Распределительная система среднего напряжения
До недавнего времени масляные выключатели использовались в больших количествах для системы распределения среднего напряжения во многих распределительных устройствах среднего напряжения. Существует ряд недостатков использования масла в качестве охлаждающей среды в автоматических выключателях. Воспламеняемость и высокая стоимость обслуживания - вот два таких недостатка!
Производители и пользователи были вынуждены искать различные среды тушения. Воздушный взрыв и магнитные воздушные выключатели были разработаны, но не могли выдержать на рынке из-за других недостатков, связанных с такими автоматическими выключателями. Эти новые типы выключателей громоздки и громоздки. Дальнейшие исследования были проведены, и одновременно были разработаны два типа выключателей с SF6 в качестве гасящей среды в одном типе, а Вакуум - в качестве закалочной среды в другом.
Эти два новых типа брейзеров в конечном итоге полностью заменят другие предыдущие типы.
В этом типе выключателей есть несколько недостатков. Одна из основных проблем заключается в том, что пользователь выключателей предвзято относится к старомодным масляным выключателям, и многие из пользователей всегда имеют ступенчатое материнское отношение к новым поколениям выключателей.
Однако со временем это отношение исчезнет, и новый тип выключателей получит свое признание среди пользователей, и в конечном итоге они полностью заменит масляные выключатели. Предпринимается попытка провести сравнение между автоматическими выключателями типа SF6 и вакуумным типом, чтобы выяснить, какой из двух типов превосходит другой.
Теперь мы подробно изучим каждый тип отдельно, прежде чем сравнивать их напрямую.
Вакуумный автоматический выключатель
Выключатель EVOLIS MV
В вакуумном выключателе вакуумные прерыватели используются для взлома и создания токов нагрузки и повреждения. Когда контакты в вакуумном прерывателе отделяются, ток, который должен быть прерван, инициирует разряд дуги пара металла и протекает через плазму до следующего нулевого тока.
Затем дуга гаснет, а проводящие пары металлов конденсируются на металлических поверхностях в течение микросекунды. В результате диэлектрическая прочность в выключателе очень быстро нарастает.
Свойства вакуумного прерывателя во многом зависят от материала и формы контактов. За время их разработки использовались различные типы контактных материалов. В настоящее время считается, что никелевый медный хромовый сплав является лучшим материалом для высоковольтного автоматического выключателя. В этом сплаве хром распределяется через медь в виде мелких зерен.
его материал сочетает в себе хорошую характеристику дуговой пожаротушения с уменьшенной тенденцией к контактной сварке и низким током прерывания при переключении индуктивного тока. Использование этого специального материала состоит в том, что текущий измельчение ограничивается 4-5 А.
При токе под 10KA вакуумная дуга горит как диффузный разряд. При высоких значениях тока дуга изменяется на сжатую форму с анодным пятном. Сжатая дуга, которая слишком долго остается на одном месте, может термически превышать напряжение контактов до такой степени, что деионизация зоны контакта при токе нуля уже не может быть гарантирована. Чтобы преодолеть эту проблему, корень дуги должен быть перемещен по поверхности контакта. Чтобы достичь этого, контакты имеют такую форму, что поток тока через них приводит к установлению магнитного поля, которое находится под прямым углом к оси дуги. Это радиальное поле заставляет корень дуги быстро вращаться вокруг контакта, что приводит к равномерному распределению тепла по его поверхности. Контакты такого типа называются радиальными магнитными полевыми электродами, и они используются в большинстве автоматических выключателей для приложения среднего напряжения.
В вакуумном прерывателе появилась новая конструкция, в которой переключение дуги из диффузии в сжатое состояние путем воздействия дуги на осевое магнитное поле. Такое поле может быть обеспечено за счет прохождения тока дуги через катушку, подходящим образом расположенную вне вакуумной камеры. В качестве альтернативы поле может быть обеспечено путем конструирования контакта для обеспечения требуемого пути контакта. Такие контакты называются аксиальными магнитными полевыми электродами. Этот принцип имеет преимущества, когда ток короткого замыкания превышает 31, 5 KA.
верхний
Газовый автоматический выключатель SF6
Выключатели SF6
В элегазовом выключателе ток продолжает течь после контактного разделения через дугу, в которой плазма состоит из ионизированного газа SF6. Поскольку до тех пор, пока он горит, дуга подвергается постоянному потоку газа, который выделяет тепло из него. Дуга гаснет при нулевом токе, когда тепло извлекается падающим током. Продолжающийся поток газа окончательно деионизирует контактный зазор и устанавливает диэлектрическую прочность, необходимую для предотвращения повторного удара.
Направление потока газа, то есть независимо от того, параллельно ли оно или поперек оси дуги, оказывает решающее влияние на эффективность процесса прерывания дуги. Исследования показали, что осевой поток газа создает турбулентность, которая вызывает интенсивное и непрерывное взаимодействие между газом и плазмой при приближении тока к нулю. Поглощение дуги в газовом потоке обычно достигается на практике путем перемещения дуги в неподвижном газе. Однако этот процесс прерывания приводит к нестабильности дуги и приводит к большим колебаниям прерывистой способности автоматического выключателя.
Для достижения потока газа в осевом направлении к дуге необходимо создать перепад давления вдоль дуги. Первое поколение элегазовых выключателей использовало принцип двух давления пневматического выключателя. Здесь некоторое количество газа хранилось при высоком давлении и выпускалось в камеру дуги. В настоящий момент газ высокого давления и связанный с ним компрессор были устранены конструкцией второго поколения. Здесь перепад давления был создан поршнем, прикрепленным к движущимся контактам, который сжимает газ в небольшом цилиндре при открытии контакта. Недостатком является то, что эта система puffer требует относительно мощного механизма работы.
Ни один из описанных двух типов выключателей не смог конкурировать с масляными выключателями по цене. Основным компонентом затрат автоматического выключателя puffer является рабочий механизм; следовательно, произошли изменения, которые были направлены на сокращение или устранение этого дополнительного стоимостного коэффициента. Эти разработки были сосредоточены на использовании самой энергии дуги для создания непосредственно необходимого перепада давления. Это исследование привело к созданию автоматического выключателя самонажима, в котором избыточное давление создается за счет использования энергии дуги для нагрева газа в контролируемых условиях. На начальных этапах разработки в прерывательном механизме был включен вспомогательный поршень, чтобы обеспечить удовлетворительное нарушение малых токов. Последующие улучшения в этой технологии устранили это требование, и в последних конструкциях рабочий механизм должен обеспечивать только энергию, необходимую для перемещения контактов.
Параллельно с разработкой конструкции самонажатия другие работы привели к отключению автоматического выключателя газа SF6. В этом дизайне дуга вызывает движение, по сути, канцелярский газ. Относительное движение между дугой и газом уже не является осевым, а радиальным, то есть механизмом поперечного потока. Рабочая энергия, требуемая выключателями этой конструкции, также минимальна.
Таблица 1. Характеристики технологий прерывания SF6 и вакуума.
| Выключатели SF6 | Вакуумные автоматические выключатели | ||
| критерии | Автоматический выключатель Puffer | Автоматический выключатель самонажатия | Материал контакта - хром-медь |
| Требования к рабочей энергии | Эксплуатационные требования к энергии являются высокими, поскольку механизм должен обеспечивать энергию, необходимую для сжатия газа. | Эксплуатационные требования к энергии низки, потому что механизм должен перемещаться только относительно небольшими массами на умеренной скорости, на короткие расстояния. Механизм не должен обеспечивать энергию для создания потока газа | Требования к рабочей энергии низки, поскольку механизм должен перемещаться только относительно небольшими массами на умеренной скорости, на очень коротких расстояниях. |
| Энергия дуги | Из-за высокой проводимости дуги в SF6-газе энергия дуги низка. (напряжение дуги составляет от 150 до 200 В.) | Из-за очень низкого напряжения на дуге металлического пара энергия очень низкая. (Напряжение дуги составляет от 50 до 100 В). | |
| Как связаться с Erosion | Из-за низкой энергии контактная эрозия мала. | Из-за очень низкой энергии дуги быстрое перемещение корня дуги над контактом и тот факт, что большая часть пар металла повторно конденсируется на контакте, контактная эрозия чрезвычайно мала. | |
| Огнетушащие средства для дуги | Газообразная среда SF6 обладает превосходными диэлектрическими и дугогасящими свойствами. После выгорания дуги молекулы диссоциированного газа рекомбинируют почти полностью, чтобы реформировать SF6. Это означает, что практически отсутствует потеря / расход охлаждающей среды. Давление газа может быть очень простым и постоянно контролироваться. Эта функция не нужна, когда прерыватели запечатываются на всю жизнь. | Никакой дополнительной огнетушащей среды не требуется. Вакуум при давлении 10-7 бар или менее является почти идеальной огнетушащей средой. Прерыватели «запечатаны на всю жизнь», поэтому контроль вакуума не требуется. | |
| Поведение переключения по отношению к текущему измельчению | Нарастание давления и, следовательно, поток газа не зависят от величины тока. Большие или малые токи охлаждаются с той же интенсивностью. Только небольшие значения высокочастотных, переходных токов, если они есть, будут прерваны. Деионизация контактного зазора протекает очень быстро из-за электроотрицательной характеристики газа SF6 и продуктов дуги. | Нарастание давления и, следовательно, поток газа зависят от величины тока, который должен быть прерван. Большие токи охлаждаются интенсивно, небольшие токи мягко. Высокочастотные переходные токи в общем случае не будут прерваны. Деионизация контактного зазора протекает очень быстро из-за электроотрицательной характеристики газа SF6 и продуктов. | Отсутствие потока «огнетушительной» среды, необходимой для тушения вакуумной дуги. Чрезвычайно быстрая деионизация контактного зазора обеспечивает прерывание всех токов, больших или малых. Высокочастотные переходные токи могут быть прерваны. Величина измельченного тока определяется типом используемого материала контакта. Также присутствует присутствие хрома в контактном сплаве с вакуумом. |
| Количество операций короткого замыкания | 10-50 | 10-50 | 30-100 |
| Нет полной нагрузки | 5000-10000 | 5000-10000 | 10000-20000 |
| Число механических операций | 5000-20000 | 5000-20000 | 10000-30000 |
Сравнение SF6 и вакуумных технологий
Наиболее важные характеристики газовых и вакуумных выключателей SF6, т. Е. Газа SF6 и вакуума в качестве дугогасящих сред, приведены в таблице 1.
В случае автоматического выключателя SF6 прерыватели, достигшие предельного числа операций, могут быть переработаны и восстановлены в состояние «как новое». Однако практический опыт показал, что при нормальных условиях эксплуатации прерыватель SF6 никогда не нуждается в обслуживании на протяжении всего срока службы. По этой причине некоторые изготовители больше не предоставляют возможности для капитального ремонта автоматического выключателя, но приняли проект «герметичный для жизни», как для вакуумного выключателя.
Механизмы работы всех типов автоматических выключателей требуют обслуживания, причем несколько чаще, чем другие, в зависимости от количества энергии, которую они должны обеспечить. Для вакуумного выключателя интервал обслуживания составляет от 10 000 до 20 000 операций. Для конструкций SF6 значение изменяется от 5000 до 20000, в результате чего нижнее значение относится к автоматическому выключателю puffer, для работы которого механизм должен обеспечивать намного больше энергии.
Фактические требования к техническому обслуживанию выключателя зависят от его служебной обязанности, то есть от количества операций в течение определенного периода времени и прерванного значения тока. Основываясь на количестве операций, приведенных в предыдущем разделе, очевидно, что SF6 и вакуумные автоматические выключатели, используемые в системах общественного питания и / или промышленного распределения, при нормальных обстоятельствах никогда не достигнут пределов их суммированного значения тока отключения.
Поэтому необходимость ремонта или замены прерывателя станет редким исключением, и в этом смысле эти автоматические выключатели могут считаться необслуживаемыми. Таким образом, требования к обслуживанию или техобслуживанию ограничиваются обычной очисткой наружных поверхностей и проверкой и смазыванием механизма, включая соединительные муфты и вспомогательные переключатели. В приложениях, требующих очень большого числа операций автоматического выключателя, например, для работы в дуговой печи или часто по конструкции SF6, из-за его более высокой суммарной выходной мощности. В таких случаях рекомендуется рекомендовать оценку затрат на обслуживание выключателя, и их следует включить в оценку наряду с первоначальными капитальными затратами.
верхний
надежность
На практике важным аспектом выбора автоматического выключателя является надежность.
Надежность части оборудования определяется его средним временем до отказа (MTF), то есть средним интервалом времени между отказами. В настоящее время SF6 и вакуумные выключатели используют одни и те же механизмы работы, поэтому в этом отношении их можно считать идентичными.
Однако в отношении их прерывателей два выключателя имеют заметную разницу. Количество движущихся частей выше для автоматического выключателя SF6, чем для вакуумного блока. Однако сравнение надежности двух технологий на основе анализа количества компонентов совершенно различно в отношении дизайна, материала и функций из-за разных сред. Надежность зависит от слишком многих факторов, в том числе от размеров, дизайна, базового материала, методов производства, тестирования и процедур контроля качества, что его можно так просто проанализировать.
В то же время для обоих типов автоматических выключателей имеется достаточный опыт обслуживания, позволяющий сделать допустимое практическое сравнение. Обзор доступных данных о частоте отказов подтверждает отсутствие различий в надежности между двумя типами выключателей. Более того, данные показывают, что обе технологии демонстрируют очень высокую степень надежности при нормальных и ненормальных условиях.
верхний
Переключение токов повреждения
Сегодня все автоматические выключатели от авторитетных производителей спроектированы и испытаны по типу в соответствии с признанными национальными или международными стандартами (IEC56). Это обеспечивает уверенность в том, что эти автоматические выключатели будут надежно прервать все токи повреждения до максимальной их номинальной мощности. Кроме того, оба типа автоматических выключателей в основном способны прерывать токи с высокими компонентами постоянного тока; такие токи могут возникать, когда короткие замыкания происходят вблизи генератора. Соответствующие испытания действительно показали, что отдельные автоматические выключатели обоих типов на самом деле способны прерывать токи повреждения с отсутствующими нулевыми токами, т. Е. Имеют компонент постоянного тока более 100%. В тех случаях, когда такое применение предусмотрено, всегда рекомендуется, чтобы с производителем обращались и предоставляли информацию, необходимую для профессионального мнения.
Что касается напряжения восстановления, которое появляется после прерывания тока повреждения, то вакуумный выключатель может, вообще говоря, регулировать напряжения с значениями RRV до 5 кВ. Выключатели SF6 более ограничены, причем значения находятся в диапазоне от 1 до 2 кВ. В отдельных приложениях, например, в установках с токоограничивающими дросселями или реакторами и т. Д., С автоматическими выключателями SF6 может быть целесообразным или необходимым предпринять шаги для снижения этой скорости нарастания напряжения восстановления переходного процесса.
верхний
Переключение малых индуктивных токов
Термин небольшие индуктивные токи здесь определяются как небольшие значения почти чистых индуктивных токов, например, с незаряженными трансформаторами, двигателем во время начальной фазы или с незагруженными и реакторными катушками. При рассмотрении поведения выключателя, прерывающего такие токи, необходимо провести различие между явлениями переходного процесса высокой частоты и средней частоты.
В переходных процессах средней частоты возникают, среди прочих причин, прерывание тока до достижения его естественного нуля. Все автоматические выключатели могут при переключении токов порядка нескольких сотен ампер и из-за нестабильности дуги измельчать ток непосредственно перед нулевым током.
Это явление называется реальной текущей рубкой. Когда это происходит, энергия, запасенная в индуктивности на стороне нагрузки, колеблется через системную линию до емкостей земли (обмотка и емкость кабеля) и вызывает увеличение напряжения. Эта амплитуда результирующего избыточного напряжения является функцией величины тока, нарезанного. Чем меньше нарезанный ток, тем ниже значение перенапряжения.
В дополнение к типу автоматического выключателя параметры системы в точке установки являются факторами, определяющими высоту измельчающего тока, в частности важная емкость системы, параллельная выключателю. Ток прерывания элегазовых выключателей по существу определяется типом автоматического выключателя. Величина тока прерывания изменяется от 0, 5А до 15А, в результате чего срабатывание автоматического выключателя самонадеянности особенно хорошо, его ток прерывания меньше 3А. Эта «мягкая» функция переключения связана с конкретными характеристиками прерывания механизм самонажатия и свойства самого газа SF6.
В первые годы разработки вакуумного выключателя переключение малых индуктивных токов представляло собой серьезную проблему, в основном из-за использования контактного материала в то время. Введение хром-медных контактов привело к уменьшению тока измельчения до 2-5А. Возможность недопустимого превышения напряжения, возникающего из-за текущего измельчения, была уменьшена до незначительного уровня.
Высокочастотные переходные процессы возникают из-за предварительного или повторного удара дуги через открытый контактный зазор. Если во время операции открытия повышающееся напряжение на контактах открытия превышает электрическую прочность контактного зазора, происходит повторный удар. Высокочастотный переходный ток, возникающий в результате такого повторного удара, может создавать высокочастотные токи тока, вызывающие автоматический выключатель, прерывать снова. Этот процесс может привести к дальнейшему повышению напряжения и дальнейшему повторному удару. Такое явление называют множественным рестрикцией.
При использовании автоматических выключателей, которые могут прерывать высокочастотные переходные токи, повторное поражение может вызвать явление виртуального измельчения тока. Такое возникновение возможно, когда повторный удар в первом фазе-очистке вызывает высокочастотные переходные процессы в двух других фазах, которые по-прежнему несут токи служебной частоты. Наложение этого высокочастотного колебания на ток нагрузки может вызвать кажущийся ток нуль и прерывание с помощью автоматического выключателя, хотя значение тока нагрузки может быть довольно высоким. Это явление называется виртуальным измельчением тока и может привести к тому, что автоматический выключатель «измельчает» значительно более высокие значения тока, чем при нормальных условиях. Результаты виртуального прерывания тока - это чрезмерные напряжения очень высоких значений.
Это явление называется реальной текущей рубкой. Когда это происходит, энергия, хранящаяся в индуктивности на стороне нагрузки, колеблется через системную линию до заземляющих емкостей (обмотка и емкость кабеля) и вызывает увеличение напряжения. Эта амплитуда результирующего избыточного напряжения является функцией величины тока, нарезанного. Чем меньше нарезанный ток, тем ниже значение перенапряжения.
В дополнение к типу автоматического выключателя параметры системы в точке установки являются факторами, определяющими высоту измельчающего тока, в частности важная емкость системы, параллельная выключателю. Ток прерывания элегазовых выключателей по существу определяется типом автоматического выключателя. Величина тока прерывания изменяется от 0, 5А до 15А, в результате чего срабатывает автоматический выключатель самонажима, его ток прерывания меньше 3А. Этот «мягкий» способ переключения обусловлен конкретными характеристиками прерывания механизм самонажатия и свойства самого газа SF6.
В первые годы разработки вакуумного выключателя переключение малых индуктивных токов представляло собой серьезную проблему, в основном из-за использования контактного материала в то время. Введение хром-медных контактов привело к уменьшению тока измельчения до 2-5А. Возможность недопустимого превышения напряжения, возникающего из-за текущего измельчения, была уменьшена до незначительного уровня.
Высокочастотные переходные процессы возникают из-за предварительного или повторного удара дуги через открытый контактный зазор. Если во время операции открытия повышающееся напряжение на контактах открытия превышает диэлектрическую прочность контактного зазора, происходит повторный удар. Высокочастотный переходный ток, возникающий в результате такого повторного удара, может создавать высокочастотные токи тока, вызывающие автоматический выключатель, прерывать снова. Этот процесс может привести к дальнейшему повышению напряжения и дальнейшему повторному удару. Такое явление называется множественным повторным поражением.
При использовании автоматических выключателей, которые могут прерывать высокочастотные переходные токи, повторное поражение может вызвать явление виртуального измельчения тока. Такое возникновение возможно, когда повторный удар в первом фазе-очистке вызывает высокочастотные переходные процессы в двух других фазах, которые по-прежнему несут токи служебной частоты. Наложение этого высокочастотного колебания на ток нагрузки может вызвать кажущийся ток нуль и прерывание с помощью автоматического выключателя, хотя значение тока нагрузки может быть довольно высоким. Это явление называется виртуальным измельчением тока и может привести к тому, что автоматический выключатель «измельчает» значительно более высокие значения тока, чем при нормальных условиях. Результатами виртуального измельчения тока являются сверхвысокие значения очень высоких значений
Таблица 2. Сравнение SF6 и вакуумных технологий применительно к операционным аспектам
| критерии | Выключатель SF6 | Вакуумный автоматический выключатель |
| Суммированный текущий кумулятивный | 10-50 раз номинальный ток короткого замыкания | 30-100 раз номинальный ток короткого замыкания |
| Разрывная емкость прерывателя | 5000-10000 раз | 10000-20000 раз |
| Механический срок службы | 5000-20000 операций CO | 10000-30000 операций СО |
| Никакой операции перед обслуживанием | 5000-20000 операций CO | 10000-30000 операций СО |
| Временной интервал между сервисным механизмом | 5-10 лет | 5-10 лет |
| Расходы на обслуживание | Стоимость труда Высокая, Материальная стоимость Низкая | Низкие затраты на рабочую силу, стоимость материалов Высокая |
| надежность | Высокая | Высокая |
| Диэлектрическая прочность контактного зазора | Высокая | Очень высоко |
Очень обширные испытания показали, что благодаря своим специальным характеристикам самонажимной автоматический выключатель SF6 обладает значительными преимуществами при обработке высокочастотных переходных явлений, по сравнению с фильтром SF6 и вакуумными выключателями. За последние несколько лет было проведено тщательное исследование характеристик вакуумных выключателей в отношении таких явлений, как многократное повторное ударное и виртуальное измельчение тока. Эти исследования показали, что вакуумный автоматический выключатель действительно может вызвать более интенсивное повторное поражение и, следовательно, более острое напряжение, чем другие типы.
Однако они возникают только при весьма специфических переключениях, таких как отключение двигателей во время запуска и даже тогда только с очень низкой статистической вероятностью. Повышенные напряжения, которые создаются в таких случаях, могут быть сведены к безопасным уровням за счет использования дивертеров перенапряжений на основе оксидов металлов.
Таблица3. Сравнение технологий SF6 и вакуумного переключения в отношении переключения приложений
| критерии | Выключатель SF6 | Вакуумный автоматический выключатель |
| Переключение тока короткого замыкания с помощью компонента постоянного тока постоянного тока | Хорошо подходит | Хорошо подходит |
| Переключение тока короткого замыкания с помощью High RRV | Хорошо подходит для определенных условий (RRV> 1-2 кВ за миллисекунду | Очень хорошо подходит |
| Переключение трансформаторов | Хорошо подходит. | Хорошо подходит |
| Переключение реакторов | Хорошо подходит | Хорошо подходит. Шаги, которые необходимо предпринять, когда ток <600А. чтобы избежать перенапряжения из-за текущей измельчения |
| Переключение конденсаторов | Хорошо подходит. Повторный удар | Хорошо подходит. Повторный удар |
| Переключение конденсаторов назад | Подходят. В некоторых случаях ток-ограничивающие реакторы, необходимые для ограничения пускового тока | Подходят. В некоторых случаях ток-ограничивающие реакторы, необходимые для ограничения пускового тока |
| Переключение дуговой печи | Подходит для ограниченной работы | Хорошо подходит. Шаги, которые необходимо предпринять для ограничения перенапряжения. |