So sánh giữa máy cắt chân không và máy cắt SF6

Hệ thống phân phối điện trung thế

Trong thế kỷ 20 máy cắt kiểu dập hồ quang bằng dầu đã được sử dụng với số lượng lớn cho hệ thống phân phối điện trung thế trong nhiều tủ điện trung thế. Có nhiều nhược điểm của việc sử dụng dầu làm phương pháp dập hồ quang trong các máy cắt. Khả năng cháy và chi phí bảo trì cao là hai điểm bất lợi như vậy.

Các hãng sản xuất và người sử dụng buộc phải tìm kiếm các phương pháp khác nhau để dập hồ quang. Máy cắt không khí và máy cắt không khí kết hợp lõi từ không khí đã được phát triển nhưng không thể duy trì trên thị trường do các nhược điểm khác liên quan đến các máy cắt. Những loại máy cắt mới này rất cồng kềnh. Tiếp tục nghiên cứu đã được thực hiện và cùng một lúc hai loại máy cắt đã được phát triển với buồng dập hồ quang bằng SF6 và buồng dập hồ quang bằng chân không.

Hai loại máy cắt mới cuối cùng sẽ thay thế các loại trước kia hoàn toàn trong thời gian ngắn. Một nỗ lực được thực hiện để so sánh giữa hai loại máy cắt SF6 và chân không nhắm tìm ra ưu và nhược điểm của mỗi loại.

Bây giờ chúng ta sẽ nghiên cứu chi tiết từng loại riêng biệt trước khi so sánh chúng.

Máy cắt chân không
Trong một máy cắt chân không, buồng dập hồ quang chân không được sử dụng để
ngăn chặn hồ quang khi đóng cắt tải và cắt dòng điện sự cố. Khi các tiếp điểm bắt đầu tách rời trong môi trường chân không, dòng điện bị gián đoạn sẽ bắt đầu phóng hồ quang trên bề mặt kim loại của tiếp điểm cho đến khi bị ngắt hẳn. Hồ quang sau đó được dập tắt và hơi kim loại dẫn điện ngưng tụ trên các bề mặt tiếp điểm trong vòng vài giây. Kết quả là độ bền điện môi trong máy cắt được phục hồi nhanh chóng.

Các tính chất của máy cắt chân không phụ thuộc phần lớn vào vật liệu và hình dạng của các tiếp điểm. Trong giai đoạn phát triển, nhiều loại vật liệu đã được sử dụng để làm tiếp điểm. Vào thời điểm đó, người ta chấp nhận rằng hợp kim crom đồng là vật liệu tốt nhất cho máy cắt trung thế. Trong hợp kim này, crom được phân phối qua đồng ở dạng hạt mịn.

Vật liệu kết hợp đặc tính chống hồ quang tốt với xu hướng giảm sự hàn dính tiếp điểm khi đóng cắt dòng điện cảm. Việc sử dụng vật liệu đặc biệt này ngắt được dòng điện giới hạn từ 4 đến 5 lần dòng điện đầy tải (Amps).

Tại dòng điện dưới 10kA, hồ quang cháy trong chân không như một sự phóng điện khuếch tán. Ở các giá trị lớn hơn của dòng điện, hồ quang sẽ chuyển thành một dạng co thắt với điểm cực dương. Một điểm hồ quang duy trì ở một chỗ trong thời gian quá dài có thể làm nóng các tiếp điểm đến mức độ ô xy hóa vùng tiếp xúc của tiếp điểm không còn được đảm bảo. Để khắc phục vấn đề này, tia hồ quang đầu tiên phải được dẫn hướng ra khỏi một điểm trên bề mặt. Để đạt được điều này, các tiếp điểm được định hình các rãnh xoáy theo chiều kim đồng hồ để tạo ra một từ trường xung quanh trục tiếp điểm. Trường xuyên tâm này làm cho tia hồ quang quay nhanh xung quanh tiếp điểm tạo ra một sự phân bố đồng đều nhiệt trên bề mặt của nó. Kiểu tiếp điểm này được gọi là các điện cực từ trường xuyên tâm và chúng được sử dụng trong phần lớn các máy cắt cho ứng dụng trung áp.

Hình dạng tiếp điểm trong buồng chân không

Một thiết kế mới đã xuất hiện trong buồng ngắt chân không, trong đó để chuyển hồ quang từ dạng điểm sang trạng thái khuyếch tán bằng cách dẫn hồ quang theo từ trường hướng trục. Một từ trường như vậy có thể được cung cấp bằng cách dẫn dòng hồ quang thông qua một cuộn dây được bố trí phù hợp bên ngoài buồng chân không. Ngoài ra, từ trường có thể được tạo ra bằng cách thiết kế các rãnh xoáy trên tiếp điểm. Các tiếp điểm như vậy được gọi là các điện cực từ trường dọc. Nguyên lý này có lợi thế khi dòng điện ngắn mạch vượt quá 31,5kA.

Máy cắt khí SF6

Trong một máy cắt SF6, dòng điện tiếp tục được duy trì sau khi tiếp điểm tách ra thông qua trạng thái plasma của hồ quang bị ion hóa trong khí SF6. Cho đến khi tiếp điểm bị hồ quang đốt cháy, hồ quang sẽ phải chịu một dòng khí liên tục hấp thụ nhiệt từ nó. Hồ quang được dập tắt khi dòng điện về không. Dòng khí tiếp tục khử ion cho tiếp điểm và thiết lập một môi trường cách điện cần thiết để ngăn chặn sự đánh lửa trở lại.

Hướng của dòng khí, cho dù đó là song song hoặc cắt ngang qua hồ quang, nó đều có ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình dập hồ quang. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng một dòng khí dọc theo trục tạo ra một sự nhiễu loạn gây ra sự xáo trộn mạnh mẽ và liên tục giữa khí và plasma trong khi dòng điện tiến đến gần bằng không. Dòng khí ga làm mát cắt ngang hồ quang thường đạt được trong thực tế bằng cách thực hiện dẫn hồ quang di chuyển trong khí tĩnh. Tuy nhiên, quá trình này có thể dẫn đến sự mất ổn định hồ quang và sự biến động lớn về khả năng ngắt của máy cắt.

Để đạt được một dòng khí hướng trục vào hồ quang, một sự chênh lệch áp suất phải được tạo ra dọc theo tia hồ quang. Thế hệ đầu tiên của máy cắt SF6 đã sử dụng nguyên lý áp suất kép của bộ phận máy cắt không khí. Ở đây, một lượng khí nhất định được lưu giữ ở áp suất cao và được giải phóng vào buồng dập hồ quang. Hiện tại khí áp suất cao và máy nén liên quan đã được loại bỏ bằng thiết kế thế hệ thứ hai. Ở đây chênh lệch áp suất được tạo ra bởi một piston gắn liền với tiếp điểm di động, dòng khí nén trong một xi lanh nhỏ khi tiếp điểm bắt đầu mở ra. Một bất lợi là hệ thống phun này đòi hỏi một cơ cấu vận hành tương đối mạnh mẽ.

Tiếp điểm và buồng dập hồ quang SF6

Bảng 1. Đặc điểm của SF6 và máy cắt chân không

Máy cắt khí SF6 Máy cắt chân không
Tiêu chuẩn Puffer Circuit Breaker Loại tự tạo áp suất Vật liệu tiếp điểm: hợp kim đồng – Crom
Yêu cầu năng lượng hoạt động Yêu cầu năng lượng hoạt động cao, bởi vì cơ chế phải cung cấp năng lượng cần thiết để nén khí. Yêu cầu năng lượng hoạt động thấp, bởi vì cơ chế này chỉ di chuyển những khối lượng tương đối nhỏ với tốc độ vừa phải, trong khoảng cách ngắn. Cơ chế không phải cung cấp năng lượng để tạo ra dòng khí Yêu cầu năng lượng hoạt động thấp, bởi vì cơ chế này chỉ di chuyển những khối lượng tương đối nhỏ với tốc độ vừa phải, trong khoảng cách rất ngắn.
Năng lượng hồ quang Do độ dẫn cao của hồ quang trong khí SF6 nên năng lượng hồ quang thấp. (điện áp hồ quang là từ 150 đến 200V) Do điện áp rất thấp trên vật liệu khuếch tán hồ quang, năng lượng rất thấp. (Điện áp hồ quang là từ 50 đến 100V)
Sự ăn mòn tiếp điểm Do năng lượng thấp nên độ ăn mòn tiếp điểm không lớn. Do năng lượng hồ quang rất thấp, sự chuyển động nhanh của tia hồ quang qua tiếp điểm và thực tế là phần lớn hơi kim loại ngưng tụ trên tiếp điểm, sự ăn mòn tiếp điểm là rất nhỏ.
Phương pháp dập hồ quang Môi trường khí SF6 có tính chất điện môi và làm nguội tuyệt vời. Sau khi dập tắt hồ quang, các phân tử khí bị phân rã kết hợp gần như hoàn toàn để tái tạo SF6. Điều này có nghĩa là thực tế không có mất mát / tiêu thụ của môi trường làm nguội xảy ra. Áp lực khí có thể được giám sát rất đơn giản và thường xuyên. Chức năng này không cần thiết khi buồng dập hồ quang được đóng kín trong tuổi thọ của thiết bị. Không cần thiết bổ sung biện pháp dập tắt trung gian. Một buồng chân không ở áp suất 10-7 bar hoặc thấp hơn là một phương tiện dập tắt hồ quang gần như lý tưởng. Các buồng dập hồ quang được đóng kín, giám sát áp suất chân không là không cần thiết.
Số lần cắt ngắn mạch 10—50 10—50 30—100
Số lần đóng cắt đầy tải 5000—10000 5000—10000 10000—20000
Số lần vận hành cơ khí 5000—20000 5000—20000 10000—30000

So sánh công nghệ SF6 và chân không

Trong trường hợp máy cắt SF6, các bộ dập hồ quang đã đạt đến giới hạn số lần hoạt động có thể được sửa chữa và khôi phục lại trạng thái ‘như mới’. Tuy nhiên, kinh nghiệm thực tế đã chỉ ra rằng trong điều kiện dịch vụ bình thường, buồng dập hồ quang SF6 không bao giờ đòi hỏi phải phục vụ suốt dòng đời của nó. Vì lý do này, một số nhà sản xuất không còn cung cấp phụ kiện cho người sử dụng để sửa chữa lại buồng dập hồ quang, nhưng họ đã áp dụng thiết kế “không cần bảo trì” như đối với máy cắt chân không.

Cơ chế vận hành của tất cả các loại máy cắt yêu cầu phải được bảo trì, một số thường xuyên hơn các máy khác phụ thuộc chủ yếu vào lượng năng lượng họ cung cấp. Đối với máy cắt chân không khoảng thời gian bảo trì là từ 10.000 đến 20.000 lần hoạt động. Đối với các thiết kế SF6, giá trị dao động từ 5.000 đến 20.000 lần.

Độ tin cậy

Độ tin cậy của một thiết bị được xác định bởi thời gian trung bình của sự cố (MTF), nghĩa là khoảng thời gian trung bình giữa các lần cắt sự cố. Ngày nay, SF6 và máy cắt chân không đã sử dụng các cơ chế vận hành giống nhau, do đó về mặt này chúng có thể được coi là giống hệt nhau.

Tuy nhiên, liên quan đến buồng dập hồ quang của chúng, hai máy cắt thể hiện sự khác biệt đáng kể. Số cơ cấu chuyển động nhiều hơn của máy cắt SF6 so với máy cắt chân không. Tuy nhiên, so sánh độ tin cậy của hai công nghệ trên cơ sở phân tích số lượng các thành phần cấu tạo hoàn toàn khác nhau về thiết kế, vật liệu và chức năng thì độ tin cậy phụ thuộc vào quá nhiều yếu tố, ví dụ như kích thước, thiết kế, vật liệu cơ bản, phương pháp sản xuất, kiểm tra và các quy trình kiểm soát chất lượng. Hơn nữa, dữ liệu thực tế cho thấy rằng cả hai công nghệ đều có mức độ tin cậy cao trong điều kiện bình thường và bất thường.

Đóng cắt dòng sự cố

Ngày nay, tất cả các máy cắt của các nhà sản xuất có uy tín đều được thiết kế và thử nghiệm theo tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế (IEC56). Điều này đảm bảo rằng các máy cắt sẽ chắc chắn có khả năng cắt tất cả các dòng sự cố đến mức đánh giá cao nhất của chúng. Hơn nữa, cả hai loại máy cắt đều có khả năng ngắt dòng với các thành phần DC cao, các dòng Dc này có thể phát sinh khi mạch ngắn xảy ra gần với máy phát. Các kiểm tra tương ứng đã thực sự cho thấy các máy cắt riêng lẻ của cả hai loại SF6 và chân không, trên thực tế có khả năng cắt dòng sự cố khi dòng điện gần về 0, tức là có một thành phần DC lớn hơn 100%.

Đối với điện áp phục hồi xuất hiện sau khi cắt dòng sự cố, máy cắt chân không có thể chịu đựng được điện áp phục hồi giá trị RRV (Rise of recovery voltage) lên đến 5kV. SF6 bị giới hạn trong khoảng từ 1 đến 2kV. Trong các ứng dụng riêng lẻ, ví dụ: trong quá trình lắp đặt với các cuộn giới hạn dòng hoặc hoặc cuộn kháng… thì máy cắt SF6 có thể cần phải thực hiện các bước để giảm tỷ lệ tăng điện áp phục hồi tạm thời.

Bảng 2. So sánh máy cắt SF6 và chân không liên quan đến các khía cạnh hoạt động.

Tiêu chí Máy cắt khí SF6 Máy cắt chân không
Số lần cắt ngắn mạch 10-50 dòng ngắn mạch 30-100 dòng ngắn mạch
Số lần đóng cắt đầy tải 5000-10000 10000-20000
Số lần vận hành cơ khí 5000-20000 chu trình 10000-30000 chu trình
Số lần vận hành trước khi bảo trì 5000-20000 chu trình 10000-30000 chu trình
Thời gian sử dụng 5-10 năm 5-10 năm
Chi phí bảo trì Chi phí nhân công cao, Chi phí nguyên liệu thấp Chi phí nhân công thấp, Chi phí nguyên liệu cao
Độ tin cậy Cao Cao
Độ bền điện môi giữa khoảng cách tiếp điểm Cao Rất cao


Bảng 3. So sánh máy cắt SF6 và chân không liên quan đến ứng dụng đóng cắt.

Tiêu chí Máy cắt khí SF6 Máy cắt chân không
Cắt dòng ngắn mạch với thành phần DC cao Thích hợp Thích hợp
Cắt dòng ngắn mạch với điện áp phục hồi RRV cao Phù hợp với điều kiện nhất định (RRV> 1-2 kV / mS) Rất thích hợp
Đóng cắt cho máy biến áp Thích hợp Thích hợp
Đóng cắt cho cuộn kháng Thích hợp Thích hợp, các bước thực hiện khi dòng điện < 600A
Đóng cắt cho tụ điện Thích hợp Thích hợp
Đóng cắt cho tụ điện đối xứng Thích hợp Thích hợp
Đóng cắt lò hồ quang Thích hợp cho hoạt động hạn chế Thích hợp, cần thực hiện các bước để hạn chế quá áp

Nguồn: Sách thiết bị đóng cắt trung thế Siemens

Cảm ơn bạn đã đọc bài viết này, nếu thấy bài viết có ích giúp Namchip chia sẻ nó ngay bạn nhé. Hoặc bạn có thể để lại comment ở dưới. Namchip rất muốn nhận thêm chia sẻ và góp ý từ bạn!

Bình luận của bạn

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.

Đăng ký nhận thông báo

Đăng ký danh sách gửi email của Namchip để nhận thông tin các nội dung hữu ích và bài viết mới đến email của bạn.

Bạn đã đăng ký thành công! Vui lòng kiểm tra mail để xác nhận đăng ký!

Đã xảy ra lỗi.