Какие ключевые параметры следует проверить перед выбором вакуумного выключателя?

Чем отличается вакуумный выключатель?

A вакуумный выключатель (VCB) прерывает ток короткого замыкания, разделяя свои контакты внутри герметичного вакуумного прерывателя, где отсутствие молекул газа означает, что дуга, образующаяся между контактами, гаснет почти сразу - обычно в течение первого перехода тока через ноль после размыкания контактов. По сравнению с масляными, воздушными или элегазовыми выключателями VCB обеспечивают более быстрое гашение дуги, гораздо более длительный электрический срок службы (обычно 10 000 или более операций при номинальном токе), минимальные требования к техническому обслуживанию и отсутствие риска возгорания или выброса токсичного газа. Эти преимущества сделали их доминирующим выбором для распределительных устройств среднего напряжения в диапазоне от 3,6 кВ до 40,5 кВ, охватывающих промышленные предприятия, распределительные подстанции, коммерческие здания, горнодобывающие предприятия и установки возобновляемых источников энергии.

Несмотря на свою надежность, VCB не являются универсальным устройством. Класс напряжения, номинальный ток, отключающая способность при коротком замыкании, приводной механизм и особые характеристики защищаемой нагрузки – все это влияет на то, какой выключатель подходит для данного применения. Выбор автоматического выключателя, размер которого не соответствует уровню неисправности, не соответствует типу нагрузки или несовместим с панелью распределительного устройства, поставит под угрозу как защиту, так и срок службы оборудования. В этом руководстве на практике рассматриваются все важные параметры выбора.

Шаг первый: подтвердите напряжение системы и класс напряжения

Первым и наиболее фундаментальным критерием выбора является номинальное максимальное напряжение выключателя, которое должно равняться или превышать наибольшее напряжение, которое может возникнуть на клеммах выключателя при любых условиях эксплуатации, включая временные перенапряжения во время коммутации или аварийных ситуаций. VCB производятся для стандартных классов напряжения, определенных стандартами IEC 62271-100 и ANSI/IEEE C37.04. Общие классы включают 7,2 кВ, 12 кВ, 17,5 кВ, 24 кВ и 40,5 кВ для приложений среднего напряжения.

Не выбирайте автоматический выключатель, рассчитанный точно на номинальное напряжение системы. В распределительной системе напряжением 6,6 кВ следует использовать автоматический выключатель номиналом 7,2 кВ, а в системе 11 кВ требуется выключатель класса 12 кВ, поскольку номинальное максимальное напряжение учитывает допуски по напряжению системы и переходные перенапряжения. Не менее важными являются номинальное выдерживаемое напряжение промышленной частоты и номинальное выдерживаемое напряжение грозового импульса (BIL), которые подтверждают, что выключатель может выдерживать диэлектрические напряжения, вызванные ударами молнии и коммутационными перенапряжениями в подключенной сети.

Шаг второй: определите номинальный нормальный ток

Номинальный нормальный ток — это непрерывный ток, который выключатель может выдерживать неопределенное время, не превышая температурных пределов его контактов, проводников и клемм. Это значение должно соответствовать максимальному продолжительному току нагрузки защищаемой цепи с соответствующим запасом прочности. Стандартные номинальные токи для автоматических выключателей среднего напряжения составляют 630 А, 1250 А, 1600 А, 2000 А, 2500 А и 3150 А.

При расчете требуемого номинального тока учитывайте ток полной нагрузки самого мощного защищаемого двигателя или трансформатора, а также любые дополнительные нагрузки на том же фидере. Для фидеров трансформатора используйте ток полной нагрузки трансформатора при первичном напряжении, а не только значение кВА, указанное на паспортной табличке. Для фидеров двигателей укажите коэффициент эксплуатации и потенциальный рост нагрузки в будущем. Выбор номинального тока с запасом по крайней мере на 20–25 % выше расчетного максимального тока нагрузки является хорошей практикой и позволяет избежать неприятного теплового старения контактов выключателя в течение срока его службы.

Шаг третий: Сопоставьте отключающую способность при коротком замыкании с уровнем повреждения.

Отключающая способность при коротком замыкании (также называемая номинальным током отключения при коротком замыкании или Isc), возможно, является наиболее важным параметром безопасности при выборе автоматического выключателя. Он определяет максимальный предполагаемый ток короткого замыкания, который выключатель может безопасно отключить без повреждения прерывателя или потери герметичности. Если фактический уровень неисправности в точке установки превышает номинальную отключающую способность выключателя, выключатель может не отключить короткое замыкание, что приведет к возникновению устойчивой дуги, взрыву вакуумного прерывателя и потенциально катастрофическому повреждению распределительного устройства и подключенного оборудования.

Предполагаемый ток короткого замыкания в любой точке сети должен рассчитываться с помощью исследования короткого замыкания с учетом полного сопротивления источника электропитания, полного сопротивления всех трансформаторов и кабелей между источником и выключателем, а также вклада любых местных генераторов или больших двигателей. Обычные номинальные токи отключения для автоматических выключателей среднего напряжения составляют 16 кА, 20 кА, 25 кА, 31,5 кА и 40 кА (симметричное среднеквадратичное значение). Всегда выбирайте автоматический выключатель, номинальный ток отключения которого превышает расчетный предполагаемый ток повреждения в точке установки, включая будущие сценарии усиления сети, которые могут повысить уровень повреждения.

Тесно связан номинальный кратковременно выдерживаемый ток (Ik), который представляет собой ток повреждения, который выключатель может выдерживать в течение определенного периода времени (обычно 1 или 3 секунды) без повреждений. Этот параметр актуален для секционных выключателей и шинных выключателей, которые могут проводить ток повреждения во время срабатывания защиты вышестоящей сети.

Шаг четвертый: понять тип нагрузки и его влияние на выбор

Характер нагрузки, подключенной к цепи, существенно влияет на выбор VCB, поскольку разные типы нагрузки создают разные нагрузки на вакуумный выключатель во время переключения.

Моторные нагрузки

Переключение двигателей среднего напряжения является одним из наиболее требовательных приложений VCB. В момент включения двигатель потребляет пусковой ток, в 6–8 раз превышающий ток полной нагрузки. Что еще более важно, когда работающий двигатель выключается, сжимающееся магнитное поле генерирует всплеск напряжения, известный как прерывающее перенапряжение или переходный процесс прерывания виртуального тока. VCB, выбранные для переключения двигателей, должны иметь низкий уровень тока прерывания — обычно менее 5 А — чтобы минимизировать эти перенапряжения. Многие производители предлагают автоматические выключатели, специально рассчитанные на частое переключение двигателя (класс M2 согласно IEC 62271-100), с номинальным ресурсом 10 000 или более операций без нагрузки и 2 000 или более коммутационных операций при полной нагрузке. Ограничители перенапряжения или RC-демпфирующие цепи также обычно применяются на стороне нагрузки автоматических выключателей с переключением двигателей в качестве дополнительной меры защиты от перенапряжения.

Нагрузки трансформаторов и конденсаторных батарей

Трансформаторы под напряжением генерируют пусковые токи с высоким смещением постоянного тока, которые могут в 8–12 раз превышать номинальный ток трансформатора в течение нескольких циклов. VCB должен быть способен выдерживать этот бросок без нежелательного отключения, если мгновенная защита от сверхтоков настроена слишком чувствительно. Переключение батареи конденсаторов создает другую проблему: первоначальный бросок представляет собой чрезвычайно высокочастотный переходный процесс, который вызывает диэлектрическую нагрузку на вакуумный прерыватель. Для работы с батареей конденсаторов выберите VCB с номиналом коммутации конденсаторов, который определяет как пиковый пусковой ток, так и его частоту, подтверждая, что прерыватель может справиться с прерыванием емкостного тока без повторного включения.

Шаг пятый: выберите правильный рабочий механизм

Приводной механизм накапливает и высвобождает энергию, необходимую для размыкания и замыкания контактов выключателя с достаточной скоростью и силой для достижения надежного прерывания дуги и контактного давления. Двумя доминирующими типами механизмов в современных VCB являются механизмы с пружинным приводом и магнитным приводом (постоянный магнит).

• Пружинные механизмы хранить энергию в механической пружине, которая взводится электродвигателем или вручную. Они надежны, проверены десятилетиями эксплуатации и могут выполнять операцию закрытия-открытия (CO) от взведенной пружины даже после потери вспомогательного питания. Они являются стандартным выбором для большинства коммунальных и промышленных применений.
• Механизмы привода с постоянными магнитами (PMA) используйте электромагнитную силу импульса катушки, чтобы размыкать и замыкать контакты, при этом постоянный магнит удерживает контакты на месте без постоянного питания. PMA имеют гораздо меньше движущихся частей, чем пружинные механизмы, обеспечивают очень высокую механическую долговечность (до 50 000 операций), чрезвычайно быстрое и стабильное время работы и практически не требуют смазки или регулировки. Они являются предпочтительным выбором для приложений с большим циклом работы, таких как частое переключение двигателя, повторное включение и автоматизация интеллектуальной сети.

Вспомогательное напряжение питания приводного механизма (обычно 110 В постоянного тока, 220 В постоянного тока или 230 В переменного тока) должно соответствовать имеющемуся источнику питания управления на панели распределительного устройства. Проверьте это на этапе спецификации, чтобы избежать дорогостоящей модернизации.

Краткий обзор ключевых параметров выбора

В следующей таблице приведены основные параметры выбора и вопросы, на которые каждый из них отвечает в процессе спецификации:

Стандарты соответствия и совместимость панелей

VCB не работает изолированно — он интегрирован в панель распределительного устройства (внутреннюю или внешнюю, стационарную или выкатную), которая сама должна соответствовать соответствующим стандартам страны и отрасли установки. Выключатель должен быть совместим по размерам и электричеству со своей панелью, иметь соответствующую геометрию первичного соединения, расположение вторичных клемм, а также размеры стеллажа или выкатной тележки. МЭК 62271-100 является основным международным стандартом, регулирующим типовые испытания и номинальные характеристики автоматических выключателей переменного тока. В Северной Америке номинальные характеристики и испытания высоковольтных автоматических выключателей регулируются стандартами ANSI/IEEE C37.04, C37.06 и C37.09.

Всегда запрашивайте у производителя сертификаты типовых испытаний, подтверждающие, что конкретная модель выключателя прошла испытания на соответствие применимому стандарту в аккредитованной независимой лаборатории. Убедитесь, что испытательное напряжение, ток и отключающая способность соответствуют требованиям вашего применения или превышают их, а не просто совпадают номинальные значения, указанные на паспортной табличке. Для проектов критической инфраструктуры, коммунального хозяйства или экспорта убедитесь, что выключатель и его панель распределительного устройства имеют сертификаты, требуемые спецификациями конечного пользователя, такие как протоколы испытаний KEMA, CESI или CPRI. VCB, выбранный с особым вниманием к этим параметрам, надежно защитит вашу сеть в течение 25–30 лет с минимальным вмешательством.