Tại sao máy cắt chân không là thiết bị chuyển mạch được ưu tiên trong hệ thống điện trung thế?

Tại sao máy cắt chân không là thiết bị chuyển mạch được ưu tiên trong hệ thống điện trung thế?

Máy cắt chân không đã trở thành công nghệ vượt trội để chuyển mạch và bảo vệ trung áp trong các mạng phân phối điện trên toàn thế giới. Sự phát triển của chúng từ một khái niệm phòng thí nghiệm thích hợp vào những năm 1920 thành giải pháp tiêu chuẩn cho các ứng dụng 6 kV đến 36 kV ngày nay phản ánh sự kết hợp giữa hiệu suất dập tắt hồ quang vượt trội, yêu cầu bảo trì tối thiểu và lợi thế về môi trường so với các giải pháp thay thế dầu khí mà chúng đã thay thế. Đối với các kỹ sư điện, người quản lý cơ sở và nhà quy hoạch tiện ích chỉ định thiết bị đóng cắt cho các nhà máy công nghiệp, trạm biến áp và tòa nhà thương mại, việc hiểu chính xác cách thức hoạt động của cầu dao chân không — và lý do tại sao chúng hoạt động tốt hơn các lựa chọn thay thế trong cấp điện áp — là điều cần thiết để đưa ra quyết định về thiết bị hợp lý.

Máy cắt chân không dập tắt hồ quang như thế nào

Nguyên lý hoạt động của máy cắt chân không tập trung vào độ bền điện môi đặc biệt của môi trường chân không cao. Bên trong cầu dao, mỗi pha được bảo vệ bằng một bộ ngắt chân không kín - một vỏ hình trụ, thường được làm bằng gốm hoặc kết cấu thủy tinh với kim loại, được duy trì ở áp suất bên trong dưới 10⁻³ Pa. Khi cầu dao mở ra trong điều kiện tải hoặc sự cố, một vòng cung được vẽ giữa hai tiếp điểm tách biệt trong buồng chân không này.

Không giống như hồ quang trong không khí hoặc dầu, tự duy trì bằng cách ion hóa môi trường xung quanh, hồ quang chân không tồn tại hoàn toàn trong hơi kim loại bốc hơi từ chính các bề mặt tiếp xúc. Hơi này - được tạo ra từ vật liệu tiếp xúc, điển hình là hợp kim đồng-crom - dẫn dòng điện qua khe hở trong thời kỳ hồ quang. Khi dòng điện xoay chiều đi qua điểm 0 tự nhiên của nó, hồ quang sẽ tắt vì hơi kim loại nhanh chóng ngưng tụ trở lại bề mặt tiếp xúc trong trường hợp không có môi trường khí nào để duy trì sự đánh lửa lại. Thời gian tái hợp trong chân không được đo bằng micro giây, nhanh hơn nhiều so với bất kỳ chất điện môi khí hoặc lỏng nào, cho phép bộ ngắt ngắt dòng điện sự cố ở mức 0 hiện tại thứ nhất hoặc thứ hai sau khi các tiếp điểm tách ra. Tốc độ này mang lại cho máy cắt chân không khả năng ngắt ngắn mạch vượt trội so với kích thước vật lý nhỏ gọn của chúng.

Cấu tạo của máy ngắt chân không

Bộ ngắt chân không là bộ phận được cải tiến về mặt kỹ thuật nhất trong cụm máy cắt. Cấu trúc của nó phải duy trì độ kín chân không cực cao trong toàn bộ thời gian sử dụng từ 20 đến 30 năm của thiết bị mà không cần bất kỳ quyền truy cập bảo trì nào vào buồng kín. Lớp vỏ bọc sử dụng sự kết hợp giữa các nắp đầu bằng gốm và kim loại được nối với nhau bằng cách hàn đồng trong lò nung khí quyển được kiểm soát ở nhiệt độ trên 800°C, tạo ra các vòng đệm kín có khả năng chịu được ứng suất cơ học của hoạt động tiếp xúc lặp đi lặp lại và chu trình nhiệt của các sự kiện gián đoạn dòng điện sự cố.

Hình dạng tiếp xúc bên trong bộ ngắt được thiết kế để quản lý hành vi hồ quang trong quá trình ngắt. Hai thiết kế tiếp điểm chính được sử dụng trong thực tế: tiếp điểm từ trường hướng trục (AMF) và tiếp điểm từ trường hướng tâm (RMF). Các tiếp điểm AMF sử dụng hình dạng cuộn dây phía sau mặt tiếp xúc để tạo ra từ trường song song với cột hồ quang, phân phối hồ quang một cách khuếch tán trên bề mặt tiếp xúc, ngăn ngừa xói mòn tập trung tại bất kỳ điểm nào và tối đa hóa tuổi thọ của tiếp điểm. Các tiếp điểm RMF sử dụng hình học khe xoắn ốc tạo ra một trường ngang, làm cho hồ quang quay nhanh xung quanh chu vi tiếp điểm - đồng thời phân phối tải nhiệt và kéo dài tuổi thọ tiếp điểm. Cả hai thiết kế đều cho phép cùng một bộ ngắt ngắt dòng điện ngắn mạch định mức hàng trăm lần trong thời gian sử dụng của nó trước khi hiện tượng xói mòn tiếp điểm đạt đến ngưỡng thay thế.

Các thông số kỹ thuật chính và xếp hạng

Bộ ngắt mạch chân không được chỉ định dựa trên bộ thông số tiêu chuẩn hóa được xác định trong tiêu chuẩn IEC 62271-100 và ANSI/IEEE C37. Hiểu các thông số này là cần thiết để áp dụng và mua sắm chính xác. Bảng dưới đây tóm tắt các xếp hạng chính:

Việc phân loại độ bền cơ học đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến hoạt động chuyển mạch thường xuyên, chẳng hạn như bộ cấp nguồn động cơ, chuyển mạch tụ điện hoặc nhiệm vụ của lò hồ quang. Máy cắt loại M2 được định mức cho 30.000 hoạt động cơ học được chỉ định trong các ứng dụng chu kỳ cao này, trong khi máy cắt loại M1 phù hợp cho nhiệm vụ phân phối và bảo vệ tiêu chuẩn trong đó máy cắt chỉ hoạt động một vài lần mỗi năm trong dịch vụ bình thường.

Ưu điểm so với máy cắt dầu và SF₆

Quá trình chuyển đổi từ máy cắt dầu số lượng lớn và máy cắt dầu tối thiểu sang công nghệ chân không trong các ứng dụng điện áp trung thế được thúc đẩy bởi một loạt lợi thế rõ ràng về vận hành và môi trường. Máy cắt dầu có nguy cơ cháy nổ vốn có từ môi trường điện môi dễ cháy, cần lấy mẫu và thay thế dầu định kỳ, đồng thời tạo ra cặn carbon và bùn bên trong buồng ngắt cần phải vệ sinh thường xuyên. Máy cắt chân không loại bỏ hoàn toàn những mối lo ngại này — thiết bị ngắt kín không chứa vật liệu dễ cháy hoặc độc hại và các điểm tiếp xúc bên trong không bao giờ cần tiếp cận hoặc làm sạch trong suốt thời gian sử dụng của máy cắt.

Máy cắt khí SF₆ (lưu huỳnh hexafluoride) mang lại hiệu suất tuyệt vời ở mức điện áp cao và trong thiết bị đóng cắt yêu cầu hình dạng ngắt rất nhỏ gọn, nhưng SF₆ là một loại khí nhà kính mạnh có khả năng làm nóng lên toàn cầu khoảng 23.500 lần so với CO₂ trong khoảng thời gian 100 năm. Áp lực pháp lý đối với lượng khí thải SF₆ đã tăng lên đáng kể ở Liên minh Châu Âu và các khu vực pháp lý khác, với lịch trình giảm dần yêu cầu giảm sử dụng vào cuối những năm 2020. Ở mức điện áp trung bình nơi công nghệ chân không hoạt động tốt như nhau, lợi thế về môi trường của bộ ngắt chân không - không chứa khí nhà kính - hiện là yếu tố quyết định trong thông số kỹ thuật của thiết bị đóng cắt cho các dự án lắp đặt và thay thế mới.

Các ứng dụng điển hình trong Mạng phân phối điện

Bộ ngắt mạch chân không được áp dụng trên toàn bộ các thiết bị phân phối trung áp trong cả bối cảnh tiện ích và công nghiệp. Tính linh hoạt của chúng phản ánh phạm vi hoạt động rộng được bao phủ bởi xếp hạng điện áp và dòng điện của chúng:

• Trạm biến áp phân phối sơ cấp: Bộ ngắt mạch chân không serve as the incoming feeder breakers and bus section breakers in 11 kV, 22 kV, and 33 kV substations, providing protection and isolation for transformer feeders and outgoing distribution circuits.
• Thiết bị đóng cắt MV nhà máy công nghiệp: Trong các nhà máy hóa dầu, khai thác mỏ, xi măng, thép và giấy, bộ ngắt mạch chân không bảo vệ các bộ cấp động cơ điện áp cao, bộ phận biến áp sơ cấp và dây nối thanh cái trong các tổng đài 6 kV, 10 kV và 11 kV.
• Khởi động và chuyển mạch động cơ: Đối với động cơ lớn trên 1 MW, máy cắt chân không cung cấp thiết bị chuyển mạch cho cấu hình khởi động mềm hoặc trực tuyến, xử lý dòng điện khởi động cao khi khởi động và các chu kỳ chuyển mạch lặp đi lặp lại trong suốt thời gian vận hành của động cơ.
• Chuyển đổi ngân hàng tụ điện: Các bộ bù công suất phản kháng sử dụng bộ ngắt mạch chân không cho nhiệm vụ chuyển mạch, tận dụng khả năng của công nghệ để xử lý dòng điện tăng tức thời và các chu kỳ chuyển mạch lặp đi lặp lại mà việc cấp điện cho tụ điện bao gồm.
• Trạm thu năng lượng tái tạo: Các trạm biến áp của trang trại gió và công viên thu gom năng lượng mặt trời sử dụng bộ ngắt mạch chân không trong các lộ 11 kV đến 33 kV kết nối máy biến áp tuabin và máy biến áp biến tần với thanh góp thu chính.

Yêu cầu bảo trì và giám sát tình trạng

Một trong những lợi thế quan trọng nhất trong vận hành của máy cắt chân không là yêu cầu bảo trì tối thiểu so với các công nghệ trước đó. Bộ ngắt chân không kín không cần bảo trì trong suốt thời gian sử dụng - không cần kiểm tra chất lỏng điện môi, không cần theo dõi áp suất khí và không cần làm sạch cặn carbon khỏi buồng ngắt. Bảo trì định kỳ tập trung vào cơ cấu truyền động cơ học: kiểm tra hệ thống lưu trữ năng lượng lò xo, bôi trơn liên kết vận hành theo lịch trình của nhà sản xuất, xác minh áp suất tiếp xúc thông qua các phép đo gián tiếp và kiểm tra thời gian hoạt động của cuộn dây đóng và mở.

Một thông số bảo trì dành riêng cho chân không là xói mòn tiếp xúc trong bộ ngắt kín. Mỗi sự kiện gián đoạn sự cố sẽ ăn mòn một lượng nhỏ vật liệu khỏi bề mặt tiếp xúc và sau một số lần gián đoạn ngắn mạch xác định - được nhà sản xuất chỉ định là mức độ bền điện, thường được biểu thị bằng một số thao tác ở dòng điện ngắn mạch định mức - khe hở tiếp điểm có thể đã tăng vượt quá giới hạn thiết kế. Các nhà sản xuất cung cấp chỉ báo hao mòn tiếp điểm trên cụm cầu dao cho phép nhân viên bảo trì xác minh tuổi thọ tiếp điểm còn lại mà không cần mở buồng kín. Khi chỉ báo đạt đến ngưỡng thay thế, bộ ngắt sẽ được thay thế dưới dạng một bộ phận kín hoàn chỉnh thay vì được sửa chữa.

Tiêu chí lựa chọn để chỉ định máy cắt chân không

Việc chỉ định cầu dao chân không chính xác cho một ứng dụng nhất định đòi hỏi phải xác nhận rằng các thông số định mức vượt quá yêu cầu của hệ thống với giới hạn thích hợp và các cấp độ bền cơ và điện phù hợp với nhiệm vụ vận hành dự kiến. Danh sách kiểm tra sau đây bao gồm các biến lựa chọn cốt lõi:

• Điện áp hệ thống: Chọn một cầu dao có điện áp định mức bằng hoặc cao hơn điện áp hệ thống tối đa, bao gồm mọi điều kiện tăng điện áp. Không coi cầu dao điện áp cao hơn như một thước đo chi phí mà không xác nhận ý nghĩa phối hợp cách điện.
• Dòng điện sự cố tối đa: Dòng điện ngắn mạch định mức phải vượt quá dòng điện sự cố dự kiến tối đa tại điểm lắp đặt, được tính toán từ trở kháng nguồn phía nguồn và định mức máy biến áp. Sự phối hợp với các thiết bị bảo vệ ngược dòng cũng phải được xác minh.
• Dòng điện liên tục: Dòng điện bình thường định mức phải vượt quá dòng tải tối đa dự kiến trong điều kiện vận hành bình thường và khẩn cấp, bao gồm mọi mức tăng tải theo kế hoạch trong tương lai.
• Nhiệm vụ điều hành: Đối với các ứng dụng cấp nguồn động cơ, chuyển mạch tụ điện hoặc lò hồ quang, hãy xác nhận độ bền điện định mức của máy cắt đối với hệ số công suất và dòng điện cụ thể của tải, đồng thời chọn độ bền cơ học Loại M2 nếu tần số hoạt động vượt quá nhiệm vụ phân phối tiêu chuẩn.
• Tuân thủ tiêu chuẩn: Xác minh rằng cầu dao đã được kiểm tra điển hình theo tiêu chuẩn IEC 62271-100 hoặc tiêu chuẩn ANSI/IEEE hiện hành cho thị trường, với các chứng chỉ kiểm tra có sẵn để xem xét trong quá trình thẩm định mua sắm.

Máy cắt chân không đại diện cho một trong những công nghệ hoàn thiện nhất và được kiểm chứng tốt nhất trong kỹ thuật điện trung thế. Sự kết hợp giữa khả năng ngắt hồ quang nhanh, đáng tin cậy, độ sạch của môi trường, gánh nặng bảo trì thấp và tuổi thọ đã được chứng minh trong quá trình vận hành tại hiện trường khiến chúng trở thành thông số kỹ thuật mặc định cho phần lớn các hệ thống lắp đặt thiết bị đóng cắt trung áp mới trên toàn cầu — một vị trí mà chúng có thể sẽ củng cố hơn nữa khi áp lực pháp lý đối với các giải pháp thay thế dựa trên SF₆ tăng cường trong thập kỷ tới.