Analyse und Lösung von Überspannungsproblemen, die durch das Schalten von Kondensatorbänken durch Vakuum-Leistungsschalter verursacht werden

Die Überspannung, die entsteht, wenn Vakuum-Leistungsschalter Kondensatorbänke schalten, ist ein häufiges und erhebliches Problem in Stromversorgungssystemen, das besondere Aufmerksamkeit erfordert. Eine solche Überspannung kann eine Gefahr für die Isolierung von Kondensatoren, Leistungsschaltern und dem gesamten System darstellen. Im Folgenden finden Sie eine systematische Analyse dieses Problems und möglicher Lösungen:

Der Hauptgrund kann auf die Wechselwirkung zwischen den Ausschalteigenschaften von Vakuum-Leistungsschaltern und den Energiespeichereigenschaften von Kondensatorbänken zurückgeführt werden, die sich insbesondere in Folgendem äußert:

1. Einschaltstromstoß und Betriebsüberspannung

2. Mechanismus: Im Moment des Schließens ist die Spannung an der Kondensatorbank Null, während die Systemspannung einen bestimmten Momentanwert hat. Der große Spannungsunterschied zwischen beiden verursacht einen hochfrequenten Einschaltstrom mit sehr großer Amplitude und hoher Frequenz (bis zum mehreren bis zehnfachen Nennstrom).

Auswirkung: Der hochfrequente Einschaltstrom erzeugt einen hochfrequenten Spannungsabfall an der Systemimpedanz, der sich der Netzfrequenzspannung überlagern und so eine Betriebsüberspannung bilden kann. Wenn mehrere Kondensatorbänke parallel betrieben werden und eine andere Kondensatorbank an eine geladene Kondensatorbank (oder ein geladenes Kondensatorsystem) angeschlossen wird, kann die Spannungsdifferenz noch größer sein und die Einschaltstrom- und Überspannungsprobleme werden schwerwiegender.

Dies ist die häufigste und problematischste Überspannungsquelle, wenn Vakuum-Leistungsschalter zum Schalten von Kondensatoren verwendet werden. Sie hängt hauptsächlich mit den Schalteigenschaften des Vakuummediums zusammen:

Stromabriss: Die Stabilität des Vakuumlichtbogens ist schlecht. Bei niedrigen Strömen (z. B. unter einigen zehn Ampere) kann der Lichtbogen plötzlich erlöschen, bevor der Strom auf natürliche Weise den Nulldurchgang durchläuft, was als „Stromzerhackung“ bezeichnet wird. Die elektrische Feldenergie (die Ladung am Kondensator), die dem zerhackten Strom (hauptsächlich kapazitiver Strom) entspricht, kann nicht sofort freigesetzt werden, was zu einer vorübergehenden stromzerhackenden Überspannung am Kondensator führt, die höher als die Systemspannung ist.

Mehrfach wiederzündende Überspannung (die gefährlichste): Dies ist die schwerwiegendste Form der Überspannung.

Erste Wiederzündung: Nach dem Öffnen des Leistungsschalters vergrößert sich die Kontaktlücke allmählich. Wenn die Restspannung am Kondensator (Gleichstrom oder Niederfrequenz) in entgegengesetzter Richtung zur Systemversorgungsspannung liegt, kann die Erholungsspannung zwischen den Kontakten zu diesem Zeitpunkt die dielektrische Erholungsfestigkeit der Vakuumstrecke übersteigen, was dazu führt, dass die Lücke durchbricht und ein Wiederzünden auftritt. Im Moment der Wiederzündung schwankt die Spannung am Kondensator über die Schaltkreisinduktivität in Richtung der Systemversorgungsspannung.

Spannungs-„Schritt“-Anstieg: Die Wiederzündung erzeugt einen hochfrequenten oszillierenden Strom. Vakuum-Leistungsschalter eignen sich besonders gut zum Löschen von Lichtbögen im Nulldurchgang hochfrequenter Ströme. Wenn der Lichtbogen beim ersten oder zweiten Nulldurchgang des hochfrequenten Stroms erfolgreich unterbrochen wird, wird der Kondensator auf einem neuen Spannungswert „gesperrt“. Aufgrund des Wiederzündungsentladungsprozesses kann dieser neue Spannungswert viel höher sein als die Spannung vor der Wiederzündung.

Sich wiederholender Vorgang: Mit zunehmendem Kontaktabstand steigt die Wiedererholungsspannung wieder an und es kann zu einem zweiten, dritten oder weiteren Wiederzünden kommen. Jede erneute Zündung kann zu einem „stufenweisen“ Anstieg der Spannung am Kondensator führen. Theoretisch kann die Spitzenüberspannung an beiden Enden des Kondensators nach mehreren Wiederzündungen das Dreifache oder sogar mehr als die Phasenspannung des Systems erreichen.

1. Für den Kondensator selbst: Überspannung gefährdet direkt die Isolierung der Kondensatorelemente, beschleunigt die Alterung des Dielektrikums und kann langfristig -zu einem Durchschlag und damit zur Explosion des Kondensators führen.

2. Bei Vakuum-Leistungsschaltern: Mehrfache Wiederzündungen können extrem hohe Wiederherstellungsspannungen und Wiederzündungsströme erzeugen, was den elektrischen Verschleiß der Kontakte verstärkt und möglicherweise zu Isolationsschäden am Leistungsschalter selbst führt.

3. Für andere Geräte im System: Über die Leitungen kann Überspannung übertragen werden, die die Isolierung angeschlossener Transformatoren, Messwandler, Kabel und anderer Geräte gefährdet.

4. Auslösen von Fehlbedienungen oder Nichtbetätigung des Schutzes: Der hochfrequente Übergangsprozess kann die Abtastung und logische Beurteilung mikrocomputerbasierter Schutzgeräte beeinträchtigen.

Die wesentlichen Lösungsansätze drehen sich um „Begrenzung des Einschaltstroms“, „Verhinderung von Rückzündungen“ und „Absorption/Begrenzung von Überspannungen“.

Optimieren Sie die Auswahl und den Einsatz von Leistungsschaltern.

1. Wählen Sie Vakuum-Leistungsschalter der Güteklasse „C2“ oder „dedizierte kapazitive Stromunterbrechung“ aus: Dies ist die grundlegendste und effektivste Maßnahme. Diese Leistungsschalter wurden durch strenge Typprüfungen verifiziert und können sicherstellen, dass beim Unterbrechen des kapazitiven Nennstroms keine Rückzündungen auftreten bzw. die Wahrscheinlichkeit einer Rückzündung äußerst gering ist. Ihre Kontaktmaterialien, Magnetfelddesigns und Herstellungsprozesse sind alle für kapazitive Lasten optimiert.

Vermeiden Sie die Verwendung von Allzweck-Leistungsschaltern oder nur „L75“-geprüften Leistungsschaltern: Allzweck-Leistungsschalter erfüllen möglicherweise die Abschaltanforderungen induktiver Lasten, können jedoch die Abschaltleistung für kapazitive Lasten nicht garantieren.

Sorgen Sie für stabile mechanische Eigenschaften: Stellen Sie sicher, dass die Öffnungsgeschwindigkeit des Leistungsschalters schnell und stabil genug ist, um schnell einen ausreichenden Öffnungsabstand herzustellen und die dielektrische Erholungsfestigkeit zu verbessern.

2. Installation von Überspannungsschutzgeräten

Metalloxid-Ableiter (MOA): Parallel geschaltet am Anfang der Kondensatorbank oder auf der Sammelschienenseite handelt es sich um eine Standardkonfiguration zur Begrenzung der Überspannungsamplitude. Es kann die Überspannung auf ein sicheres Niveau begrenzen. Das passende Modell mit geeigneter Dauerbetriebsspannung und Restspannung sollte ausgewählt und möglichst nahe an der Kondensatorbank installiert werden.

RC-Dämpfungs-Absorptionsschaltung: Eine parallele Widerstands--Kondensatorschaltung ist über den Kontakten des Leistungsschalters oder zwischen der Kondensatorbank und dem Leistungsschalter installiert.

Funktion: Reduzierung der Anstiegsgeschwindigkeit der Erholungsspannung (du/dt); um einen Pfad mit niedriger-Impedanz für den hochfrequenten Strom bereitzustellen, der nach dem Wiederzünden auftreten und dessen Energie verbrauchen kann; um die Stromunterbrechungsüberspannung zu unterdrücken.

Design-Schlüssel: Die Parameter (R- und C-Werte) müssen basierend auf den Systemparametern berechnet werden, um den besten Dämpfungseffekt zu erzielen.

3. Verbessern Sie die Betriebsmethoden

Verwenden Sie synchrone Schalter (Phasenwahl-Schließ-/Auslösevorrichtungen): Indem Sie den Leistungsschalter so steuern, dass er in dem Moment schließt, in dem die Differenz zwischen der Systemspannung und der Restspannung des Kondensators am kleinsten ist (z. B. beim Nulldurchgang der Spannung), können der Einschaltstrom und die Überspannung beim Schließen **stark reduziert** werden. Ebenso kann die Auslösung so gesteuert werden, dass sie genau beim Nulldurchgang des Stroms auslöst, wodurch das Risiko einer Stromunterbrechung verringert wird. Dies ist derzeit eine fortschrittliche Technologie zur Unterdrückung von Betriebsüberspannungen.

Betriebssequenz optimieren: Bei parallelen Kondensatorbänken wird die folgende Betriebssequenz empfohlen: Trennen Sie bei ausgeschaltetem Strom zuerst den Leistungsschalter und dann den Trennschalter. Wenn die Stromversorgung eingeschaltet ist, schließen Sie zuerst den Trennschalter und dann den Leistungsschalter. Vermeiden Sie den Betrieb geladener Kondensatoren mit dem Trennschalter.

4. System-seitige Überlegungen

Reihendrosseln: Reihendrosseln mit einer bestimmten Reaktanzrate (normalerweise 0,5 % bis 1 % zur Begrenzung des Einschaltstroms und 5 % bis 6 % zur Unterdrückung der Oberwellenverstärkung) werden in den Kondensatorbankkreis geschaltet.

Funktionen: Begrenzen Sie die Amplitude und Frequenz des Einschaltstroms; mit Kondensatoren einen Filterzweig bilden; Außerdem können sich die Parameter des Übergangsprozesses bis zu einem gewissen Grad ändern und die Wiederzündbedingungen beeinflussen.

Angemessener elektrischer Aufbau: Verkürzen Sie die Länge der Verbindungsleitung zwischen der Kondensatorbank und dem Leistungsschalter und verringern Sie die Schleifeninduktivität

Das Überspannungsproblem, das durch das Schalten von Kondensatorbänken durch Vakuum-Leistungsschalter verursacht wird, ist im Wesentlichen auf den Konflikt zwischen den Stromunterbrechungs- und Wiederzündeigenschaften von Vakuumlichtbögen und den Energiespeichereigenschaften von Kondensatoren zurückzuführen.

Die Lösungsstrategien sollten der folgenden Hierarchie folgen:

1. Prävention zuerst (Bekämpfung der Grundursache): Während der Entwurfs- und Beschaffungsphase sollten nur Leistungsschalter der Güteklasse „C2“ oder Vakuum-Leistungsschalter ausgewählt werden, die speziell für das Schalten von Kondensatorbänken entwickelt wurden und von maßgeblichen Stellen zertifiziert wurden.

2. Schutz als Abschirmung (Bekämpfung der Symptome): Standardisieren Sie die Konfiguration von Metalloxid-Ableitern (MOA) als letzte Verteidigungslinie gegen Überspannung.

3. Optimierung als Hilfsmaßnahme (Effizienzsteigerung): Erwägen Sie je nach Projektbedeutung und Budget den Einbau von RC-Dämpfungsschaltungen, Synchronschaltern und eine sinnvolle Auslegung von Vorschaltdrosseln.

4. Betrieb und Wartung als Grundlage: Überprüfen Sie regelmäßig die mechanischen Eigenschaften von Leistungsschaltern und den Status von Ableitern und befolgen Sie strikt die korrekten Betriebsverfahren.

In der praktischen Technik sollte ein technischer und wirtschaftlicher Vergleich durchgeführt werden, indem Faktoren wie Systemspannungsniveau, Kapazität der Kondensatorbank, Betriebsart und Kosten berücksichtigt werden, um eine oder mehrere kombinierte Unterdrückungsmaßnahmen auszuwählen, um den sicheren und zuverlässigen Betrieb des Systems zu gewährleisten.

Miniaturisierter Vakuum-Leistungsschalter ZN85B-40.5 für den Innenbereichist ein miniaturisiertes 40,5-kV-Produkt, das von unserem Unternehmen entworfen und entwickelt wurde. Es kann die von ABB hergestellten Bodenwagen der Serien VD4-40.5 und HD4-40.5 perfekt ersetzen. Diese Serie umfasst hauptsächlich zwei Serien: Permanentmagnetmechanismus und Federmechanismus. Es handelt sich um eine Innenschaltanlage mit einer Nennspannung von 40,5 kV und 50 Hz Wechselstrom.

Shaanxi West Power Tongzhong Electrical Co., Ltd.
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