Nhà sản xuất Aptomat Chân không Trung thế Trong nhà

Kiến thức ngành

Sự xuống cấp của thiết bị ngắt chân không: Cách đánh giá tuổi thọ còn lại mà không cần thay thế

Bộ ngắt chân không là thành phần chức năng cốt lõi của bất kỳ Máy cắt chân không trung thế và tính toàn vẹn của nó là yếu tố quyết định quan trọng nhất cho sự an toàn vận hành liên tục của máy cắt. Không giống như máy cắt dầu hoặc SF₆ trong đó môi trường gián đoạn có thể được lấy mẫu và kiểm tra về mặt hóa học, tính nguyên vẹn của chân không không thể được đánh giá bằng phân tích hóa học thông thường — bản thân chân không phải được xác minh. Phương pháp trường tiêu chuẩn là thử nghiệm khả năng chịu điện thế cao (hi-pot), trong đó đặt một điện áp AC hoặc DC quy định lên các tiếp điểm mở của bộ ngắt. Chân không đã xuống cấp dưới khoảng 10⁻² Pa sẽ có hiện tượng phóng điện một phần hoặc đánh thủng hoàn toàn ở điện áp thấp hơn nhiều so với mức chịu đựng định mức, cho thấy rằng cần phải thay thế trước khi máy cắt hoạt động trở lại.

Xói mòn tiếp xúc là cơ chế hạn chế tuổi thọ thứ hai. Mỗi sự kiện gián đoạn sẽ làm bay hơi một lượng nhỏ vật liệu tiếp xúc - điển hình là hợp kim đồng-crom - khỏi các bề mặt tiếp xúc. Độ sâu xói mòn tích lũy có thể được đo bằng cách kiểm tra hành trình của hành trình tiếp xúc so với thông số kỹ thuật ban đầu. Hầu hết các nhà sản xuất đều đánh dấu chỉ báo độ mòn trên cơ cấu vận hành; khi chỉ báo đạt đến ngưỡng thay thế, bộ ngắt phải được thay đổi bất kể tính nguyên vẹn của chân không. Tại Công ty TNHH Công nghệ Điện Chiết Giang Mingtuo, Máy cắt chân không trung áp của chúng tôi được thiết kế với các chỉ số hao mòn có thể truy cập rõ ràng và các điểm kiểm tra hi-pot được tiêu chuẩn hóa, giúp việc đánh giá dịch vụ định kỳ trở nên đơn giản đối với các đội bảo trì không có thiết bị chuyên dụng ngoài bộ kiểm tra điện áp cao.

Một con đường xuống cấp ít được thảo luận hơn là phát xạ tia X từ các thiết bị ngắt chân không đã cũ. Ở điện áp trên khoảng 20 kV, sự bắn phá của electron lên các bề mặt tiếp xúc bên trong chân không có thể tạo ra tia X mềm xuyên qua lớp vỏ gốm. Mặc dù mức bức xạ liên quan nhìn chung thấp nhưng IEC 62271-100 thừa nhận hiện tượng này và nhân viên bảo trì tiến hành thử nghiệm hi-pot trên Cầu dao chân không trong nhà ở điện áp 24 kV trở lên phải duy trì khoảng cách với cầu dao trong quá trình đặt điện áp. Quy trình thử nghiệm của nhà sản xuất đối với cấp điện áp cao hơn chỉ định khoảng cách an toàn tối thiểu vì lý do này.

Các loại cơ chế vận hành và tác động của chúng đến độ tin cậy chuyển mạch trong Máy cắt chân không trong nhà

Cơ chế hoạt động của Máy cắt chân không trong nhà chịu trách nhiệm điều khiển các tiếp điểm đóng và mở với vận tốc chính xác — một yêu cầu khắt khe hơn mức nó thể hiện. Vận tốc đóng tiếp điểm quá thấp sẽ dẫn đến hiện tượng nảy tiếp điểm, có thể đốt cháy lại hồ quang và gây ra nhiều lần đánh lại trong quá trình gián đoạn sự cố. Vận tốc đóng quá cao sẽ tạo ra lực tác động quá mức, làm tăng tốc độ mài mòn tiếp điểm và có khả năng làm hỏng vỏ bọc gốm. Tương tự, vận tốc mở ảnh hưởng đến tốc độ tăng khe hở tiếp xúc trong quá trình dập tắt hồ quang: quá chậm và khả năng phục hồi điện môi của khe hở bị điện áp phục hồi vượt xa; quá nhanh thì cú sốc cơ học truyền tới kết cấu thiết bị đóng cắt sẽ tăng lên.

Ba loại cơ chế được sử dụng rộng rãi cho Máy cắt chân không điện áp trung thế, mỗi loại có đặc tính bảo trì và độ tin cậy riêng biệt:

Trong những năm gần đây, bộ truyền động nam châm vĩnh cửu đã giành được thị phần đáng kể cho Máy cắt chân không trong nhà trong các ứng dụng yêu cầu tần số hoạt động cao — chẳng hạn như chuyển mạch dãy tụ điện hoặc mạch cung cấp lò hồ quang — vì nó gần như loại bỏ được các bộ phận hao mòn cơ học, trực tiếp dẫn đến khoảng thời gian bảo trì kéo dài và độ tin cậy lâu dài cao hơn. Sự cân bằng là tình trạng của dàn tụ điện trở thành hạng mục bảo trì quan trọng theo đúng nghĩa của nó, đòi hỏi phải đo điện dung và ESR định kỳ để xác minh đủ năng lượng dự trữ để vận hành đáng tin cậy.

Điện áp phục hồi nhất thời và lý do nó quyết định độ khó gián đoạn đối với máy cắt chân không điện áp trung thế

Điện áp phục hồi tức thời (TRV) là điện áp xuất hiện trên các tiếp điểm mở của Máy cắt chân không điện áp trung bình ngay sau dòng điện bằng 0, trong khoảng thời gian ngắn khi hồ quang đã tắt nhưng khe tiếp xúc vẫn đang xây dựng lại cường độ điện môi của nó. Nếu TRV tăng nhanh hơn tốc độ phục hồi điện môi của khe hở thì sự đánh lửa lại xảy ra và hồ quang bắt đầu lại. Do đó, cường độ cực đại và tốc độ tăng TRV (RRRV, được đo bằng kV/µs) là các thông số chính xác định mức độ khó gián đoạn của một tình trạng sự cố cụ thể — không chỉ đơn giản là cường độ dòng điện sự cố.

Một số điều kiện mạng tạo ra các đặc tính TRV đặc biệt nghiêm trọng đối với các bộ ngắt chân không. Sự cố đường dây ngắn - sự cố xảy ra cách thiết bị đóng cắt trên đường dây trên không vài trăm mét - tạo ra mức TRV ban đầu rất dốc do hoạt động sóng lan truyền của đường dây, có thể vượt quá khả năng chịu đựng của máy cắt được định mức đối với sự cố đầu cuối ở cùng mức dòng điện. IEC 62271-100 xác định các nhiệm vụ thử nghiệm TRV cụ thể (T10, T30, T60, T100) tương ứng với các tỷ lệ phần trăm khác nhau của dòng điện ngắn mạch định mức, vì dạng sóng TRV thay đổi theo mức dòng điện sự cố. Ngược lại, việc ngắt dòng điện định mức ở mức 10–30% (nhiệm vụ T10/T30) thường khó hơn việc ngắt dòng điện định mức tối đa, vì dòng điện thấp hơn dẫn đến hồ quang nhỏ hơn sẽ tắt sớm hơn trong chu kỳ, tại thời điểm mà tốc độ thay đổi của điện áp nguồn — và do đó, độ dốc TRV ban đầu — là dốc nhất.

Bộ ngắt chân không đặc biệt nhạy cảm với hiện tượng liên quan gọi là cắt dòng điện, trong đó hồ quang tắt trước dòng điện tự nhiên bằng 0 do không ổn định ở mức dòng điện thấp. Sự gián đoạn dòng điện đột ngột trong mạch cảm ứng tạo ra một xung điện áp có cường độ tỷ lệ thuận với mức dòng điện cắt nhân với căn bậc hai của tỷ số điện cảm trên điện dung của mạch. Đối với các ứng dụng chuyển mạch máy biến áp và động cơ, quá điện áp ngắt dòng điện có thể đạt tới 3–5 lần điện áp hệ thống nếu mạch không có khả năng triệt tiêu đột biến thích hợp. Các vật liệu tiếp xúc đồng-crom hiện đại đã giảm mức dòng điện cắt từ 10–15 A điển hình của các tiếp điểm vonfram trước đây xuống còn 2–5 A, hạn chế đáng kể tình trạng quá điện áp cắt, nhưng vấn đề này vẫn liên quan đến các mạch có tỷ lệ điện cảm trên điện dung cao.

Sự sắp xếp các thiết bị đóng cắt và cách chúng định hình thông số kỹ thuật của máy cắt chân không trong nhà

Việc bố trí bus của hệ thống lắp đặt thiết bị đóng cắt trung thế về cơ bản xác định vai trò vận hành nào mà Máy cắt chân không trong nhà trong đó phải đáp ứng — và do đó, đặc tính hiệu suất nào phải được ưu tiên trong thông số kỹ thuật. Một cách bố trí thanh cái đơn giản, cấu hình phổ biến nhất trong các trạm biến áp phân phối công nghiệp, đặt mỗi máy cắt vào vai trò của một bộ thu (kết nối máy biến áp với thanh cái) hoặc một bộ cấp nguồn (nối thanh cái với các mạch tải). Trong cách sắp xếp này, việc phân biệt giữa các máy cắt với máy cắt là thách thức phối hợp bảo vệ trung tâm và các thông số kỹ thuật chính là dòng điện cắt ngắn mạch danh định và mối quan hệ chọn lọc giữa rơle bảo vệ bộ thu và bộ xuất tuyến.

Bố trí thanh cái đôi, phổ biến trong các trạm biến áp tiện ích và công nghiệp lớn đòi hỏi tính liên tục của nguồn điện cao, giới thiệu các máy cắt ghép nối thanh cái và máy cắt đoạn xe buýt có nhiệm vụ chuyển mạch về cơ bản khác với máy cắt phân tuyến. Có thể cần phải có cầu dao ghép nối thanh cái để đóng vào một thanh cái đang hoạt động và có khả năng bị lỗi - một nhiệm vụ đóng đòi hỏi yêu cầu cầu dao phải chịu được dòng điện tạo ra cực đại. Khả năng tạo ngắn mạch danh định (Icm) là thông số liên quan ở đây, được biểu thị bằng giá trị cực đại bằng dòng điện sự cố không đối xứng tại thời điểm tiếp điểm chạm vào, thường là 2,5× dòng điện cắt đối xứng danh định ở 50 Hz. Sự khác biệt này quan trọng vì cầu dao có kích thước chính xác cho nhiệm vụ cắt có thể không đáp ứng yêu cầu về nhiệm vụ đóng nếu hai giá trị không được kiểm tra chéo rõ ràng trong quá trình xác định thông số kỹ thuật.

Cấu hình vòng chính và bố trí H tạo thêm độ phức tạp: máy cắt phải có khả năng vận hành an toàn ở bất kỳ trạng thái mạng nào, bao gồm cả việc đóng vòng một phần và cấu hình lại vòng hở khi có tải. Dòng điện bình thường định mức IEC 62271-100 và dòng điện chịu đựng thời gian ngắn định mức (Icw) trở nên quan trọng trong các cấu hình này, vì cầu dao dây nối thanh cái có thể mang dòng điện đầy tải liên tục trong thời gian dài, đồng thời cũng phải chịu được dòng điện xuyên qua sự cố mà không bị vấp trong quá trình loại bỏ sự cố ở hạ lưu bằng các vùng bảo vệ khác. Chúng tôi thiết kế Máy cắt chân không trong nhà tại Chiết Giang Mingtuo với khả năng chịu dòng điện ngắn hạn định mức được xác minh đầy đủ thông qua tài liệu kiểm tra loại, cho phép sử dụng tự tin trong các cấu hình xe buýt phức tạp trong đó thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy của hệ thống.

Phối hợp cách nhiệt cho máy cắt chân không trong nhà: Lựa chọn giữa cách nhiệt không khí, rắn và khí

Đối với Bộ ngắt mạch chân không trong nhà, bộ ngắt chân không xử lý việc dập hồ quang, nhưng cách điện pha-pha và pha-đất của các bộ phận mang điện bên ngoài bộ ngắt là một phạm vi thiết kế riêng biệt ảnh hưởng đáng kể đến kích thước vật lý, khả năng chịu đựng môi trường và các yêu cầu bảo trì dài hạn của thiết bị đóng cắt. Ba công nghệ cách nhiệt cạnh tranh trên thị trường trong nhà điện áp trung thế và việc lựa chọn giữa chúng mang lại những hậu quả thực tế ngoài chi phí mua ban đầu.

Cách nhiệt không khí (AIS)

Thiết bị đóng cắt cách điện bằng không khí sử dụng khoảng cách đường rò dọc theo bề mặt cách điện rắn và khe hở qua không khí mở làm phương tiện cách điện chính. Cách tiếp cận này được hiểu rõ, không yêu cầu xử lý đặc biệt đối với chất cách điện và cho phép kiểm tra trực quan các bộ phận mang điện. Nhược điểm của nó là kích thước: để duy trì khoảng hở thích hợp ở 12 kV đòi hỏi khoảng hở giữa pha và đất khoảng 125 mm, và ở 24 kV, khoảng cách này tăng lên 270 mm, làm cho các tấm cách nhiệt bằng không khí có kích thước lớn. Sự nhiễm bẩn - bụi, ngưng tụ, cặn muối - trên bề mặt chất cách điện làm giảm khoảng cách đường rò hiệu quả và có thể dẫn đến phóng điện trong môi trường bị ô nhiễm. Do đó, thiết bị đóng cắt trong nhà cách nhiệt bằng không khí thường được giới hạn ở môi trường trạm biến áp trong nhà sạch sẽ, được kiểm soát khí hậu.

Cách điện rắn (các biến thể SIS / C-GIS)

Thiết bị đóng cắt cách điện rắn bao bọc các dây dẫn mang điện, thanh cái và thường là các điểm tiếp xúc ngắt chân không trong nhựa epoxy hoặc nhựa đúc. Kết quả là tấm pin có khả năng chống lại sự ngưng tụ, ô nhiễm và sự xâm nhập của động vật nhỏ với diện tích nhỏ hơn nhiều so với thiết kế cách nhiệt không khí tương đương. Vật liệu cách nhiệt rắn ngày càng được ưa chuộng để lắp đặt ở vùng khí hậu nhiệt đới ẩm, đường hầm, giàn ngoài khơi và trạm biến áp ngầm đô thị, nơi không gian và điều kiện môi trường khiến việc cách nhiệt không khí trở nên không thực tế. Hạn chế là khả năng sửa chữa: phóng điện trong tổ hợp cách điện rắn thường làm hỏng nhựa không thể khắc phục được, đòi hỏi phải thay thế toàn bộ mô-đun thay vì làm sạch và sơn lại nếu có thể bằng thanh cái cách điện bằng không khí. Sự lão hóa của nhựa epoxy trong chu trình nhiệt và ứng suất phóng điện cục bộ cũng là mối quan tâm lâu dài đòi hỏi phải theo dõi thông qua giám sát phóng điện cục bộ trong quá trình sử dụng.

Cách nhiệt bằng khí SF₆ (GIS)

Thiết bị đóng cắt cách điện bằng SF₆ đạt được dấu chân vật lý nhỏ nhất so với bất kỳ công nghệ cách điện nào ở điện áp trung thế, nhờ độ bền điện môi của SF₆ xấp xỉ 2,5× độ bền điện môi của không khí ở áp suất khí quyển. Tuy nhiên, SF₆ là một loại khí nhà kính mạnh có khả năng làm nóng lên toàn cầu gấp 23.500 lần so với CO₂ trong hơn 100 năm và việc sử dụng khí này trong lắp đặt thiết bị đóng cắt mới đang phải đối mặt với áp lực pháp lý ngày càng tăng ở Châu Âu và các khu vực pháp lý khác. Các loại khí thay thế bao gồm không khí sạch, không khí khô và hỗn hợp gốc fluoronitril (như công nghệ g³ và Clean Air của nhiều nhà sản xuất khác nhau) hiện có sẵn dưới dạng các chất thay thế không chứa SF₆ cho thiết bị đóng cắt trung thế trong nhà, mặc dù các chất thay thế này có các đặc tính nhiệt và điện môi khác nhau cần điều chỉnh thiết kế. Đối với Máy cắt chân không điện áp trung bình được quy định hiện nay có tuổi thọ sử dụng từ 30–40 năm, quỹ đạo điều chỉnh SF₆ là yếu tố hợp pháp trong việc lựa chọn công nghệ cách điện.

Tích hợp rơle bảo vệ và chất lượng dây thứ cấp trong bảng cầu dao chân không trong nhà

Thông tin vận hành của bảng điều khiển thiết bị đóng cắt trung thế nằm trong rơ-le bảo vệ và hệ thống dây điện thứ cấp — một lĩnh vực hoàn toàn tách biệt với đặc tính vật lý của bộ ngắt chân không nhưng không kém phần quan trọng đối với độ tin cậy của hệ thống. Bộ ngắt mạch chân không trong nhà có thể có bộ ngắt và cơ chế vận hành hoạt động hoàn hảo nhưng vẫn không thể khắc phục được lỗi nếu rơle bảo vệ không phát tín hiệu cắt chính xác hoặc nếu dây thứ cấp giữa cực thứ cấp CT và đầu vào rơle bị hở mạch hoặc có kết nối điện trở cao. Sự phụ thuộc lẫn nhau này có nghĩa là việc vận hành và bảo trì mạch thứ cấp có mức độ nghiêm ngặt tương tự như việc kiểm tra thiết bị chuyển mạch sơ cấp.

Mạch thứ cấp của máy biến dòng (CT) có mối nguy hiểm cụ thể mà tất cả nhân viên bảo trì làm việc trên thiết bị đóng cắt trong nhà phải hiểu rõ. Mạch thứ cấp CT không bao giờ được hở mạch trong khi dây dẫn sơ cấp mang dòng điện. Cuộn dây thứ cấp CT cố gắng duy trì sự cân bằng ampe-vòng do dòng điện sơ cấp thiết lập; không có gánh nặng thứ cấp, toàn bộ lực từ động đẩy dòng điện đến trạng thái bão hòa sâu, tạo ra các xung điện áp trên các cực mở có thể đạt tới vài kilovolt — đủ để gây ra điện giật chết người và phá hủy vĩnh viễn lớp cách điện CT. Trước khi thực hiện bất kỳ công việc nối dây thứ cấp nào gần CT đang hoạt động, CT thứ cấp phải được nối tắt tại khối đầu cuối CT bằng cách sử dụng liên kết rút ngắn chuyên dụng, không chỉ ở các đầu vào đầu vào rơle.

Rơle bảo vệ số hiện đại được sử dụng với Máy cắt chân không điện áp trung thế kết hợp khả năng tự giám sát và ghi lại sự kiện mở rộng thường không được sử dụng đúng mức trong thực tế. Mỗi lần thay đổi trạng thái đầu vào nhị phân, báo động và ngắt rơle đều được đánh dấu thời gian và được lưu trong nhật ký sự kiện của rơle ở độ phân giải mili giây. Sau một sự kiện lỗi, dữ liệu này cung cấp sự tái cấu trúc chính xác của trình tự vận hành bảo vệ - phần tử nào được chọn trước, dù có tự động đóng lại hay không, liệu phản hồi tiếp điểm phụ của máy cắt có xác nhận việc mở thành công trong thời gian dự kiến ​​hay không. Việc xem xét có hệ thống nhật ký sự kiện rơle như một phần của quá trình bảo trì theo lịch trình, thay vì chỉ sau sự cố, cho phép xác định sớm các mạch CT xuống cấp, thay đổi điện trở cuộn dây trong cơ cấu vận hành hoặc lệch cài đặt rơle trước khi chúng gây ra lỗi bảo vệ.

Bộ tụ điện và chuyển mạch động cơ: Nhiệm vụ cụ thể mà máy cắt chân không trong nhà được xếp hạng tiêu chuẩn có thể không xử lý được

Không phải tất cả các nhiệm vụ chuyển mạch trong mạng trung áp đều tương đương nhau và hai loại tải — dãy tụ điện và động cơ lớn — tạo ra ứng suất chuyển mạch trên Máy cắt chân không trong nhà vốn khác biệt và trong một số trường hợp đòi hỏi khắt khe hơn cả gián đoạn do lỗi. IEC 62271-100 giải quyết vấn đề này bằng cách xác định các nhiệm vụ định mức cụ thể: C1 và C2 để chuyển mạch tụ điện, E1 và E2 để chuyển đổi động cơ, trong đó C2 và E2 thể hiện các điều kiện khắc nghiệt hơn cần phải xác minh bằng thử nghiệm điển hình ngoài các thử nghiệm ngắn mạch tiêu chuẩn.

Chuyển mạch dãy tụ điện tạo ra dòng điện khởi động tần số cao khi đóng, có cường độ và tần số cực đại phụ thuộc vào kích thước dãy tụ điện và độ tự cảm giữa nguồn và tụ điện. Chuyển mạch dãy tụ điện liên tiếp - đóng một dãy tụ điện trong khi các dãy tụ điện khác đã được cấp điện - là trường hợp nghiêm trọng nhất, vì các tụ điện đã được tích điện phóng điện vào dãy tụ điện đến thông qua trở kháng rất thấp, tạo ra dòng điện khởi động có thể đạt tới 20–100 lần dòng điện định mức ở tần số 300 Hz đến vài kilohertz. Cầu dao tiêu chuẩn không được thử nghiệm cho nhiệm vụ này; Cần có Bộ ngắt mạch chân không trong nhà được xếp hạng C2 với khả năng tần số và dòng điện khởi động đã được xác minh. Điện trở đóng hoặc cuộn cảm chèn trước đôi khi được thêm vào mạch để hạn chế sự xâm nhập trong các hệ thống lắp đặt nơi sự xâm nhập tiềm năng thậm chí vượt quá khả năng định mức C2.

Việc chuyển đổi động cơ tạo ra một kiểu ứng suất khác. Khi mở, từ trường quay của động cơ duy trì điện áp ở tần số giảm dần khi máy chạy chậm lại. Nếu điện áp phía nguồn và EMF ngược của động cơ lệch pha khi đóng lại - như xảy ra trong các sơ đồ chuyển mạch tự động đóng lại hoặc chuyển mạch nhanh - thì điện áp tức thời trên các tiếp điểm mở có thể vượt quá hai lần điện áp định mức. Tình trạng này, được gọi là chuyển mạch lệch pha hoặc tăng điện áp trong nhiều tình huống tái kích hoạt, có thể làm hỏng vỏ ngoài của bộ ngắt chân không nếu bộ ngắt không được định mức cho nhiệm vụ E2 áp dụng cho việc chuyển mạch động cơ thường xuyên. Chiết Giang Mingtuo cung cấp hướng dẫn dành riêng cho ứng dụng dành cho khách hàng chỉ định Máy cắt chân không điện áp trung thế cho nhiệm vụ của bộ tụ điện hoặc bộ cấp động cơ, đảm bảo rằng thiết bị được chọn mang xếp hạng nhiệm vụ IEC thích hợp cho các điều kiện chuyển mạch thực tế thay vì chỉ dựa vào xếp hạng gián đoạn lỗi chung.