Высоковольтные вакуумные выключатели — устройство и принцип работы

Среди современного высоковольтного оборудования, предназначенного для коммутации электрических цепей в энергетике, особое место отводится вакуумным выключателям. Они широко применяются в сетях от 6 до 35 кВ и реже в схемах 110 или 220 кВ включительно.

Их номинальный ток отключения может составлять от 20 до 40 кА, а электродинамической стойкости — порядка 50÷100. Общее время отключения таким выключателем нагрузки или аварии составляет около 45 миллисекунд.

Каждая фаза цепи надежно отделена изоляторами и в то же время все оборудование конструктивно собрано на едином общем приводе. Шины подстанции подключаются на входные вывода выключателя, а отходящего присоединения — на выводные.

Внутри вакуумной дугогасительной камеры работают силовые контакты, прижимаемые между собой так, чтобы обеспечить минимальное переходное сопротивление и надежное прохождение токов как нагрузки, так и аварии.

Верхняя часть контактной системы стационарно закреплена, а нижняя под действием усилия привода способна перемещаться строго в осевом направлении.

На картинке видно, что контактные пластины расположены в вакуумной камере и приводятся в движение тягами, управляемыми силами натяжения пружин и катушек электромагнитов. Вся эта конструкция расположена внутри системы изоляторов, исключающих возникновение токов утечек.

Стенки вакуумной камеры выполнены из очищенных металлов, сплавов и специальных составов керамики, обеспечивающих герметичность рабочей среды в течение нескольких десятилетий. Для исключения попадания воздуха при перемещениях подвижного контакта установлено сильфонное устройство.

Якорь электромагнита постоянного тока способен двигаться на замыкание силовых контактов или их разрыв за счет смены полярности подаваемого на обмотку напряжения. Постоянный круговой магнит, встроенный в конструкцию привода, удерживает подвижную часть в любом сработанном положении.

Система пружин обеспечивает создание оптимальных скоростей передвижения якоря при коммутациях, исключения дребезга контактов и возможностей пробоев конструкции стенок.

Внутри корпуса выключателя собрана кинематическая и электрическая схемы с синхронизирующим валом и дополнительными блок-контактами, обеспечивающими возможности контроля и управления положением выключателя в любом состоянии.

По своим функциональным задачам вакуумный выключатель ничем не отличается от других аналогов высоковольтного оборудования. Он обеспечивает:

1. надежное прохождение номинальных электрических мощностей при длительной работе;

2. возможности гарантированных коммутаций оборудования электротехническим персоналом в ручном или автоматическом режиме при оперативных переключениях для изменений конфигурации действующей схемы;

3. автоматическую ликвидацию возникающих аварий за минимально возможное время.

Принципиальное отличие вакуумного выключателя состоит в способе гашения электрической дуги, возникающей при разъединении контактов во время отключения. Если у его аналогов для этого создается среда сжатого воздуха, масла или элегаза, то здесь работает вакуум.

Принцип гашения дуги в силовой схеме

С началом движения приводом контактов на разъединение между ними появляется промежуток, сразу содержащий вакуум. Внутри него начинается процесс испарения нагретого металла контактных площадок. Через эти пары продолжает протекать ток нагрузки. Он инициирует образование дополнительных электрических разрядов, создающих дугу в среде вакуума, продолжающую развиваться за счет испарения и отрыва паров металла.

Под действием приложенной разности потенциалов образованные ионы движутся в определенном направлении, создавая плазму.

В ее среде продолжается протекание электрического тока, идет дальнейшая ионизация.

Поскольку выключатель работает с переменным электрическим током, то его направление в течение каждого полупериода меняется на противоположное. При переходе синусоиды через ноль ток отсутствует. За счет этого дуга резко гаснет и обрывается, а отторгнутые ионы металла прекращают выделяться и за 7÷10 микросекунд полностью оседают на ближайших поверхностях контактов или остальных частях дугогасящей камеры.

В этот момент электрическая прочность промежутка между силовыми контактами, заполненная вакуумом, практически мгновенно восстанавливается, чем обеспечивается окончательное отключение тока нагрузки. В следующем полупериоде синусоиды электрическая дуга возникнуть уже не может.

Таким образом, для прекращения действия электрической дуги в среде вакуума при размыкании силовых контактов достаточно переменному току сменить свое направление.

Технологические особенности различных моделей

Конструкции вакуумных выключателей создаются для длительной работы на открытом воздухе или в закрытых сооружениях. Устройства наружной установки изготавливаются с цельнолитыми полюсами, выполненными с изоляцией из кремнийорганических материалов, а для внутренней работы применяют литые компаунды эпоксидных составов.

Вакуумные камеры в заводских условиях изготавливают съемными, оптимально настроенными для установки в литом корпусе. Внутри них уже размещены силовые контакты из специальных сортов легированных сплавов. Они, благодаря примененному принципу работы и конструкции, обеспечивают мягкое гашение электрической дуги, исключают возможности образования перенапряжений в схеме.

Универсальный электромагнитный привод используется во всех конструкциях вакуумных выключателей. Он удерживает силовые контакты в замкнутом или отключенном состоянии за счет энергии мощных магнитов.

Коммутация и фиксация контактной системы осуществляется положением «магнитной защелки», переключающей цепь магнитов на воссоединение или отключение подвижного якоря. Встроенные пружинные элементы позволяют осуществлять ручные переключения электротехническому персоналу.

Для управления работой вакуумным выключателем используются типовые релейные схемы или электронные, микропроцессорные блоки, которые могут быть расположены непосредственно в корпусе привода или выполнены выносными устройствами в отдельных шкафах, блоках или на панелях.

Преимущества и недостатки вакуумных выключателей

К достоинствам относят:

относительную простоту конструкции;

пониженное потребление электроэнергии для производства переключений;

удобство ремонта, заключающееся в возможности блочной замены, вышедшей из строя, дугогасительной камеры;

способность выключателя работать при любой ориентации в пространстве;

повышенную стойкость к коммутационным нагрузкам;

стойкость к возникновению пожара и взрывов;

тихую работу при переключениях;

высокую экологичность, исключающую загрязнение атмосферы.

Недостатками конструкций являются:

относительно низкие допустимые токи номинальных и аварийных режимов;

появление коммутационных перенапряжений во время отключений низких индуктивных токов;

пониженный ресурс дугогасящего устройства по отношению к ликвидации токов коротких замыканий.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Для чего необходим вакуумный выключатель и как он работает: разбираемся по пунктам

Опубликовано Артём в 23.05.2019 23.05.2019

Вакуумный выключатель представляет собой высоковольтное коммутационное устройство нового типа. Данная разновидность оборудования приобретает заслуженную популярность, вытесняя конкурирующие с ней маломасляные и электромагнитные выключатели.

Под коммутацией понимаются периодические подключения и отключения аппарата. За счет включения и отключения начинается или прекращается подача тока в рабочих режимах. Также выключатель используется в аварийной ситуации (при коротком замыкании). В этом случае электрическая дуга, находящаяся между контактами, прекращает свое существование.

История создания

Первые разработки вакуумных выключателей были начаты в 30-е годы XX века, действующие модели могли отключать небольшие токи при напряжениях до 40 кВ. Достаточно мощные вакуумные выключатели в те годы так и не были созданы из-за несовершенства технологии изготовления вакуумной аппаратуры и, прежде всего, из-за возникших в то время технических трудностей по поддержанию глубокого вакуума в герметизированной камере.

Для создания надежно работающих вакуумных дугогасительных камер, способных отключать большие токи при высоком напряжении электрической сети, потребовалось выполнить обширную программу исследовательских работ. В ходе проведения этих работ примерно к 1957 г. были выявлены и научно объяснены основные физические процессы, происходящие при горении дуги в вакууме.

Переход от единичных опытных образцов вакуумных выключателей к их серийному промышленному производству занял ещё два десятилетия, поскольку потребовал проведения дополнительных интенсивных исследований и разработок, направленных, в частности, на отыскание эффективного способа предотвращения опасных коммутационных перенапряжений, возникавших из-за преждевременного обрыва тока до его естественного перехода через нуль, на решение сложных проблем, связанных с распределением напряжения и загрязнением внутренних поверхностей изоляционных деталей осаждавшимися на них парами металла, проблем экранирования и создания новых высоконадежных сильфонов и др.

В настоящее время в мире налажен промышленный выпуск высоконадежных быстродействующих вакуумных выключателей, способных отключать большие токи в электрических сетях среднего (6, 10, 35 кВ) и высокого напряжения (до 220 кВ включительно).

Устройство и принцип действия

Вакуумные выключатели предназначены для совершения коммутационных операций в электроснабжающих сетях высокого напряжения. Конструктивно вакуумный выключатель состоит из трех отдельных полюсов или колонок (по одной на каждую фазу). Все колонки устанавливаются на одном приводе посредством опорного изолятора из полимера, фарфора или текстолита. У каждой из них имеются два вывода для подключения ошиновки.

Общий вид вакуумного автоматического выключателя

Устройство вакуумного выключателя.

Из картинки ниже видно, что внутри устройство состоит из двух контактов, подведенных под соответствующие потенциалы полюсов. Один из них выполняется подвижным, второй стационарным, как и в других типах выключателей. Силовые контакты вакуумного выключателя располагаются внутри герметичной камеры, способной сохранять вакуум в течении длительного периода времени (несколько десятков лет). Для чего в состав камеры включаются специальные металлические сплавы и керамические добавки. Именно этот элемент стал камнем преткновения для реализации такого выключателя в 30-е годы прошлого века.

Современные технологии предоставляют возможность сохранения вакуума внутри емкости, в том числе, с учетом динамических нагрузок, которые ей приходится претерпевать во время коммутаций. Для постоянного поддержания состояния сильно разреженной газовой среды, внутри вакуумной камеры, устройство комплектуется сильфонным компонентом. Он исключает возможность проникновения воздуха или другого газа внутрь вакуумной камеры при перемещении подвижного контакта.

Конструкция вакуумного выключателя

Принцип гашения электрической дуги.

При разрыве контактов между поверхностями возникает ионизация пространства. Если в воздушных выключателях с методом электромагнитного дутья эту ионизацию искусственно растягивают на несколько метров, а в элегазовых и масляных выключателях стараются погасить диэлектрическим материалом, то в вакуумных применяется другая технология. Основной принцип основан на том, что в идеальном вакууме отсутствует какое-либо вещество, способное к выделению заряженных частиц. Поэтому в момент разделения контактов, из-за разности потенциалов, единственным источником ионизации являются пары раскаленного металла.

Различные этапы образования плазмы

Начало разведения контактов

Они продолжают движение между контактными поверхностями, но при переходе синусоиды электрического тока через ноль, заряженные частицы утрачивают энергию для ионизации и перемещения, их место быстро занимает пустое пространство с высокой электрической прочностью и дуга рвется. Ионы металлов примыкают к ближайшей поверхности – контактам или стенкам камеры. Такой принцип действия позволяет сократить время на прекращение горения дуги и предоставляет ряд преимуществ, в сравнении с другими типами коммутационных аппаратов. Но чрезмерные коммутационные перенапряжения могут привести к деформации поверхности, что будет препятствовать нормальному замыканию контактов, увеличит переходное сопротивление и вызовет перегрев внутри вакуумной камеры.

Особенности применения и эксплуатации

Вакуумные выключатели конструктивно разрабатывались сначала как устройство, применяемое только в шкафах КРУ (комплектное распределительное устройство). В настоящее время они используются и для открытых распределительных устройств (ОРУ).

Современный высоковольтный вакуумный выключатель представляет собой быстродействующий коммутационный аппарат нового поколения, рассчитанный на более долгий срок службы, нежели его предшественники с масляной или элегазовой средой для тушения электрической дуги. Статистически процент их применения в электроустановках выше 1000 Вольт стабильно растёт. Китайские энергетики уже полностью отказались от устаревших масляников и полностью перешли на более компактные и не требующие частой профилактики вакуумные выключатели. Вакуумный выключатель довольно неприхотлив и не требует регулярной чистки контактов и смене масла, которое зачастую довольно обильно вытекает из баков. Согласно паспортным данным срок эксплуатации вакуумных выключателей составляет порядка 20 лет.

Во время эксплуатации приводной механизм может выйти со строя, а подать питание на определённый важный механизм в производственной цепочке необходимо, поэтому все выключатели должны быть оборудованы механизмом ручного взвода пружины. А также обязательным является присутствие аварийной кнопки отключения механизмов блокировки выкатывания во включенном состоянии. Это безопасность персонала, поэтому этот момент очень важен.

Типы вакуумных выключателей

Как и любая другая электротехническая продукция, вакуумные выключатели подразделяются на несколько типов, в зависимости от класса напряжения, для которого предназначен аппарат. Поэтому условно их можно подразделить на:

Вторым критерием является мощность отключаемого потребителя, в соответствии с которой модели отличаются по максимальному рабочему току или по мощности.

Конструктивные особенности

Конструкция вакуумного выключателя включает два элемента: подвижный и неподвижный контакты. Устройство оснащается тремя полюсами, на каждом из которых имеются пофазно установленные электромагнитные приводы. Эти приводы монтируются на одном основании.

Размещенные внутри прибора фазные приводы соединяются друг с другом за счет вала, который осуществляет синхронизацию фаз и защищает от неполных фаз. Кроме того, вал предназначен для механической блокировки расположенных поблизости распределительных систем и управления индикацией расположения контактов.

В качестве примера рассмотрим особенности вакуумного выключателя от компании «Таврида Электрик» (серия BB/TEL).

На рисунке видно, что вакуумный выключатель нагрузки включает в себя три полюса, которые имеют пофазно встроенные приводы электромагнитного типа. Приводы установлены на общем основании. Все приводы соединяются друг с другом при помощи вала.

Особенности одного из полюсов с номинальным током 2 тысячи ампер показаны на рисунке ниже.

Магнитный привод может располагаться в одном из двух положений: «включено» или «выключено». Закрепление якоря в указанных положениях осуществляется без использования механических щеколд. Фиксация возможна благодаря упругой пружине в положении «выключено» и кольцевому магниту в положении «включено». Подключение и отключение производится за счет передачи управляющих импульсов разнополярных напряжений на обмоточную катушку привода.

Область применения

По своим функциям данное устройство практически ничем не отличается от своих собратьев. Выключатель предназначен для тех же целей: выключатель гарантирует при длительной эксплуатации прохождение номинальных электрических напряжений; обеспечивает надежную коммутацию электрооборудования электротехниками вручную, а также автоматически для изменения конфигурации действующей схемы; устройство обладает функцией отключения электрической системы при возникновении аварийных ситуаций.

Разновидности вакуумных выключателей

Плюсы вакуумного переключателя

Вакуумные переключатели имеют некоторые преимущества:

Кроме этого отмечают ряд дополнительных плюсов:

К тому же производители гарантируют небольшие расходы на эксплуатацию и ремонт.

Достоинства и недостатки

Особенности выбора

Для того чтобы правильно подобрать данный вид высоковольтных выключателей, в соответствии с местными условиями работы и конкретного оборудования, стоит обратить внимание на следующие критерии:

Особенности контроля и управления вакуумными выключателями?

Управление может осуществляться как дистанционно, так и вручную. Все коммутационные операции производятся через управленческий блок, который перерабатывает команды и передает их на привод устройства. Универсальный электромагнитный привод позволяет удерживать рабочие контакты в заданном положении. Все современные модели обеспечиваются магнитной защелкой, обеспечивающей четкую фиксацию положения вне зависимости от его исправности.

Информация о работе коммутационного аппарата отображается на блоке управления или передается через управленческие сети на пульт оперативного персонала. Поэтому функции контроля могут осуществляться диспетчерским персоналом через систему телемеханики, где все команды посылаются через оперативные токи и не требуют личного присутствия.

Ручное отключение напрямую воздействует на привод, но требует личного присутствия работников возле ячейки или шкафа выкатного типа.

Пример схемы конструкции привода вакуумного выключателя VF12

Видео вакуумный выключатель

Кол-во блоков: 18 | Общее кол-во символов: 14964
Количество использованных доноров: 5
Информация по каждому донору:

Источник

Вакуумный выключатель: основные требования, технические параметры

Вакуумный выключатель — это выключатель, контакты которого размыкаются и замыкаются в оболочке с высоким вакуумом (определение согласно ГОСТ Р 52565-2006).

Пример вакуумного выключателя

Основные (номинальные) параметры

К номинальным параметрам вакуумного выключателя относятся:

Значения номинальных параметров вакуумного выключателя выбирают из ряда стандартных значений, приведенных в таблице 1.

Примечания к таблице 1:

* Только для выключателей, предназначенных для цепей генераторов.

** Номинальное вторичное напряжение трансформатора напряжения, используемого для питания вспомогательных цепей выключателя (привода).

Технические требования

Требования к электрической прочности изоляции.

Нормированные испытательные напряжения изоляции вакуумных выключателей — по ГОСТ 1516.3.

Длина пути утечки внешней изоляции и степень загрязнения изоляции (I, II, II*, III, IV) по ГОСТ 9920 для вакуумных выключателей категории размещения 1 должны быть указаны в ТУ и эксплуатационных документах.

Требования к нагреву.

Требования в отношении нагрева вакуумных выключателей в продолжительном режиме — по ГОСТ 8024.

Установленные ГОСТ 8024 наибольшие допустимые температуры нагрева частей аппаратов и соответствующие превышения температуры не должны быть превышены при следующих условиях:

Наибольшие допустимые температуры и соответствующие превышения температур обмоток и других элементов вспомогательных цепей (кроме электродвигателей), предназначенных для кратковременного режима (только в процессе операции включения или отключения вакуумного выключателя), должны соответствовать требованиям ГОСТ 8024 после 10-кратного срабатывания при напряжении на выводах, равном 1,1 U_{п, ном} (для обмоток включающих электромагнитов приводов зависимого действия — при напряжении U_{п, ном}), при интервале между моментами подачи напряжения 10 с или, если конструкция не позволяет обеспечить интервал 10 с, — при минимально возможном интервале.

Если в цепи обмоток или в цепи таких элементов отсутствуют блок-контакты или другие коммутационные устройства, автоматически снимающие импульс на срабатывание, то обмотки должны выдерживать приложение напряжения 1,1 U_{п, ном} один раз в течение 15 с.

Наибольшие допустимые температуры и соответствующие превышения температур частей электродвигателей приводов должны соответствовать требованиям ГОСТ 183 после 10-кратного срабатывания привода при напряжении на зажимах двигателя, равном U_{п, ном}, с минимально возможными интервалами времени между моментами подачи напряжения.

Требования к механической работоспособности.

Вакуумный выключатель должен выполнять следующие механические операции и (или) циклы операций при условиях, указанных ниже, и с характеристиками работы механизма выключателя, обеспечивающими нормированные параметры коммутационной способности выключателя:

Требуемые характеристики работы механизма вакуумного выключателя с предельными отклонениями от их нормированных значений должны указываться в ТУ и эксплуатационных документах.

Примечание — Требования перечислений г) и д) относятся только к вакуумным выключателям, предназначенным для работы при автоматическом повторном включении (АПВ).

Отключение вакуумного выключателя должно обеспечиваться при напряжении на зажимах цепи управления отключением в диапазоне, ограниченном нижним и верхним пределами (в процентах номинальных значений указанных величин):

Собственные времена отключения и включения вакуумного выключателя, разновременность замыкания и размыкания контактов полюсов и разрывов следует указывать в эксплуатационных документах.

При отсутствии специальных указаний наибольшая разница между моментами замыкания контактов полюсов при включении не должна превышать 0,005 с, наибольшая разница между моментами размыкания контактов полюсов вакуумных выключателей при отключении не должна превышать 0,0033 с, наибольшая разница между моментами размыкания контактов разрывов одного полюса для вакуумных выключателей с несколькими разрывами при отключении не должна превышать 0,0025 с.

При необходимости в ТУ и эксплуатационных документах следует также указывать требуемые значения с допустимыми отклонениями для скоростей включения и отключения вакуумного выключателя, электрических сопротивлений и токов потребления электромагнитов включения и отключения, контактного нажатия пружин размыкаемых контактов, а также минимального напряжения, минимального давления и минимального натяжения пружин, при которых обеспечивается выполнение вакуумным выключателем операций отключения и включения.

Вакуумные выключатели категории размещения 1 должны нормально работать в условиях гололеда при толщине корки льда до 20 мм и ветре скоростью до 15 м/с, а при отсутствии гололеда — при ветре со скоростью до 40 м/с.

Требования к стойкости при сквозных токах короткого замыкания.

Вакуумный выключатель во включенном положении должен выдерживать без повреждений, могущих препятствовать его исправной работе, электродинамическое и термическое воздействие сквозных токов короткого замыкания с параметрами вплоть до следующих нормированных значений:

Обмотки и другие элементы цепей максимального расцепителя тока, встроенных в привод, должны при подтянутом якоре выдерживать без повреждений протекание тока, равного 150 А, в течение 1 с — для расцепителей мгновенного действия на уставке отключающего тока менее 80 А и в течение 2 с — для расцепителей с выдержкой времени, а обмотки электромагнитов расцепителей мгновенного действия на уставке отключающего тока 80 А и более должны выдерживать протекание тока 250 А в течение 1 с.

Требования к конструкции.

Число коммутирующих контактов для внешних цепей, в том числе замыкающих, размыкающих и переключающих, должно быть указано в ТУ и в эксплуатационных документах изготовителя.

В вакуумных выключателях герметичность дугогасительных камер и необходимое давление остаточных газов в них должны обеспечиваться конструкцией и технологией изготовления, в результате чего достигается сохранение электрической прочности между разомкнутыми контактами в течение всего срока службы и не требуется постоянного автоматического контроля вакуума.

Значения остаточного давления газов в вакуумных дугогасительных камерах должны быть указаны в технических документах.

Источник