Kleiner und intelligenter Mittelspannungsschalter

Weltbekannte Schaltanlagenunternehmen haben schon seit langem kleine intelligente Schutzschalter. Beispielsweise der T-VAC-Vakuumschalter von Eaton, wie in Abbildung 1 gezeigt. Dieser Vakuumschalter integriert intelligente Schutzrelais mit einem Phasenabstand von 150mm und einer Schalterbreite von 431mm. Er ist ausgestattet mit Digitrip-intelligenter umfassender Relais-Schutz, selbstversorgtem digitalem Auslöseschutz, kleiner Größe des Stromsensors, Langzeitverzögerung, Kurzzeitverzögerung, Momentan- und Erdungsschutz, Leistungsfaktor, Spannung, Strom, harmonischer Verzerrungswert und Wellenformaufzeichnung, Auslösezeitaufzeichnung, Bereichsauswahlverriegelung, um den Fehler des dem Fehler am nächsten gelegenen Schutzschalters zeitverzögerungsfrei zu beseitigen, die Fehlerschäden zu reduzieren, unnötige und verschwendete Ausfallzeiten zu vermeiden, hochpräzise Messung, Messung von elektrischer Energie, Leistungsmengen und elektrischer Qualität, Modbus-Kommunikationsprotokoll.

General Electric (GE) verwendet den Betriebsmechanismus des Niederspannungs-Rahmenschutzschalters GLOBAL ACB für den Mittelspannungs-intelligenten Schutzschalter iVB. Basierend auf dem Konzept des integrierten Designs hofft der iVB-Vakuumschalter von GE, die Intelligenz der Anlage zu erreichen, indem die elektronische Sensoreinheit und das Schutzsystem hochgradig integriert werden. Die Primäranlage, das Sekundärsignal und der Schutz sind perfekt zu einem integriert, wodurch die Funktionsintegration maximiert und der maximale Nutzen für die Kunden geschaffen wird. Es ist ein Schutzschalter mit einer "geistigen" Selbstauslösefunktion.

IVB ist auch ein miniaturisierter Leitungsschutzschalter mit einem Polabstand von 150mm und einer Schalterbreite von 480mm, der in 550mm-Schaltanlagen eingesetzt werden kann. Das intelligente Schutzsystem für die Schalterüberwachung kommuniziert über Modubus, und die Schalter werden mit Twisted-Pair-Kabeln verbunden. Die Echtzeitüberwachung und -steuerung der Parameter und des Status aller Schalter in der Leitung werden über den Touchscreen der Schaltanlage erreicht. Der iVB intelligente Leitungsschutzschalter ist ein vollständig integriertes Produkt, das traditionelle diskrete Komponenten in Schaltanlagen wie Stromwandler, Schutzrelais, sekundäre Verkabelungen usw. ersetzt. Die Gesamtkosten des Schalters sind niedriger als der Gesamtpreis traditioneller diskreter Komponenten. Ein Leitungsschutzschalter ist wie ein Abgangsschrank.

Der neueste kompakte iVD4-Vakuumschalter von ABB, wie in Abbildung 2 gezeigt, verwendet einen recycelbaren Thermoplastwerkstoff PT für die integral gegossenen, festversiegelten Polsysteme, was die mechanischen und Kälteeigenschaften erheblich verbessert hat. Seine Isolationsfähigkeit übertrifft bei weitem die Anforderungen der internationalen und nationalen Stromversorgungsbranchenstandards und ist umweltfreundlich. Der Polabstand beträgt nur 135mm und die Breite des Schiebewagens 414mm. Es ist eine intelligente Lösung und eine umfassende Lösung für das Statusmanagement der Schaltequipment-Assets.

Echtzeit-Temperaturüberwachung des gedachten Schaltgeräts, genaue Messung der Temperatur der Hauptschaltung und Identifizierung von Sicherheitsrisiken; Intelligentes Motorantriebssteuerungs- und Schutzsystem, das das programmierte "Einklick-Seriensteuerungs"-Verfahren unterstützt und eine sichere und effiziente Wartung ermöglicht; Kombination der Benutzerüberwachung mit ABB-Cloud-Technologie zur Echtzeit-Datenanalyse; Durch genaue Vorhersage von frühen Fehlern in Leistungsschaltern kann man deren Gesundheitszustand kontrollieren; Mobile Clients oder Browser können jederzeit und überall auf Betriebsdaten zugreifen und unterstützen die Android-, iOS- und Windows-Betriebssysteme. Vollständige experimentelle Verifizierung wurde gemäß NB/T42044 "3,6 kV~40,5 kV Intelligente Wechselstrom-Metallgekapselte Schaltgeräte und Steuerausrüstungen" durchgeführt.

Das Isolationsproblem von miniaturisierten Leistungsschaltern

Das größte Problem bei der Miniaturisierungsdesign ist die Lösung des Isolationsproblems, insbesondere des Phasenisolationsproblems. Wenn der Phasenabstand etwa 150mm beträgt, kann eine Isolationsabdeckungsstruktur der Löschkammer oder eine feste versiegelte Polform verwendet werden. Selbst wenn der Phasenabstand klein ist, müssen die Polsäulen versiegelt werden, und es muss ein klare Luftstrecke von mehr als 20mm zwischen den versiegelten Polsäulen aufrechterhalten werden. Basierend auf der Kapazitätsspannungsteilungskalkulation führt ein zu kleiner Luftabstand zu einer zu hohen elektrischen Feldstärke zwischen der Luft, was es schwierig macht, die Netzfrequenz- und Blitzstoßspannungsfestigkeit zu ertragen und zur Isolationsfehlfunktion führt.

Betriebsmechanismus eines miniaturisierten Leitungsschutzschalters

Die Größe des allgemeinen Betriebsmechanismus ist zu groß, und aufgrund der Miniaturisierung von Leitungsschutzschaltern wird empfohlen, Vakuumlichtbogenlöschkammern mit geringer Kontaktmasse, niedriger Öffnungsgeschwindigkeit und kleinem Hub zu verwenden. Dies reduziert die vom Mechanismus benötigte Betriebsleistung, verringert effektiv den Verschleiß des Betriebssystems und verringert somit die häufige Wartung, die für den Leitungsschutzschalter erforderlich ist. Wenn der Betriebsmechanismus von Niederspannungsrahmen-Leitungsschutzschaltern verwendet wird, verwenden Eatons T-VAC, GEs iVB und ABBs VD4-Vakuum-Leitungsschutzschalter alle den gleichen Betriebsmechanismus wie Niederspannungsrahmen-Leitungsschutzschalter. Der VD4 verwendet einen modularen EL-Typ-Betriebsmechanismus mit Federeneriespeicherung und Freiauslösungsfunktion. Die Hauptfeder ist im Modul enthalten, und der Mechanismus selbst verfügt über einen manuellen Energiespeichergriff, der dem Mechanismus eine vollständige Antriebsfunktion, präzise Aktionsmerkmale und eine stabile erwartete Lebensdauer verleiht. Optionale sekundäre Zubehörteile können einfach und schnell installiert werden. Das einfache Designkonzept bringt hohe Zuverlässigkeit für die Komponenten.

Das Problem der Temperaturerhöhung bei Miniatur-Leistungsschaltern

Der kleine Phasenabstand von Leistungsschaltern führt aufgrund von Haut- und Nachbarschaftseffekten zu erheblichen zusätzlichen Wärmeverlusten, und die kleine Größe macht es schwierig, die Wärme abzuführen, insbesondere in Form von festen geschlossenen Polen. Die von Vakuum-Löschkammern erzeugte Wärme konzentriert sich innerhalb der geschlossenen Pole, und die Wärmeleitfähigkeit sowohl von technischen Kunststoffen als auch von Epoxidharzen ist niedrig. Daher ist es notwendig, den Widerstand der Löschkammerkontakte zu verringern, die Fläche der oberen und unteren Stützen geeignet zu vergrößern und den Widerstand der Handwagen-Leistungsschalterkontakte zu verringern, um die Wärmeerzeugung zu reduzieren. Wenn das Isolationsproblem gelöst werden kann, kann die Verwendung der Isolierrahmenform das Problem der Temperaturerhöhung effektiv lösen. Beispielsweise verwenden T-VAC-Leistungsschalter DMC-gegossene Isolierrahmen, und der Grundrahmen erfüllt die Anforderung an die Nenn-Lichtbogenstoßspannungsfestigkeit von 75 kV für Produkte mit einer Nennspannung von 12 kV. Durch das Hinzufügen von Phasen-zu-Phasen-Isolierplatten kann die Isolationsanforderung von 95 kV für Produkte mit einer Nennspannung von 17,5 kV erfüllt werden, was es sehr vielseitig macht. Vakuum-Löschkammern, flexible Verbindungen usw. sind der Luft ausgesetzt, und die Wärme wird direkt abgeführt, was für die Temperaturerhöhung von Vorteil ist. Das Schema des Isolierrahmens der Miniatur-Leistungsschalter-Löschkammer ist in Abbildung 3 dargestellt.

Integration von intelligenten Schutzterminals

Das intelligente Terminal des Leistungsschalters umfasst Funktionen wie Systemmessschutz, Mechanikstatusüberwachung, Überwachung der Schlüsselleistung, Fernsteuerung usw. Die Systemmess- und Schutzfunktionen verwenden meist intelligente digitale Auslöseeinheiten, die die Funktionen des Schaltanlagensicherungsschutzes integrieren. Beispielsweise verwenden T-VAC- und iVB-Leistungsschalter intelligente Auslöseeinheiten ähnlich denen von Niederspannungsrahmenleistungsschaltern, um eine Echtzeitmessung von Strom, Spannung, Wirkleistung, Harmonischen und Fehlersuche durchzuführen. Das automatische Auslösen bei langer Verzögerung, kurzer Verzögerung, Momentanauslösung usw. ist die Grundlage für die Realisierung der Intelligenz von Leistungsschaltern; Die Überwachung des Status und der Schlüsselleistung der Mechanik ist die Überwachung von Temperaturerhöhung, Teilentladung, Vakuumgrad, Betätigungsmechanikspulen und Motoren, Ein- und Ausschaltgeschwindigkeit usw. Man kann sagen, dass es eine Ergänzung zur Intelligenz von Leistungsschaltern ist. Der elektrische Betrieb beim Einschieben und Herausziehen verbessert weiter die Wartungs- und Betriebsfunktionen.

Deshalb sollte Intelligenz auf der Voraussetzung der intelligenten Systemschutz basieren. Der intelligente Schutz basiert auf der digitalen Mikrorechnerverarbeitungstechnologie, die ein autonomes Auslösen ohne die Notwendigkeit einer externen Stromversorgung erreichen kann. Die Systemberechnung wird durch die digitale Verarbeitung kleiner Strom- und Spannungswerte erreicht. Beispielsweise beträgt die Ausgangsspannung des Rogowski-Spulen-Stromsensors 150mV. Deshalb kann die Integration von Strom- und Spannungssensoren sowie Leistungstransformatoren auf dem Schalter Verluste reduzieren, die Schutzgeschwindigkeit verbessern und die Zuverlässigkeit erhöhen. Fernsteuerung und -einstellung des Verteilungssystems über eine Kommunikationsschnittstelle, um Automatisierung zu erreichen.

Die Leistung und der Statusüberwachung erfordern die Überwachung der Primär- und Sekundärkreise des Schalters, die durch invasive Sensoren oder nicht-invasive Rechenanalyse gemessen werden können. Aus Sicht der Sicherheit und Zuverlässigkeit setzen immer mehr intelligente Produkte die kontaktlose Überwachung ein, wie die Stromüberwachung von Schalt- und Schließspulen sowie Energiespeichermotoren, die durch intelligente Überwachungseinheiten, die im Instrumentenraum des Schaltschrankes installiert sind, erreicht wird, ohne die Gesamtleistung des Schalters zu beeinträchtigen. Die Temperaturerhöhungsmessung wird durch drahtlose Übertragung der Bandtemperaturmessung durchgeführt, die das Betriebssystem des Schalters nicht beeinflusst.

Installation Probleme von intelligenten Sensoren

Der intelligente Leistungsschalter verwendet einen Rogowski-Spulen-Stromsensor, der auf dem Hochspannungskontaktarm installiert werden muss, wie in Abbildung 4 gezeigt. Aufgrund des geringen Phasenabstands des Leistungsschalters ist der Sensor eine Niederspannungskomponente und wird auf dem Hochspannungskontaktarm installiert. Es ist eine primäre und sekundäre Niederspannungsisolation sowie elektrische Isolierung erforderlich, um die Spannungsfestigkeit des Leistungsschalters sicherzustellen. Allgemein wird eine feste Dichtstruktur verwendet und zusammen mit der Löschkammerstange vergossen, was kostspielig ist, eine schlechte Universalität aufweist und nicht separat gewartet oder ersetzt werden kann; Es gibt auch Strom- und Spannungsintegrierte Sensoren, die Isolationsstützen verwenden, und integrierte Steuerleistungstransformatoren, die klein sind und einfach zu installieren sind.