Máy cắt chân không điện áp trung thế bảo vệ hệ thống phân phối điện hiện đại như thế nào?

Máy cắt chân không điện áp trung thế là gì?

A máy cắt chân không trung thế (MV VCB) là thiết bị chuyển mạch và bảo vệ điện được thiết kế để tạo, mang và ngắt dòng điện trong cả điều kiện hoạt động bình thường và điều kiện sự cố trong hệ thống phân phối điện hoạt động trong dải điện áp trung thế - thường được xác định là 1 kV đến 52 kV, với các ứng dụng phổ biến nhất nằm trong khoảng từ 3,6 kV đến 40,5 kV. Đặc điểm xác định của loại máy cắt này là việc sử dụng bộ ngắt chân không làm môi trường dập hồ quang. Khi các điểm tiếp xúc của bộ ngắt tách ra dưới tải hoặc dòng điện sự cố, hồ quang điện sinh ra sẽ được rút ra và dập tắt trong một vỏ chân không kín, trong đó sự vắng mặt của các phân tử khí sẽ ngăn cản hồ quang được duy trì vượt quá điểm giao nhau bằng 0 của dòng điện tự nhiên đầu tiên của dạng sóng AC.

Cầu dao chân không trung áp đã trở thành công nghệ ngắt phổ biến trong phạm vi 3,6 kV đến 40,5 kV trên toàn cầu, thay thế phần lớn các công nghệ trước đó như cầu dao dầu, cầu dao nổ khí và cầu dao khí SF6 trong hệ thống lắp đặt mới nhờ sự kết hợp giữa hiệu suất ngắt vượt trội, kích thước vật lý nhỏ gọn, yêu cầu bảo trì tối thiểu, an toàn môi trường và tuổi thọ dài. Chúng được tìm thấy trong các trạm biến áp tiện ích, thiết bị đóng cắt phân phối điện công nghiệp, trung tâm điều khiển động cơ, hệ thống thu năng lượng gió và mặt trời, mạng lưới kéo đường sắt, hoạt động khai thác mỏ và cụm thiết bị chuyển mạch trung thế của trung tâm dữ liệu trên toàn thế giới.

Nguyên tắc ngắt chân không hoạt động như thế nào

Nguyên lý hoạt động của máy cắt chân không về cơ bản khác với công nghệ ngắt mạch bằng khí hoặc dầu. Bên trong mỗi bộ ngắt chân không - mỗi bộ ngắt một pha - một cặp tiếp điểm điện được đặt trong một vỏ bọc bằng gốm hoặc thủy tinh kín được sơ tán đến áp suất khoảng 10⁻³ đến 10⁻⁶ Pa. Mức chân không cực cao này có nghĩa là hầu như không có phân tử khí nào hiện diện để duy trì hồ quang điện sau khi bắt đầu gián đoạn dòng điện.

Khi cầu dao nhận được tín hiệu cắt và tiếp điểm chuyển động bắt đầu tách khỏi tiếp điểm cố định, dòng điện chạy giữa chúng tạo ra hồ quang kim loại năng lượng cao bao gồm hơi kim loại bị ion hóa bốc hơi từ chính bề mặt tiếp xúc. Plasma hơi kim loại này dẫn dòng điện và duy trì hồ quang trong suốt nửa chu kỳ cho đến khi dòng điện xoay chiều tự nhiên đi qua điểm 0. Ở mức 0 hiện tại, plasma hồ quang nhanh chóng khử ion và hơi kim loại ngưng tụ trở lại bề mặt tiếp xúc và tấm chắn kim loại xung quanh trong vòng micro giây - nhanh hơn nhiều so với bất kỳ môi trường khí nào có thể phục hồi cường độ điện môi của nó. Sau đó, khe hở chân không sẽ chịu được điện áp phục hồi nhất thời (TRV) do hệ thống áp đặt và quá trình gián đoạn hoàn tất. Toàn bộ quá trình từ tách tiếp điểm đến ngắt thành công thường xảy ra trong vòng một đến hai nửa chu kỳ của tần số nguồn, khiến bộ ngắt mạch chân không trở thành một trong những thiết bị chuyển mạch ngắt nhanh nhất hiện có ở điện áp trung bình.

Các thành phần chính của máy cắt chân không điện áp trung thế

Hiểu được kiến trúc bên trong của MV VCB giúp các kỹ sư và nhân viên bảo trì đánh giá cao các yếu tố thiết kế quyết định hiệu suất, độ tin cậy và tuổi thọ sử dụng. Các thành phần chính bao gồm:

• Bộ ngắt chân không (VI): Buồng ngắt được bịt kín chứa các tiếp điểm cố định và chuyển động, tấm chắn hồ quang kim loại và cụm ống thổi. Hộp xếp là một màng kim loại linh hoạt cho phép tiếp điểm chuyển động di chuyển trong quá trình đóng mở trong khi vẫn duy trì độ kín chân không. Vật liệu tiếp xúc - điển hình là hợp kim đồng-crom (CuCr) - được chọn vì khả năng chịu được các chu kỳ hồ quang lặp đi lặp lại mà không bị xói mòn hoặc hàn tiếp xúc quá mức.
• Cơ chế vận hành: Cơ chế lưu trữ và giải phóng năng lượng cơ học cần thiết để mở và đóng các tiếp điểm ở tốc độ được kiểm soát cần thiết để đảm bảo sự gián đoạn đáng tin cậy. Cơ cấu vận hành bằng lò xo được sử dụng rộng rãi nhất, sử dụng lò xo đóng và mở tích điện mang lại tốc độ tiếp xúc chính xác, nhất quán, không phụ thuộc vào sự thay đổi điện áp nguồn điều khiển. Cơ cấu truyền động từ, sử dụng nam châm vĩnh cửu và cuộn dây điện từ để giữ và nhả các tiếp điểm, ngày càng có sẵn như một giải pháp thay thế không cần bảo trì với số lượng linh kiện cơ khí thấp hơn.
• Cấu trúc hỗ trợ cách điện: Khung hỗ trợ các bộ phận ngắt chân không và dây dẫn mang dòng điện đồng thời cung cấp cách ly điện giữa các pha và giữa các bộ phận mang điện và khung máy cắt nối đất. Vật liệu bao gồm nhựa epoxy gia cố bằng sợi thủy tinh, epoxy đúc và sứ, được lựa chọn dựa trên cấp điện áp, yêu cầu về khoảng cách đường rò và điều kiện môi trường.
• Dây dẫn và thiết bị đầu cuối mang dòng điện: Các đầu cuối trên và dưới cố định kết nối máy cắt với thanh cái và mạch cáp của thiết bị đóng cắt. Những dây dẫn này phải mang dòng điện định mức liên tục mà không tăng nhiệt độ quá mức và phải chịu được lực điện từ được tạo ra trong các sự kiện dòng điện ngắn mạch - có thể đạt tới hàng chục nghìn ampe trong các hệ thống có mức độ lỗi cao.
• Mạch điều khiển và phụ trợ: Hệ thống dây điện hạ thế, các tiếp điểm phụ, cuộn dây ngắt, cuộn dây đóng và rơle chống bơm kết nối cơ cấu máy cắt với rơle bảo vệ, hệ thống SCADA và sơ đồ khóa liên động. Các mạch này rất quan trọng để điều chỉnh hoạt động của máy cắt và là trọng tâm chung của thử nghiệm vận hành và kiểm tra bảo trì phòng ngừa.

Đặc điểm định mức và các thông số kỹ thuật chính

Việc chỉ định một máy cắt chân không điện áp trung thế đòi hỏi sự hiểu biết thấu đáo về các thông số điện định mức xác định đường bao hiệu suất của nó. Các mức xếp hạng này được thiết lập theo các tiêu chuẩn quốc tế bao gồm IEC 62271-100 và IEEE C37.04/C37.09, trong đó xác định các phương pháp thử nghiệm và yêu cầu về hiệu suất đối với cầu dao điện áp cao AC. Các thông số quan trọng nhất được tóm tắt dưới đây:

Ưu điểm so với các công nghệ ngắt điện áp trung thế khác

Việc áp dụng rộng rãi công nghệ chân không ở dải điện áp trung thế được thúc đẩy bởi một tập hợp rõ ràng về hiệu suất và lợi thế vận hành so với các công nghệ SF6, dầu và phun khí mà nó đã thay thế phần lớn trong các hệ thống lắp đặt mới:

• An toàn môi trường: Bộ ngắt chân không không chứa khí cách điện, dầu hoặc các vật liệu nguy hiểm cho môi trường khác. Ngược lại, máy cắt khí SF6 sử dụng lưu huỳnh hexafluoride - một loại khí nhà kính có khả năng làm nóng lên toàn cầu gấp khoảng 23.500 lần so với CO₂ - vốn phải đối mặt với các hạn chế pháp lý ngày càng tăng ở nhiều khu vực pháp lý. Công nghệ chân không loại bỏ hoàn toàn trách nhiệm pháp lý về môi trường này.
• Yêu cầu bảo trì thấp: Bộ ngắt chân không kín không cần bảo trì trong suốt vòng đời thiết kế của nó - không cần theo dõi áp suất khí, không cần lấy mẫu hoặc thay thế dầu và không cần bổ sung môi trường dập tắt hồ quang. Bảo trì định kỳ được giới hạn ở việc bôi trơn cơ chế, kiểm tra mạch phụ, đo độ mòn tiếp điểm thông qua đo hành trình tiếp điểm và kiểm tra chức năng, thường theo chu kỳ 5 đến 10 năm tùy thuộc vào số lượng hoạt động được thực hiện.
• Kích thước vật lý nhỏ gọn: Khả năng dập hồ quang hiệu quả của môi trường chân không cho phép khoảng cách tiếp xúc rất ngắn - thường từ 8 đến 20 mm tùy thuộc vào loại điện áp - so với khe hở lớn hơn nhiều cần có trong các thiết bị ngắt không khí hoặc SF6. Điều này dẫn đến kích thước máy cắt nhỏ gọn hơn đáng kể và cho phép thiết kế thiết bị đóng cắt mật độ cao với diện tích tổng thể của trạm biến áp giảm đi.
• Tuổi thọ dài: Bộ ngắt chân không chất lượng cao được thiết kế để có độ bền cơ học 30.000 lần hoạt động và tuổi thọ sử dụng trên 25 năm trong điều kiện hoạt động bình thường. Xói mòn tiếp xúc mỗi lần gián đoạn là cực kỳ thấp - thường là vài micromet cho mỗi lần gián đoạn đầy tải - cho phép đạt được độ bền điện định mức với mức tiêu thụ vật liệu tiếp xúc tối thiểu.
• Tốc độ gián đoạn nhanh: Việc ngắt hồ quang chân không ở mức 0 dòng điện đầu tiên sau khi tách tiếp điểm mang lại tổng thời gian cắt từ 40 đến 80 mili giây - đủ nhanh để hạn chế năng lượng sự cố và giảm ứng suất cơ và nhiệt lên cáp, máy biến áp và các thành phần hệ thống khác ở phía sau máy cắt.

Tích hợp thiết bị đóng cắt: Thiết kế có thể rút ra so với thiết kế gắn cố định

Máy cắt chân không trung áp được lắp đặt trong các cụm thiết bị đóng cắt có vỏ bọc bằng kim loại theo hai cấu hình chính: có thể rút ra (còn gọi là rút ra) và gắn cố định. Việc lựa chọn giữa các cấu hình này có ý nghĩa quan trọng đối với khả năng tiếp cận bảo trì, tính linh hoạt trong vận hành và tổng chi phí lắp đặt thiết bị đóng cắt.

Cấu hình có thể rút (Drawout)

Trong thiết kế thiết bị đóng cắt có thể rút ra, mô-đun cầu dao được gắn trên xe ngựa hoặc xe tải có thể được lăn hoặc xếp ra khỏi bảng điều khiển thiết bị đóng cắt đến vị trí ngắt kết nối hoặc vị trí thử nghiệm mà không cần ngắt điện thanh cái. Thiết kế này cho phép tháo cầu dao để kiểm tra, bảo trì hoặc thay thế trong khi thiết bị đóng cắt vẫn được cấp điện trên các bảng liền kề — một lợi thế vận hành quan trọng ở những cơ sở không đủ khả năng tắt nguồn hoàn toàn để bảo trì. Thiết kế có thể rút ra là tiêu chuẩn cho hầu hết các thiết bị đóng cắt tiện ích và công nghiệp trong phạm vi 12 kV đến 40,5 kV và được quy định trong phần lớn việc lắp đặt thiết bị đóng cắt trung thế mới trên toàn cầu.

Cấu hình gắn cố định

Bộ ngắt mạch chân không gắn cố định được bắt vít cố định vào bảng điều khiển thiết bị đóng cắt và không thể rút ra nếu không ngắt kết nối các thanh cái và cáp liên quan. Thiết kế này tạo ra bảng điều khiển thiết bị đóng cắt đơn giản hơn, nhỏ gọn hơn và chi phí thấp hơn nhưng yêu cầu ngừng hoạt động hoàn toàn mạch bị ảnh hưởng để bảo trì hoặc thay thế máy cắt. Thiết kế gắn cố định thường được sử dụng trong các thiết bị chính dạng vòng (RMU), trạm biến áp thứ cấp nhỏ gọn và các ứng dụng tự động hóa phân phối trong đó tính đơn giản và tiết kiệm chi phí vượt xa tính linh hoạt trong vận hành của thiết kế có thể kéo ra được.

Tiêu chí lựa chọn để chỉ định máy cắt chân không MV phù hợp

Việc lựa chọn máy cắt chân không trung áp cho một ứng dụng cụ thể đòi hỏi phải đánh giá một cách có hệ thống các thông số hệ thống điện, điều kiện môi trường, yêu cầu vận hành và các tiêu chuẩn áp dụng. Các tiêu chí sau đây cần được giải quyết trong mọi quy trình đặc tả:

• Điện áp hệ thống và mức cách điện: Điện áp định mức của cầu dao phải đáp ứng hoặc vượt quá điện áp vận hành tối đa của hệ thống và điện áp chịu được tần số công nghiệp định mức và điện áp chịu xung sét (BIL) phải phù hợp với các yêu cầu phối hợp cách điện và tiếp xúc quá điện áp của hệ thống.
• Mức độ lỗi tại điểm lắp đặt: Dòng điện ngắn mạch dự kiến ​​tại vị trí lắp đặt máy cắt - được tính từ trở kháng hệ thống và định mức máy biến áp - không được vượt quá dòng điện ngắn mạch định mức của máy cắt. Nên thêm một giới hạn trên mức lỗi được tính toán để phù hợp với những thay đổi hệ thống trong tương lai có thể làm tăng mức lỗi.
• Đánh giá hiện tại liên tục: Dòng điện bình thường định mức phải vượt quá dòng tải liên tục tối đa, bao gồm tất cả mức tăng tải có thể thấy trước trong tương lai. Việc chọn một cầu dao có khoảng không quá lớn so với yêu cầu hiện tại sẽ gây lãng phí vốn, trong khi lựa chọn biên độ không đủ có nguy cơ gây quá tải nhiệt cho các đầu nối và dây dẫn của cầu dao.
• Nhiệm vụ và tần suất hoạt động: Các ứng dụng liên quan đến việc chuyển đổi thường xuyên - chẳng hạn như khởi động động cơ, chuyển mạch tụ điện hoặc cấp điện cho máy biến áp - đặt ra các yêu cầu bổ sung đối với bộ ngắt chân không và cơ cấu vượt quá yêu cầu của nhiệm vụ cắt tải thông thường. Các ứng dụng này có thể yêu cầu các vật liệu tiếp xúc được lựa chọn đặc biệt, chiến lược chuyển mạch có kiểm soát hoặc các thiết bị triệt tiêu đột biến như bộ chống sét hoặc điện trở cắm trước để hạn chế quá điện áp nhất thời được tạo ra trong quá trình chuyển mạch.
• Điều kiện môi trường và lắp đặt: Thiết bị đóng cắt trong nhà trong môi trường được kiểm soát khí hậu có các yêu cầu khác với việc lắp đặt ngoài trời hoặc thiết bị ở những vị trí có độ ẩm cao, độ cao, ô nhiễm nặng hoặc có hoạt động địa chấn. Độ cao trên 1.000 mét làm giảm độ bền điện môi của lớp cách điện không khí bên ngoài và yêu cầu giảm điện áp định mức hoặc lựa chọn máy cắt có cấp điện áp cao hơn. Chứng chỉ địa chấn theo IEEE 693 có thể được yêu cầu khi lắp đặt ở những vùng dễ xảy ra động đất.
• Giao diện bảo vệ và tự động hóa: Thiết bị đóng cắt trung thế hiện đại tích hợp rơle bảo vệ kỹ thuật số, bộ điều khiển ngăn và giao diện truyền thông dựa trên giao thức IEC 61850 hoặc MODBUS/DNP3. Xác minh rằng các tiếp điểm phụ, xếp hạng cuộn dây ngắt và thông số kỹ thuật của cuộn dây đóng của máy cắt có tương thích với rơle bảo vệ và hệ thống điều khiển đang được sử dụng hay không và thời gian vận hành của máy cắt có nằm trong yêu cầu phối hợp thời gian vận hành của rơle hay không.

Thực hành bảo trì nhằm tối đa hóa tuổi thọ và độ tin cậy của dịch vụ

Mặc dù máy cắt chân không điện áp trung thế vốn có mức bảo trì thấp so với các công nghệ trước đó, nhưng chương trình bảo trì phòng ngừa có cấu trúc là cần thiết để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy liên tục và phát hiện các lỗi đang phát triển trước khi chúng dẫn đến lỗi dịch vụ. Các hoạt động bảo trì chính bao gồm đo khoảng cách tiếp xúc của bộ ngắt chân không bằng cách sử dụng thang đo chia độ trên liên kết cơ cấu hoặc các công cụ đo hành trình tiếp xúc chuyên dụng — khoảng cách tiếp xúc đã vượt quá thông số kỹ thuật tối đa của nhà sản xuất cho thấy hiện tượng xói mòn tiếp điểm có thể yêu cầu thay thế bộ ngắt trước khi độ bền điện định mức cạn kiệt.

Tính toàn vẹn của chân không trong mỗi bộ ngắt phải được kiểm tra định kỳ bằng cách sử dụng thử nghiệm khả năng chịu điện áp cao áp đặt trên các tiếp điểm mở - việc mất chân không làm giảm khả năng phục hồi điện môi của bộ ngắt và sẽ được phát hiện dưới dạng phóng điện hoặc điện áp chịu đựng giảm đáng kể trong quá trình thử nghiệm này. Các điểm bôi trơn cơ cấu phải được bôi trơn lại theo lịch trình của nhà sản xuất bằng cách sử dụng các loại chất bôi trơn được chỉ định, vì chất bôi trơn bị khô hoặc bị ô nhiễm là nguyên nhân hàng đầu khiến cơ chế hoạt động chậm, làm giảm hiệu suất bị gián đoạn. Tất cả việc căn chỉnh và lau tiếp điểm phụ, điện trở và cách điện của cuộn dây cũng như chức năng rơle chống bơm đều phải được xác minh trong mỗi lần bảo trì. Việc duy trì nhật ký hoạt động chi tiết ghi lại từng chuyến đi và hoạt động đóng, mức dòng điện liên quan và mọi điểm bất thường quan sát được cho phép theo dõi chính xác độ bền điện tích lũy và hỗ trợ các quyết định dựa trên dữ liệu về thời gian thay thế bộ ngắt trước khi hết tuổi thọ định mức.