Bạn nên biết những điều gì trước khi chỉ định máy cắt chân không trong nhà điện áp trung thế?

Máy cắt chân không trong nhà điện áp trung thế là gì?

A máy cắt chân không trong nhà trung thế (MV VCB) là thiết bị chuyển mạch và bảo vệ được thiết kế để ngắt dòng điện sự cố và cách ly các mạch điện hoạt động trong dải điện áp trung bình - thường là từ 1 kV đến 52 kV. Đặc điểm nổi bật của công nghệ này là cơ chế dập tắt hồ quang: hồ quang điện được tạo ra khi các tiếp điểm tách ra sẽ bị tắt bên trong một bộ ngắt chân không kín, trong đó sự vắng mặt của các phân tử khí sẽ ngăn cản hồ quang tự duy trì vượt quá điểm giao nhau bằng 0 của dòng điện. Nguyên lý ngắt chân không này tạo ra sự dập tắt hồ quang cực nhanh và sạch, với sự xói mòn tiếp xúc tối thiểu và không yêu cầu khí hoặc dầu cách điện làm môi trường ngắt.

Ký hiệu "trong nhà" chỉ ra rằng những cầu dao này được thiết kế để lắp đặt bên trong các tủ đóng cắt, phòng chuyển mạch bọc kim loại hoặc các trạm biến áp kèm theo, nơi các điều kiện môi trường - nhiệt độ, độ ẩm, bụi và ô nhiễm - được kiểm soát hoặc kiểm soát một phần. Điều này giúp phân biệt chúng với các máy cắt chân không ngoài trời gắn trên cột hoặc trong các trạm biến áp ngoài trời, vốn yêu cầu thêm vỏ bọc chống chịu thời tiết và chống tia cực tím. VCB trong nhà MV là một trong những thiết bị bảo vệ được triển khai rộng rãi nhất trong phân phối điện công nghiệp, trạm biến áp thứ cấp tiện ích, tòa nhà thương mại, trung tâm dữ liệu và cơ sở hạ tầng trên toàn thế giới.

Cách hoạt động của ngắt chân không

Bộ ngắt chân không là trái tim của bộ ngắt mạch. Nó bao gồm hai tiếp điểm bằng hợp kim đồng-crom - một cố định và một chuyển động - được đặt bên trong một lớp vỏ bằng gốm hoặc thủy tinh được sơ tán đến áp suất khoảng 10⁻³ đến 10⁻⁴ Pa. Khi cầu dao nhận được tín hiệu ngắt, cơ chế vận hành bằng lò xo hoặc điện từ sẽ đẩy tiếp điểm chuyển động ra khỏi tiếp điểm cố định ở tốc độ cao. Khi các tiếp điểm tách ra, dòng điện tiếp tục chạy trong giây lát qua hồ quang hơi kim loại được duy trì nhờ sự bay hơi của vật liệu tiếp xúc.

Bởi vì hầu như không có phân tử khí nào hiện diện trong khe chân không, plasma hồ quang không thể duy trì nhiệt khi dòng điện đi qua điểm 0 tự nhiên của nó, xảy ra 100 lần mỗi giây trên hệ thống 50 Hz. Tại điểm giao nhau bằng 0 đó, hồ quang sẽ tắt và khe hở chân không phục hồi cường độ điện môi trong vài phần triệu giây — nhanh hơn nhiều so với các thiết bị ngắt không khí, SF₆ hoặc dầu. Sự phục hồi điện môi nhanh chóng này cho phép máy cắt chân không ngắt dòng điện ngắn mạch 25 kA, 31,5 kA hoặc 40 kA trong một phần nhỏ của chu kỳ, hạn chế năng lượng sự cố và giảm thiểu thiệt hại cho thiết bị hạ lưu. Vật liệu tiếp xúc đồng-crom được lựa chọn đặc biệt để giảm thiểu hàn tiếp xúc, tạo ra hồ quang khuếch tán trải đều trên mặt tiếp xúc và chống xói mòn qua hàng chục nghìn chu kỳ hoạt động.

Các thông số kỹ thuật chính và ý nghĩa của chúng

Việc chọn đúng cầu dao chân không trong nhà MV đòi hỏi sự hiểu biết rõ ràng về các thông số định mức xác định phạm vi hoạt động của nó. Bảng sau đây tóm tắt các thông số kỹ thuật quan trọng nhất và ý nghĩa thực tế của chúng:

Dòng điện ngắn mạch là thông số thường bị đánh giá thấp nhất trong quá trình mua sắm. Mức độ lỗi tiềm ẩn tại điểm lắp đặt phải được tính toán từ trở kháng máy biến áp phía nguồn, trở kháng cáp và cấu hình hệ thống — không được ước tính chỉ từ xếp hạng trên bảng tên. Việc lắp đặt cầu dao không có chỉ số Isc không đủ ở bus cấp độ lỗi cao là một rủi ro an toàn nghiêm trọng: cầu dao có thể không ngắt được sự cố, duy trì hồ quang điện có thể gây ra vụ nổ hồ quang bên trong tủ thiết bị đóng cắt.

Cơ chế vận hành: Thiết bị truyền động được sạc bằng lò xo và từ tính

Cơ chế vận hành thúc đẩy việc tách và đóng tiếp điểm là một yếu tố có độ tin cậy quan trọng. Hai mẫu thiết kế thống trị thị trường MV trong nhà VCB.

Cơ chế sạc lò xo

Cơ cấu lò xo tích điện (lưu trữ năng lượng) sử dụng một bộ lò xo được nén trước để dẫn động cả hành trình đóng và mở một cách độc lập. Một động cơ điện hoặc tay cầm điều khiển lò xo đóng; Khi có lệnh đóng, lò xo sẽ ​​giải phóng năng lượng để đóng các tiếp điểm và đồng thời nạp điện cho lò xo mở. Lò xo mở sẽ nhả ra theo lệnh ngắt, làm tách các tiếp điểm. Bộ lưu trữ năng lượng độc lập này có nghĩa là máy cắt có thể thực hiện chu trình làm việc mở-đóng-mở (O-CO) hoàn toàn mà không cần phụ thuộc vào nguồn điện điều khiển sẵn có trong hành trình mở — một yêu cầu quan trọng đối với các ứng dụng bảo vệ trong đó máy cắt phải ngắt ngay cả khi nguồn điện phụ bị hỏng. Cơ cấu nạp bằng lò xo có lịch sử sử dụng lâu dài và được ghi chép đầy đủ và là lựa chọn mặc định cho hầu hết các ứng dụng thiết bị đóng cắt.

Cơ cấu dẫn động từ (Nam châm vĩnh cửu)

Cơ cấu truyền động từ thay thế lò xo cơ học bằng nam châm vĩnh cửu và cuộn dây điện từ. Một xung dòng điện ngắn chạy qua cuộn dây sẽ hút hoặc đẩy bộ truyền động để điều khiển việc đóng hoặc mở và nam châm vĩnh cửu giữ các tiếp điểm ở đúng vị trí mà không tiêu thụ điện năng liên tục. Bộ truyền động từ tính có ít bộ phận chuyển động hơn cơ cấu lò xo - thường có ít hơn 10 bộ phận chuyển động so với hơn 100 bộ phận trong bộ truyền động lò xo - điều mà những người ủng hộ cho rằng dẫn đến độ tin cậy cơ học cao hơn và yêu cầu bảo trì thấp hơn trong thời gian sử dụng từ 25 đến 30 năm. Hạn chế là việc mở cần có một xung năng lượng dự trữ từ dãy tụ điện, xung năng lượng này phải luôn được tích điện; mất nguồn điện tích của tụ điện có thể ngăn chặn sự vấp ngã. Bộ ngắt truyền động từ tính ngày càng phổ biến trong các ứng dụng ưu tiên khoảng thời gian bảo trì rất thấp, chẳng hạn như trạm biến áp mạng và hệ thống phân phối ngầm.

Các ứng dụng chính của Máy cắt chân không trong nhà MV

Máy cắt chân không trong nhà MV được lắp đặt tại các điểm chuyển mạch và bảo vệ trên toàn mạng phân phối trung áp. Vai trò cụ thể của chúng thay đổi tùy theo ứng dụng, nhưng yêu cầu cơ bản — ngắt lỗi đáng tin cậy và chuyển mạch có thể kiểm soát — đều nhất quán trên tất cả chúng.

• Các trạm biến áp phân phối sơ cấp và thứ cấp, nơi MV VCB bảo vệ các bộ cấp nguồn máy biến áp, bộ ghép nối thanh cái và các bộ cấp nguồn đầu vào. Máy cắt thu nhập ở các tổng đài 11 kV hoặc 33 kV hầu như chỉ là máy cắt chân không trong các hệ thống lắp đặt hiện đại, thay thế cho máy cắt dầu mà chúng đã thay thế từ những năm 1980 trở đi.
• Điều khiển động cơ nhà máy công nghiệp, trong đó động cơ trung thế lớn - thường trên 200 kW - được chuyển mạch và bảo vệ bằng các VCB chuyên dụng thay vì công tắc tơ. Máy cắt chân không xử lý cả việc chuyển mạch khởi động/dừng thông thường và bảo vệ lỗi, loại bỏ nhu cầu kết hợp rơle bảo vệ và cầu chì riêng biệt trong nhiều cấu hình.
• Thiết bị đóng cắt của trung tâm dữ liệu và cơ sở quan trọng, trong đó thời gian khắc phục sự cố nhanh chóng của bộ ngắt chân không giúp giảm thiểu thời gian sụt áp trên các bộ cấp nguồn hoạt động tốt liền kề, giảm nguy cơ hệ thống cung cấp điện liên tục (UPS) chuyển đổi không cần thiết sang ắc quy khi xảy ra sự cố trên bộ cấp nguồn song song.
• Mạng thu thập năng lượng tái tạo, bao gồm các trạm biến áp thu gom trang trại gió và các trạm biến áp tổ hợp chuỗi quang điện mặt trời, trong đó MV VCB bảo vệ cáp trung chuyển kết nối các tổ máy phát điện riêng lẻ với bus thu gom và cung cấp khả năng cách ly nhanh chóng các phần bị lỗi mà không ảnh hưởng đến công suất phát điện còn lại.
• Các trạm biến áp cung cấp sức kéo đường sắt, nơi chu kỳ nhiệm vụ đòi hỏi — chuyển đổi tần số cao kết hợp với gián đoạn tải cảm ứng — khiến công nghệ chân không trở thành lựa chọn ưu tiên hơn các giải pháp thay thế, với VCB lực kéo chuyên dụng có sẵn cho hệ thống xoay chiều một pha 25 kV.

Máy hút chân không và máy cắt SF₆: Chọn công nghệ phù hợp

Trong nhiều thập kỷ, máy cắt khí lưu huỳnh hexafluoride (SF₆) đã cạnh tranh trực tiếp với công nghệ chân không trên thị trường điện trung thế trong nhà. SF₆ mang lại đặc tính điện môi tuyệt vời và hiệu suất dập tắt hồ quang, nhưng tiềm năng nóng lên toàn cầu của nó — gấp 23.500 lần so với CO₂ — đã gây ra áp lực pháp lý ngày càng nghiêm ngặt ở Châu Âu, Bắc Mỹ và các khu vực pháp lý khác. Quy định về Khí F của Liên minh Châu Âu đã đặt ra quỹ đạo hướng tới việc loại bỏ dần SF₆ trong thiết bị đóng cắt trung thế mới vào đầu những năm 2030 và một số nhà sản xuất thiết bị đóng cắt lớn đã thông báo ngừng cung cấp các sản phẩm MV dựa trên SF₆ để chuyển sang sử dụng công nghệ cách điện chân không hoặc thay thế.

Đối với việc lắp đặt mới trong nhà, cầu dao chân không là lựa chọn mặc định phù hợp về mặt kỹ thuật và thương mại trên toàn bộ dải điện áp trung bình lên đến 40,5 kV. Chúng không chịu trách nhiệm pháp lý về môi trường, không yêu cầu thiết bị xử lý khí hoặc cơ sở hạ tầng giám sát rò rỉ, đồng thời hiệu suất của chúng xét về khả năng ngắt, độ bền cơ học và tuổi thọ tiếp điểm hoàn toàn ngang bằng với các lựa chọn thay thế SF₆ ở mức điện áp nơi hầu hết các thiết bị đóng cắt trong nhà hoạt động. Các dự án chỉ định thiết bị SF₆ ngày nay đang tích lũy trách nhiệm pháp lý thay thế trong tương lai khi các quy định thắt chặt và các yêu cầu về chứng nhận xử lý SF₆ đối với nhân viên bảo trì trở nên nặng nề hơn.

Yêu cầu bảo trì và cân nhắc về tuổi thọ dịch vụ

Một trong những ưu điểm thực tế của máy cắt chân không là nhu cầu bảo trì thấp so với các công nghệ nổ dầu và nổ khí trước đây. Bộ ngắt chân không kín không cần bảo trì bên trong trong suốt thời gian sử dụng - tính toàn vẹn của chân không được duy trì bởi lớp vỏ bằng gốm hoặc thủy tinh và các mối nối hàn kim loại với gốm và không thể điều chỉnh tại hiện trường. Các nhà sản xuất cung cấp một chỉ báo hao mòn tiếp điểm đơn giản trên thân tiếp điểm chuyển động để hiển thị sự xói mòn tiếp điểm tích lũy và cảnh báo cho nhân viên bảo trì khi bộ ngắt sắp hết tuổi thọ, thường là sau 20 đến 30 năm sử dụng bình thường hoặc sau khi đạt đến số lần hoạt động điện đầy tải định mức.

Bảo trì định kỳ tập trung vào cơ chế vận hành hơn là bộ ngắt. Cơ cấu nạp bằng lò xo yêu cầu bôi trơn định kỳ các điểm trục và bề mặt cam, kiểm tra bộ lò xo và khoảng cách di chuyển cũng như kiểm tra chức năng của cuộn dây đóng và cuộn dây. Việc kiểm tra điện trở cách điện của bộ ngắt và dây dẫn chính phải được thực hiện theo khoảng thời gian do nhà sản xuất quy định hoặc theo tiêu chuẩn bảo trì hiện hành - IEEE C37.10 trong thông lệ Bắc Mỹ, IEC 62271-100 trong bối cảnh quốc tế. Một cầu dao chân không được bảo trì tốt trong môi trường trong nhà sạch sẽ sẽ cung cấp dịch vụ đáng tin cậy từ 25 đến 30 năm trước khi cần phải đại tu toàn bộ cơ chế hoặc thay thế cầu dao, khiến tổng chi phí vòng đời có tính cạnh tranh cao so với các giải pháp thay thế cần can thiệp thường xuyên hơn.