İç Mekan Vakumlu Devre Kesicileri OG Sistemleri için Doğru Seçim Yapan Nedir?

İç Mekan Vakumlu Devre Kesici Nedir?

bir iç mekan vakum devre kesicisi (VCB) Arıza akımlarını kesmek ve kapalı iç mekan şalt sistemi kurulumlarındaki elektrik devrelerini izole etmek için ark söndürme ortamı olarak vakumu kullanan bir orta gerilim anahtarlama ve koruma cihazıdır. Yük altında kontaklar ayrıldığında oluşan arkı söndürmek için sıvı veya sıkıştırılmış gaza dayanan yağlı devre kesicilerden veya hava üflemeli devre kesicilerden farklı olarak, bir vakumlu devre kesici, kontak düzeneğini oldukça boşaltılmış bir seramik veya cam zarf içinde içerir - tipik olarak 10⁻³ ila 10⁻⁷ Pa vakum basıncında tutulur - burada gaz moleküllerinin yokluğu, mevcut sıfır geçişten sonra arkın sürdürülmesini neredeyse imkansız hale getirir.

İç mekan VCB'ler, trafo merkezleri, endüstriyel tesisler, ticari binalar, veri merkezleri ve kamu dağıtım ağları gibi tesislerdeki metal kaplı şalt panelleri, halka ana üniteler ve motor kontrol merkezleri içine kurulum için tasarlanmıştır. Orta gerilim aralığında, en yaygın olarak 3,6 kV ila 40,5 kV arasında çalışırlar ve tipik olarak 16 kA ila 63 kA arasında değişen kısa devre kesme kapasiteleriyle 630 A ila 4000 A arasındaki nominal normal akımlarda mevcutturlar. Kompakt form faktörleri, minimum bakım gereksinimleri ve çevre temizliği, onları dünya çapında modern iç mekan orta gerilim uygulamalarında baskın devre kesici teknolojisi haline getiriyor.

Vakum Kesinti Süreci Nasıl Çalışır?

Vakumlu devre kesicideki ark kesme mekanizması, diğer kesici teknolojilerindekilerden temel olarak farklıdır ve VCB'lerin uzun hizmet ömrü boyunca neden bu kadar güvenilir performans gösterdiğini anlamak açısından merkezi bir öneme sahiptir. Kesici, aşırı akımı, toprak arızasını veya diferansiyel durumu tespit eden bir koruma rölesinden bir açma sinyali aldığında, çalıştırma mekanizması hareketli kontağı vakum kesici şişesinin içindeki sabit kontaktan hızla ayırır.

Kontaklar parçalandıkça akım, kontak malzemesinin (tipik olarak bir bakır-krom alaşımı) buharlaşmasından oluşan metalik bir buhar arkı boyunca kısa süreliğine akmaya devam eder. Bu ark yalnızca akım aktığı sürece mevcuttur. AC dalga formunun doğal akım sıfır geçişinde (50 Hz'de saniyede 100 kez meydana gelir) ark söner çünkü vakum ortamı gaz ortamı olmadan iyonizasyonu sürdüremez. Vakum aralığının dielektrik gücü, sıfır akımdan sonra neredeyse anında toparlanır ve yüksek geri kazanım gerilimlerinde bile arkın yeniden ateşlenmesini önler. Kontak ayrılmasından son ark söndürmeye kadar tüm kesinti olayı, genellikle bir yarım döngüden daha az (10 milisaniyeden az) sürer; bu da vakumlu devre kesicilerin mevcut en hızlı temizlenen koruma cihazları arasında yer almasını sağlar.

İç Mekan Vakumlu Devre Kesicinin Temel Bileşenleri

İç mekan VCB'nin iç yapısını anlamak, mühendislerin ve bakım personelinin her bir bileşenin genel performansa ve uzun ömürlülüğe nasıl katkıda bulunduğunu anlamalarına yardımcı olur.

Vakum Kesici

Vakum kesici, kontak çiftini içeren kapalı zarftır. Onlarca yıllık çalışma boyunca vakum bütünlüğünü korumak için yüksek alüminyumlu seramik veya borosilikat camdan yapılmıştır. İçerideki kontaklar, elektrik iletkenliği, ark erozyonu direnci ve düşük kesme akımı özellikleri arasında optimum dengeyi sunan bakır-krom (CuCr) alaşımından yapılmıştır. Temas geometrisi (çoğunlukla spiral oluk veya fincan şeklindeki tasarım), arkı sabit bir noktada yoğunlaşmasına izin vermek yerine dağınık, dönen bir moda yönlendiren enine bir manyetik alan verir, bu da hızlı temas aşınmasına ve kesinti kapasitesinin azalmasına neden olur.

Çalışma Mekanizması

Çalıştırma mekanizması, güvenilir kesme ve yapma için gereken hız ve kuvvetle kontakları açmak ve kapatmak için gereken mekanik enerjiyi sağlar. Üç mekanizma türü yaygın olarak kullanılmaktadır: yay yüklü mekanizmalar, enerjiyi önceden yüklenmiş bir kapatma yayında depolar ve komut üzerine solenoid aktüatörler tarafından serbest bırakılan ayrı bir tetikleme yayında bulunur; manyetik aktüatör mekanizmaları, yalnızca durumu değiştirmek için gereken kısa bir akım darbesiyle kontakları hem açık hem de kapalı konumlarda tutmak için kalıcı bir mıknatıs kullanır ve olağanüstü uzun mekanik ömür sunar; ve motorlu yay mekanizmaları her işlemden sonra otomatik olarak şarj olur ve kesicinin manuel müdahaleye gerek kalmadan bir sonraki anahtarlama döngüsüne her zaman hazır olmasını sağlar.

Yalıtım Destek Yapısı

Her faz için bir tane olmak üzere üç vakum kesici, epoksi reçine veya cam elyaf takviyeli polimerden yapılmış bir yalıtım çerçevesi içinde desteklenir. Bu yapı, faz-faz ve faz-toprak izolasyonu, arıza akımı kesintisi sırasında elektromanyetik kuvvetler altında mekanik sağlamlık, neme ve yüzey takibine karşı dayanıklılık sağlar. Çekmeceli tip VCB'lerde kesici modülün tamamı, kılavuz raylar üzerinde şalt panosunun içine veya dışına yuvarlanabilen bir şasi üzerine monte edilir ve baraların bağlantısını kesmeden inceleme ve bakım için güvenli izolasyona olanak tanır.

Standart Derecelendirmeler ve Teknik Özellikler

İç mekan vakumlu devre kesiciler, AC devre kesiciler için öncelikle IEC 62271-100 ve Kuzey Amerika pazarları için ANSI/IEEE C37.04 olmak üzere sıkı uluslararası standartlara göre üretilmekte ve test edilmektedir. Aşağıdaki tablo, iç mekan VCB spesifikasyonlarında karşılaşılan tipik derecelendirme aralıklarını özetlemektedir:

M1 ve M2 mekanik dayanıklılık sınıfları ile E1 ve E2 elektriksel dayanıklılık sınıfları arasındaki ayrım, daha yüksek bir dayanıklılık sınıfının doğrudan daha uzun kontak ömrü ve daha kısa bakım aralıkları anlamına geldiği kapasitör grubu anahtarlaması, motor başlatma veya ark ocağı kontrolü gibi sık anahtarlama işlemlerini içeren uygulamalar için önemlidir.

Bina İçi Vakumlu Devre Kesicilerin Alternatif Teknolojilere Göre Avantajları

Son kırk yılda iç mekan orta gerilim uygulamalarında vakumlu devre kesicilerin yaygın şekilde benimsenmesi, büyük ölçüde değiştirdikleri SF₆ gazlı devre kesicilere, minimum yağlı devre kesicilere ve hava üflemeli devre kesicilere göre gerçek teknik avantajların bir sonucudur.

• SF₆ gazı yok: CO₂'den 23.900 kat daha fazla küresel ısınma potansiyeline sahip güçlü bir sera gazı olan kükürt heksaflorür kullanan SF₆ devre kesicilerin aksine, iç mekan VCB'leri toksik veya çevreye zararlı yalıtım ortamı gerektirmez. Bu, Avrupa çapında ve küresel olarak SF₆ ekipmanı üzerinde düzenleyici baskı yaratan gaz işleme gerekliliklerini, sızıntı izleme yükümlülüklerini ve kullanım ömrü sonu imha endişelerini ortadan kaldırır.
• Minimum bakım: Vakum kesici, doldurulması gereken sarf malzemesi sıvıları, filtreleri veya gaz yükleri olmayan, hava geçirmez şekilde kapatılmış, kendi kendine yeten bir ünitedir. E2 Sınıfı kesicideki bakır-krom kontaklar, normal dağıtım uygulamalarında genellikle 30 yıl veya daha fazla hizmete karşılık gelen nominal elektriksel dayanıklılık ömrü boyunca herhangi bir değişim gerektirmez.
• Kompakt boyutlar: Vakum kesici, hava veya yağ kesicilerde gerekli olan çok daha büyük kontak hareketiyle karşılaştırıldığında, 12 kV değeri için yalnızca 8 ila 12 mm'lik bir aralıkta tam dielektrik geri kazanım sağlar. Bu, VCB'lerin 600 mm veya daha az standart şalt paneli derinliğine sığacak kompakt çekmeceli modüllere yerleştirilmesine olanak tanır.
• Yüksek işletme güvenliği: Vakum kesiciler, arızalara karşı güvenli olacak şekilde tasarlanmıştır; bir üretim hatası veya hasar nedeniyle vakumun bütünlüğü kaybolursa kesici, felaketle sonuçlanacak bir arıza yerine hava kesintisi durumuna geçer. Ek olarak, VCB'ler çalışma sırasında alev, sıcak gaz veya yağ spreyi üretmez; bu da onları, kullanılan binalarda iç mekan kurulumu için doğası gereği daha güvenli kılar.
• Hızlı ve tutarlı çalışma: Yay mekanizmalı bir VCB'nin çalışma süresi, çalışma sıcaklığı aralığı ve binlerce işlemin üzerinde oldukça tutarlıdır; kontak açma süreleri, açma sinyalinden tam kontak ayrımına kadar tipik olarak 25 ms ile 50 ms arasındadır. Bu tutarlılık, koruma rölesi koordinasyonunu basitleştirir ve arıza koşulları sırasında öngörülebilir temizleme süreleri sağlar.

İç Mekan Vakumlu Devre Kesicilerin Tipik Uygulamaları

İç mekan VCB'leri, çok çeşitli orta gerilim uygulamalarında birincil koruma ve anahtarlama cihazı olarak hizmet eder ve her biri anahtarlama frekansı, yük tipi ve arıza akımı büyüklüğü açısından kesiciden farklı talepler getirir.

Birincil ve İkincil Dağıtım İstasyonları

Kamu hizmetleri ve endüstriyel dağıtım trafo merkezlerinde, iç mekan VCB'ler, gelen fider kesicileri, bara bağlayıcı kesicileri ve giden fider kesicileri olarak metal kaplı şalt sistemine kurulur. Yukarı ve aşağı yöndeki koruma cihazlarıyla koordineli arıza koruması sağlarlar ve etkilenmeyen besleyicilere besleme sürekliliğini korurken yalnızca arızalı bölümü izole eden seçici arıza temizlemeye olanak tanırlar. 25 kA ila 40 kA kesme akımlarıyla 12 kV veya 24 kV olarak derecelendirilen bu kesicilerin, arıza enerjisini sınırlamak ve ekipman hasarını en aza indirmek için yüksek güvenilirliği hızlı açma tepkisiyle birleştirmesi gerekir.

Motor Çalıştırma ve Koruma

Büyük orta gerilim motorları (tipik olarak 1 MW'ın üzerinde) başlatma, çalıştırma koruması ve acil durum açma için özel bir vakum devre kesici gerektirir. Motor besleyici VCB'leri, doğrudan hat üzerinde başlatma sırasında, rahatsız edici açma olmadan tam yük akımının 6 ila 8 katına ulaşabilen yüksek ani akımlarla başa çıkmalıdır. Ayrıca motor sargısının hasar görmesini önlemek için termal aşırı yük, kilitli rotor, faz dengesizliği ve toprak arızası koşulları için koruma rölesi sinyallerine milisaniyeler içinde yanıt vermeleri gerekir. M2 Sınıfı mekanik dayanıklılık, sık sık başlatma-durdurma döngüsü nedeniyle motor anahtarlama görevi için tipik olarak belirtilir.

Trafo Besleyici Koruması

Transformatör besleyici VCB'leri, orta gerilimden alçak gerilime kadar dağıtım transformatörlerini harici arızalardan, Buchholz veya diferansiyel röleler tarafından tespit edilen dahili sargı arızalarından ve aşırı sıcaklık koşullarından korur. Bir transformatöre enerji verildiğinde akan yüksek ani mıknatıslama akımını (anma akımının 8 ila 12 katına ulaşabilen) yanlış çalışma olmadan oluşturmaları ve kesmeleri gerekir; bu, koruma rölesinin ani sınırlama ayarlarının kesicinin çalışma özellikleriyle dikkatli bir şekilde koordine edilmesini gerektirir.

Kondansatör Bankı Anahtarlaması

Güç faktörü düzeltmesi için kapasitör gruplarının değiştirilmesi, devre kesici kontaklarını ve izolasyonu ciddi şekilde zorlayan yüksek frekanslı geçici ani akımlar ve geçici kurtarma gerilimleri üretir. Kapasitör anahtarlama için kullanılan VCB'ler, IEC 62271-100 uyarınca C1 (düşük yeniden devreye girme olasılığı) veya C2 (çok düşük yeniden devreye girme olasılığı) olarak adlandırılan bu görev sınıfı için özel olarak derecelendirilmeli ve test edilmelidir. Kapasitör anahtarlamalı VCB'ler, bağlı ağ boyunca tehlikeli aşırı gerilimlere neden olabilecek yeniden saldırı olasılığını en aza indirmek için özel olarak optimize edilmiş kontak malzemeleri ve boşluk geometrilerini içerir.

Vakum Bütünlüğü Testi ve Bakım Uygulamaları

İç mekan VCB'leri petrol veya gaz muadillerine göre çok daha az rutin bakım gerektirmesine rağmen, ekipmanın 25 ila 30 yıllık beklenen hizmet ömrü boyunca sürekli güvenilir performansı doğrulamak için periyodik durum değerlendirmesi hala önemlidir.

• Vakum bütünlüğü testi: Her bir vakum kesicinin açık kontakları boyunca uygulanan yüksek potansiyelli (hi-pot) AC veya DC dayanım testi, vakum seviyesinin yeterli dielektrik dayanımı sağlamak için yeterli kaldığını doğrular. Kötüleşen bir vakum, test voltajına dayanamayacak ve kesiciyi tekrar hizmete sokmadan önce kesicinin değiştirilmesi gerektiğinin sinyalini verecektir.
• Temaslı erozyon ölçümü: Her anahtarlama işlemi az miktarda kontak malzemesini aşındırır. Çoğu VCB tasarımı, kalan kontak malzemesini gösteren mekanik bir gösterge (görünür bir strok uzunluğu işareti veya kontak hareket bağlantısı üzerinde bir aşınma göstergesi) içerir. Gösterge değiştirme eşiğine ulaştığında, vakum bütünlüğü testi geçse bile vakum kesicinin değiştirilmesi gerekir.
• Mekanizma yağlama ve zamanlama kontrolleri: Çalıştırma mekanizması bağlantıları, mandal bileşenleri ve kapatma yayı düzeneği, çalışma sürelerini yavaşlatabilecek ve koruma zamanlamasında sapmalara neden olabilecek artan sürtünmeyi önlemek için uygun gresle periyodik olarak yağlanmasını gerektirir. Bir devre kesici analiz cihazı kullanılarak yapılan temas zamanlaması ölçümleri, açma ve kapama sürelerinin üreticinin belirlediği toleranslar dahilinde kaldığını doğrular.
• Yalıtım direnci testi: Ana devre yalıtımının ve kontrol kablolarının yalıtımının Megger testi, nem girişini, yüzey kirlenmesini veya çalışma voltajı koşulları altında izlemeye veya atlamalara yol açabilecek yalıtım bozulmasını tespit eder.

İç Mekan Vakumlu Devre Kesiciyi Belirlerken Seçim Kriterleri

Belirli bir uygulama için doğru iç mekan VCB'sinin seçilmesi, elektrik sistemi parametrelerinin, yük özelliklerinin, kurulacağı şalt cihazının ve geçerli standartların sistematik olarak değerlendirilmesini gerektirir. Bir spesifikasyonu tamamlamadan önce aşağıdaki kriterlerin doğrulanması gerekir:

• Sistem voltajı ve izolasyon seviyesi: Nominal voltaj, nominal sistem voltajıyla eşleşmeli ve nominal güç frekansı dayanım voltajı ve yıldırım darbe dayanım voltajı (BIL), kurulum sahasının yalıtım koordinasyon gereksinimlerini karşılamalı veya aşmalıdır.
• Muhtemel kısa devre akımı: Kesicinin nominal kısa devre kesme akımı, gelecekteki ağ takviyesi için uygun bir güvenlik payı ile, yukarı akım trafo empedansı ve ağ konfigürasyonundan hesaplanan, kurulum noktasındaki maksimum muhtemel arıza akımını aşmalıdır.
• Şalt uyumluluğu: Çekmeceli VCB'ler, ikincil fiş konnektörü pin çıkışı, raf mekanizması arayüzü ve panelin nominal bara akımı ve kısa devreye dayanma kapasitesi dahil olmak üzere, özel şalt paneli tasarımıyla boyutsal ve elektriksel olarak uyumlu olmalıdır.
• Kontrol voltajı ve yardımcı besleme: AC kaynağının kullanılamadığı arıza koşullarında trafo merkezi aküsünden veya UPS sisteminden güvenilir çalışmayı sağlamak için kapatma bobini, şönt açma bobini ve motor şarj devresi mevcut kontrol besleme voltajıyla (tipik olarak 110V DC, 220V DC veya 230V AC) uyumlu olmalıdır.
• Özel görev sınıfı gereklilikleri: Kapasitör grubu anahtarlaması, reaktör anahtarlaması veya sık motor başlatmayı içeren uygulamalar, standart kesme derecesinin ötesinde açık görev sınıfı doğrulaması (kapasitörler için C1/C2, reaktörler için L1) gerektirir; çünkü bu görevler, standart tip testinin karşılamadığı belirli dielektrik geri kazanımı ve kontak gerilimi taleplerini gerektirir.