Proč se tradiční mechanismy s permanentními magnety potýkají s velkými kontaktními mezerami 126kV vakuových jističů? - Blog

Jakvakuový jističtechnologie postupuje směrem k úrovním přenosového napětí, vakuový vypínač 126 kV s jedním vypínačem se stal ústředním bodem vývoje. Mnoho odborníků v oboru však zjistilo, že mechanismy s permanentními magnety (PM), které fungují výjimečně dobře ve středněnapěťových aplikacích, často postrádají schopnost ovládat jističe třídy 126 kV. Toto není jednoduchý problém, který lze vyřešit pouhým zvýšením proudu cívky; Základní příčina spočívá v inherentním konfliktu mezi architekturou magnetického obvodu tradičních mechanismů PM a provozními požadavky kladenými velkými kontaktními mezerami.

I. Kontaktní mezery a rychlost: Výzvy kladené na provozní mechanismy při 126 kV

Zvažte dvě sady dat. Vvakuové vypínače středního napětíkontaktní mezera je typicky menší než 30 mm, nejčastěji spadá do rozsahu 8–22 mm. Naproti tomu kontaktní mezera pro 126kVvakuový jističvyskočí na cca 80 mm. Technické specifikace uvádějí, že zhášedlo 126 kV má typicky jmenovitou mezeru mezi kontakty asi 50 mm; po přidání kontaktního stírání (overtravel) dosáhne celkový zdvih pohybujícího se jádra přibližně 60 mm.
I když se kontaktní mezera zvětšila, požadavky na rychlost zůstávají přísné. Pro 126kVvakuový jistič, kontakty musí dosáhnout vzdálenosti 18–20 mm během 6–7 ms od otevření, což vyžaduje rychlost otevírání přibližně 2,5–3,3 m/s. Do 12–13 ms musí mezera dosáhnout 36–40 mm, přičemž rychlost se stále udržuje na 2,7–3,3 m/s. To znamená, že mechanismus musí dosáhnout „vysoké rychlosti od samého začátku“ v extrémně krátkém časovém rámci.
Traditional PM mechanisms were originally designed for-and are well-established within-the medium-voltage sector. Research has clearly indicated that PM mechanisms based on traditional structural designs are ill-suited to meet the high-speed requirements of vacuum circuit breakers at transmission-voltage levels (>72 kV). Problém spočívá v samotném magnetickém obvodu.

II. Zásadní problém: Sdílený magnetický obvod způsobuje, že pohyblivá armatura je od začátku „stažena dolů“

Strukturálním znakem tradičního bistabilního mechanismu s permanentními magnety je to, že permanentní magnet a otevírací/zavírací cívka sdílejí stejný magnetický obvod. Zatímco tato konstrukce umožňuje kompaktní půdorys, její nevýhody se projevují v podmínkách vyžadujících velké kontaktní mezery a vysoké provozní rychlosti.
V okamžiku zahájení operace otevírání musí elektromagnetická síla generovaná napájenou cívkou nejprve překonat přídržnou sílu vyvíjenou permanentním magnetem v uzavřené poloze. K urychlení pohyblivé kotvy je k dispozici pouze zbývající část elektromagnetické síly. Jak je uvedeno v literatuře: "Během počáteční fáze operace otevírání magnetická síla z permanentního magnetu částečně kompenzuje elektromagnetickou sílu z cívky, takže je obtížné zvýšit počáteční rychlost separace."
Tato počáteční rychlost separace je kritickým ukazatelem výkonu pro vysoké napětívakuové jističe. Být „zadržen“ přídržnou silou permanentního magnetu hned na začátku, je extrémně obtížné dohnat požadovaný rychlostní profil později ve zdvihu.

III. Řetězová reakce provozu s dlouhým zdvihem: Vyšší proudy, zvýšená teplota a problémy s ovládáním

Zvýšení zdvihu představuje další praktickou výzvu. Když je pohyblivá kotva ve výchozí poloze, je magnetická permeance vzduchové mezery velmi nízká; v konvenční konstrukci je vyžadován značný proud cívky pro vytvoření dostatečné elektromagnetické přitažlivosti. Analýzy naznačují, že to vede k řadě problémů, včetně „nárůstu teploty a potíží s kontrolou“.
Jinými slovy, ani odložení požadavků na rychlost, spoléhání se pouze na „hrubé vynucení“ pohybu – zvýšením proudu cívky pro pohon kotvy přes dlouhý zdvih – není udržitelné technické řešení. Faktory, jako je ohřev cívky, kapacita kondenzátoru a limity zvládání proudu řídicích komponent, to vše se ukazuje jako nová úzká hrdla.
Simulační data zdůrazňují tento rozdíl: pro 126kV aplikaci dosahuje konvenční mechanismus s permanentními magnety průměrné rychlosti otevírání přibližně 2,5 m/s, zatímco nový design využívající oddělený magnetický obvod může dosáhnout 3,0 m/s. V rámci kritického okna 6–7 ms na začátku operace otevírání je tento rozdíl 0,5 m/s rozhodujícím faktorem, zda lze kontakty oddělit na bezpečnou vzdálenost v čase.

IV. Cesta vpřed: Oddělení magnetického obvodu

Protože hlavní problém pramení ze „sdíleného magnetického obvodu“, logickým zlepšením je oddělení magnetických cest – oddělení přídržného obvodu permanentního magnetu od obvodu elektromagnetického pohonu, aby každý mohl plnit svou specifickou funkci.
Když jsou obvody oddělené, permanentní magnet již „nebrání“ procesu, když je vypínací cívka pod napětím; místo toho může být elektromagnetická síla aplikována přímočařeji k urychlení pohyblivé kotvy. Navíc díky začlenění nepracovní vzduchové mezery přídržná síla permanentního magnetu rychle klesá, jakmile kotva opustí svou výchozí polohu, čímž se minimalizuje interference během zdvihu. Prototypové testování již tento přístup potvrdilo: mechanismus s permanentními magnety s odděleným magnetickým obvodem může dosáhnout počáteční rychlosti vypínání 2,8 m/s a průměrné rychlosti vypínání 2,9 m/s, což splňuje požadavky na výkon pro vakuové vypínače 126 kV.
Kromě toho jsou v současné době zkoumána další vylepšení, jako je použití konfigurace se třemi cívkami. Cílem je zvýšit rychlost otevírání a současně poskytnout tlumení na konci zavíracího zdvihu, aby se zabránilo odskoku kontaktu. Bez ohledu na technický přístup zůstává základní logika stejná: přídržná síla permanentního magnetu se nesmí stát překážkou pohybu.

V. Praktické pokyny pro výrobce

Pro výrobce podílející se na výběru nebo integraci mechanismu 126kVvakuové jističePozornost si zaslouží několik kritérií:

Nejprve prozkoumejte strukturu magnetického obvodu. Pokud dodavatelův mechanismus s permanentními magnety stále používá tradiční design sdíleného magnetického obvodu, bude mít potíže s dosažením požadované rychlosti otevírání v okamžiku oddělení kontaktů – i když se jmenovité specifikace zdají působivé. Předpokladem pro splnění požadavků 126kV aplikací je oddělený magnetický obvod nebo podobná oddělená konstrukce.
Za druhé, vyhodnoťte naměřený rychlostní profil spíše než se zaměřujte pouze na jednu špičkovou hodnotu. U zařízení 126 kV se požadavek týká výtlaku v rámci určitého časového okna, nikoli maximální okamžité rychlosti. Požadavek na údaje o posunutí v čase 6 ms a 12 ms po oddělení kontaktů je mnohem smysluplnější než sledovat „špičkovou rychlost“.
Za třetí, věnujte velkou pozornost konstrukci přídržné síly otevření. U tradičních mechanismů s permanentními magnety je často obtížné nezávisle optimalizovat přídržné síly pro otevřenou a zavřenou polohu. Klíčovou výhodou struktury odděleného magnetického obvodu je to, že přídržná síla na otevírací straně může být minimalizována - což snižuje riziko odrazu na konci otevíracího zdvihu - zatímco přídržná síla na uzavírací straně zůstává dostatečná, aby odolala reakční síle kontaktních pružin.

Přechod odJističe SF6na 126 kVvakuové jističeje stále jasnější. Jako „srdce“ zařízení určuje ovládací mechanismus – a jeho dynamická kompatibilita s přerušovačem – zda lze jednotku úspěšně nasadit. Neschopnost tradičního mechanismu permanentních magnetů „zvládnout zátěž“ není vlastní vadou samotné technologie permanentních magnetů, ale spíše omezením specifických struktur magnetických obvodů za určitých provozních podmínek. Rozpoznání tohoto rozdílu pomůže vyhnout se zbytečným neúspěchům při výběru produktů a výzkumu a vývoji.

Starting in 2026, The Use Of SF6 in Medium-voltage Electrical Equipment Below 24 KV Will Be Prohibited.