Вакуумный выключатель: устройство и принцип работы + нюансы выбора и подключения

Включение

В отключенном положении выключателя контакты вакуумной камеры (ВДК) удерживаются в разомкнутом состоянии действием отключающей пружины, которое передаётся на подвижный контакт ВДК посредством тягового изолятора. Для включения модуля на обмотку электромагнитного привода разряжается на предварительно заряженный включающий конденсатор блока управления. Импульс тока, протекающий по обмотке электромагнитного привода в результате разряда конденсатора, создаёт магнитное поле в зазоре между якорем и плоским магнитопроводом.
По мере роста тока в обмотке электромагнитного привода сила электромагнитного притяжения между якорем и плоским магнитопроводом возрастает до величины, превышающей силу удержания, создаваемую пружиной отключения. В этот момент якорь привода начинает двигаться по направлению к магнитопроводу, толкая тяговый изолятор и подвижный контакт ВДК.
В процессе движения якоря по направлению к магнитопроводу воздушный зазор уменьшается, благодаря чему сила притяжения якоря увеличивается. Быстро растущая электромагнитная сила стремительно ускоряет движущиеся части модуля до скорости примерно 1 м/с. Такая скорость является оптимальной для процесса включения и позволяет избежать дребезга контактов при их соударении, существенно снижая при этом вероятность пробоя вакуумного промежутка до момента замыкания контактов.
Ускоряющий якорь генерирует в витках обмотки электромагнитного привода противо ЭДС, которая препятствует дальнейшему нарастанию тока в обмотке и даже несколько снижает его.
В момент замыкания контактов подвижный контакт останавливается, а якорь продолжает своё движение ещё на 2 миллиметра, поджимая контакты через пружину дополнительного поджатия контактов.
Достигнув плоского магнитопровода, якорь останавливается, примагнитившись к магнитопроводу привода. В момент остановки якоря он перестаёт индуцировать противо-ЭДС, что приводит к росту тока, необходимого для насыщения кольцевого постоянного магнита до достижения им необходимых магнитных свойств.
Намагниченный до насыщения кольцевой магнит создаёт мощный остаточный магнитный поток, достаточный для удержания якоря привода (и соответственно, контактов модуля) во включенном положении даже после отключения включающего тока вспомогательным контактом.
Испытания на стойкость к механическим воздействиям показали, что усилие удержания, развиваемого постоянным магнитом, достаточно для того, чтобы удерживать модуль во включенном положении так долго, как это необходимо по условиям эксплуатации, даже при воздействии вибрационных и ударных нагрузок.
Отключающая пружина привода также сжимается в процессе движения якоря, накапливая потенциальную энергию для выполнения операции отключения модуля.
Перемещение якоря передаётся на синхронизирующий вал, поворачивая его в процессе перемещения на угол 44°, для обеспечения индикации состояния модуля, управления вспомогательными контактами и приведения в действие блокировочных механизмов распредустройства.

ВЫКЛЮЧАТЕЛИ И КОНТАКТОРЫ

Для управления силовыми высоковольтными электрическими цепями производятся более мощные коммутационные аппараты — выключатели, контакторы.

Выключатели для напряжения свыше 1000 вольт, токов сотни и тысячи ампер используется на генерирующих станциях, распределительных сооружениях, электрическом транспорте.

Оснащаются дугогасительными камерами, которые могут быть воздушными, масляными, электромагнитными, вакуумными. Привод контактов может быть различным — гидравлическим, пневматическим, кинетическим.

Ручное коммутационное оборудование до 1000 вольт — это бытовой двухпозиционный выключатель одно или трехфазной сети. Операции осуществляются вручную, защита от токов короткого замыкания не предусматривается.

Внешний вид также важен как качественные характеристики элемента. По конструктивному исполнению бывают:

• клавишные — с одной, двух и более управляемыми цепями;
• кнопочные;
• рычажные (тумблер);
• поворотные — переключение режимов производится вращающейся рукояткой (используются в ретро проводке);
• шнуровые — по сути те же кнопочные, приводимые в действие шнуром или цепочкой;
• сенсорные, акустические.

Контактор — коммутационный аппарат дистанционного включения цепи. По принципу действия схож с реле, так как имеет электромагнитный привод. При потере управляющего напряжения, пружины возвращают контакты в исходное положение. Может оснащаться дугогасительными камерами, не защищает цепь от токов КЗ.

Наравне с магнитными пускателями (что по сути одно и тоже), применяется для запуска — остановки мощных электрических двигателей.

Автоматы, УЗО, дифференциальные автоматы — это коммутационный аппараты аварийного отключения цепи.
Автоматы предназначены для защиты от КЗ, перегрузки. Устройства защитного отключения размыкают сеть при утечке (например при поражении человека, повреждении изоляции внешним воздействием).

Дифавтомат объединяет УЗО с защитой от перегрузки и утечки тока в одном корпусе.

Конструкция вакуумной камеры

Устройство вакуумной камеры показано на рис.3. Она состоит из следующих частей: стеклокерамической оболочки 1; стальных торцевых фланцев 2; медных контактных стержней — неподвижного 3 и подвижного 4; электродов 5; стального ребристого сильфона 6, приваренного к подвижному контактному стержню 4; экранов 7,8,9. Давление в камере составляет около 1,3х10-5Па.

Рис.3. Устройство вакуумной камеры

Металлы, используемые для контактов, должны обладать механической прочностью, высокой проводимостью, стойкостью относительно эрозии и сваривания. Применение получили бинарные сплавы: Cu-Bi, Cu-Те, Ag-Bi и др.

В положении «включено» электроды прижаты друг к другу пружиной привода с силой около 3000 Н. В процессе отключения контакты размыкаются. Скорость движения контактов составляет около 1,5 м/с. Зажигается дуга. Она горит в парах металла, образующихся на поверхности холодного катода в отдельных наиболее нагретых точках. Металлические пары непрерывно покидают дуговой промежуток и конденсируются на поверхности центрального экрана, изолированного от электродов. Он защищает изолирующую оболочку от радиации дуги и оседания на ней частиц металла. Когда ток приходит к нулевому значению, дуга угасает и парообразование прекращается. Если скорость восстанавливающейся электрической прочности промежутка превышает скорость ПВН, цепь оказывается разомкнутой.

Отключающая способность вакуумной камеры зависит от материала и конструкции электродов, устройства экранов, определяющих пространственное распределение напряженности электрическою поля внутри и вне камеры. В новейших конструкциях применены контакты большого диаметра (до 18 см), устроенные так, что в процессе отключения создается продольное магнитное поле, параллельное дуге. Опыт показывает, что это поле способствует диффузионному строению дуги из множества тонких нитей с основаниями, равномерно распределенными по поверхности катода. При этом уменьшается напряжение на дуге и, следовательно, энергия, выделяемая в дуговом промежутке: увеличивается отключающая способность: эрозия контактов минимальна.

Рис.4. Вакуумная камера японской фирмы Toshiba

На рис.4,а и рис.4,б показаны продольный разрез вакуумной камеры японской фирмы Toshiba и детали контактной системы. Как видно из рис.4,б, ток i входит в камеру по контактному стержню 1 и разделяется на четыре части — токи i₁, i₂, i₃, i₄, направленные сначала радиально, а потом по кольцевым элементам 2. Пройдя одну четверть окружности, эти токи опять направляются по радиусам другой половины электрода и сходятся в середине электрода. В результате образуется продольный магнитный поток, пропорциональный одной четверти отключаемою тока, проходящего по кольцевым элементам контактной системы. То же самое имеет место на другом контакте.

Фирмой «Вестингауз» изготовлены и всесторонне испытаны вакуумные камеры для напряжения 72 кВ и отключаемого тока 63 кА. Они рассчитаны на номинальный ток 3000 А. Камеры имеют диаметр 23 и длину 46 см. При последовательном включении нескольких таких камер могут быть построены вакуумные выключатели для сетей любых высоких напряжений.

О производителях

     Сегодня вакуумные выключатели выпускают множество фирм, среди которых особо выделяются: General Electric, Siemens, ABB, группа «Таврида Электрик» и другие известные бренды.

     Специалисты считают, что вакуумные выключатели — перспективная разновидность коммутационных устройств. Благодаря своим достоинствам и высоким эксплуатационным параметрам, эти аппараты наиболее приемлемы в использовании. Конструкции постоянно усовершенствуются, а характеристики улучшаются. Так, в 2007 г. появились опытные образцы, рассчитанные на функционирование в сетях напряжением 220 кВ. Но производители не останавливаются на достигнутом результате, ведутся разработки по созданию вакуумных дугогасительных камер, рассчитанных на 750 кВ.

Как работает вакуумный выключатель

При отключении и включении значительных нагрузок между контактами коммутационных аппаратов возникает электрическая дуга, приводящая к повреждению самих контактов и к перекрытию дугой соседних токоведущих частей. Такая ситуация провоцирует серьезные аварии или пожар.

Для предотвращения этого в конструкции имеется специальная камера. В ней происходит гашение дуги. Высоковольтные выключатели оборудуются дугогасящими камерами, где дуга разрывается под воздействием масла, потоком сжатого воздуха или в среде элегаза.

Одно из перспективных направлений – создание высоковольтных выключателей с вакуумной дугогасящей камерой. В этой статье рассмотрен вакуумный выключатель, его устройство и принцип работы наиболее распространенных моделей, их достоинства и недостатки.

Устройство и конструктивные особенности

Кроме дугогасящей камеры с контактами в конструкцию полюса вакуумного выключателя входит привод и тяговый изолятор. Для сохранения вакуума внутри дугогасящей камеры применяют сильфон. Он не позволяет проникать другим газам внутрь при движении контакта.

Рисунок 3. Конструкция вакуумного выключателя

Один из контактов закреплен неподвижно, второй – подвижный. Он получает движение через тяговый изолятор посредством электромагнитного привода. Меняя полярность постоянного тока, подаваемого на электромагнит, можно размыкать или замыкать контакты. Для удержания деталей привода в выбранном положении используется постоянный круговой магнит.

Для обеспечения оптимальной скорости движения якоря и уменьшения переходного сопротивления контактов применяется пружинная система. Привод выключателя собран в одном корпусе, куда также входят кинематическая и электрическая схемы для контроля и управления работой. У в ыключателя три полюса, которые разделены между собой.

Управление выключателем осуществляется через блок управления, который выносится на отдельную панель (шкаф) или располагается в корпусе выключателя. Блок управления может быть микропроцессорным или работать на электромеханических реле.

Ресурс по включению и отключению контактов – не менее 20 000 операций. Во время всего срока службы выключатель не требует сложного технического обслуживания. Дугогасящая камера не подлежит ремонту и при необходимости заменяется новой. Конструкция привода предусматривает возможность включения и отключения выключателя вручную.

По исполнению вакуумные выключатели выпускаются для установки как в закрытых распределительных устройствах, так и в открытых. Вакуумные выключатели, предназначенные для установки в закрытых распредустройствах, могут быть выкатного или стационарного исполнения. В этом случае они отделяются от токоведущих частей видимым разрывом, осуществляемым при помощи линейного и шинного разъединителей.

Вакуумные выключатели

Для повышения качества поставляемой энергии от электрических сетей, распределительные устройства комплектуются современными высоковольтными выключателями с вакуумной дугогасительной средой.

Благодаря качественному отличию от устаревших автоматических выключателей, вакуумные выключатели используются и для вновь возводимых подстанций, и для замены коммутационного оборудования на уже существующих.

• 1. Назначение
• 2. Устройство и принцип действия
• 3. Принцип гашения электрической дуги
• 4. Преимущества и недостатки вакуумных выключателей
• 5. Особенности эксплуатации
• 6. Особенности выбора
• 7. Сферы применения вакуумных выключателей
• Выводы

Ряд преимуществ вакуумных дугогасительных устройств обуславливается более эффективным принципом гашения дуги и создает предпосылки для предотвращения аварийных режимов энергосистемы и позволяет существенно сократить затраты на обслуживание.

Рисунок 1 – Общий вид вакуумного автоматического выключателя

Вакуумный выключатель — это устройство, предназначенное для эксплуатации в составе электрических высоковольтных сетей. Название он унаследовал от особенности конструкции – вакуумной камеры, благодаря которой достигается моментное гашение электрической дуги. Прибор используют в качестве коммутаторов, призванных выполнять отключение оборудования на случай аварийных ситуаций.

Технические параметры

Выключатели нагрузки характеризуются тремя важными параметрами:

• номинальным напряжением;
• током термической стойкости;
• номинальным током ВН.

Другие параметры учитываются исходя из условий расположения, желаемого способа коммутации и выбора типа исполнения.

В качестве примера приводим таблицу параметров для ВН:

Технические параметры других типов выключателей нагрузки можно узнать у продавца или из других источников информации.

Сферы применения вакуумных выключателей

• В распределительных электроустановках электрических станций и подстанций.
• В металлургии для питания печных трансформаторов, снабжающих оборудование для выплавки стали.
• В нефтегазовой и химической промышленности на пунктах перекачки, переключающих пунктах и трансформаторных подстанциях.
• Для работы первичных и вторичных цепей тяговых подстанций на железнодорожном транспорте, осуществляет питание вспомогательного оборудования и не тяговых потребителей.
• На горнодобывающих предприятиях для питания комбайнов, экскаваторов и других видов тяжелой техники от комплектных трансформаторных подстанций.

Элегазовые выключатели принцип действия

Метод гашения дуги разнообразными газовыми смесями давно известен как в научной физике, так и производственном процессе.

Современное оборудование, имеющее внутри себя подготовленный газ, широко используют в производственных целях для предотвращения аварийных ситуаций.

Но то, какие именно процессы в этот момент происходят в самом приборе, известно далеко не всем. Потому ниже мы рассмотрим принципы, на которых основан такой прибор как элегазовый выключатель.

Особенности конструкции

Элегазовый выключатель – прибор, предназначенный для контроля и осуществления надзора за высоковольтными электросетями. По своим конструкционным принципам он близок к масляному выключателю, но вместо масляной смеси внутри находится газ. Также подобное сравнение показывает, что элегазовый аппарат порядком долговечнее и требует меньшего ухода.

Обычно в качестве газа применяют серу, но существую и иные смеси.

Существуют следующие разновидности конструкции:

Также данный прибор классифицируют исходя из метода гашения:

• вращающий;
• воздушный;
• продольный.

Принцип работы и сфера применения

Работа устройства основана на изоляции фаз методом использования элегаза.

Детально принцип работы колонкового выключателя выглядит следующим образом:

1. Поступление сигнала выключения заставляет сигналы камер разомкнуться.
2. После этого встроенные контакты прибора создают дугу.
3. Среда с активированной дугой заставляет газ активно делится на частицы.
4. Вызванное этим процессом высокое давление, снижает саму качественную проводимость среды и дуга тухнет.

В некоторых конструкциях предусмотрен отдельный компрессор, который помогает нагнетать ситуацию в приборах работающих не низком давлении. Также, при газовом дутье применяется шунтирование, благодаря которому сила тока выравнивается и процесс стабилизируется.

Принципы работы колонковых устройств несколько отличаются:

• контроль прибора осуществляется трансформаторами и дополнительными приводами. Такой подход обеспечивает возможность удерживания дуги в рамках определенной мощности, а также контролируемое выключение и включение всей сети;
• сами приводы бывают гидравлическими и пружинными. Сугубо пружинные механизмы полностью построены на механических сочленениях, потому они конструктивно простые и надежные. Гидравлические приводы — являются дополненной гидравликой версией пружинного механизма.

Гидравлическая система более надежна благодаря гидравлической страховке, но при этом обременена рисками, связанными с ней же.

Достоинства и недостатки

Любой механизм или прибор обладает рядом преимуществ и недостатков.

В нашем случае к первым относят:

1. Многофункциональность – напряжений, с которыми не мог бы справиться прибор, попросту не существует.
2. Скорость – скорость реакции элегаза измеряется тысячными секунды, что позволяет произвести аварийное отключение в действительно короткие сроки.
3. Пожаробезопасность и устойчивость к вибрации.
4. Срок эксплуатации – корпус устройства надежно защищен, а контакты, защищаемые газовой средой, не подлежат износу в принципе.
5. Работоспособность в сетях высокого напряжения – те же вакуумные приборы этого не могут.

Советуем изучить Что такое коэффициент мощности

На этом лучшие особенности такого выключателя заканчиваются, потому перейдем к недостаткам:

1. Цена – сама элегазовая смесь стоит дорого, при этом и работы по созданию прибора являются достаточно затратными, потому этот выключатель достаточно дорогой.
2. Низкие температуры – самый большой минус этого аппарата. Прибор в принципе не способен работать при маленьких температурах, ведь они сильно влияют на физические свойства содержимого, нарушая работоспособность всей системы.
3. Дорогое обслуживание – работы по ремонту устройств данного типа достаточно редкое явление. Его конструктивные особенности помогают ему оставаться надежным почти всегда, но если ремонт необходим – он будет стоить очень дорого. Во-первых, производить такой ремонт можно только высокоточной техникой, которая сама по себе редкость, во-вторых, специалисты, умеющие обращаться с этой техникой, также просят высокую плату.
4. Дорогой монтаж – ситуация полностью аналогична обслуживанию. Монтаж крайне сложен в исполнении, потому работы по подготовке специальной платформы может производить только профессионал.

Подробнее ознакомиться с устройством и принципом действия элегазового выключателя вы можете на видео ниже:

Напоследок

Надеемся, что теперь для вас не осталось пробелов в теоретических принципах работы элегазовых выключателей высокого напряжения.

Принцип гашения электрической дуги

При разрыве контактов между поверхностями возникает ионизация пространства. В вакуумных выключателях применяется технология, отличная от воздушных и масляных. Основной принцип основан на том, что в идеальном вакууме отсутствует какое-либо вещество, способное выделять заряженные частицы. Поэтому в момент разделения контактов, из-за разности потенциалов, единственным источником ионизации являются пары раскаленного металла. Они продолжают движение между контактными поверхностями, но при переходе синусоиды электрического тока через ноль, заряженные частицы утрачивают энергию для ионизации и перемещения и их место занимает пустое пространство с высокой электрической плотностью 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. Однако чрезмерные коммутационные перенапряжения могут привести к деформации поверхности, что будет препятствовать нормальному замыканию контактов, увеличит переходное сопротивление и вызовет перегрев внутри вакуумной камеры.

Классификация оборудования

Для обеспечения стабильной работы электрооборудования могут использоваться следующие типы масляных выключателей:

• Система с большой емкостью и маслом в ней – баковые.
• Использующие диэлектрические элементы и небольшое количество масла – маломасляные.

Схема масляного выключателя имеет специальное устройство для гашения образованной дуги во время разрыва цепи. По принципу действия дугогасительных устройств подобное оборудование делится на следующие группы:

• С использованием принудительного дутья рабочей среды. Подобное устройство имеет специальный гидравлический механизм для создания давления и подачи масла в месте разрыва цепи.
• Магнитное гашение в масле проводится при использовании специальных электромагнитах элементов, которые создают поле, перемещающее дугу в узкие каналы для разрыва созданной цепи.
• Масляный выключатель с автодутьем. Схема масляного выключателя данного типа предусматривает наличие специального элемента в системе, который осуществляет выделение энергии из образованной дуги для передвижения масла или газа в баке.

Выключатели воздушные

Для гашения дуги в выключателях воздушного типа используется сжатый воздух под давлением 2-4 Мпа. Дугогасительное устройство и токоведущие части изолируются с помощью фарфора и других аналогичных материалов. Воздушные выключатели конструктивно различаются между собой в зависимости от таких факторов, как номинальное напряжение, способ подачи сжатого воздуха и других.

Устройства высокого номинального тока, аналогично маломасляным выключателям, оборудованы главным и дугогасительным контурами. При включении основной ток попадает на главные контакты, расположенные открыто. После отключения они размыкаются первыми и далее ток попадает уже на дугогасительные контакты, расположенные в другой камере. Непосредственно перед их размыканием из резервуара в камеру осуществляется подача сжатого воздуха, гасящего дугу, в продольном или поперечном направлении.

В отключенном положении между контактами создается изоляционный зазор необходимых размеров. С этой целью контакты разводятся на достаточное расстояние. Выключатели для внутренней установки рассчитаны на ток до 20 тыс. ампер и напряжение 10-15 кВ. Они имеют отделитель открытого типа, после отключения которого сжатый воздух перестает поступать в камеры и происходит замыкание дугогасительных контактов.

Типовая конструктивная схема воздушного выключателя состоит из дугогасительной камеры, резервуара со сжатым воздухом, главных контактов, шунтирующего резистора, отделителя и емкостного делителя напряжения на 110 кВ, обеспечивающего два разрыва на фазу. В выключателях открытой установки, рассчитанных на напряжение 35 кВ, вполне достаточно одного разрыва на фазу.

Выводы

Вакуумные выключатели с номинальным напряжением 6, 10 и 35 кВ являются одним из наиболее востребованных сегодня типов коммутационного оборудования высоковольтных сетей. Они более надежны в эксплуатации, долговечны и безопасны для обслуживающего персонала и окружающей среды. Вакуумные выключатели от других видов устройств отличаются относительной простой и надёжной структурой. Поэтому этот вид оборудования служит длительное время без особых нареканий.

Ресурс естественного износа определяется числом операций, равным не менее 20000. При условии своевременного производства технического обслуживания этот ресурс возрастает на 5-10%. Между тем, техническое обслуживание ВВ ограничивается небольшим количеством лёгких операций.