th
ข่าว
บ้าน / ข่าว / ข่าวอุตสาหกรรม / การออกแบบรีเลย์ไฟฟ้าแรงสูง DC กำหนดรูปแบบการสลับพลังงานใหม่ที่เชื่อถือได้ได้อย่างไร
เหตุใดการสลับ DC จึงทำงานแตกต่างออกไปที่กำลังไฟสูง
การเปลี่ยนกระแสตรงที่ไฟฟ้าแรงสูงเป็นปัญหาทางวิศวกรรมโดยพื้นฐานที่แตกต่างจากการสลับกระแสสลับ ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ กระแสไฟฟ้าจะตัดผ่านศูนย์ตามธรรมชาติประมาณหนึ่งร้อยครั้งต่อวินาที ทำให้อุปกรณ์ที่รบกวนใดๆ มีโมเมนต์ในตัว ซึ่งส่วนโค้งระหว่างหน้าสัมผัสที่เปิดสามารถดับลงได้ด้วยพลังงานเพียงเล็กน้อย วงจรไฟฟ้ากระแสตรงไม่มีจุดตัดดังกล่าว เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านโหลดแบบเหนี่ยวนำ แบตเตอรีแบตเตอรี หรือสายชาร์จ กระแสไฟฟ้าจะดันต่อไปจนกว่าจะมีบางสิ่งบีบบังคับให้มันออกจากกัน และเหตุการณ์การแยกนั้นเป็นจุดที่ความยากทางวิศวกรรมส่วนใหญ่ใน รีเลย์ไฟฟ้ากระแสตรงแรงสูง จริงๆ แล้วมีชีวิตอยู่
ความแตกต่างนี้มีความสำคัญอย่างมากในโครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงานใหม่ สายไฟพลังงานแสงอาทิตย์ ชั้นวางเก็บพลังงานแบตเตอรี่ แท่นชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า และตัวส่งสัญญาณ HVDC ล้วนส่งกระแสไฟฟ้ากระแสตรงคงที่ที่ระดับแรงดันไฟฟ้า ซึ่งหาได้ยากในการออกแบบระบบไฟฟ้ากระแสหลักเมื่อทศวรรษที่แล้ว ก รีเลย์ ที่ได้รับการจัดอันดับสำหรับวงจร AC ในประเทศไม่มีความเกี่ยวข้องที่มีนัยสำคัญกับแอปพลิเคชันเหล่านี้ และการปฏิบัติต่อสวิตช์ DC เหมือนกับการฝึกลดพิกัดอย่างง่ายจากฮาร์ดแวร์ AC เป็นหนึ่งในข้อผิดพลาดในการออกแบบที่พบบ่อยในการวางแผนระบบในระยะเริ่มต้น
1500V เพดานบัส DC ทั่วไปในสายไฟพลังงานแสงอาทิตย์
800V สถาปัตยกรรมทั่วไปสำหรับแพลตฟอร์มการชาร์จ EV ที่รวดเร็ว
±800กิโลโวลต์ ลำดับความสำคัญสำหรับการส่งสัญญาณ HVDC ระยะไกล
การหยุดชะงักของการติดต่อแตกต่างกันอย่างไรระหว่าง AC และ DC
เมื่อรีเลย์เชิงกลเปิดภายใต้โหลด การแยกทางกายภาพของหน้าสัมผัสจะไม่หยุดการไหลของกระแสทันที ส่วนโค้งที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าก่อตัวขึ้นในช่องว่าง ซึ่งค้ำจุนโดยพลังงานที่เก็บไว้ในวงจร และในโหลดอุปนัย โดยสนามแม่เหล็กที่ยุบตัว ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ ส่วนโค้งนี้จำกัดตัวเองเนื่องจากกระแสมุ่งหน้าสู่ศูนย์อยู่แล้ว ในวงจรไฟฟ้ากระแสตรง ส่วนโค้งจะต้องถูกดับทันทีโดยใช้รูปทรงหน้าสัมผัส โครงสร้างการระเบิดด้วยแม่เหล็ก ห้องที่เต็มไปด้วยก๊าซ หรือองค์ประกอบสวิตช์โซลิดสเตตที่จะขจัดช่องว่างทางกลออกจากสมการทั้งหมด
แผนภาพด้านล่างแสดงให้เห็นว่าเหตุใดการไม่มีการข้ามศูนย์จึงเปลี่ยนกลยุทธ์การหยุดชะงัก ในด้านไฟฟ้ากระแสสลับ พลังงานจะกระจายไปเป็นช่วงสั้นๆ รอบๆ ทางแยกแต่ละแห่ง ในด้านไฟฟ้ากระแสตรง ส่วนโค้งจะต้องถูกบังคับดับ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมฮาร์ดแวร์ DC ไฟฟ้าแรงสูงจึงต้องอาศัยช่องว่างหน้าสัมผัสที่ใหญ่กว่า แม่เหล็กระเบิดที่แข็งแกร่งกว่า และบางครั้งห้องปิดผนึกที่อุดมด้วยไฮโดรเจนเพื่อดึงส่วนโค้งออกจากกันเร็วกว่าที่จะสามารถโจมตีซ้ำได้
ในกรณีที่ระบบพลังงานใหม่อาศัยการสวิตชิ่งกำลังสูง
A รีเลย์พลังงานใหม่ ไม่ใช่หมวดหมู่ผลิตภัณฑ์เดียวมากเท่ากับปรัชญาการออกแบบที่ใช้กับการใช้งานที่แตกต่างกันหลายรายการ โดยแต่ละประเภทมีรอบการทำงานและโปรไฟล์ข้อบกพร่องของตัวเอง
- ชุดสายไฟพลังงานแสงอาทิตย์และกล่องรวมสัญญาณ โดยที่รีเลย์จะต้องแยกอาร์เรย์ DC ที่มีกระแสไฟออกในระหว่างการบำรุงรักษาหรือการแก้ไขข้อบกพร่อง โดยไม่มีความเสี่ยงต่อการเกิดอาร์คอย่างต่อเนื่อง
- ระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่ โดยที่อุปกรณ์สวิตชิ่งจะจัดการเส้นทางการชาร์จและคายประจุ และต้องตอบสนองต่อเหตุการณ์กระแสไฟเกินหรือความร้อนอย่างรวดเร็ว
- คอนแทคเตอร์ออนบอร์ดของรถยนต์ไฟฟ้าและสแต็คการชาร์จเร็ว DC ซึ่งหมุนเวียนบ่อยครั้งและต้องทนต่อทั้งกระแสพุ่งสูงและแรงสั่นสะเทือน
- อินเวอร์เตอร์ที่ผูกกับโครงข่ายตัดการเชื่อมต่อ ซึ่งจะแยกฝั่ง DC และ AC ในระหว่างการทดสอบการทำงาน การตอบสนองข้อผิดพลาด หรือการบริการตามกำหนดเวลา
- สถานีแปลง HVDC ซึ่งอุปกรณ์สวิตชิ่งทำงานที่ขอบเขตระหว่างแรงดันไฟฟ้าระดับการส่งสัญญาณและระบบเสริมของสถานี
แต่ละบริบทเหล่านี้มีความต้องการที่แตกต่างกันในเรื่องวัสดุสัมผัส การปิดผนึกกรอบหุ้ม และตรรกะการควบคุม แต่มีข้อกำหนดร่วมกันประการหนึ่ง นั่นคือ องค์ประกอบสวิตชิ่งต้องขัดขวางกระแส DC อย่างคาดการณ์ได้ ซ้ำๆ และไม่ลดคุณภาพเร็วกว่าส่วนที่เหลือของระบบรอบๆ
พารามิเตอร์หลักที่กำหนดความสามารถในการสลับ
การเลือกอุปกรณ์สวิตชิ่งสำหรับงานพลังงานใหม่ขึ้นอยู่กับการจับคู่พารามิเตอร์จำนวนหนึ่งกับรอบการทำงานจริงของวงจร ไม่ใช่แค่แรงดันไฟฟ้าป้ายชื่อของระบบ
| พารามิเตอร์ | ช่วงทั่วไป | ทำไมมันถึงสำคัญ |
|---|---|---|
| ระดับแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด | 450V ถึง 1500V กระแสตรง | กำหนดช่องว่างการสัมผัสและระยะห่างของฉนวนที่จำเป็นเพื่อป้องกันการวาบไฟตามผิว |
| จัดอันดับกระแสสลับ | 10A ถึง 400A | ตั้งค่าความเค้นทางความร้อนและทางกลที่หน้าสัมผัสเห็นในทุกการทำงาน |
| ติดต่อวัสดุ | โลหะผสมเงินหรือทังสเตนคอมโพสิต | ส่งผลต่อความต้านทานต่อการเชื่อมและการกัดเซาะภายใต้การโค้งซ้ำๆ |
| ชีวิตเครื่องกล | 100,000 ถึง 1,000,000 รอบ | คาดการณ์ช่วงเวลาการบำรุงรักษาในการใช้งานรอบสูง เช่น การชาร์จ EV |
| ทนต่ออิเล็กทริก | การแยก 2.2kV ถึง 4kV | ปกป้องวงจรควบคุมจากแรงดันไฟกระชากด้านข้างแรงดันสูง |
| ช่วงการทำงานโดยรอบ | -40C ถึง 85C | ยืนยันความเหมาะสมสำหรับการติดตั้งกลางแจ้งหรือการติดตั้งในตู้ |
อุปกรณ์ที่ได้รับการจัดอันดับโดยกระแสไฟในสภาวะคงตัวเท่านั้นยังคงสามารถใช้งานไม่ได้ หากระดับการขัดจังหวะภายใต้สภาวะฟอลต์ไม่ได้รับการตรวจสอบกับกระแสไฟฟ้าลัดวงจรที่เกิดขึ้นจริง ณ จุดนั้นในระบบ
ระบบเครื่องกลไฟฟ้ากับการสลับโซลิดสเตต
ทางเลือกระหว่างรีเลย์ระบบเครื่องกลไฟฟ้าและก โซลิดสเตตรีเลย์ 3 เฟส หรืออุปกรณ์โซลิดสเตตเฟสเดียวไม่ค่อยมีอุปกรณ์ใดที่ดีกว่าในระดับสากล มันเกี่ยวกับโหมดความล้มเหลวใดที่ยอมรับได้มากกว่าในแอปพลิเคชันที่กำหนด
| ด้าน | รีเลย์ระบบเครื่องกลไฟฟ้า | โซลิดสเตตรีเลย์ |
|---|---|---|
| ความเร็วในการเปลี่ยน | มิลลิวินาที ถูกจำกัดโดยการเคลื่อนที่ของกลไก | ไมโครวินาที ถูกจำกัดโดยการตอบสนองของเซมิคอนดักเตอร์ |
| การสึกหรอของหน้าสัมผัส | ลดลงตามจำนวนรอบและการสัมผัสส่วนโค้ง | ไม่มีการสึกหรอทางกล แต่อาจมีความเครียดจากความร้อน |
| การแยกกัลวานิก | ช่องว่างอากาศทางกายภาพเมื่อเปิด | ขึ้นอยู่กับการออกแบบการแยกภายใน |
| พฤติกรรมความร้อน | ความร้อนเข้มข้นที่จุดสัมผัส | ความร้อนกระจายไปตามจุดเชื่อมต่อเซมิคอนดักเตอร์ จำเป็นต้องมีการระบายความร้อน |
| สถานะภาพและเสียง | การคลิกเชิงกลที่ชัดเจน ช่องว่างที่มองเห็นได้ | การทำงานแบบเงียบ สถานะจะต้องรับรู้ด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ |
| พอดีทั่วไป | การแยกกระแสไฟสูงไม่บ่อยนัก การตัดการเชื่อมต่อด้านความปลอดภัย | การปั่นจักรยานด้วยความถี่สูง การกำหนดเวลาที่แม่นยำ โหลดที่ละเอียดอ่อน |
ในทางปฏิบัติ ก โซลิดสเตตรีเลย์ DC เป็น DC มักถูกเลือกเมื่อมีความถี่ในการปั่นจักรยานสูงและเงียบ การทำงานแบบไร้การสึกหรอมีความสำคัญมากกว่าความมั่นใจในช่องว่างทางกลไกที่มองเห็นได้ เครื่องกลไฟฟ้า รีเลย์ไฟฟ้า มีแนวโน้มที่จะยังคงเป็นค่าเริ่มต้นที่ปลอดภัยกว่า ซึ่งจำเป็นต้องมีการตัดการเชื่อมต่อทางกายภาพเพื่อความปลอดภัยของบุคลากรในระหว่างการบำรุงรักษา
การอ่านวงจรสวิตชิ่งรีเลย์ทั่วไป
การทำความเข้าใจวงจรรีเลย์สวิตชิ่งพื้นฐานช่วยชี้แจงว่าเหตุใดส่วนประกอบปราบปรามส่วนโค้งจึงถูกวางไว้ในที่ที่พวกมันอยู่ แผนภาพด้านล่างแสดงเส้นทางการสลับ DC อย่างง่ายโดยมีเครือข่าย Snubber วางอยู่บนหน้าสัมผัสเพื่อดูดซับพลังงานที่ปล่อยออกมาในขณะที่เกิดการหยุดชะงัก
ตัวลดไม่ได้หยุดส่วนโค้งไม่ให้ก่อตัว แต่ให้พลังงานที่ปล่อยออกมาเพื่อไปที่ไหนสักแห่ง นอกเหนือไปจากผ่านช่องว่างอากาศ ซึ่งจะทำให้ระยะเวลาส่วนโค้งสั้นลง และลดการกัดเซาะของหน้าสัมผัสตลอดอายุการใช้งานของอุปกรณ์
ทำความเข้าใจกับการสลับการให้คะแนนปัจจุบันของรีเลย์
หนึ่งในข้อกำหนดที่อ่านผิดมากที่สุดในแผ่นข้อมูลคือกระแสสวิตช์รีเลย์ ส่วนใหญ่เป็นเพราะตัวเลขตัวเดียวไม่ค่อยบอกเล่าเรื่องราวทั้งหมด อุปกรณ์ส่วนใหญ่มีตัวเลขปัจจุบันที่แตกต่างกันอย่างน้อยสามตัว และการพองตัวเป็นสาเหตุที่พบบ่อยของความล้มเหลวของสนามก่อนเวลาอันควร
- กระแสไหลต่อเนื่องต่อเนื่อง ซึ่งหน้าสัมผัสสามารถจัดการได้โดยไม่มีกำหนดเมื่อปิด โดยถือว่ามีการระบายความร้อนที่เพียงพอ
- สร้างกระแส การพุ่งเข้าที่หน้าสัมผัสจะต้องทนได้ในขณะที่ปิด ซึ่งสามารถพุ่งสูงกว่าระดับสภาวะคงตัวในโหลดแบบคาปาซิทีฟหรือสตาร์ทมอเตอร์ได้
- กระแสไฟแตก ซึ่งเป็นค่าที่หน้าสัมผัสสามารถขัดจังหวะได้อย่างปลอดภัยโดยไม่ต้องปิดการเชื่อมหรือได้รับความเสียหายจากส่วนโค้งมากเกินไป ซึ่งมักจะต่ำกว่าพิกัดต่อเนื่องในการใช้งาน DC เกือบทุกครั้ง
อุปกรณ์ที่มีขนาดต่อกระแสไฟต่อเนื่องเท่านั้นยังคงสามารถเกิดข้อผิดพลาดร้ายแรงได้ หากไม่เคยตรวจสอบพิกัดกระแสไฟเบรกเทียบกับสถานการณ์ข้อผิดพลาดที่เลวร้ายที่สุดที่วงจรสามารถแสดงได้จริง
รายการตรวจสอบการเลือกปฏิบัติ
ก่อนที่จะระบุอุปกรณ์สวิตชิ่งสำหรับโครงการพลังงานใหม่ ควรตอบคำถามสั้นๆ ที่เรียงลำดับไว้ แทนที่จะเริ่มจากตระกูลผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ
- ตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าบัส DC จริง รวมถึงแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดที่แย่ที่สุดภายใต้สภาวะเย็นสำหรับแผงโซลาร์เซลล์
- สร้างกระแสต่อเนื่อง กระแสกระชาก และกระแสฟอลต์กรณีที่เลวร้ายที่สุดแยกกัน
- ตัดสินใจว่าการแยกทางกลไกเป็นข้อกำหนดด้านกฎระเบียบหรือความปลอดภัยสำหรับการใช้งานหรือไม่
- ประมาณจำนวนรอบที่คาดหวังตลอดอายุการใช้งานเพื่อตัดสินความเหมาะสมทางกลและโซลิดสเตต
- ตรวจสอบอุณหภูมิโดยรอบ ระดับความสูง และสภาวะของตัวเครื่องโดยเทียบกับระดับสภาพแวดล้อมของอุปกรณ์
- ตรวจสอบว่าไดอิเล็กทริกทนต่อการแยกที่จำเป็นระหว่างวงจรควบคุมและวงจรกำลัง
- ทบทวนข้อกำหนดการรับรองที่เกี่ยวข้องกับภูมิภาคการติดตั้งและประเภทแอปพลิเคชัน
โหมดความล้มเหลวทั่วไปและวิธีการออกแบบจัดการกับปัญหาเหล่านี้
ความล้มเหลวในฟิลด์ในฮาร์ดแวร์สวิตชิ่ง DC กำลังสูงมีแนวโน้มที่จะจัดกลุ่มตามกลไกที่เกิดซ้ำจำนวนเล็กน้อย ซึ่งแต่ละกลไกจะชี้ไปที่การตอบสนองการออกแบบที่เฉพาะเจาะจง
| โหมดความล้มเหลว | สาเหตุพื้นฐาน | การบรรเทาผลกระทบโดยทั่วไป |
|---|---|---|
| ติดต่อเชื่อม | กระแสไหลเข้าหรือกระแสไฟลัดมากเกินไปเมื่อปิด | แรงสัมผัสที่สูงขึ้น การเลือกโลหะผสมสัมผัสที่ดีกว่า |
| การอาร์คอย่างต่อเนื่อง | ช่องว่างหน้าสัมผัสหรือสนามระเบิดไม่เพียงพอสำหรับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง | โครงสร้างการระเบิดด้วยแม่เหล็ก ห้องโค้งที่ปิดสนิท |
| การลดความร้อนในการให้บริการ | การกระจายความร้อนไม่ดีจากความต้านทานต่อการสัมผัส | ปรับปรุงการชุบหน้าสัมผัส การออกแบบการระบายอากาศของตู้ |
| สะดุดสะดุด | Inrush อ่านผิดเป็นเงื่อนไขข้อบกพร่อง | กำหนดเวลาที่ประสานกันระหว่างลอจิกการป้องกันและอุปกรณ์สวิตช์ |
| การสึกหรอทางกลก่อนกำหนด | จำนวนรอบที่เกินอายุการใช้งานทางกลที่กำหนด | การโยกย้ายไปสู่การสลับโซลิดสเตตสำหรับงานความถี่สูง |
คำถามที่พบบ่อย
คำถามที่ 1: เหตุใดรีเลย์ที่ได้รับการจัดอันดับสำหรับ AC จึงไม่สามารถนำมาใช้ซ้ำสำหรับการสลับ DC ได้
เนื่องจากกระแสไฟฟ้ากระแสสลับข้ามศูนย์ตามธรรมชาติหลายครั้งต่อวินาที ทำให้ส่วนโค้งมีจุดดับในตัว กระแสไฟ DC ไม่มีการข้ามดังกล่าว ดังนั้นรีเลย์ที่ไม่มีช่องว่างหน้าสัมผัสพิกัด DC การออกแบบระเบิด หรือห้องอาร์กที่เหมาะสมจะประสบกับความโค้งอย่างต่อเนื่องและความเสียหายจากการสัมผัสอย่างรวดเร็วหากใช้กับวงจร DC ที่แรงดันไฟฟ้าใกล้เคียงกัน
คำถามที่ 2: make current และ break current ต่างกันอย่างไร?
สร้างกระแสคือการไหลเข้าของผู้ติดต่อในขณะที่ปิด ซึ่งสามารถพุ่งสูงกว่าระดับสภาวะคงตัวได้ กระแสไฟเบรกคือค่าที่หน้าสัมผัสสามารถขัดจังหวะได้อย่างปลอดภัยโดยไม่ต้องเชื่อมหรือสร้างความเสียหายให้กับส่วนโค้งมากเกินไป และในการใช้งาน DC โดยทั่วไปจะเป็นค่าที่จำกัดมากกว่าของทั้งสอง
คำถามที่ 3: เมื่อใดที่โซลิดสเตตรีเลย์มีความรู้สึกมากกว่าระบบเครื่องกลไฟฟ้า
การสลับโซลิดสเตตมีแนวโน้มที่จะเข้ากันได้ดีกว่าในกรณีที่ความถี่ในการปั่นจักรยานสูง การทำงานที่เงียบและปราศจากการสึกหรอเป็นสิ่งที่มีค่า และจังหวะเวลาที่แม่นยำมีความสำคัญ อุปกรณ์เครื่องกลไฟฟ้ายังคงดีกว่าในกรณีที่จำเป็นต้องมีการตัดการเชื่อมต่อทางกายภาพที่มองเห็นได้เพื่อความปลอดภัยของบุคลากรหรือการปฏิบัติตามกฎระเบียบ
คำถามที่ 4: อัตราอายุการใช้งานของกลไกส่งผลต่อการวางแผนการบำรุงรักษาจริงอย่างไร
อายุการใช้งานของเครื่องจักรมักจะแสดงเป็นจำนวนรอบภายใต้สภาวะโหลดที่ระบุ การหารตัวเลขดังกล่าวด้วยจำนวนการดำเนินการสวิตช์ที่คาดหวังต่อวันหรือเดือน จะให้ค่าประมาณคร่าวๆ ว่าเมื่อใดที่ควรกำหนดเวลาการเปลี่ยนหน้าสัมผัสหรือการเปลี่ยนทั้งหน่วย
คำถามที่ 5: ระดับแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าหมายถึงอุปกรณ์สวิตช์ที่เทอะทะเสมอไปหรือไม่
โดยทั่วไปแล้ว ใช่ เนื่องจากคลาสแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่สูงกว่านั้นจำเป็นต้องมีช่องว่างหน้าสัมผัสที่ใหญ่กว่า ระยะห่างของฉนวนที่แข็งแกร่งกว่า และในหลายกรณี โครงสร้างการปราบปรามส่วนโค้งที่ใช้งานอยู่ ซึ่งทั้งหมดนี้เพิ่มขนาดทางกายภาพของกล่องหุ้มเมื่อเทียบกับแรงดันไฟฟ้าที่เทียบเท่ากัน
Previous
