založený na kombinaci vysokonapěťového vakuumového kontaktoru (Kontaktor) a vysokonapěťového proudového omezujícího pojistného (Pojistor). Společně jsou označovány jako FC obvod. Navržen je pro středně napěťové systémy od 3 do 12 kV, zejména pro aplikace vyžadující časté provozní operace, vysokou spolehlivost a nákladovou efektivitu. V FC obvodu se vakuumový kontaktor stará o přepínání běžných a přetížených proudů, stejně jako o časté operace, zatímco vysokonapěťové pojistné poskytuje robustní ochranu před krátkým zapojením. Společně tvoří plně funkční, vysokovýkonné ochranné a kontrolní jednotky.

​II. Charakteristiky klíčových komponent​
Hlavní výhoda FC obvodu spočívá v vynikajících vlastnostech a přesné koordinaci jeho dvou klíčových komponent.

​​(I) Vysokonapěťový vakuumový kontaktor (Komponenta pro provoz a přerušování přetížení)​​
Jako operační jádro obvodu vakuumový kontaktor disponuje následujícími charakteristikami:

1. ​Pokročilá konstrukce a princip přerušování:​​
• Obsahuje vakuumovou přerušovací komoru (vakuum až 1,33×10⁻⁴ Pa) s hlavními styky uzavřenými v keramickém obalu. Během otevírání se pohyblivé a pevné styky rychle oddělí, využívají rychlé kondenzace kovové páry v okamžiku nulového průchodu proudu, aby efektivně uhasily oblouk a obnovily izolační sílu.
• Vybaven mechanismem propojeného vypnutí, který zajistí vypnutí při roztavení jednoho fázového pojistného, zabráňuje provozu bez jedné fáze a obsahuje funkci prevence špatného zapnutí, pokud jsou pojistné nezavedeny.
• Velmi nízký proud přerušení (≤0,5A), což efektivně potlačuje přepínací přepětí a chrání izolaci induktivních zátěží, jako jsou motory.
2. ​Vysokospolehlivý provozní mechanismus:​​
• Využívá elektromagnetický provozní mechanismus schopný frekvencí přepínání až 2 000 operací za hodinu, což splňuje nejvyžadovanější požadavky na časté operace.
• K dispozici jsou flexibilní metody držení: Elektrické samo-držení (drženo držicím cívkem po zapnutí, s nízkým spotřebou energie) a mechanické samo-držení (např. série LHJCZR, mechanicky zajištěno po zapnutí, nevyžaduje nepřetržitý zdroj napájení) pro různé kontroly potřeb.
• Silná kompatibilita s kontroly zdroji napájení, podporující DC/AC 110V/220V.
3. ​Vynikající nominální parametry a životnost:​​
• Klíčové elektrické parametry:

• Prodloužená životnost: Elektrický život až 300 000 operací a mechanický život až 1 000 000 operací, což výrazně snižuje úsilí na údržbu a náklady na životní cyklus.
• Dedikované vakuumové přerušovací komory: Např. typ TJC 12/630, s nízkými ztrátami, nízkými vlnami, vysokou odolností proti opotřebení a odporem styku ≤60 μΩ.

​​(II) Vysokonapěťové proudové omezující pojistné (Komponenta pro ochranu před krátkým zapojením)​​
Jako jádro ochrany před krátkým zapojením v obvodu je jeho výběr a použití klíčové.

1. ​Funkční princip:​​ Pokud proud překročí určitou hodnotu po určitou dobu, element pojistného okamžitě roztaví a přeruší závadný proud. Jeho klíčovou charakteristikou je, že čím větší je přerušovaný proud, tím kratší je doba reakce, což poskytuje silnou schopnost omezování proudu.
2. ​Zásady výběru:​​
• Nominální napětí: Musí být aspoň tak velké jako nominální napětí systému; může být mírně vyšší, ale nikdy nižší.
• Nominální proud: Musí se komplexně zohlednit běžný pracovní proud, přetížení a charakteristiky spouštění zařízení (např. spouštěcí proud motoru a doba). Jako záložní ochrana funguje pouze tehdy, pokud závadný proud překročí přerušovací kapacitu kontaktoru nebo pokud kontaktor nefunguje.
3. ​Koordinace ochrany s různými zařízeními:​​
• Vysokonapěťové motory (≤1200 kW): Pojistné musí odolat startovacímu proudu motoru, zatímco přetížení je zajištěno komplexním ochranným relé. Ujistěte se, že časovo-proudová charakteristika pojistného správně protíná křivku relé, aby byla dosažena rozdělení ochrany.
• Příklad: Pro 250 kW motor s startovací dobou 6s a startovacím proudem 220A je vhodný element pojistného 100A (pro 2-3 starty za hodinu).
• Transformátory (≤1600 kVA): Pojistné musí odolat strmosti při zapínání a trvalému přetížení. Výběr je přímo založen na nominální kapacitě a napěťové hladině transformátoru.
• Příklad: Pro 10 kV/800 kVA transformátor je vhodné pojistné 80A.
• Kondenzátorové bance (≤1200 kvar): Musí odolat strmosti při přepínání a jejich propustná energie musí být menší než odolnost kondenzátoru. Nominální proud je obvykle 1,5–2 násobek nominálního proudu kondenzátoru. Pro aplikace s nadměrnou strmostí nebo častým přepínáním se doporučují sériové reaktory.

​III. Rozsah použití a typické případy​

​​(I) Rozsah použití​

• ​Doporučené scénáře:​​
• Ochranné a kontrolní obvody pro transformátory až 1600 kVA v průmyslových závodech.
• Časté startování a ochranné obvody pro vysokonapěťové motory až 1200 kW.
• Přepínací obvody pro kondenzátorové bance až 1200 kvar.
• ​Nedoporučené scénáře:​​ Pro zátěže přesahující výše uvedené kapacity je nutné použít panely s vakuumovými vypínači.

​​(II) Úspěšné případy​
Řešení FC obvod bylo široce použito v mnoha projektách elektráren, s prokázanou spolehlivostí:

1. ​Tepelná elektrárna:​​ Použito 8 panelů s vakuumovými vypínači + 36 panelů FC. Mezi nimi ochraňují motory kontaktory LHJCZR s pojistnými WFNHO, zatímco transformátory jsou chráněny pojistnými XRNT.
2. ​Elektrárna:​​ Použito 10 panelů s vakuumovými vypínači + 36 panelů FC (21 pro ochranu motorů, 12 pro ochranu transformátorů a 3 pro ochranu kondenzátorů).

​IV. Výhody řešení a závěr​
Toto řešení FC obvod integruje dvojitou výhodu vakuumových kontaktorů a proudových omezujících pojistných, nabízející následující klíčové výhody:

1. ​Nákladová efektivita:​​ Značně nižší investiční náklady oproti panelům s vakuumovými vypínači, nabízející vysokou cenovou hodnotu.
2. ​Specializované výkon:​​ Kontaktory excelují v častých operacích a přerušování přetížení, zatímco pojistné excelují v rychlém přerušování vysokých závadních proudů, zajišťují jasnou dělení práce a vynikající ochranu.
3. ​Bezpečnost a spolehlivost:​​ Extrémně krátká doba přerušování krátkého zapojení (milisekundové úrovni), vynikající charakteristiky omezování proudu a efektivní ochrana systémového zařízení. Mechanismus propojeného vypnutí brání provozu bez jedné fáze.
4. ​Údržbové volné a dlouhé životnosti:​​ Vakuumové přerušovací komory jsou údržbové volné, s elektrickou a mechanickou životností až milion operací, což výrazně snižuje náklady na životní cyklus.
5. ​Kompaktní a flexibilní design:​​ Kompaktní struktura šetří prostor pro instalaci. Vysoká univerzálnost umožňuje výměnu mezi podobnými produkty, usnadňuje údržbu a správu náhradních dílů.

​Závěr:​​ FC obvod je ideální volbou pro ochranu malých a středních kapacit transformátorů, motorů a kondenzátorů v průmyslových elektrických systémech, jako jsou elektrárny, petrochemie a hutnictví. Toto řešení je technologicky zralé, rozsáhle ověřené a nabízí vynikající výhody, což z něj dělá nejlepší praxi pro vyvážení výkonu, nákladů a spolehlivosti. Pro aplikace přesahující jeho kapacitní rozsah se doporučují řešení s vakuumovými vypínači.