双碳目标、新质生产力,都需要改变现在普遍资源消耗大、质量差、智能化落后、使用寿命不长的中压开关设备,不从材料、技术等本质上对产品进行革新,很难改变现在产品的简单重复。
国外开关设备一直在推动可重复使用材料应用,环氧树脂生产过程中能耗高、拆解困难、不能重复使用只能填埋,都不利于双碳美标实现,固封极柱除了材料问题,热量不易散发,增加运行过程发热损耗,不利于安全。因此国外最新断路器普遍采用可重复使用压铸材料,生产效率高,可拆解,可再生利用,敞开式极柱,有利于减少导电回路材料利用率,提高安全性。
对于开关柜绝缘件同样采用可降解材料,减少碳足迹。同样,把接地开关静触头直接设置在触头盒上,无需单独的绝缘子支撑,减少材料使用,更加简单可靠。对于开关柜内部元件,需要优化回路,优化材料,优化电场,简单、高效、可靠,简单,回路清晰明了,元器件布置轻盈,电子式传感器取代电磁式电流电压互感器,不论从体积到材料使用再到功率损耗都非常低碳绿色。高效不论铜母线还是接地开关的元件都可以在使用材料最少,最经济的条件下实现功能。
工业领域,电动机控制不必要一定要使用断路器,采用接触器+熔断器或是中压软启动器,更加节能环保,而且寿命长,可靠性高。新质生产力需要高效快速实现系统保护,对于一般马达控制,6kV电动机功率大于1250kW,由于电流超过一般熔断器的电流规格,国内则建议使用断路器。而国外中压马达控制柜,额定电流达1000A,通过2个或3个高压熔断器并联,固定安装,则可以实现较大电流应用。
熔断器短路保护动作速度远快于真空断路器,一般几个到十几个毫秒即可切断短路电流,对系统的冲击极小,现代电动机出现短路故障的机会很少,因此采用机械、电气寿命长的接触器实现灵活系统控制,而固定式熔断器用于保护,经济性高。
当然,变频启动也是现代电动机提高能效、提高安全运行的重要保证,如国外企业已开发了中压200Hz变频器用于电动机启停控制,当电动机运行在高频率下时,内部的风扇叶片转速相应增加,这大大改善了散热效果。散热改善意味着电动机可以在更高的负载下运行而不会超过温度限制,从而允许使用更大的电流,进一步提高电动机的性能。虽然高频启动可能会降低电动机的过载能力,但通过适当的设计和管理,可以确保电动机在高频运行时仍然稳定可靠。
在高频运行条件下,电动机的有效转矩表现出恒功率特性,这意味着可以在高频下维持稳定的输出功率,适用于需要高速运行的应用。高频启动特别适用于需要快速加速和减速的应用,因为高频下的电动机响应速度更快,可以更有效地适应负载变化。因此电动机控制的断路器需要具有高频分合能力。高频真空电弧频率升高导致电流过零前等离子体密度降低时间缩短,过零后弧隙内剩余等离子体密度较高,这不利于电弧熄灭后介质强度的恢复。
虽然半波时间较短,向弧隙注入的能量较低,一定程度上有利于降低弧隙等离子体密度和触头温升,对电弧熄灭也具有一定的帮助。但是开断时较高的di/dt也会缩短过零点处的零休时间,进一步降低了弧后介质恢复强度。这两方面的因素导致高频电流的开断难度整体增加,更易发生开断失败,导致电弧重燃。另外高频导致温升加剧也是需要考虑的,一定程度上的以大代小是可以满足应用要求的。