مدارشکن های خلاء ولتاژ متوسط ​​چگونه از سیستم های توزیع برق مدرن محافظت می کنند؟

مدار شکن خلاء ولتاژ متوسط چیست؟

A مدارشکن خلاء ولتاژ متوسط (MV VCB) یک سوئیچینگ و وسیله حفاظتی الکتریکی است که برای ایجاد، حمل و قطع جریان های الکتریکی در شرایط عملیاتی معمولی و شرایط خطا در سیستم های توزیع برق که در محدوده ولتاژ متوسط کار می کنند - معمولاً به عنوان 1 کیلو ولت تا 52 کیلو ولت تعریف می شود و رایج ترین کاربردها بین 3.6 کیلو ولت و 40.5 کیلو ولت است. مشخصه بارز این نوع شکن استفاده از یک قطع کننده خلاء به عنوان رسانه خاموش کننده قوس است. هنگامی که کنتاکت های شکن تحت بار یا جریان خطا از هم جدا می شوند، قوس الکتریکی حاصل کشیده می شود و در داخل یک پوشش خلاء مهر و موم شده خاموش می شود، جایی که عدم وجود مولکول های گاز مانع از حفظ قوس فراتر از اولین عبور جریان طبیعی از صفر از شکل موج AC می شود.

قطع کننده های مدار خلاء ولتاژ متوسط ​​به فناوری قطعی غالب در محدوده 3.6 کیلوولت تا 40.5 کیلو ولت در سطح جهانی تبدیل شده اند، که به دلیل ترکیبی از عملکرد وقفه برتر، ابعاد فیزیکی فشرده، حداقل نیازهای ایمنی محیطی، عمر طولانی نگهداری، حداقل نیازهای محیطی، عمر طولانی و عمر طولانی، فناوری های قبلی مانند قطع کننده های روغن، قطع کننده های مدار انفجار هوا و قطع کننده های مدار گاز SF6 را تا حد زیادی جابجا کرده است. آنها در پست‌های برق، تابلو برق توزیع صنعتی، مراکز کنترل موتور، سیستم‌های جمع‌آوری نیروی بادی و خورشیدی، شبکه‌های کششی راه‌آهن، عملیات معدن، و مجموعه‌های تابلو برق ولتاژ متوسط ​​مرکز داده در سراسر جهان یافت می‌شوند.

چگونه اصل وقفه خلاء کار می کند

اصل عملکرد یک مدارشکن خلاء اساساً با فناوری های قطع کننده گاز یا نفت متفاوت است. در داخل هر قطع کننده خلاء - یکی در هر فاز - یک جفت کنتاکت الکتریکی در یک پاکت سرامیکی یا شیشه ای مهر و موم شده قرار می گیرد که با فشار تقریباً 10-3 تا 10-6 Pa تخلیه می شود. این سطح خلاء شدید به این معنی است که عملاً هیچ مولکول گازی وجود ندارد که پس از قطع جریان در قوس الکتریکی ایجاد شود.

هنگامی که بریکر سیگنال قطع را دریافت می کند و کنتاکت متحرک شروع به جدا شدن از کنتاکت ثابت می کند، جریانی که بین آنها می گذرد یک قوس فلزی پرانرژی متشکل از بخار فلز یونیزه شده بخار شده از خود سطوح تماس ایجاد می کند. این پلاسمای بخار فلزی جریان را هدایت می کند و قوس را در طول نیم چرخه تا زمانی که جریان AC به طور طبیعی از صفر عبور کند حفظ می کند. در جریان صفر، پلاسمای قوس به سرعت یونیزه می‌شود و بخار فلز در عرض میکروثانیه به سطوح تماس و سپر فلزی اطراف متراکم می‌شود - بسیار سریع‌تر از هر محیط مبتنی بر گاز که بتواند قدرت دی‌الکتریک خود را بازیابی کند. سپس شکاف خلاء در برابر ولتاژ بازیابی گذرا (TRV) تحمیل شده توسط سیستم مقاومت می کند و وقفه کامل می شود. کل این فرآیند از جداسازی تماس تا قطع موفقیت‌آمیز معمولاً در یک تا دو نیم سیکل فرکانس برق اتفاق می‌افتد و قطع کننده‌های مدار خلاء را در میان سریع‌ترین دستگاه‌های سوئیچینگ با وقفه در ولتاژ متوسط ​​در دسترس قرار می‌دهد.

اجزای کلیدی یک مدارشکن خلاء ولتاژ متوسط

درک معماری داخلی MV VCB به مهندسان و پرسنل تعمیر و نگهداری کمک می کند تا از عوامل طراحی که عملکرد، قابلیت اطمینان و عمر سرویس را تعیین می کنند، قدردانی کنند. اجزای اصلی شامل:

• قطع کننده خلاء (VI): محفظه قطع کننده مهر و موم شده حاوی کنتاکت های ثابت و متحرک، محافظ قوس فلزی و مجموعه دم. دم یک غشای فلزی انعطاف پذیر است که به تماس متحرک اجازه می دهد در حین عملیات باز و بسته شدن حرکت کند و در عین حال مهر و موم خلاء هرمتیک را حفظ کند. ماده تماس - معمولاً یک آلیاژ مس - کروم (CuCr) - به دلیل توانایی آن در مقاومت در برابر چرخه های قوس مکرر بدون فرسایش بیش از حد یا جوشکاری تماسی انتخاب می شود.
• مکانیسم عملیاتی: این مکانیسم انرژی مکانیکی مورد نیاز برای باز و بسته کردن کنتاکت ها را با سرعت های کنترل شده ای که برای قطع قابل اطمینان لازم است ذخیره و آزاد می کند. مکانیزم‌های فنری بیشترین استفاده را دارند و از فنرهای باردار بسته و بازکننده استفاده می‌کنند که سرعت تماس دقیق و ثابتی را مستقل از تغییرات ولتاژ منبع تغذیه ارائه می‌دهند. مکانیسم‌های محرک مغناطیسی، که از یک آهنربای دائمی و سیم‌پیچ الکترومغناطیسی برای نگه‌داشتن و آزاد کردن کنتاکت‌ها استفاده می‌کنند، به‌طور فزاینده‌ای به عنوان یک جایگزین بدون نیاز به تعمیر و نگهداری با تعداد اجزای مکانیکی کمتر در دسترس هستند.
• ساختار پشتیبانی عایق: چارچوبی که از قطع کننده های خلاء و هادی های حامل جریان پشتیبانی می کند و در عین حال ایزوله الکتریکی بین فازها و بین قطعات برق دار و قاب قطع کننده زمین را فراهم می کند. مواد شامل رزین اپوکسی تقویت شده با الیاف شیشه، اپوکسی ریخته گری و پرسلن هستند که بر اساس کلاس ولتاژ، نیازهای فاصله خزش و شرایط محیطی انتخاب می شوند.
• هادی ها و پایانه های حامل جریان: ترمینال های بالا و پایین ثابت که قطع کننده را به شینه تابلو و مدارهای کابل متصل می کند. این هادی ها باید جریان پیوسته نامی را بدون افزایش بیش از حد دما حمل کنند و باید نیروهای الکترومغناطیسی تولید شده در جریان جریان های اتصال کوتاه را تحمل کنند - که می تواند در سیستم های با سطح خطای بالا به ده ها هزار آمپر برسد.
• مدارهای کنترل و کمکی: سیم‌کشی ولتاژ پایین، کنتاکت‌های کمکی، سیم‌پیچ‌های تریپ، سیم‌پیچ‌های بسته‌کننده و رله‌های ضد پمپ که مکانیسم شکن را با رله‌های حفاظتی، سیستم‌های اسکادا و طرح‌های قفل‌کننده متصل می‌کنند. این مدارها برای تصحیح عملکرد قطع کننده حیاتی هستند و کانون مشترک تست راه اندازی و بازرسی نگهداری پیشگیرانه هستند.

ویژگی های رتبه بندی شده و پارامترهای فنی کلیدی

تعیین یک مدارشکن خلاء ولتاژ متوسط نیازمند درک کامل پارامترهای الکتریکی نامی است که پوشش عملکرد آن را مشخص می کند. این رتبه‌بندی‌ها توسط استانداردهای بین‌المللی از جمله IEC 62271-100 و IEEE C37.04/C37.09 ایجاد شده‌اند که روش‌های تست و الزامات عملکرد را برای قطع کننده‌های مدار ولتاژ بالا AC تعریف می‌کنند. مهمترین پارامترها در زیر خلاصه می شوند:

مزیت ها نسبت به سایر فناوری های قطع کننده ولتاژ متوسط

پذیرش گسترده فناوری خلاء در محدوده ولتاژ متوسط به دلیل مجموعه واضحی از عملکرد و مزایای عملیاتی در مقایسه با فن‌آوری‌های SF6، روغن و انفجار هوا است که تا حد زیادی در تاسیسات جدید جایگزین شده است:

• ایمنی محیط زیست: قطع کننده های خلاء فاقد گازهای عایق، روغن یا سایر مواد خطرناک برای محیط زیست هستند. در مقابل، کلیدهای مدار گاز SF6 از هگزا فلوراید گوگرد استفاده می کنند - یک گاز گلخانه ای با پتانسیل گرمایش جهانی تقریباً 23500 برابر بیشتر از CO2 - که در بسیاری از حوزه های قضایی با محدودیت های نظارتی فزاینده ای مواجه است. فناوری خلاء این مسئولیت زیست محیطی را به طور کامل حذف می کند.
• نیازهای تعمیر و نگهداری کم: قطع کننده خلاء مهر و موم شده در طول عمر طراحی خود نیازی به تعمیر و نگهداری ندارد - فشار گازی برای نظارت، روغنی برای نمونه برداری یا جایگزینی وجود ندارد، و هیچ محیط خاموش کننده قوس برای دوباره پر کردن وجود ندارد. تعمیر و نگهداری معمول به روانکاری مکانیسم، بازرسی مدار کمکی، اندازه گیری فرسایش تماسی از طریق اندازه گیری سفر با تماس، و آزمایش عملکردی، معمولاً در یک چرخه 5 تا 10 ساله بسته به تعداد عملیات انجام شده، محدود می شود.
• ابعاد فیزیکی فشرده: قابلیت خاموش کردن قوس کارآمد در محیط خلاء در مقایسه با فاصله های بسیار بزرگتر مورد نیاز در قطع کننده های هوا یا SF6، شکاف های تماس بسیار کوتاه -معمولاً 8 تا 20 میلی متر بسته به کلاس ولتاژ- را امکان پذیر می کند. این منجر به ابعاد شکن به طور قابل توجهی فشرده تر می شود و طراحی تابلو برق با چگالی بالا را با کاهش ردپای کلی پست امکان پذیر می کند.
• عمر طولانی خدمات: قطع کننده های خلاء با کیفیت بالا برای استقامت مکانیکی 30000 عملیات و عمر مفید بیش از 25 سال در شرایط عملیاتی عادی طراحی شده اند. فرسایش تماسی در هر وقفه بسیار کم است - معمولاً چند میکرومتر در هر وقفه بار کامل - این امکان را فراهم می کند که استقامت الکتریکی نامی با حداقل مصرف مواد تماس حاصل شود.
• سرعت قطع سریع: خاموش شدن قوس خلاء در اولین جریان صفر پس از جداسازی تماس منجر به زمان‌های پاکسازی کلی بین 40 تا 80 میلی‌ثانیه می‌شود - به اندازه‌ای سریع که انرژی خطا را محدود کرده و استرس مکانیکی و حرارتی روی کابل‌ها، ترانسفورماتورها و سایر اجزای سیستم را در پایین دست بریکر کاهش دهد.

یکپارچه سازی دنده سوئیچ: طرح های قابل برداشت در مقابل طرح های نصب شده ثابت

قطع کننده های مدار خلاء ولتاژ متوسط در مجموعه های تابلو برق محصور شده فلزی در دو پیکربندی اصلی نصب می شوند: قابل برداشت (که به آن کشش نیز می گویند) و نصب شده ثابت. انتخاب بین این پیکربندی ها پیامدهای قابل توجهی برای دسترسی تعمیر و نگهداری، انعطاف پذیری عملیاتی و هزینه کلی نصب تابلو برق دارد.

پیکربندی قابل برداشت (Drawout).

در طراحی تابلو برق قابل برداشت، ماژول قطع کننده مدار بر روی کالسکه یا کامیونی نصب می شود که می تواند بدون قطع برق شین، به صورت فیزیکی از پانل تابلو برق به حالت قطع یا تست خارج شود. این طراحی اجازه می دهد تا قطع کننده برای بازرسی، تعمیر و نگهداری یا جایگزینی حذف شود، در حالی که تابلو برق روی پانل های مجاور باقی می ماند - یک مزیت عملیاتی حیاتی در تاسیساتی که نمی توانند به طور کامل خاموش شوند. طرح‌های قابل برداشت استاندارد برای اکثر تابلو برق‌های صنعتی و صنعتی در محدوده ۱۲ کیلوولت تا ۴۰.۵ کیلوولت هستند و در اکثر تاسیسات جدید تابلو برق فشار متوسط ​​در سطح جهانی مشخص شده‌اند.

پیکربندی ثابت نصب شده

قطع کننده های مدار جاروبرقی ثابت به طور دائم به تابلوی تابلو وصل می شوند و بدون جدا کردن شینه ها و کابل های مربوطه نمی توان آنها را خارج کرد. این طراحی منجر به یک تابلوی کلید ساده‌تر، فشرده‌تر و کم‌هزینه‌تر می‌شود، اما نیاز به قطع کامل مدار آسیب‌دیده برای تعمیر و نگهداری یا تعویض قطع کننده دارد. طرح‌های ثابت معمولاً در واحدهای اصلی حلقه (RMU)، پست‌های ثانویه فشرده و برنامه‌های اتوماسیون توزیع استفاده می‌شوند که در آن سادگی و صرفه‌جویی در هزینه بر انعطاف‌پذیری عملیاتی یک طرح قابل برداشت بیشتر است.

معیارهای انتخاب برای تعیین مدار شکن خلاء MV مناسب

انتخاب یک قطع کننده مدار خلاء ولتاژ متوسط برای یک کاربرد خاص نیاز به ارزیابی سیستماتیک پارامترهای سیستم الکتریکی، شرایط محیطی، الزامات عملیاتی و استانداردهای قابل اجرا دارد. معیارهای زیر باید در هر فرآیند مشخصات مورد توجه قرار گیرند:

• ولتاژ سیستم و سطح عایق: ولتاژ نامی بریکر باید حداکثر ولتاژ عملیاتی سیستم را برآورده کند یا از آن فراتر رود، و ولتاژ تحمل فرکانس توان نامی و ولتاژ مقاومت در برابر ضربه صاعقه (BIL) باید برای مواجهه با اضافه ولتاژ سیستم و الزامات هماهنگی عایق مناسب باشد.
• سطح خطا در نقطه نصب: جریان اتصال کوتاه احتمالی در محل نصب بریکر - محاسبه شده از امپدانس سیستم و رتبه بندی ترانسفورماتور - نباید از جریان قطع نامی قطع کننده اتصال کوتاه تجاوز کند. افزودن یک حاشیه بالاتر از سطح خطای محاسبه شده برای تطبیق تغییرات سیستم در آینده که ممکن است سطوح خطا را افزایش دهد، توصیه می شود.
• رتبه‌بندی جریان پیوسته: جریان نرمال نامی باید از حداکثر جریان بار پیوسته، از جمله تمام رشد بار قابل پیش‌بینی آتی تجاوز کند. انتخاب یک بریکر با فضای سر بیش از حد بالاتر از نیازهای فعلی باعث هدر رفتن سرمایه می شود، در حالی که انتخاب با حاشیه ناکافی خطر اضافه بار حرارتی پایانه های شکن و هادی ها را به همراه دارد.
• وظیفه و فرکانس عملیاتی: کاربردهایی که شامل سوئیچینگ مکرر می‌شوند - مانند راه‌اندازی موتور، سوئیچینگ بانک خازن، یا انرژی‌دهی ترانسفورماتور - بیش از آنچه که وظیفه وقفه بار معمولی نیاز دارد، تقاضاهای اضافی را بر قطع‌کننده خلاء و مکانیسم تحمیل می‌کنند. این کاربردها ممکن است به مواد تماس خاص انتخاب شده، استراتژی های سوئیچینگ کنترل شده، یا دستگاه های سرکوب کننده برق مانند برقگیرها یا مقاومت های پیش از درج نیاز داشته باشند تا اضافه ولتاژهای گذرا تولید شده در طول عملیات سوئیچینگ را محدود کنند.
• شرایط محیطی و نصب: تابلو برق داخلی در محیط های کنترل شده با آب و هوا نیازمندی های متفاوتی نسبت به تاسیسات یا تجهیزات در فضای باز در مکان های با رطوبت بالا، ارتفاع زیاد، به شدت آلوده یا لرزه ای فعال دارد. ارتفاع بالای 1000 متر استحکام دی الکتریک عایق هوای خارجی را کاهش می دهد و نیاز به کاهش ولتاژ نامی یا انتخاب یک بریکر با کلاس ولتاژ بالاتر دارد. برای نصب در مناطق زلزله خیز ممکن است صلاحیت لرزه ای بر اساس IEEE 693 مورد نیاز باشد.
• رابط حفاظت و اتوماسیون: تابلو برق متوسط مدرن رله‌های حفاظتی دیجیتال، کنترل‌کننده‌های خلیج و رابط‌های ارتباطی بر اساس پروتکل‌های IEC 61850 یا MODBUS/DNP3 را یکپارچه می‌کند. بررسی کنید که کنتاکت های کمکی بریکر، درجه بندی سیم پیچ و مشخصات سیم پیچ بسته شدن با رله حفاظتی و سیستم کنترلی که استفاده می شود، سازگار هستند و زمان های کار بریکر مطابق با الزامات هماهنگی زمان کار رله است.

شیوه های تعمیر و نگهداری که عمر سرویس و قابلیت اطمینان را به حداکثر می رساند

اگرچه مدارشکن های ولتاژ متوسط در مقایسه با فناوری های قبلی ذاتاً تعمیر و نگهداری پایینی دارند، یک برنامه تعمیر و نگهداری پیشگیرانه ساختاریافته برای اطمینان از عملکرد قابل اعتماد مداوم و شناسایی عیوب در حال توسعه قبل از اینکه منجر به خرابی سرویس شود ضروری است. فعالیت‌های تعمیر و نگهداری کلیدی شامل اندازه‌گیری فاصله تماس قطع‌کننده خلاء با استفاده از مقیاس درجه‌بندی شده روی اتصال مکانیزم یا ابزارهای اندازه‌گیری سفر تماس تخصصی است - شکاف تماسی که فراتر از حداکثر مشخصات سازنده رشد کرده است، نشان‌دهنده فرسایش تماسی است که ممکن است نیاز به تعویض قطع‌کننده قبل از اتمام استقامت الکتریکی نامی داشته باشد.

یکپارچگی خلاء در هر قطع کننده باید به طور دوره ای با استفاده از تست مقاومت دی الکتریک ولتاژ بالا که در سراسر کنتاکت های باز اعمال می شود تأیید شود - فقدان خلاء قابلیت بازیابی دی الکتریک قطع کننده را کاهش می دهد و به صورت فلاش اوور یا کاهش قابل توجه ولتاژ مقاومت در طول این آزمایش تشخیص داده می شود. نقاط روغن‌کاری مکانیزم باید طبق برنامه سازنده با استفاده از گریدهای روان‌کننده مشخص شده مجدداً چرب شوند، زیرا روان‌کننده خشک یا آلوده یکی از دلایل اصلی کندی عملکرد مکانیزم است که باعث کاهش عملکرد می‌شود. تراز تماس کمکی و پاک کردن، مقاومت سیم پیچ و عایق، و عملکرد رله ضد پمپ باید در طول هر بازدید تعمیر و نگهداری تأیید شود. حفظ یک گزارش عملیات دقیق برای ثبت هر سفر و عملیات بسته، سطح فعلی مرتبط، و هرگونه ناهنجاری مشاهده شده، ردیابی دقیق استقامت الکتریکی انباشته را امکان پذیر می کند و از تصمیمات مبتنی بر داده در مورد زمان بندی تعویض قطع کننده قبل از پایان عمر نامی پشتیبانی می کند.