طرح حفاظتی مدار FC برای سیستم تغذیه کمکی ۳~۱۲kV: طراحی، انتخاب و موارد استفاده

I. مروری بر راه‌حل​
این راه‌حل هدف دارد که یک سیستم کامل بر اساس ترکیب یک کنتاکتور خلاء فشار بالا (Contactor) و یک بیمه محدودکننده جریان فشار بالا (Fuse) ارائه دهد، که به طور جمعی مدار FC نامیده می‌شود. این سیستم برای سیستم‌های متوسط فشار در محدوده ۳ تا ۱۲ kV طراحی شده است و به ویژه برای کاربردهایی مناسب است که نیاز به عملکرد مداوم، قابلیت اطمینان بالا و اقتصادی بودن دارند. در مدار FC، کنتاکتور خلاء جریان‌های عادی و بیش از حد و عملیات مداوم را مدیریت می‌کند، در حالی که بیمه فشار بالا محافظت قوی در برابر کوتاه‌شدن را ارائه می‌دهد. با هم، آنها یک واحد محافظت و کنترل کاملاً عملکردی و با عملکرد بالا تشکیل می‌دهند.

​II. مشخصات اجزای اصلی​
مزیت اصلی مدار FC در عملکرد بسیار خوب و هماهنگی دقیق دو جزء کلیدی آن است.

​​(I) کنتاکتور خلاء فشار بالا (جزء عملیاتی و محدودکننده بیش از حد)​​
به عنوان هسته عملیاتی مدار، کنتاکتور خلاء ویژگی‌های زیر را دارد:

1. ​ساختار پیشرفته و اصول قطع:​​
• دارای یک حجره قطع خلاء (سطح خلاء تا ۱.۳۳×۱۰⁻⁴ Pa) با تماس‌های اصلی آن در یک پوشش سرامیکی محصور شده است. در زمان باز شدن، تماس‌های متحرک و ثابت به سرعت جدا می‌شوند و با استفاده از تبخیر سریع بخار فلز در نقطه صفر جریان، به طور موثر قوس الکتریکی را خاموش می‌کند و قدرت عایق را بازیابی می‌کند.
• جهت اطمینان از قطع در صورت ذوب یک فاز بیمه، مجهز به مکانیسم پیوندی است که عملیات بدون فاز را جلوگیری می‌کند و شامل عملکرد جلوگیری از بسته شدن غیرصحیح در صورت عدم نصب بیمه است.
• جریان قطع بسیار کم (≤۰.۵A)، که به طور موثر از ولتاژهای اضافی تغییر وضعیت محافظت می‌کند و عایق بارهای القایی مانند موتورها را محافظت می‌کند.
2. ​مکانیسم عملکرد با قابلیت اطمینان بالا:​​
• از یک مکانیسم عملکرد الکترومغناطیسی استفاده می‌کند که قادر به تغییر فرکانس تا ۲,۰۰۰ عملیات در ساعت است، که نیازهای بسیار سختگیرانه عملیات مداوم را برآورده می‌کند.
• روش‌های نگهداری انعطاف‌پذیر: نگهداری الکتریکی خودکار (با استفاده از سیم پیچ نگهداری پس از بسته شدن، با مصرف انرژی کم) و نگهداری مکانیکی خودکار (مانند سری LHJCZR، پس از بسته شدن مکانیکی قفل می‌شود و نیاز به تأمین برق مداوم ندارد) برای تطبیق با نیازهای مختلف کنترل موجود است.
• همگرایی قوی با منابع تغذیه کنترل، که حمایت از DC/AC ۱۱۰V/۲۲۰V را فراهم می‌کند.
3. ​پارامترهای نرخی عالی و طول عمر:​​
• پارامترهای الکتریکی کلیدی:

• طول عمر طولانی: طول عمر الکتریکی تا ۳۰۰,۰۰۰ عملیات و طول عمر مکانیکی تا ۱,۰۰۰,۰۰۰ عملیات، که به طور قابل توجهی نیاز به نگهداری و هزینه‌های چرخه حیات را کاهش می‌دهد.
• حجره‌های قطع خلاء اختصاصی: مانند نوع TJC ۱۲/۶۳۰، با ویژگی‌های ضرر کم، افزایش کم، مقاومت بالا در برابر سایش و مقاومت تماس ≤۶۰ μΩ.

​​(II) بیمه محدودکننده جریان فشار بالا (جزء محافظت در برابر کوتاه‌شدن)​​
به عنوان هسته محافظت در برابر کوتاه‌شدن در مدار، انتخاب و کاربرد آن بسیار مهم است.

1. ​اصول عملکرد:​​ هنگامی که جریان برای مدت زمان مشخصی از مقدار مشخصی بیشتر شود، عنصر بیمه به طور فوری ذوب می‌شود و جریان خطای را قطع می‌کند. ویژگی کلیدی آن این است که هرچه جریان قطع شونده بزرگ‌تر باشد، زمان عملکرد کوتاه‌تر است و قابلیت محدودکنندگی جریان قوی را فراهم می‌کند.
2. ​اصول انتخاب:​​
• ولتاژ نامی: باید حداقل برابر با ولتاژ نامی سیستم باشد؛ می‌تواند کمی بالاتر باشد اما هرگز کمتر نباشد.
• جریان نامی: باید به طور جامع جریان عملیاتی عادی، جریان بیش از حد و ویژگی‌های شروع تجهیزات (مانند جریان شروع موتور و زمان) را در نظر بگیرد. به عنوان یک محافظ پشتیبان، فقط زمانی که جریان خطای از ظرفیت قطع کنتاکتور یا در صورت عدم عملکرد کنتاکتور بیشتر باشد عمل می‌کند.
3. ​هماهنگی محافظت با تجهیزات مختلف:​​
• موتورهای فشار بالا (≤۱۲۰۰ kW): بیمه باید جریان شروع موتور را تحمل کند، در حالی که محافظت بیش از حد توسط یک رله محافظت جامع انجام می‌شود. باید مطمئن شد که منحنی مشخصه زمان-جریان بیمه به درستی با منحنی رله تقاطع داشته باشد تا تقسیم محافظت انجام شود.
• مثال: برای یک موتور ۲۵۰ kW با زمان شروع ۶s و جریان شروع ۲۲۰A، عنصر بیمه ۱۰۰A مناسب است (برای ۲-۳ شروع در ساعت).
• ترانسفورماتورها (≤۱۶۰۰ kVA): بیمه باید جریان‌های تخلیه در زمان تغذیه و جریان‌های بیش از حد مداوم را تحمل کند. انتخاب مستقیماً بر اساس ظرفیت و ولتاژ نامی ترانسفورماتور انجام می‌شود.
• مثال: برای یک ترانسفورماتور ۱۰ kV/۸۰۰ kVA، بیمه ۸۰A مناسب است.
• بانک‌های خازنه (≤۱۲۰۰ kvar): باید جریان‌های تخلیه در زمان تغذیه را تحمل کند و انرژی عبوری آن باید کمتر از توان تحمل خازنه باشد. جریان نامی معمولاً ۱.۵-۲ برابر جریان نامی خازنه است. برای کاربردهایی با جریان‌های تخلیه بیش از حد یا تغییر مداوم، استفاده از راکتورهای سری توصیه می‌شود.

​III. محدوده کاربرد و موارد موفق​

​​(I) محدوده کاربرد​

• ​سناریوهای مناسب:​​
• مدارهای محافظت و کنترل ترانسفورماتورهای تا ۱۶۰۰ kVA در کارخانجات صنعتی.
• مدارهای شروع مداوم و محافظت از موتورهای فشار بالا تا ۱۲۰۰ kW.
• مدارهای تغذیه بانک‌های خازنه تا ۱۲۰۰ kvar.
• ​سناریوهای نامناسب:​​ برای بارهایی که ظرفیت آن‌ها از موارد فوق بیشتر است، باید از پنل‌های قطع کننده خلاء استفاده شود.

​​(II) موارد موفق​
راه‌حل مدار FC در پروژه‌های بسیاری از نیروگاه‌ها به طور گسترده‌ای استفاده شده و قابلیت اطمینان آن ثابت شده است:

1. ​نیروگاه حرارتی:​​ ۸ پنل قطع کننده خلاء + ۳۶ پنل FC. در آن، کنتاکتورهای LHJCZR با بیمه‌های WFNHO موتورها را محافظت می‌کنند، در حالی که بیمه‌های XRNT ترانسفورماتورها را محافظت می‌کنند.
2. ​نیروگاه:​​ ۱۰ پنل قطع کننده خلاء + ۳۶ پنل FC (۲۱ برای محافظت موتور، ۱۲ برای محافظت ترانسفورماتور و ۳ برای محافظت خازنه).

​IV. مزایای راه‌حل و نتیجه‌گیری​
این راه‌حل مدار FC مزایای دوگانه کنتاکتورهای خلاء و بیمه‌های محدودکننده جریان را ترکیب می‌کند و مزایای اصلی زیر را ارائه می‌دهد:

1. ​اقتصادی بودن:​​ هزینه سرمایه‌گذاری به طور قابل توجهی کمتر از پنل‌های قطع کننده خلاء است و نسبت قیمت-عملکرد بالایی دارد.
2. ​عملکرد تخصصی:​​ کنتاکتورها در عملیات مداوم و قطع جریان بیش از حد ماهر هستند، در حالی که بیمه‌ها در قطع سریع جریان‌های کوتاه‌شدن بالا ماهر هستند، که اطمینان می‌دهد که تقسیم کار به طور واضح انجام شده و محافظت بهتری ارائه می‌شود.
3. ​امنیت و قابلیت اطمینان:​​ زمان قطع کوتاه‌شدن بسیار کوتاه (سطح میلی‌ثانیه)، مشخصه‌های محدودکنندگی جریان بسیار خوب و محافظت مؤثر از تجهیزات سیستم. مکانیسم پیوندی جلوگیری از عملیات بدون فاز را فراهم می‌کند.
4. ​بدون نیاز به نگهداری و طول عمر طولانی:​​ حجره‌های قطع خلاء بدون نیاز به نگهداری هستند و طول عمر الکتریکی و مکانیکی تا یک میلیون عملیات دارند، که به طور قابل توجهی هزینه‌های چرخه حیات را کاهش می‌دهد.
5. ​طراحی فشرده و انعطاف‌پذیر:​​ ساختار فشرده فضای نصب را صرفه‌جویی می‌کند. انعطاف‌پذیری بالا امکان تعویض بین محصولات مشابه را فراهم می‌کند و نگهداری و مدیریت قطعات یدکی را تسهیل می‌کند.

​نتیجه‌گیری:​​ مدار FC یک انتخاب ایده‌آل برای محافظت از ترانسفورماتورهای کوچک تا متوسط، موتورها و خازنه‌ها در سیستم‌های برق صنعتی مانند نیروگاه‌ها، پتروشیمی و متالورژی است. این راه‌حل از نظر فناوری رسیدگی شده است، به طور گسترده‌ای اعتبارسنجی شده و مزایای برجسته‌ای دارد و بهترین عملکرد برای توازن بین عملکرد، هزینه و قابلیت اطمینان است. برای کاربردهایی که ظرفیت آن‌ها از محدوده این راه‌حل بیشتر است، از راه‌حل‌های قطع کننده خلاء توصیه می‌شود.