Производители вакуумных выключателей среднего напряжения для внутренней установки

Знание отрасли

Деградация вакуумного прерывателя: как оценить оставшийся срок службы без замены

Вакуумный прерыватель является основным функциональным элементом любого Вакуумный выключатель среднего напряжения , а его целостность является единственным и наиболее важным фактором, определяющим дальнейшую эксплуатационную безопасность выключателя. В отличие от масляных или элегазовых выключателей, где пробы прерывающей среды можно отобрать и химически протестировать, целостность вакуума нельзя оценить с помощью обычного химического анализа — необходимо проверить сам вакуум. Стандартным полевым методом является испытание на устойчивость к высокому потенциалу (hi-pot), при котором определенное напряжение переменного или постоянного тока прикладывается к разомкнутым контактам прерывателя. Вакуум, ухудшившийся ниже примерно 10⁻² Па, приведет к частичному разряду или полному пробою при напряжениях значительно ниже номинального выдерживаемого уровня, что указывает на необходимость замены до того, как выключатель вернется в эксплуатацию.

Контактная эрозия является вторым механизмом, ограничивающим жизнь. Каждое событие прерывания испаряет небольшое количество контактного материала — обычно медно-хромового сплава — с контактных поверхностей. Совокупную глубину эрозии можно измерить, проверив ход хода контакта на соответствие исходным спецификациям. Большинство производителей отмечают индикатор износа на рабочем механизме; когда показатель достигает порога замены, прерыватель необходимо менять независимо от целостности вакуума. Вакуумные выключатели среднего напряжения компании Zhejiang Mingtuo Electrical Technology Co., Ltd. разработаны с четко доступными индикаторами износа и стандартизированными контрольными точками высокого напряжения, что упрощает рутинную оценку обслуживания для групп технического обслуживания без специального оборудования, кроме высоковольтного испытательного комплекта.

Менее часто обсуждаемый путь деградации – это рентгеновское излучение от устаревших вакуумных камер. При напряжении выше примерно 20 кВ электронная бомбардировка контактных поверхностей внутри вакуума может генерировать мягкие рентгеновские лучи, проникающие через керамическую оболочку. Хотя уровни излучения, как правило, низкие, стандарт IEC 62271-100 признает это явление, и обслуживающий персонал, проводящий высоковольтные испытания внутренних вакуумных выключателей напряжением 24 кВ и выше, должен соблюдать дистанцию ​​от прерывателя во время подачи напряжения. По этой причине в процедурах испытаний производителей для классов более высокого напряжения указаны минимальные безопасные расстояния.

Типы рабочих механизмов и их влияние на надежность переключения в Внутренние вакуумные выключатели

Рабочий механизм внутреннего вакуумного выключателя отвечает за замыкание и размыкание контактов с точной скоростью — требование, которое более требовательно, чем кажется. Слишком низкая скорость замыкания контактов приводит к отскоку контактов, что может привести к повторному зажиганию дуги и множественным повторным замыканиям во время прерывания замыкания. Слишком высокая скорость закрытия создает чрезмерную силу удара, ускоряя износ контактов и потенциально повреждая керамический корпус прерывателя. Точно так же скорость открытия влияет на скорость роста контактного зазора во время гашения дуги: слишком медленная, и восстановление диэлектрики зазора опережает восстанавливающееся напряжение; слишком быстро, и механический удар, передаваемый на конструкцию распределительного устройства, увеличивается.

В вакуумных выключателях среднего напряжения широко используются три типа механизмов, каждый из которых имеет различные характеристики технического обслуживания и надежности:

В последние годы привод с постоянными магнитами завоевал значительную долю рынка внутренних вакуумных выключателей в приложениях, требующих высокой рабочей частоты, таких как коммутация конденсаторных батарей или цепи питания дуговых печей, поскольку практически полное отсутствие механически изнашиваемых компонентов напрямую приводит к увеличению интервалов технического обслуживания и повышению долгосрочной надежности. Компромисс заключается в том, что исправность конденсаторной батареи сама по себе становится критически важным элементом технического обслуживания, требующим периодического измерения емкости и ESR для проверки достаточности запасенной энергии для надежной работы.

Переходное восстанавливающееся напряжение и почему оно определяет сложность отключения вакуумных выключателей среднего напряжения

Переходное восстанавливающееся напряжение (TRV) — это напряжение, которое появляется на размыкающихся контактах вакуумного выключателя среднего напряжения сразу после нулевого тока, в течение короткого периода, когда дуга погасла, но контактный зазор все еще восстанавливает свою диэлектрическую прочность. Если TRV возрастает быстрее, чем скорость восстановления диэлектрика зазора, происходит повторное зажигание и дуга возобновляется. Таким образом, пиковая величина и скорость нарастания TRV (RRRV, измеряемая в кВ/мкс) являются ключевыми параметрами, которые определяют, насколько сложно прервать конкретное состояние неисправности, а не просто величину тока повреждения.

Некоторые условия сети приводят к появлению характеристик TRV, которые особенно опасны для вакуумных выключателей. Короткие замыкания на линии — повреждения, возникающие в нескольких сотнях метров от распределительного устройства на воздушной линии, — вызывают очень резкий начальный подъем TRV из-за поведения бегущей волны в линии, что может превысить выдержку выключателя, рассчитанного на замыкания на клеммах при том же уровне тока. МЭК 62271-100 определяет конкретные режимы испытаний TRV (T10, T30, T60, T100), соответствующие разным процентам номинального тока короткого замыкания, поскольку форма сигнала TRV меняется в зависимости от уровня тока короткого замыкания. Как ни странно, прерывание при 10–30 % номинального тока короткого замыкания (режимы T10/T30) зачастую сложнее, чем прерывание при полном номинальном токе, поскольку более низкие токи приводят к меньшей дуге, которая гаснет в начале цикла, в точке, где скорость изменения напряжения питания — и, следовательно, начальный наклон TRV — является наиболее крутой.

Вакуумные прерыватели особенно чувствительны к родственному явлению, называемому прерыванием тока, когда дуга гаснет до того, как естественный ток достигнет нуля из-за нестабильности при низких уровнях тока. Резкое прерывание тока в индуктивной цепи создает всплеск напряжения, величина которого пропорциональна уровню тока прерывания, умноженному на квадратный корень из отношения индуктивности цепи к емкости. В приложениях с коммутацией трансформаторов и двигателей перенапряжения прерывания тока могут достигать 3–5-кратного значения напряжения системы, если в схеме отсутствует адекватное подавление перенапряжений. Современные медно-хромовые контактные материалы снизили уровни тока прерывания с 10–15 А, типичных для более ранних вольфрамовых контактов, до 2–5 А, что значительно ограничивает перенапряжения прерывания, но проблема остается актуальной для цепей с высокими отношениями индуктивности к емкости.

Расположение шин распределительных устройств и их форма. Технические характеристики вакуумного выключателя для установки внутри помещений

Расположение шин распределительного устройства среднего напряжения в основном определяет, какие рабочие роли должны выполнять внутренние вакуумные выключатели в нем, и, следовательно, какие рабочие характеристики должны быть приоритетными в спецификации. В простой схеме с одинарной шиной, наиболее распространенной конфигурации на промышленных распределительных подстанциях, каждый автоматический выключатель выполняет роль либо ввода (подключение трансформатора к шине), либо фидера (подключение шины к цепям нагрузки). В такой схеме селективность выключателя к выключателю является задачей центральной координации защиты, а ключевыми параметрами спецификации являются номинальный ток отключения короткого замыкания и соотношение селективности между реле защиты ввода и фидера.

В схемах с двойными шинами, распространенных на коммунальных и крупных промышленных подстанциях, требующих высокой непрерывности электроснабжения, используются шиносоединительные выключатели и секционные выключатели, коммутационные функции которых принципиально отличаются от функций фидерных выключателей. Может потребоваться, чтобы выключатель с шинным соединителем замыкал находящуюся под напряжением и потенциально неисправную шину — сложная задача включения, требующая, чтобы выключатель выдерживал пиковый ток включения. Важным параметром здесь является номинальная включающая способность при коротком замыкании (Icm), выраженная как пиковое значение, равное асимметричному току повреждения в момент касания контакта, обычно в 2,5 раза превышающее номинальный симметричный ток отключения при 50 Гц. Это различие имеет значение, поскольку автоматический выключатель, рассчитанный на разрывной режим, может не соответствовать требованиям включения, если эти два значения не подвергаются явной перекрестной проверке во время спецификации.

H-образное расположение и кольцевая конфигурация создают дополнительную сложность: выключатели должны быть способны безопасно работать в любом состоянии сети, включая частичное замыкание кольца и реконфигурацию разомкнутого кольца под нагрузкой. Номинальный нормальный ток IEC 62271-100 и номинальный кратковременно выдерживаемый ток (Icw) становятся критически важными в этих конфигурациях, поскольку шинные выключатели могут непрерывно проводить ток полной нагрузки в течение продолжительных периодов времени, а также должны выдерживать сквозные токи короткого замыкания без срабатывания во время устранения замыкания на выходе другими защитными зонами. В Чжэцзян Минтуо мы разрабатываем наши внутренние вакуумные выключатели с номинальным кратковременно выдерживаемым током, полностью подтвержденным документацией типовых испытаний, что позволяет уверенно использовать их в сложных конфигурациях шин, где этот параметр напрямую влияет на надежность системы.

Согласование изоляции вакуумных выключателей для установки внутри помещений: выбор между воздушной, твердой и газовой изоляцией

Для внутренних вакуумных выключателей вакуумный прерыватель обеспечивает гашение дуги, но межфазная и фазная изоляция частей, находящихся под напряжением вне прерывателя, является отдельной областью проектирования, которая существенно влияет на физический размер распределительного устройства, устойчивость к воздействию окружающей среды и требования к долгосрочному техническому обслуживанию. На рынке помещений среднего напряжения конкурируют три технологии изоляции, и выбор между ними имеет практические последствия, выходящие за рамки первоначальной стоимости приобретения.

Воздушная изоляция (AIS)

В распределительных устройствах с воздушной изоляцией в качестве основной изоляционной среды используется путь утечки по твердым изоляционным поверхностям и зазор через открытый воздух. Этот подход хорошо понятен, не требует специального обращения с изоляционными материалами и позволяет осуществлять визуальный осмотр частей, находящихся под напряжением. Его недостатком является размер: для поддержания достаточного зазора при 12 кВ требуется расстояние между фазой и землей примерно 125 мм, а при 24 кВ оно возрастает до 270 мм, что делает панели с воздушной изоляцией физически большими. Загрязнения — пыль, конденсат, солевые отложения — на поверхностях изолятора уменьшают эффективную длину пути утечки и могут привести к пробою в загрязненной среде. Поэтому закрытые распределительные устройства с воздушной изоляцией обычно используются только в чистых помещениях подстанций с контролируемым климатом.

Твердая изоляция (варианты SIS/C-GIS)

Распределительное устройство с твердой изоляцией герметизирует токоведущие проводники, шины и часто контакты вакуумного прерывателя эпоксидной или литой смолой. В результате получается панель, обладающая высокой устойчивостью к конденсации, загрязнению и проникновению мелких животных, занимающая гораздо меньшую площадь, чем аналогичная конструкция с воздушной изоляцией. Твердая изоляция все чаще применяется при установке во влажном тропическом климате, в туннелях, на морских платформах и городских подземных подстанциях, где пространство и условия окружающей среды делают воздушную изоляцию непрактичной. Ограничением является ремонтопригодность: пробой внутри узла с твердой изоляцией обычно приводит к непоправимому повреждению смолы, что требует замены всего модуля, а не очистки и нанесения нового покрытия, как это возможно при использовании шины с воздушной изоляцией. Старение эпоксидной смолы под воздействием термоциклирования и частичного разряда также является долгосрочной проблемой, требующей отслеживания путем мониторинга частичных разрядов во время эксплуатации.

Газовая изоляция SF₆ (GIS)

Распределительное устройство с изоляцией SF₆ занимает наименьшую физическую площадь среди всех технологий изоляции при среднем напряжении благодаря диэлектрической прочности SF₆, примерно в 2,5 раза превышающей диэлектрическую прочность воздуха при атмосферном давлении. Однако SF₆ является мощным парниковым газом, потенциал глобального потепления которого в 23 500 раз превышает потенциал CO₂ за 100 лет, и его использование в новых распределительных устройствах сталкивается с растущим нормативным давлением в Европе и других юрисдикциях. Альтернативные газы, включая чистый воздух, сухой воздух и смеси на основе фторнитрила (например, технологии g³ и Clean Air от различных производителей), теперь доступны в качестве альтернатив, не содержащих SF₆, для внутренних распределительных устройств среднего напряжения, хотя эти альтернативы имеют другие диэлектрические и термические свойства, которые требуют корректировки конструкции. Для вакуумных выключателей среднего напряжения, рассчитанных сегодня на срок службы 30–40 лет, траектория регулирования SF₆ является законным фактором при выборе технологии изоляции.

Интеграция реле защиты и качество вторичной проводки в панелях вакуумных выключателей для внутренних работ

Операционный интеллект распределительного устройства среднего напряжения заключается в его защитном реле и вторичной проводке — области, которая полностью отделена от физики вакуумного прерывателя, но не менее важна для надежности системы. Внутренний вакуумный автоматический выключатель может иметь идеально функционирующий прерыватель и приводной механизм, но при этом не сможет устранить неисправность, если реле защиты не выдает правильный сигнал отключения или если вторичная проводка между вторичными клеммами трансформатора тока и входом реле разомкнута или имеет соединения с высоким сопротивлением. Эта взаимозависимость означает, что ввод в эксплуатацию и техническое обслуживание вторичной цепи заслуживают такой же строгости, как и тестирование первичного коммутационного оборудования.

Вторичные цепи трансформаторов тока (ТТ) представляют особую опасность, которую должен понимать весь обслуживающий персонал, работающий на закрытых распределительных устройствах. Вторичная цепь трансформатора тока никогда не должна быть разомкнута, пока в первичном проводнике протекает ток. Вторичная обмотка трансформатора тока пытается поддерживать баланс ампер-витков, установленный первичным током; при отсутствии вторичной нагрузки полная магнитодвижущая сила приводит поток к глубокому насыщению, генерируя скачки напряжения на открытых клеммах, которые могут достигать нескольких киловольт — этого достаточно, чтобы вызвать смертельный удар электрическим током и навсегда разрушить изоляцию трансформатора тока. Прежде чем выполнять какие-либо работы по вторичной проводке рядом с работающими трансформаторами тока, вторичную обмотку трансформатора тока необходимо закоротить на клеммной колодке трансформатора тока с помощью специальной закорачивающей перемычки, а не только на входных клеммах реле.

Современные цифровые реле защиты, используемые с вакуумными выключателями среднего напряжения, обладают обширными возможностями самоконтроля и регистрации событий, которые на практике часто используются недостаточно. Каждое отключение реле, сигнал тревоги и изменение состояния двоичного входа фиксируются по времени и сохраняются в журнале событий реле с разрешением в миллисекунды. После аварийного события эти данные обеспечивают точную реконструкцию последовательности срабатываний защиты: какой элемент сработал первым, сработало ли автоматическое повторное включение, подтвердила ли обратная связь вспомогательного контакта выключателя успешное размыкание в течение ожидаемого времени. Систематический просмотр журналов событий реле в рамках планового технического обслуживания, а не только после инцидентов, позволяет заблаговременно выявлять ухудшающиеся цепи ТТ, изменения сопротивления катушек в приводном механизме или отклонения настроек реле до того, как они приведут к сбою защиты.

Конденсаторная батарея и переключение двигателя: особые задачи, с которыми не могут справиться стандартные вакуумные выключатели внутреннего назначения

Не все коммутационные функции в сети среднего напряжения эквивалентны, и два типа нагрузки — конденсаторные батареи и большие двигатели — создают коммутационные нагрузки на внутренние вакуумные выключатели, которые отличаются от прерывания при неисправности, а в некоторых случаях являются более требовательными, чем прерывание при неисправности. IEC 62271-100 решает эту проблему, определяя конкретные номинальные режимы: C1 и C2 для переключения конденсаторов и E1 и E2 для переключения двигателя, при этом C2 и E2 представляют собой более обременительные условия, требующие проверки типовых испытаний помимо стандартных испытаний на короткое замыкание.

Переключение батареи конденсаторов генерирует высокочастотные пусковые токи при замыкании, пиковая величина и частота которых зависят от размера батареи конденсаторов и индуктивности между источником и конденсатором. Взаимное переключение батареи конденсаторов — закрытие одной банки, в то время как другие уже находятся под напряжением — является наиболее серьезным случаем, поскольку уже заряженные конденсаторы разряжаются во входную батарею через очень низкий импеданс, создавая пусковые токи, которые могут достигать 20–100-кратного номинального тока на частотах от 300 Гц до нескольких килогерц. Стандартные выключатели не тестируются для этой работы; Требуется внутренний вакуумный выключатель класса C2 с проверенными пусковыми токами и частотными возможностями. Включающие резисторы или предварительные индукторы иногда добавляются в схему для ограничения бросков тока в установках, где ожидаемый бросок превышает даже номинальную мощность C2.

Переключение двигателя создает другую картину стресса. При открытии вращающееся магнитное поле двигателя поддерживает напряжение на частоте, которая затухает по мере замедления машины. Если напряжение на стороне источника и противо-ЭДС двигателя не совпадают по фазе при повторном включении — как это происходит в схемах быстрого автоматического повторного включения или переключения передачи — мгновенное напряжение на размыкающих контактах может в два раза превышать номинальное напряжение. Это состояние, называемое несинфазным переключением или повышением напряжения в сценариях многократного повторного включения, может привести к повреждению корпуса вакуумного прерывателя, если выключатель не рассчитан на режим E2, применимый при частом переключении двигателя. Компания Zhejiang Mingtuo предлагает рекомендации по конкретному применению для клиентов, выбирающих вакуумные автоматические выключатели среднего напряжения для работы с конденсаторной батареей или питанием двигателя, гарантируя, что выбранное устройство имеет соответствующий номинальный режим работы IEC для реальных условий переключения, а не полагается только на общие рейтинги отключения при сбоях.