VCB đóng cắt tụ bù: C1/C2, inrush và back-to-back

1. Một dòng ampere chưa mô tả đủ nhiệm vụ đóng cắt tụ

Ở trạng thái xác lập, tụ bù nhận dòng điện dung theo điện áp, tần số và điện dung. Khi đóng, hai phía thiết bị có thể đang ở điện áp khác nhau; phần năng lượng trao đổi tạo thành dòng quá độ. Khi mở, điện áp còn trên tụ và điện áp phía nguồn tiếp tục thay đổi làm nhiệm vụ cắt khác với tải thuần trở.

Vì vậy một VCB có dòng làm việc và khả năng cắt ngắn mạch phù hợp chưa tự được xác nhận cho mọi nhiệm vụ đóng cắt bank tụ. Cần biết bank đơn hay nhiều bank cùng bus, dữ liệu điện dung/đường nối, trạng thái trước thao tác và các định mức riêng của thiết bị.

Bài tập B01 gồm hai bank Y lý tưởng, cân bằng, mỗi pha có điện dung 50 μF, trên cơ sở điện áp dây 6,6 kV và 50 Hz. Phần quá độ chỉ xét trao đổi điện tích giữa hai tụ tương ứng trên một pha. Các trường hợp đều tự tạo, không là dữ liệu khách hàng hoặc phép thử một VCB thật.

Người đọc có thể dùng bài để rà soát RFQ, nameplate, báo cáo thử và scope FAT. Bài không chọn mã VCB, không chỉ định điện áp thử hoặc hướng dẫn tạo inrush trên thiết bị thật. Thử trực tiếp phải do người được phép thực hiện theo procedure và điều kiện an toàn phù hợp.

Trước công việc với bank tụ, cần kiểm soát cả nguồn cấp và năng lượng còn tích. Không xem VCB ở OPEN, controller ở OFF hoặc một timer đã hết là bằng chứng điện áp mọi phần tử đã bằng không. Nhiệm vụ xác minh an toàn có quy trình riêng.

2. C1 và C2 nói về xác suất restrike trong nhiệm vụ cắt điện dung

FAQ FA352797 của Schneider Electric giải thích C1 là xác suất restrike thấp và C2 là xác suất rất thấp khi cắt dòng điện dung, được chứng minh bằng các type test cụ thể. Từ cần giữ là xác suất cùng phạm vi thử, không phải một bảo đảm không bao giờ xảy ra tái phóng điện.

C2 không tự cho biết mọi trị số dòng điện dung được phép cắt, đỉnh/tần số inrush được phép đóng, tuổi thọ theo duty thực hoặc hệ điều khiển có đóng theo pha hay không. Các mục đó cần rating và bằng chứng tương ứng của đúng cấu hình.

Danh mục IEC công khai có IEC 62271-100:2021+AMD1:2024 CSV, áp dụng cho circuit-breaker AC ba pha trên 1.000 V ở 50/60 Hz. Trang phạm vi không cung cấp toàn bộ điều khoản thử. Khi xét hồ sơ, phải ghi edition/điều kiện áp dụng, không suy diễn mọi tiêu chí từ tên tiêu chuẩn.

Nếu một báo cáo ghi C2, hãy đối chiếu model, điện áp, kiểu cực và cấu hình đã thử với thiết bị đang chào. Kiểm tra phạm vi nhiệm vụ bank tụ và các rating cần dùng. Một ảnh nhãn hoặc dòng catalog chưa tự nối được tất cả cấu hình tùy chọn đến cùng bằng chứng.

Đừng biến C2 thành câu “dùng cho tụ thì chắc chắn đạt”. Thiết kế ứng dụng còn có topology, tần suất thao tác, điều kiện môi trường và phối hợp bảo vệ. Bài chỉ giải thích cách đọc các nhóm thông tin, không đặt số lần restrike được chấp nhận cho một phép thử.

Đối chiếu: Schneider Electric — FA352797: định nghĩa C1/C2 khi cắt dòng điện dung ↗

Đối chiếu: IEC — IEC 62271-100:2021+AMD1:2024 CSV, danh mục và phạm vi công khai ↗

3. Tách dòng RMS xác lập, dòng cắt bank và đỉnh inrush

Trong B01, điện áp pha RMS là 6.600/√3 ≈ 3.810,51 V. Với Cpha = 50 μF và f = 50 Hz, dòng mỗi pha lý tưởng I1 = 2πfCphaUpha ≈ 59,86 A RMS. Công suất phản kháng ba pha là Q = 2πfCphaUdây² ≈ 684,24 kVAr.

Phép tính giả định tụ thuần, không cuộn kháng nối tiếp, không hài hoặc sai lệch điện dung. Nó không xác nhận dòng nhiệt của một bank thực. Điện dung mỗi pha của sơ đồ Y cũng không được dùng nguyên cho bank Δ mà chưa đổi cơ sở.

I1 khoảng 59,86 A chưa nói đỉnh dòng khi đóng nhỏ hơn 59,86 A. Đỉnh inrush là trị số tức thời của phần quá độ; dòng RMS xác lập là một đại lượng khác. Không lấy đỉnh sóng bất kỳ chia √2 rồi gọi là RMS nếu nó không là sin xác lập đang xét.

Catalog Siemens HG 11.03, edition 2018, tách dòng cắt bank đơn, dòng cắt back-to-back và tần số inrush; định mức dòng đóng inrush được dẫn sang phần dữ liệu kỹ thuật. Tài liệu được dùng minh họa cách tách trường thông tin, không dùng chọn cấu hình đang bán.

Trong phiếu đối chiếu, giữ dòng làm việc, dòng cắt ngắn mạch, dòng cắt điện dung, đỉnh inrush và tần số inrush ở các cột riêng. Một khả năng đóng dòng ngắn mạch theo duty khác không tự thay cặp định mức inrush. So sánh phải giữ cả loại nhiệm vụ và đơn vị.

Đối chiếu: Siemens — 3AH3, HG 11.03 edition 2018: các trường rating capacitive switching ↗

4. Bank đơn và back-to-back có đường trao đổi năng lượng khác

Bank đơn được đóng khi các bank khác chưa nối vào cùng bus có một cấu hình nguồn–đường nối riêng. Với back-to-back, ít nhất một bank đã vận hành khi bank khác được đóng. Điện tích của bank đang nối có thể góp vào dòng quá độ cục bộ qua đường liên kết giữa các nhánh.

Tài liệu TD230004EN của Eaton tách hai loại nhiệm vụ này và yêu cầu xem dòng đỉnh cùng tần số theo khả năng thiết bị. Nó cho thấy dữ liệu đường nối và trạng thái các bank cần đi cùng phép tính, không chỉ tổng kVAr lắp đặt.

Hai nhánh gần nhau có thể tạo vòng trao đổi với điện cảm khác nhánh nguồn qua máy biến áp. Không lấy một L của nguồn áp vào mọi đường back-to-back. Với nhiều cấp đang vận hành, cấu hình tương đương còn thay đổi theo các nhánh thực sự nối ở thời điểm xét.

Cần lập danh sách trạng thái: bank nào đã nối, bank nào chuẩn bị đóng, tụ mới đã xả đến điều kiện nào và topology có gì thay đổi. Điện áp còn lại trên tụ mới cùng thời điểm trên sóng nguồn làm chênh lệch điện áp đầu khoảng khác nhau.

B01 chỉ tách một vòng LC cục bộ để nhìn quan hệ nguyên nhân–kết quả. Nó không thay mô hình mạng ba pha, không tính mọi mode trung tính, nguồn qua transformer hoặc sự cố. Kết luận ứng dụng phải dùng hồ sơ và nghiên cứu quá độ phù hợp.

Đối chiếu: Eaton — TD230004EN (2016): inrush trong bank đơn và nhiều cấp ↗

5. Tự tính B01: 50 μF + 50 μF qua vòng 100 μH

Xét hai tụ tương ứng trên một pha: Cold = Cnew = 50 μF. Tại đầu khoảng, uold = 3.000 V và unew = 0, nên Δu0 = 3.000 V. Chọn Lloop = 100 μH cho toàn vòng trao đổi, dòng đầu i(0) = 0. Đây là L tự chọn, không là điện cảm công bố hoặc giá trị reactor cần mua.

Trong khoảng ngắn được xét, bỏ qua điện trở/tổn hao, thay đổi nguồn 50 Hz, hồ quang và các nhánh khác. Hai tụ là hai kho năng lượng hữu hạn. Điện dung cho mode chênh lệch là Ceq = ColdCnew/(Cold + Cnew) = 25 μF, không phải tổng 100 μF.

Chọn chiều i dương từ tụ old sang new. Với q là điện tích đã chuyển, Δu(t) = Δu0 − q/Ceq và i = dq/dt. Kết hợp Lloop di/dt = Δu(t), được dao động có ω0 = 1/√(LloopCeq). Do đó i(t) = Δu0√(Ceq/Lloop) × sin(ω0t).

Đổi μF/μH sang F/H trước khi tính: f0 = 1/(2π√(100×10⁻⁶ × 25×10⁻⁶)) ≈ 3.183,10 Hz; độ lớn đỉnh Î = |Δu0|√(Ceq/Lloop) = 1.500 A. Thời điểm đạt đỉnh đầu là 1/(4f0) ≈ 78,54 μs, rất khác một chu kỳ nguồn 20 ms.

Tại t = 0, di/dt = Δu0/Lloop = 30 A/μs. Đây là độ dốc ban đầu của mô hình lý tưởng, không là limit của một VCB. Δu0 là hiệu điện áp tức thời ở hai tụ; không thay nó bằng 6,6 kV dây RMS hoặc điện áp định mức của breaker.

Ở đỉnh dòng đầu, hai tụ bằng điện áp 1.500 V trong mô hình cân đối này. Năng lượng mode chênh lệch ½CeqΔu0² = 112,5 J bằng ½Lloopβ. Phần năng lượng điện trường chung còn trên hai tụ; không coi toàn bộ năng lượng ban đầu đã mất.

Do không có tổn hao, mô hình tiếp tục dao động và đổi chiều. Waveform thực thường có damping và thành phần nguồn khác; bài không dùng đuôi dao động lý tưởng dự báo thời gian thực hoặc chứng minh acceptance.

6. Đổi L và Δu0: phải đọc cả đỉnh lẫn tần số

Giữ hai tụ và Δu0 = 3.000 V, chỉ đổi Lloop từ 100 lên 400 μH. Công thức cho Î giảm từ 1.500 xuống 750 A, f0 giảm từ 3.183,10 xuống 1.591,55 Hz, và đỉnh đầu chuyển từ 78,54 lên 157,08 μs. L tăng bốn lần làm hai đại lượng đầu giảm hai lần trong mô hình.

Đổi trường hợp khác: giữ Lloop = 100 μH nhưng Δu0 = 1.500 V. Đỉnh dòng cũng bằng 750 A, song f0 vẫn 3.183,10 Hz và tđỉnh vẫn 78,54 μs. Hai sóng có cùng đỉnh không bắt buộc có cùng tần số.

Eaton có ví dụ mà dòng đỉnh trong khả năng breaker nhưng tần số quá độ vượt khả năng đã nêu. Bài không sao chép dữ liệu ví dụ đó; dùng quan hệ B01 để nhấn mạnh việc đọc đồng thời cặp đỉnh–tần số và đúng duty.

Giảm Δu0 một nửa còn làm năng lượng mode chênh lệch giảm về một phần tư: 112,5 xuống 28,125 J. Tăng L trong mô hình không làm năng lượng chênh lệch ban đầu biến mất; nó đổi cách năng lượng chuyển giữa điện trường và từ trường.

Các phép biến đổi không đủ chọn reactor. Khi thêm L thực, phải xem ảnh hưởng điện áp, cộng hưởng, nhiệt, bảo vệ và các nhiệm vụ đóng/cắt theo nghiên cứu ứng dụng. Không coi một tính toán Ipeak thấp hơn là phê duyệt toàn bộ bank.

Cuộn kháng detuned, reactor giới hạn inrush và thiết bị phóng điện cần được nhận dạng theo chức năng. Một trị số phần trăm hoặc chữ reactor trên BOM không tự nói L của vòng back-to-back đã biết. Bảng dưới chỉ so các giả định độc lập.

Đối chiếu: Eaton — TD230004EN (2016): inrush trong bank đơn và nhiều cấp ↗

7. Inrush khi đóng và restrike khi cắt cần bằng chứng khác nhau

Khi đóng, chênh lệch điện áp hai phía có thể gây dẫn điện qua khe tiếp điểm trước thời điểm chạm cơ khí. Trong hệ đồng bộ, ABB No.23 lưu ý cần xét pre-striking time khi kiểm tra đóng và mốc tách tiếp điểm theo pha khi kiểm tra mở. Vì vậy timestamp của lệnh không tự là mốc điện của thao tác.

Khi cắt dòng điện dung, điện áp trên tụ có thể còn giữ trong khi phía nguồn tiếp tục biến thiên. Điện áp phục hồi đặt lên khe tiếp điểm là một phần của nhiệm vụ cắt. Nếu xuất hiện tái phóng điện sau ngắt, đó là vấn đề khác với đỉnh dòng của lần đóng trước.

Một bản ghi cần cho biết đang phân tích đóng hay mở, vị trí đo, đại lượng và mốc thời gian. Nhìn một đỉnh dòng cao rồi gọi nó là restrike chưa đủ. Ngược lại, một waveform mở cần được đánh giá theo điều kiện và định nghĩa áp dụng, không dùng công thức B01 để kết luận.

Không đưa các hệ số quá điện áp của một ví dụ đơn pha lên mọi bank ba pha. Điểm trung tính, thứ tự các cực, điện áp còn lại, damping và hệ thống nguồn làm kết quả thay đổi. Bài không đặt giới hạn TRV hoặc số lần tái phóng điện được phép.

Thử timing cơ khí không tải có giá trị trong scope timing; nó không tạo điều kiện điện của nhiệm vụ cắt bank tụ. Một scope rõ nên nói đã kiểm tra chức năng/timing nào và type-test hoặc nghiên cứu ứng dụng nào cung cấp bằng chứng cho nhiệm vụ điện còn lại.

Đối chiếu: ABB — Technical Application Papers No.23: capacitor switching và synchronous switching ↗

8. Đóng ở điện áp nguồn bằng không chưa đủ khi tụ còn điện áp

ABB mô tả các hệ synchronous switching có controller xét thời điểm từng cực theo tham chiếu pha. Khả năng đó cần cấu hình và bằng chứng của cả hệ. Một cơ cấu dẫn động nhanh hoặc tên thương mại có chữ “smart” chưa tự xác nhận thiết bị đang thực hiện đóng theo pha.

Để tự tính một lát cắt đơn pha, dùng đỉnh nguồn của cơ sở B01: Up = √2 × 6.600/√3 ≈ 5.388,88 V. Gọi us = Up sinθ tại đầu khoảng và uc là điện áp tức thời còn trên tụ mới, cùng chiều tham chiếu. Chênh lệch đầu khoảng là Δu0 = us − uc.

Nếu uc = 0 và θ = 0°, Δu0 bằng không. Nếu uc = 900 V nhưng vẫn θ = 0°, Δu0 = −900 V. Với Ceq/Lloop của B01, mô hình cho độ lớn đỉnh trao đổi 450 A, theo chiều ngược với Δu0 dương. Chọn nguồn bằng không chưa làm hai phía bằng điện áp.

Để hai phía bằng nhau trong lát cắt có uc = 900 V, cần sinθ = 900/5.388,88. Một nghiệm là khoảng 9,614°, tương ứng 0,534 ms sau điểm zero dương ở 50 Hz; nghiệm còn lại trong nửa chu kỳ là khoảng 170,386°. Các góc chỉ là lời giải toán, không là góc cài cho controller.

Δu0 = 0 làm thành phần trao đổi ban đầu trong mô hình LC này bằng không. Nó không có nghĩa mọi dòng trong bank thực bằng không: nguồn vẫn thay đổi, tụ có dòng xác lập và các phần tử/nhánh khác chưa được tính. Không dùng kết quả này để cam kết loại hết transient.

Ba pha có tham chiếu lệch nhau 120°. Một thời điểm chung không làm ba điện áp pha cùng qua zero. Cấu hình pole control, điểm trung tính và thuật toán ứng dụng phải được xác định riêng; không chuyển một nghiệm đơn pha thành ba lệnh đóng.

Trong thiết bị thật còn phải xét cảm biến, nguồn điều khiển, độ lặp thời gian cơ cấu và mốc bắt đầu dẫn điện. Thử chỉ đo từ lệnh đến tiếp điểm phụ chưa tự xác nhận sai số pha tại mốc điện cần quan sát. Bài không đặt tolerance góc hoặc thời gian dùng chung.

Đối chiếu: ABB — Technical Application Papers No.23: capacitor switching và synchronous switching ↗

9. Cơ cấu, C2 và controller đồng bộ: ba ô trong phiếu đối chiếu

Ô thứ nhất mô tả cơ cấu của thiết bị: model, truyền động, nguồn coil, phụ kiện và điều kiện timing. Ô thứ hai mô tả nhiệm vụ điện/rating cùng báo cáo thử áp dụng. Ô thứ ba mô tả điều khiển theo pha nếu có: cảm biến, controller, thuật toán, kiểu cực và phạm vi cấu hình.

Ba ô có quan hệ trong hệ thống, nhưng dữ liệu của ô này chưa điền thay ô kia. Cơ cấu dùng truyền động từ không tự chứng minh đang đóng đồng bộ; có controller không tự chứng minh đúng rating capacitive switching; một dòng C2 không xác nhận đường cảm biến và cấu hình controller.

Nếu đề xuất đổi breaker cho cùng bank, phải biết các trường hợp bank đơn, back-to-back và tái đóng được yêu cầu. Đối chiếu thông số theo đúng mã/option, trạng thái các bank và giới hạn nghiên cứu quá độ. Không chỉ so điện áp, Ir và dòng cắt ngắn mạch.

Nếu hệ có chế độ local, remote, auto hoặc bypass được nhà sản xuất cho phép, hồ sơ phải nêu chế độ nào được đưa vào từng phép thử. Không mặc định chúng cùng đi qua controller đồng bộ. Khi tín hiệu tham chiếu mất hoặc hệ báo not-ready, phản ứng mong đợi phải lấy từ manual và logic được duyệt.

Sau thay đổi wiring, firmware hoặc setting, giữ revision và xem phần bằng chứng nào bị ảnh hưởng. Đừng coi ảnh một lần đóng đúng pha là bằng chứng mọi điều kiện đều đạt. Các trường còn thiếu cần nguồn xác nhận và người phụ trách, chưa biến thành kết luận tương thích.

10. FAT: tách hồ sơ type-test, timing, logic và nhiệm vụ điện

Rà soát C1/C2 và rating là một scope hồ sơ: liên kết tài liệu đúng model, nhiệm vụ, điện áp và cấu hình. Nó khác phép routine hoặc functional FAT của tủ. Không dùng một lần OPEN–CLOSE không tải làm bằng chứng mới cho xác suất restrike của type-test.

Scope timing cần ghi mốc bắt đầu/kết thúc, cực, điều kiện nguồn và các kết quả lặp được yêu cầu. Chỉ thị phụ hoặc timestamp relay output có thể có ý nghĩa riêng. Không đổi tên một thời gian cơ khí thành độ chính xác đồng bộ khi mốc điện/pha chưa được quan sát.

Scope logic cần các trạng thái theo test plan: lệnh được phép, interlock, phản ứng not-ready, chế độ vận hành và phục hồi. Nếu dùng mô phỏng input, phải nói những cảm biến hoặc phần tử thật bị bỏ qua. Một đèn READY không thay mọi bằng chứng chức năng.

Đánh giá waveform của nhiệm vụ điện, nếu được yêu cầu, cần procedure và năng lực thử phù hợp. Phải giữ topology, trạng thái bank, điện áp còn lại, điểm đo, đáp ứng cảm biến và phương tiện ghi. B01 không chỉ định cách tạo xung 1.500 A hoặc một sơ đồ thử điện áp cao.

Ba tình huống minh họa: dòng RMS tính nhỏ nhưng thiếu cặp rating inrush; báo cáo C2 không nhận dạng đủ cấu hình được chào; hoặc log chỉ có lệnh CLOSE mà chưa có mốc pha cần đánh giá. Mỗi tình huống thiếu một loại bằng chứng khác nhau, nên không giải quyết bằng cùng một dấu PASS.

Khi có số đo gần giới hạn, dùng quy tắc quyết định và độ không đảm bảo đã xác định. Giá trị tính, dữ liệu hãng và số đo phải tách cột. Hoàn trả link/cô lập tạm, cấu hình và output sau thử là mục riêng; phần chưa đưa vào scope vẫn giữ pending.

11. Bàn giao bank tụ: mỗi kết luận phải truy được đến một bộ điều kiện

Bộ hồ sơ nên nối tag từng bank đến thiết bị đóng cắt, tụ, các reactor theo chức năng, phần tử xả và bảo vệ. Với nhiều cấp, ghi trạng thái vận hành tạo các duty cần đánh giá. Tổng kVAr cùng một schematic thiếu trạng thái chưa đủ để tái lập tình huống back-to-back.

Đính kèm bảng rating có đơn vị: dòng RMS, đỉnh dòng, tần số và điện áp theo đúng cơ sở. Giữ nguồn tài liệu, edition, model/option và báo cáo liên quan. Không gom dòng ngắn mạch với dòng đóng điện dung thành một ô “khả năng đóng kA”.

Nếu có synchronous control, đính kèm tham chiếu pha, pole control, đường cảm biến, cấu hình được duyệt và scope xác minh. Nếu hồ sơ chỉ chứng minh timing cơ khí, nêu đúng như vậy. Việc gọi hệ là đồng bộ cần dữ liệu của chức năng đồng bộ.

Phần xả và interval tái đóng cần được đọc cùng bài về cuộn phóng điện, nhưng vẫn giữ hai mục tiêu. Đủ thời gian xả theo hồ sơ chưa tự xác nhận rating inrush; có rating inrush phù hợp chưa cho phép bỏ điều kiện xả và quy trình an toàn.

B01 kết luận được quan hệ giữa Δu0, Ceq, Lloop, đỉnh, tần số và năng lượng của mô hình đã nêu. Nó chưa đủ chứng nhận C2, chọn VCB/reactor hoặc phê duyệt một bank thật. Bảng dưới giúp phát hiện các ô cần bổ sung trước khi ký kết luận có phạm vi.