Вакуумный выключатель — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Вакуумный выключатель — высоковольтный выключатель, в котором вакуум служит средой для гашения электрической дуги. Вакуумный выключатель предназначен для коммутаций (операций включения-отключения) электрического тока — номинального и токов короткого замыкания (КЗ) в электроустановках.

Вакуумный выключатель на 6-10 кВ

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).

Принцип действия

Поскольку разрежённый газ (10⁻⁶ …10⁻⁸ Н/см²) обладает электрической прочностью, в десятки раз превышающей прочность газа при атмосферном давлении, то это свойство широко используется в высоковольтных выключателях: в них при размыкании контактов в вакууме сразу же после первого прохождения тока в дуге через ноль изоляция восстанавливается, и дуга вновь не загорается. В момент размыкания контактов в вакуумном промежутке коммутируемый ток инициирует возникновение электрического разряда — вакуумной дуги, существование которой поддерживается за счет металла, испаряющегося с поверхности контактов в вакуумный промежуток. Плазма, образованная ионизированными парами металла, проводит электрический ток, поэтому ток протекает между контактами до момента его перехода через ноль. В момент перехода тока через ноль дуга гаснет, а оставшиеся пары металла мгновенно (за 7—10 микросекунд) конденсируются на поверхности контактов и на других деталях дугогасящей камеры, восстанавливая электрическую прочность вакуумного промежутка. В то же время на разведенных контактах восстанавливается приложенное к ним напряжение (см. иллюстрацию процесса отключения).

Разновидности вакуумных выключателей

• вакуумные выключатели до 35 кВ;
• вакуумные выключатели выше 35 кВ;
• вакуумные выключатели нагрузки — современная замена автогазовым выключателям нагрузки;
• Вакуумные контакторы до и свыше 1000 В.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• простота конструкции;
• простота ремонта — при выходе из строя камеры она заменяется как единый блок;
• возможность работы выключателя в любом положении в пространстве;
• надежность;
• высокая коммутационная износостойкость;
• малые размеры;
• пожаро- и взрывобезопасность;
• отсутствие шума при операциях;
• отсутствие загрязнения окружающей среды;
• удобство эксплуатации;
• малые эксплуатационные расходы.

Недостатки

• сравнительно небольшие номинальные токи и токи отключения;
• возможность коммутационных перенапряжений, обусловленных срезом тока^[1], при отключении малых индуктивных токов — современная разработка вакуумного выключателя с возможностью синхронной коммутации решает эту проблему;
• небольшой ресурс дугогасительного устройства по отключению токов короткого замыкания;
• относительная высокая стоимость в виду сложности технологии изготовления.

Ссылки

• Солянкин А. Г., Павлов М. В., Павлов И. В., Желтов И. Г. Теория и конструкции выключателей. — П.: Энергоиздат, 1982. — С. 350.
• Кравченко А. Н., Метельский В. П., Рассальский А. Н. Высоковольтные выключатели 6—10 кВ // Электрик. — 2006. № 9-10, 11-12; 2007.-№ 1-2.

Примечания

См. также

Вакуумный выключатель — Википедия. Что такое Вакуумный выключатель

Вакуумный выключатель — высоковольтный выключатель, в котором вакуум служит средой для гашения электрической дуги. Вакуумный выключатель предназначен для коммутаций (операций включения-отключения) электрического тока — номинального и токов короткого замыкания (КЗ) в электроустановках.

Вакуумный выключатель на 6-10 кВ

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).

Принцип действия

Поскольку разрежённый газ (10⁻⁶ …10⁻⁸ Н/см²) обладает электрической прочностью, в десятки раз превышающей прочность газа при атмосферном давлении, то это свойство широко используется в высоковольтных выключателях: в них при размыкании контактов в вакууме сразу же после первого прохождения тока в дуге через ноль изоляция восстанавливается, и дуга вновь не загорается. В момент размыкания контактов в вакуумном промежутке коммутируемый ток инициирует возникновение электрического разряда — вакуумной дуги, существование которой поддерживается за счет металла, испаряющегося с поверхности контактов в вакуумный промежуток. Плазма, образованная ионизированными парами металла, проводит электрический ток, поэтому ток протекает между контактами до момента его перехода через ноль. В момент перехода тока через ноль дуга гаснет, а оставшиеся пары металла мгновенно (за 7—10 микросекунд) конденсируются на поверхности контактов и на других деталях дугогасящей камеры, восстанавливая электрическую прочность вакуумного промежутка. В то же время на разведенных контактах восстанавливается приложенное к ним напряжение (см. иллюстрацию процесса отключения).

Разновидности вакуумных выключателей

• вакуумные выключатели до 35 кВ;
• вакуумные выключатели выше 35 кВ;
• вакуумные выключатели нагрузки — современная замена автогазовым выключателям нагрузки;
• Вакуумные контакторы до и свыше 1000 В.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• простота конструкции;
• простота ремонта — при выходе из строя камеры она заменяется как единый блок;
• возможность работы выключателя в любом положении в пространстве;
• надежность;
• высокая коммутационная износостойкость;
• малые размеры;
• пожаро- и взрывобезопасность;
• отсутствие шума при операциях;
• отсутствие загрязнения окружающей среды;
• удобство эксплуатации;
• малые эксплуатационные расходы.

Недостатки

• сравнительно небольшие номинальные токи и токи отключения;
• возможность коммутационных перенапряжений, обусловленных срезом тока^[1], при отключении малых индуктивных токов — современная разработка вакуумного выключателя с возможностью синхронной коммутации решает эту проблему;
• небольшой ресурс дугогасительного устройства по отключению токов короткого замыкания;
• относительная высокая стоимость в виду сложности технологии изготовления.

Ссылки

• Солянкин А. Г., Павлов М. В., Павлов И. В., Желтов И. Г. Теория и конструкции выключателей. — П.: Энергоиздат, 1982. — С. 350.
• Кравченко А. Н., Метельский В. П., Рассальский А. Н. Высоковольтные выключатели 6—10 кВ // Электрик. — 2006. № 9-10, 11-12; 2007.-№ 1-2.

Примечания

См. также

Вакуумный выключатель: плюсы использования, какие бывают

В современной электротехнике для нормальной работы электрических сетей необходимо специальное оборудование, способное производить в них коммутацию. Одним из таких приспособлений является вакуумный выключатель.

Областью применения данного электрооборудования представляются электрические цепи от 6 -35 кВ и реже 110-220В. Вакуумный выключатель способен оградить электрическую сеть от высокого напряжения в процессе коммутации. Одним из плюсов данного оборудования является долгий срок службы, производители заявляют около 25 лет. Профессионалы в данной области прогнозируют вытеснение многих видов выключателей вакуумными заменителями.

Какие бывают

Все вакуумные выключатели подразделяются на две большие группы: выключатели для напряжения до 35кВ и устройства для напряжения свыше 35кВ.

На рамке первого вида прикреплены три полюса. При этом на каждом из них выполнена дугогасительная камера, а также узел поджатия соединений. Кроме этого на раме установлен электромагнитный привод. С помощью этого привода происходит руководство дугогасительной вакуумной камерой.

Устройство, рассчитанное на напряжение свыше 35кВ, имеет на каждой раме уже по несколько камер. Если их две, то они расположены напротив друг друга. Руководство ими происходит посредством изоляционной тяги. В случае если камер три, они устанавливаются в ряд друг за другом. В этом случае ими управляет гидравлическая система.

Вакуумные выключатели типа ВВЭ-10, предназначены для электролиний, где присутствует напряжение 10кВ, с частотой от 50-6оГц, при этом номинальный ток 630-3200А. При этом сила включаемых ударных токов от 52 до 82кА, а выключаемых – от 20 до 31,5кА.

На основании этого устройства изготовлены дугогасительные камеры двух полюсов с электрическими подводками и электромагнитным приводом, который руководит функциями срабатывания данного прибора. На лицевой панели расположены дополнительные устройства, которые регулируют систему управления и сигнализации.

Вакуумные устройства типа ВВ/TEL-10-8/800У2. Используется в электроцепях с напряжением до 20кВ трехфазного переменного тока, соответствующего величине в 50Гц и заземленным нулем. Номинальный ток данного выключателя составляет 8кА.

Благодаря конструктивным особенностям выключатель обладает рядом преимуществ:

• при работе от сети потребляет малое количество энергии;
• обеспечен функцией телесигнализации;
• надежный в эксплуатации;
• не требует ремонта в период своей службы, срок которой составляет 25 лет;
• устанавливается в любых электрошкафах различной модификации;
• безопасен в использовании для окружающей среды.

Как работает

Номинальный ток выключения системы составляет 20-40 кА, при этом занимая 45 миллисекунд времени на отключение. Вся конструкция выключателя сконцентрирована на одном общем приводе, в то же время для каждой фазы существует отдельный изолятор. Соответственно входные проводники подсоединяются на шины подстанции, а выводные – на отходящие контакты.

Внутренность дугогасительной камеры состоит из работающих силовых контактов, имеющих минимальное сопротивление. Механизм создан таким образом, что верхняя его часть надежно закреплена, а нижняя – перемещается в осевой направленности.

Стенки вакуумной камеры изготовлены из специального вещества и различных сплавов, это создает условия для хорошей герметичности и сохранение ее на долгое время. Конструкция имеет сильфонное устройство, которое исключает попадание воздуха.

Также в нем установлен якорь электромагнита, который способен замыкать и размыкать соединения. Группа пружин создает условия для необходимых скоростей движения якоря при переключениях. В корпусе размещены две системы – электрическая и кинематическая, которые регулируют выключатель в любом положении.

Главным отличием данного устройства от других типов является то, что электрическая дуга в этом случае гасится вакуумом.

Процесс включения и выключения данного устройства производится посредством специальных пружин. При этом на них воздействуют специальные электромагниты или кнопка отключения. Перед использованием необходимо пружину отключения взвести в рабочее положение. Это делается вручную при отсутствии тока или посредством подачи тока в электродвигатель привода. Так, через ключ управления подается ток на соленоид включения.

В процессе этого заводится пружина включения, которая приводит в рабочее состояние вакуумный выключатель. Кроме этого автоматически взводится пружина срабатывания, которая автоматически отключает прибор.

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.

Выключатели применяются в трехфазных сетях переменного тока, частота которых составляет от 50Гц до 60Гц. Электрооборудование устанавливается в районах крайнего Севера, а также в жаркой местности. Они выносят температуру от -60 до +40, их работоспособность при этом не уменьшается.

Плюсы вакуумного переключателя

Вакуумные переключатели имеют некоторые преимущества:

1. Элементарная конструкция. Агрегат не имеет дополнительных устройств, усложняющих устройство.
2. Надежность в использовании. Поломка такого электрооборудования практически исключена.
3. Быстродействующий прибор.
4. Высокая скорость восстановления прочности между контактами.
5. Для их работы не требуются масла или другие горючие вещества.

Кроме этого отмечают ряд дополнительных плюсов:

• устройство не имеет больших весовых и габаритных характеристик;
• бесшумность при использовании; невысокая стоимость.

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

Преимущества вакуумных выключателей

1. Отсутствие необходимости в замене и пополнении дугогасящей среды, компрессорных установок и масляного хозяйства.

2. Высокая износостойкость при коммутации номинальных токов и токов короткого замыкания (КЗ).

3. Минимум обслуживания, снижение эксплуатационных за­трат (почти в два раза по сравнению с существующими). Срок службы 25 лет.

4. Быстрое восстановление электрической прочности (10-50)-10³ В/мкс.

5. Полная взрыво- и пожаробезопасность.

6. Надежная работа в случае, когда в процессе отключения малого тока в цепи возникает ток КЗ (дугогасительные устрой­ства масляных выключателей обычно разрываются).

7. Широкий диапазон температур окружающей среды (от -70 до +200°С), в котором возможна работа ВДК.

8. Повышенная устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам.

9. Произвольное рабочее положение вакуумного дугогасительного устройства.

10. Бесшумность, чистота, удобство обслуживания, обуслов­ленные малым выделением энергии в дуге и отсутствием внеш­них эффектов при отключении токов КЗ.

11. Отсутствие загрязнения окружающей среды.

12. Сравнительно малые массы и габаритные размеры и не­большие динамические нагрузки на конструкцию и фундамент.

13. Высокое быстродействие.

14. Возможность организации высокоавтоматизированного производства.

Недостатки вакуумных выключателей

1. Трудности разработки и изготовления, связанные с созда­нием специальных контактных материалов, сложностью ваку­умного производства, склонностью материалов контактов к сварке в условиях вакуума.

2. Большие капитальные вложения, необходимые для наладки массового производства.

При массовом производстве стоимость вакуумных выключа­телей всего на 5-15% больше стоимости маломасляных и мень­ше стоимости электромагнитных. Большая экономия при экс­плуатации делает эти выключатели высокоэффективными, что обусловливает их все более широкое распространение.

Принцип дугогашения

В момент времени t₁ (рис. 1.1) начинается расхождение контак­тов ВДК и в межконтактном промежутке зажигается электрическая дуга. Падение напряже­ния на дуге чрезвычайно мало и обычно не превышает 30 В. В момент t₂ перехода тока через естественный ноль межконтакт­ный промежуток заполнен ионизированными парами металла, образовавшимися в течение горения дуги t₁ — t₂. Однако, в силу отсутствия среды, препятствующей разделу этих паров, их уход из промежутка осуществляется за чрезвычайно малое время -10^-5 с, после чего вакуумный выключатель готов выдержать восстанавливающее напряжение. Поскольку электрическая прочность вакуумного промежутка чрезвычайно высока (30 кВ/мм), отключение гарантированно происходит при зазорах более 1 мм.

Рис. 1.1. Осциллограммы отключения переменного тока в вакууме:

i — отключаемый ток; n — концентрация ионизированных паров металла

в меж­контактном промежутке; U — напряжение на промежутке; U_в — восстанавли­вающее напряжение; t₀ — момент подачи команды на отключение; х — ход кон­тактов;

U_a — напряжение на дуге

Для прогресса конструкций вакуумных выключателей необходимо искать новые технологические и конструктивные возможности. Одна из таких возможностей – вакуумный выключатель с магнитной защелкой, запатентованной фирмой «Таврида Электрик» в 1994 г. (патент РФ на изобретение № 2020631).

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИНЦИП РАБОТЫ И КОНСТРУКЦИЯ

ВАКУУМНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

Вакуумная дугогасительная камера КДВ-10-1600-20 показана на рис. 1.2. Рабочие контакты 1 имеют вид полых усеченных конусов с радиальными прорезями. Такая форма контактов при размыкании создает радиальное электродинамическое усилие, действующее на возникшую дугу и заставляющее перемещаться ее через зазоры 3 на дугогасительные кон­такты 2. Контакты представляют собой диски, разрезанные спиральными прорезями на три сектора, по которым движется дуга. Материал контактов подобран так, чтобы уменьшить количество испаряющегося металла. Вследствие глубокого вакуума (10^-4 – 10^-6 Па) происходит быстрая диффузия заряженных частиц в окружающее пространство и при первом переходе тока через нуль дуга гаснет.

Подвод тока к контактам осуществляется с помощью медных стерж­ней 4 и 5. Подвижный контакт крепится к верхнему фланцу 6 с помощью сильфона 7 из нержавеющей стали. Металлические экраны 8 и 9 служат для выравнивания электрического поля и для защиты керамического корпуса 10 от напыления паров металла, образующегося при гашении дуги. Экран 8 крепится к корпусу с помощью кольца 11. Поступательное движение верхнему контакту обеспечивается корпусом 12, имеющим направляющую. Ход подвижного контакта 12 мм.

На основе рассмотренной выше ВДК созданы выключатели на напряжение 10 – 110 кВ с номинальным током до 3200 А и током отключения до 31,5 кА.

Рис.1.2. Вакуумная дугогасительная камера КДВ-10-1600-20:

1 – рабочие контакты; 2 – дугогасительные контакты; 3 – зазоры; 4, 5– медные стержни; 6 – фланец; 7 – сильфон; 8, 9 – металлические экраны; 10,12 – корпус; 11 – кольцо

На рис. 1.3 показан вакуумный выключатель ВВТЭ-10-10/630У2, предназначенный для коммутации электрических цепей 10 кВ в нормальных и аварийных режимах, встраиваемый в ячейки комплектного распределительного устройства (КРУ). На раме 8 с помощью изоляционных каркасов 11 укреплены три дугогасительные вакуумные камеры 6. Вывод подвижного контакта 5 с помощью гибкой связи 4 соединен с верхним контактным ножом 1,укрепленным на изоляционной балке 2. Неподвижный контакт камеры связан с нижним ножом 7. Электромагнитный привод 13 через систему тяг и изоляционную плиту 14 связан с подвижными контактами. Конечное контактное нажатие обеспечивают пружины 3. Стальная перегородка 10 предназначена для защиты постоянных магнитов, находящихся в приводе, от влияния электромагнитных полей главных цепей выключателя. Выключатель закрыт передней крышкой 12 с окнами для наблюдения за механическим указателем включенного и отключенного положений и счетчиком числа циклов «Включено — Отключено» («В-О»). Заземление осуществляется с помощью бобышки 9.

Рассмотренный выключатель рассчитан на 2000 операций «В-О» при номинальном токе и 50 операций при токе короткого замыкания 10 кА. Полное время отключения 0,05 с.

Аналогичное устройство имеют выключатели на 1000 и 1600 А.

Выключатели ВВТП, в отличие от вышеописанного, имеют пружинный привод.

На рис. 1.4 показан общий вид вакуумного выключателя ВВК-35Б-20/1000У1, предназначенного для частых коммутаций в нормальных и аварийных режимах в электроустановках 35 кВ. Выключатель рассчитан на открытую установку. На общей раме крепятся с помощью фарфоровых изоляторов три полюса. В каждом полюсе в фарфоровом изоляторе 3, армированном фланцами 2 и 6, заключена дугогасительная камера 5. Для надежной изоляции полюсы заливаются маслом, а в крышке 1 имеется маслоуказатель. Механизм привода полюса 8 тягами 7 и 4 связан с подвижным контактом. Гашение дуги осуществляется в вакуумной камере 5.

Рис. 1.3. Выключатель вакуумный ВВТЭ-10-10/630У2

а)

б)

Рис. 1.4. Вакуумный выключатель ВВК-35К-20/1000У1:

а – общий вид: 1 – полюс; 2 – привод; 3 – рама; 4 – механизм привода полюса; 5 – опорный изолятор; 6 – токоведущие шины

б – полюс выключателя: 1 – крышка; 2, 6 – фланцы; 3 – фарфоровый изолятор; 4 ,7 – тяги; 5 – вакуумная камера; 8 – механизм привода

В установках 110 кВ находит применение вакуумный выключатель ВВК-110Б-20/1000У1. В каждом полюсе в фарфоровой покрышке заключены четыре последовательно включенные дугогасительные камеры. В остальном устройство этого выключателя подобно выключателю ВВК-35.

Достаточно широкое применение получили вакуумные выключатели нагрузки ВНВ, рассчитанные на отключение номинальных токов. Вакуумные выключатели в мировой практике применяются в установках до 500 кВ включительно.

ВАКУУМНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ С МАГНИТНОЙ ЗАЩЕЛКОЙ

ФИРМЫ «ТАВРИДА ЭЛЕКТРИК»

Вакуумный выключатель фирмы «Таврида Электрик», в котором изготовитель использует ВДК собственного производства, конструктивно отличается от большинства вакуумных выключателей, выпускаемых в настоящее время. В основу его конструкции заложен принцип соосности электромагнита привода и вакуумной дугогасительной камеры в каждом полюсе выключателя. Такая компоновка выключателя позволяет существенно упростить схему, отказаться от нагруженных узлов трения, что в свою очередь позволяет изготовить выключатель с механическим ресурсом 50 тыс. операций «В-О», не требующий обслуживания в течение всего срока службы.

Внешний вид и схема устройства выключателя показана на рис. 1.5. Каждый полюс состоит из опорного изолятора, изготовленного из изоляционного материала, деталей главных цепей (вакуумной дугогасительной камеры 1, гибкого токосъема 4), размещающихся внутри опорного изолятора, и электромагнита, который находится в общем основании выключателя и соединен с подвижным контактом 3 ВДК тяговым изолятором 5 (рис. 1.5,а). На схеме рис. 1.5, б условно показан только один полюс выключателя. Все полюсы соединены друг с другом посредством общего вала.

Рассмотрим принцип работы привода на примере одного полюса выключателя (рис. 1.5, б). В исходном состоянии контакты 2 и 3 вакуумной дугогасительной камеры разомкнуты за счет воздействия на них отключающей пружины 7 через тяговый изолятор 5. При прикладывании напряжения положительной полярности к катушке 9 электромагнита в зазоре магнитной системы нарастает магнитный поток.

В момент, когда сила тяги якоря, создаваемая магнитным потоком, превосходит усилие пружины отключения 7, якорь 11 электромагнита вместе с тяговым изолятором 5 и подвижным контактом 3 вакуумной камеры начинает движение вверх, сжимая пружину отключения. При этом в катушке возникает двигательная противо-ЭДС, которая препятствует дальнейшему нарастанию тока и даже несколько уменьшает его. В процессе движения якорь набирает скорость около 1 м/с, что позволяет избежать предпробоев при включении контактов ВДК.

При замыкании контактов вакуумной камеры в магнитной системе остается зазор дополнительного поджатия, равный 2 мм. Скорость движения якоря резко падает, так как ему приходится преодолевать еще и усилие пружины дополнительного контактного поджатия 6. Однако под воздействием усилия, создаваемого магнитным потоком и инерцией, якорь 11 продолжает двигаться вверх, сжимая пружину отключения 7 и пружину 6 дополнительного контактного поджатия. В момент замыкания магнитной системы якорь соприкасается с верхней крышкой 8 привода и останавливается. Двигательная ЭДС становится равной нулю, в катушке 9 снова начинается рост тока. После этого заканчивается механический переходный процесс в электромагните и контактной системе полюса, а также формируется необходимая остаточная индукция кольцевого постоянного магнита 10 (запасается магнитная энергия, необходимая для удержания выключателя во включенном состоянии). После окончания процесса включения ток катушки привода отключается.

а)	б)

Рис. 1.5. Вакуумный выключатель:

а – внешний вид; б – схема устройства полюса:

1 – вакуумная дугогасительная камера; 2 – неподвижный контакт;

3 – подвижный контакт; 4 – гибкий токосъем; 5 – тяговый изолятор;

6, 7 – пружины; 8 – верхняя крышка; 9 – катушка электромагнита;

10 – кольцевой магнит; 11 – якорь электромагнита; 12 – нижняя крышка;

13 – винт; 14 – вал; 15 – постоянный магнит; 16 – контакты

Выключатель остается во включенном положении за счет остаточной индукции, создаваемой кольцевым постоянным магнитом 10, который удерживает якорь 11 в притянутом к верхней крышке 8 положении без дополнительной токовой подпитки. В таком положении якорь остается неограниченно долго, пока постоянный магнит не будет размагничен импульсом тока отрицательной полярности, либо магнитная система не будет разорвана механически (ручное отключение). Данный принцип удержания коммутационного аппарата во включенном положении, известный в электротехнике под названием «магнитная защелка», широко применяется в слаботочных аппаратах (поляризованное реле). Современные достижения в области магнитотвердых материалов больших энергий позволили реализовать на этом принципе силовой коммутационный аппарат. Запас по усилию удержания (сила, необходимая для отрыва якоря 11 от верхней крышки 8) составляет 450–500 Н для одного полюса выключателя, т.е. 1350–1500 Н для выключателя в целом, что вполне достаточно для надежного удержания выключателя во включенном положении даже в условиях воздействия на выключатель вибраций и ударных нагрузок.

Для отключения выключателя необходимо приложить к выводам катушки напряжение отрицательной полярности. Ток, протекающий по обмотке, размагничивает магнит 10. Якорь 11 электромагнита под давлением пружины отключения 7 и пружины дополнительного контактного поджатия 6 разгоняется и наносит удар по тяговому изолятору 5, соединенному с подвижным контактом 3 вакуумной камеры. Ударное усилие, создаваемое якорем электромагнита, превышает 20 Н, что способствует разрыву точек сварки, которые могут возникать между контактами при пропускании токов короткого замыкания. Кроме того, подвижный контакт 3 вакуумной камеры практически мгновенно приобретает высокую стартовую скорость, что положительно сказывается на отключении токов короткого замыкания.

После упомянутого удара якорь 11 электромагнита движется вниз вместе с подвижным контактом 3 вакуумной камеры и тяговым изолятором 5 под действием пружины отключения, пока все детали не займут положение, показанное на рис. 1.5, б.

Привод с магнитной защелкой требует незначительной энергии для «сброса» защелки. При отключении от источника постоянного напряжения время приложения напряжения обычно ограничивается 10 мс. При этом ток в цепи отключения не превышает 1,5 А при напряжении 220 В. Якоря электромагнитов всех трех полюсов выключателя соединены между собой общим валом 14. При движении якорей винт 13, входящий в прорезь вала 14, поворачивает вал, а вместе с ним и закрепленный магнит, который управляет герметизированными контактами для внешних вспомогательных цепей 16.

Управление выключателем может также осуществляться от предварительно заряженной батареи конденсаторного привода путем разряда ее на катушки электромагнитов. В этом случае механические характеристики выключателя не зависят от качества питания вспомогательных цепей, снижается потребление тока от внешних вспомогательных цепей, упрощается стыковка выключателя с существующими схемами релейной защиты и автоматики (РЗ и А). На этом принципе построен конденсаторный привод, которым укомплектован выключатель.

ВЫКЛЮЧАТЕЛИ ВАКУУМНЫЕ ТИПА ВБЭМ-10

Выключатели предназначены для работы в ячейках комплектных распределительных устройств (КРУ) в электрических сетях трехфазного тока частотой 50 Гц с изолированной нейтралью или компенсированной нейтралью, а также в шкафах управления приемниками электрической энергии промышленных предприятий.

Допускается применение выключателей для пуска и отключения асинхронных двигателей с короткозамкнутым или фазным ротором, а также торможения указанных двигателей противотоком и отключения медленно вращающихся электродвигателей.

Стационарная – базовая модель выключателя ВБЭМ–10 предназначена для встраивания в любые типы ячеек КРУ и КСО (К-59, К-104, ST-7, K-XII, K-XXVI, K-37, КВЭ, КВС, КМФ, K-IIIУ и др.). Выключатели соответствуют требованиям ГОСТ 687-78.

Выключатель содержит три дугогасительных полюса и привода, закрепленных на общем основании, как показано на рис. 1.6. Каждый полюс содержит ВДК, механизм дополнительного поджатия контактов ВДК и токовыводы, конструктивно расположенные в корпусе. Выключатель оснащен тремя пневматическими демпферами. Электромагнитный привод через рычаг замыкает контакты ВДК. Общее основание, корпус, рычаг привода изготовлены из изоляционного пресс-материала АГ-4В. Электрическая схема блока питания и управления собрана на панели, закрепленной на корпусе дугогасительных блоков.

Рис. 1.6. Выключатель вакуумный ВБЭМ-10

Выключатель имеет в своем составе аварийные расцепители максимального тока, минимального напряжения и расцепитель от независимого источника. Для настройки выключателя имеется возможность неоперативного ручного включения. Оно осуществляется рычагом при снятом защитном кожухе.

Ручное оперативное и неоперативное отключение выключателя осуществляется красной кнопкой, расположенной на панели выключателя.

ВАКУУМНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ ВЫСОКОЙ КОММУТАЦИОННОЙ

СПОСОБНОСТИ ТИПА ВВЭ-(С)М-10-40

Вакуумные выключатели типа ВВЭ-(С)М-10-40(31,5) выпускаются с 1998 г. ОАО «ЭЛКО» на номинальное напряжение 10 кВ, номинальный ток 2000- 3150 А, номинальный ток отключения 31,5 и 40 кА. Это наиболее мощные аппараты по коммутационной способности среди вакуумных выключателей. Предназначены они для применения в КРУ в качестве вводных и секцион­ных аппаратов энергоемких промышленных пред­приятий, распределительных устройств собствен­ных нужд электростанций (тепловых и атомных), нефте- и газопромышленных комплексов.

Выключатели типа ВВЭ-(С)М-10-40(31,5)/2000… 3150 (ТУ 16-90 ИНЛЯ.6741-52.009ТУ) разработаны для замены маломасляных выключателей типа ВМПЭ-10-31,5/3150 и электромагнитных типа ВЭМ-6-40/3150.

На базе вакуумных выключателей типа ВВЭ-М-10-40(31,5) выпускают, соответственно, КРУ серии К-105, К-61, К-61М и К-205.

Предусмотрены и стационарные исполнения аппаратов: выключатель ВВЭ-СМ-10-40(31,5) предназначен для замены маломасляных и электромагнитных выключателей в КРУ серии К-Х, К-ХХI, К-ХХYII, КРУ-2. Основные типоисполнения выключателя приведены в табл. 1.1.

Выключатель в виде выкатного элемента отлича­ется от стационарного исполнения наличием тележки с механизмом блокировки от неправильного манипулирования выключателем в ячейке комплектного распределительного устройства и розеточными контактами в силовой цепи.

Общий вид выключателей типа ВВЭ-М-10-40/3150, ВВЭ-М-10-31,5/3150, выполненных в виде выкатного элемента, показан на рис. 1.7.

Таблица 1.1

Основные технические параметры

вакуумных выключателей типа ВВЭ-М(С)-10-40(31,5)

Наименование параметра	ВВЭ-(С)М- 10-31,5	ВВЭ-(С)М- 10-40
Номинальное напряжение, кВ	10
Номинальный ток, А	2000 2500 3150
Номинальный ток отключения, кА	31,5	40
Ток электродинамической стойкости, кА	81	128
Полное время отключения, с	0,05
Собственное время включения, с	0,03
Коммутационная износостойкость, циклы «В-О»
— при номинальном токе	10000
— при номинальном токе отключения	50
Механический ресурс, циклы «В-О»	10000
Габариты (ВхШхД), мм	945x624x678 (828x624x605)
Масса, кг	210(180)
Бестоковая пауза при автоматическом повторном включении (АПВ), с	0,3
Номинальное напряжение электромагнитов управ­ления и элементов вспомогательных цепей, В	220
Ток потребления включающего электромагнита, А	<100
Ток потребления отключающего электромагнита, А	<2,5
Исполнение	Выкатной элемент (Стационарное)

На рис. 1.8 представлена конструктивная схема выключателя ВВЭ-М-10-40/3150 (ВВЭ-М-10-31,5/2000…3150).

Выключатель состоит из следующих основных частей: рамы 1, на которой установлены привод электромагнитный 2 с механизмом свободного расцепления 3, кнопкой ручного аварийного отключения 4 и электромагнитом отключения 5, пружины отключения 6, вала 7, полюсов 8, изоляционных тяг 9 с узлами поджатия, панели 10 с блоком сигнали­зации 11, лицевой крышкой 12. Выключатели смонтированы на тележке 13, снабженной роликами 14, пальчиковыми контактами главных цепей 15, механизмом доводки выключателя в шкаф КРУ 16 и ножами заземления 17. Дополнительно на выключа­тель установлен лист фасадный 18.

Рис. 1.7. Общий вид выключателя ВВЭ-М-10-40/3150

Создание выключателя с указанными параметрами (табл. 1.1) стало возможным после разработки ВДК типа КДВХ4-10-40/3150, конструктивная схема, которой показана на рис. 1.9. ВДК состоит из трех основных узлов: токоввода, корпуса, токовывода. Токоввод содержит контактный узел 1, медный стержень 2 и медный фланец 3. Корпус ВДК включает в себя два керамических изолятора 4 типа ИКМ-110, которые пайкой припоем типа ПСр-72 герметично соединены между собой. Между изолято­рами впаяно кольцо, к которому крепится экран 5. Экран 5 предохраняет внутреннюю поверхность изоля­торов 4 от воздействия электрической дуги и продук­тов эрозии контактов. С торцов корпуса припаяны коваровые кольца 6, сваренные с фланцем 3. Токовывод состоит из контактного узла 7 и медного стержня 8.

Подвижность токовывода относительно корпуса ВДК обеспечивается присоединением медного стержня 8 к фланцу 9 через сильфон 10. Для защиты сильфона от дуги и продуктов эрозии имеется экран 11. Для со­единения узлов ВДК — токоввода, корпуса и токовывода — используется аргоно-дуговая сварка по замыкающим швам А и Б. Откачка газов из полости ВДК в процессе изготовления осуществляется через штенгель 12, который после проведения операций вакуумно-термической обработки пережимается с помощью механизма холодного отпая, герметизируя полость ВДК. Для предохранения герметизирующего шва от случайных механических повреждений при дальнейшей работе и эксплуатации ВДК остаток штенгеля 12 закрывается защитной трубкой, а полость между пре­дохранительной трубкой и штенгелем заполняется эпоксидным компаундом.

Рис. 1.8. Конструктивная схема выключателя ВВЭ-М-10-40/3150

(ВВЭ-М-10-31,5/2000…3150):

1 – рама; 2 – привод электромагнитный; 3 – механизм свободного расцепления;

4 – кнопка аварийного отключения ; 5 – электромагнит отключения; 6 – пружины;

7 – вал; 8 – полюс; 9 – изоляционные тяги; 10 – панели; 11 – блок сигнализации;

12 – лицевая крышка; 13 – тележка; 14 – ролики, 15 – пальчиковые контакты;

16 – механизм доводки выключателя; 17 – ножи заземления; 18 – фасадный лист

Рис. 1.9. Конструктивная схема вакуумной дугогасительной камеры КДВХ4-10-40/3150:

1 – контактный узел; 2 – медный стержень, 3, 9 – медный фланец; 4 – керамический изолятор; 5, 11, 13 – экраны; 6 – коваровые кольца; 7 – контактный узел; 8 – медный стержень, 10 – сильфон; 12 – штенгель; 14 – геттер; 15 – втулки

Экраны 13 предназначены для выравнивания электрического поля вдоль поверхности изоляторов 4. Поддержание вакуума в процессе эксплуатации на должном уровне осуществляется геттером 14, который выполнен из пористого титана. Присоединение фланца токоввода к внешней силовой цепи осуществляется посредством втулок 15, впаян­ных во фланец 3. Токовывод присоединяется к внешней силовой цепи посредством резьбы на стержне 8 токовывода, обжимаемой разрезной гайкой.

Форма контактов 1 и 7 выполнена такой, чтобы при разведении токоввода и токовывода возникающая дуга имела диффузный характер из-за воздействия продольного магнитного поля, образующегося за счет протекающего тока по контактному узлу специальной формы. Диффузная форма дуги приводит к небольшой эрозии контакта и способствует быстрому охлаждению дуги при переходе тока через ноль. Это позволило при диаметре контакт-детали 82 мм отключать амплитуду тока до 82 кА (действующее значение 40 кА при апериодической составляющей 40 %). Специально скоординированная система экранов вакуум­ной дугогасительной камеры позволяет достичь выдерживаемого напряжения промышленной частоты 42 кВ в течение 1 мин, стандартного грозового импульса 1,2/50 мкс амплитудой 95 кВ и срезанного стандартного грозового импульса (согласно методике испытаний по ГОСТ 15150.2). Переходное сопротив­ление камеры лежит в пределах 9-12 мкОм.

Работа выключателя и механизм свободного расцепления представлены на рис. 1.10.

Исходное положе­ние выключателя показано на рис. 1.10, а. Контакт-детали 1 и 2 вакуумной дугогасительной камеры 3 разомкнуты, вал выключателя 4 удерживается в отключенном положении пружиной отключения 5. Расположение звеньев механизма свободного расцепления соответствует отключенному положению выключателя. При подаче напряжения на катушку 6 электромагнита включения якорь 7 притягивается к стопу 8 и тол­катель 9 приходит в соприкосновение с роликом 10 и начинает его перемещать. При этом рычаг 11 опирается на защелку 12. Вал выключателя 4 поворачивается под воздействием рычагов 13 и 14 и через рычаг 15, изоляционную тягу с узлом поджатия 16 замыкает контакт-детали 1 и 2 вакуум­ной дугогасительной камеры 3, одновременно взводится пружина отключения. В конце хода якоря 7 защелка 17 под действием прижимной силы пружины 18 фикси­рует выключатель во включенном положении. Под воздействием возвратной пружины 19 якорь 7 возвращается в исходное состояние.

Включенное положение выключателя показано на рис. 1.10, б. Ручное неоперативное включение выключателя осуществляется винтом ходовым 20 (рис. 1.10, в), воздействующим на якорь 7.

Отключение выключателя производится подачей напряжения на катушку электромагнита отключения 21. Якорь электромагнита отключения через толкатель 22 воздействует на защелку 12. Защелка 12 выходит из зацепления с роликом 23 рычага 11. Рычаг 11 под воздействием пружин поджатия и отключения, поворачиваясь вокруг оси 24, увлекает за собой рыча­ги 14 и 25. Ролик 10 соскакивает с защелки 17 и дает возможность рычагу 13 повернуться на требуемый угол. Рычаги 14 и 25 вместе с роликом опускаются на шток 9 якоря 7 электромагнита включения. Выключа­тель отключается. Под действием пружины 26 рычаги 11 и 25 механизма свободного расцепления возвра­щаются в исходное положение, выключатель готов к операции включения.

Конструкция дугогасительного блока позволяет иметь межполюсное расстояние 200 мм в базовом варианте выключателя.

Оптимизация электромагнитного привода включе­ния выключателя проводится по таким параметрам, как энергопотребление, время включения, простота конструкции при условии минимальных габаритов. Разработан привод, ток потребления которого составляет 100 А при питающем напряжении 220 В частотой 50 Гц. Привод обеспечивает включение аппа­рата на ток короткого замыкания амплитудой до 128 кА. Собственное время включения выключателя не более 0,1 с. Величина контактного усилия, созда­ваемого приводом, составляет 4000-4600 Н при провале (вжиме) контактов 4 мм.

а)

б)

в)

Рис. 1.10. Работа выключателя и механизма свободного расцепления

Специально разработанный механизм защелок при своей простоте и доступности обеспечивает надежное включение и отключение выключателя.

Схема управления выключателем, имеющая исполнение на постоянном оперативном токе, аналогич­на используемой для маломасляных и электромагнитных выключателей (ВКЭ-10, ВЭ-10). Принципиальная электрическая схема управления выключателя приведена на рис. 1.11.

Рис. 1.11. Принципиальная электрическая схема управления

выключателем типа ВВЭ-М-10-40/3150 на постоянном оперативном токе

При подаче команды на включение (рис. 1.11) срабатывает контактор включения КМ1, через контакт ко­торого запитывается включающий электромагнит УАС1. В конце хода привода переключаются блок-контакты 51, приводимые в движение валом выключателя. Блок-контактом SА8 разрывается цепь питания контактора КМ1, в свою очередь контактор разрыва­ет цепь питания включающего электромагнита. Блок-контакт SА7 подготавливает цепь питания отключающего электромагнита УАТ1. В момент включения сра­батывает счетчик числа циклов РС1. Выключатель включился.

При подаче команды на отключение срабатывает отключающий электромагнит УАТ1, выключатель от­ключается. В процессе отключения переключаются блок-контакты 51, блок-контакт SА7 разрывает цепь питания электромагнита отключения, а блок-контакт SА8 подготавливает цепь включения контактора КМ1.

В схеме предусмотрена блокировка повторения операции включения при подаче команды на отключе­ние. При подаче команды на отключение срабатывает отключающий электромагнит УАТ1, блок-контакт SА9.2 разрывает цепь питания контактора КМ1, а блок-контакт SА9.1 замыкает цепь питания отключаю­щего электромагнита, его якорь остается в притяну­том положении при наличии команды на включение (рис. 1.11). Блок-контакт SА9.2 механически связан с якорем электромагнита УАТ1. Выключатель отключа­ется и не может быть повторно включен до снятия ко­манды на отключение.

В выключателе предусмотрен блок сигнализации, который предназначен для обеспечения работы схемы управления выключателя, его свободные блок-контакты используются в схемах защиты и сигнализа­ции положения выключателя. Блок сигнализации кинематически связан с валом выключателя. На кронштейнах, связанных с валом, установлены таблички «ВКЛ.» и «ОТКЛ.», указывающие текущее состояние выключателя. В полюс выключателя входят: стойка изоляцион­ная, радиаторы (верхний и нижний), токовывод верхний, вакуумная дугогасительная камера типа КДВХ 4-10-40/ 3150 УХЛ2, токосъемный контакт, соединенный с подвижной контакт-деталью вакуумной дугогасительной камеры гибкой связью, токовывод нижний, изоляционная тяга с узлом поджатия.

В процессе включения выключателя после замы­кания контактов вакуумной дугогасительной камеры при дальнейшем ходе из-за отсутствия жесткой ки­нематической связи между подвижной контакт-деталью и диэлектрической тягой происходит деформа­ция пружины поджатия, которая создает вжим конта­ктов. Величина контактного усилия, создаваемого пружиной, составляет 4000-4600 Н. Крепление вакуумной дугогасительной камеры к изоляционным стойкам осуществляется со стороны неподвижной контакт-детали вакуумной дугогасительной камеры.

Наличие механической блокировки предотвращает включение выключателя при нахождении его в промежуточном положении, а также предотвращает вкатывание и выкатывание выдвижного элемента из шкафа КРУ при включенном выключателе. При нахождении выключателя в промежуточном положении включить выключатель невозможно. При включенном выключателе невоз­можно вкатить или выкатить выключатель из ячейки КРУ.

Настройку и регулировку выключателя в случае необходимости (замена дета­лей, полная или частичная разборка) следует производить только при ручном включении и отключении в последова­тельности, описанной в инструкции по эксплуатации.

При правильно произведенной регулировке всех указанных узлов выключатель без сбоев отрабатывает механический ресурс -10 000 циклов «В-О».

Вакуумный выключатель | Блог инженера теплоэнергетика

      Здравствуйте! Вакуумный выключатель — это коммутационный аппарат, применяемый для коммутации переменного электрического тока частотой 50 Гц номинального значения в силовых цепях высокого напряжения, а также для защиты оборудования от коротких замыканий.

      Доля применения этого вида выключателей в высоковольтных сетях составляет около 60% всех коммутационных аппаратов напряжением до 35 кВ. Использование в линиях 110 кВ, пока только начинает набирать обороты. Работающее оборудование еще не исчерпало свой ресурс и заменяется постепенно. Чем же обоснован спрос на этот вид коммутационных аппаратов? Давайте разберемся: узнаем, принцип работы, конструктивные особенности «вакуумника», коснемся преимуществ, недостатков и характеристик.

Виды

     Вакуумные аппараты имеют следующую классификацию:

• Применяемые в сетях напряжением до 35 кВ.

• Свыше 35 кВ.

• Выключатели нагрузки.

• Выкатного и стационарного исполнения.

• Однополюсные и трехполюсные.

Назначение

      «Вакуумники» используются в ячейках КРУ (комплектных распределительных устройствах) и для коммутации асинхронных двигателей. Наиболее целесообразно использование в сетях 6, 10, 35 кВ. Аппараты подходят для открытых распределительных устройств напряжением 110 кВ, комплектных трансформаторных подстанций, модернизации уже существующих линий, как альтернатива устаревшим воздушным и масляным устройствам.

     Вакуумный выключатель выполняет те же функции, что и его аналоги. Аппарат обеспечивает:

1. Гарантированную коммутацию оборудования персоналом в ручном и автоматическом режиме.

2. Отключение при возникновении аварийной ситуации за короткий срок.

3. Надежное прохождение электрических нагрузок.

      Отличие только в способе гашения дуги, возникающей при разрыве силовых контактов в момент срабатывания. У «воздушника» разряд буквально сдувается мощнейшим потоком воздуха, в масляных – создается диэлектрическая среда. А здесь в ход идет вакуум.

Особенности конструкции

      Каждая модификация низковольтного и высоковольтного вакуумного выключателя различается по своей компоновочной схеме. Это связано с работой при разном номинале значения тока и напряжения. Производители тоже не остаются в стороне. Каждый реализует свои инновационные идеи в железе, что сказывается на комплектности аппарата дополнительными элементами и компоновке. Мы же не будем разбираться в фирменных «фишках», а посмотрим на конструкцию аппарата в целом и разберемся, как он устроен и работает.

      Выключатель состоит из общего корпуса с приводом коммутации, на котором закреплены 3 полюса силовых цепей. Внутри каждого установлена герметичная вакуумная камера, состоящая из контактной группы и специальных экранов, защищающих внутренние изолирующие поверхности от металлического налета, вследствие эрозии контактов.

     Контактная система включает 2 элемента: неподвижный контакт, жестко закрепленный к нижнему фланцу, и подвижный, соединенный с верхним фланцем так, что герметичность вакуумной дугогасительной камеры не нарушается.

      Принцип действия выключателя сводится к размыканию подвижных контактов трех полюсов одновременно посредством приводного пружинного механизма вручную или автоматически. Управление происходит по стандартным релейным схемам либо посредством электронных блоков коммутации. Эти элементы могут устанавливаться непосредственно на корпусе выключателя или сделаны в выносном исполнении в виде специальной панели (пульта) или шкафа.

Способ гашения дуги

      Работа выключателя основана на определенных физических процессах, независимо от номинала напряжения аппарата. Рассмотрим подробную схему функционирования.

     Оба контакта работают в вакуумной среде, достигаемой за счет удаления газов из дугогасительной камеры. Благодаря этому достигается высокая диэлектрическая прочность. Во время отключения аппарата приводом, между контактами образуется вакуумный зазор. При размыкании поверхностей появляется металлический пар, через который продолжает протекать электрический ток нагрузки. Под действием высокого напряжения, ионы металла движутся в одном направлении, и нагреваются до состояния плазмы.

      Выключатель работает на переменном токе, который меняет свое направление по синусоидальному закону. При его нулевом значении происходит угасание дуги, а ионы металла больше не выделяются и оседают на поверхностях контакта или электростатических экранах дугогасительной камеры. Одновременно, в промежутке между контактами образуется вакуум, который препятствует дальнейшему протеканию тока нагрузки и в следующий полупериод синусоиды дуговой разряд не может возникнуть.

      Благодаря такому принципу работы, обеспечивается хорошее быстродействие, а разрушение контактов при разряде минимальное.

Преимущества

     Все свои положительные качества вакуумные выключатели проявляют в электроустановках, где совершается большое количество коммутаций. Поэтому аппараты работают особо эффективно в системах управления трансформаторов и электродвигателей.

Выделим следующие преимущества:

• Высокая надежность по сравнению с масляными или воздушными выключателями. Что это значит? Количество отказов вакуумных выключателей существенно ниже, чем у вышеупомянутых коммутационных устройств. Это с уверенностью можно назвать главным преимуществом.

• Длительный срок эксплуатации. Выключатель способен прослужить 25 лет, после чего его заменяют новым.

• Быстродействие. Причина этому — более серьезный показатель вакуума на пробой электрическим током, чем масло или воздушная среда. Поэтому ход контактов дугогасительной камеры у выключателя составляет всего 6—10 мм, против 100 мм у масляных моделей. Скорость срабатывания около 2 мс, то есть, очень быстро. Вдобавок вакуумная конструкция обладает длительным механическим ресурсом.

• Низкие эксплуатационные расходы. Это обусловлено дугогосящей средой. В тех же воздушных или масляных выключателях есть необходимость в пополнении оной. Вакууму ничего подобного не нужно. Полюса изготавливаются в герметичном и неразборном исполнении.

• Относительная простота конструкции. Нет дополнительных элементов в виде масляных баков или компрессорных установок, за которыми требуется постоянно следить и обслуживать.

• Выключатель справляется со своими функциями одинаково эффективно независимо от ориентации в пространстве.

• Высокая коммутационная стойкость. Выключатель без ревизии и ремонта способен выдержать до 20 тыс. отключений с рабочей величиной токов и до 200 отключений при токе КЗ (ресурс зависит от конкретной модификации аппарата и величины тока КЗ). Ни один вид выключателей не способен обеспечить такой рабочий срок без профилактических мероприятий.

• Удобство ремонта и обслуживания. Вся конструкция построена по блочному принципу. Один заменяется на другой без необходимости разбора и восстановления.

• Малые габариты. При одних и тех же рабочих значениях токов и напряжений, размеры и масса вакуумного выключателя будут существенно меньше, чем аналогов.

• Безопасность. Отсутствие утечек масла или газа определяют высокую степень пожарной и экологической безопасности коммутационного аппарата. Срабатывает вакуумный выключатель тише, нежели воздушник. Последний «бьет» очень громко, как выстрел ружья, который слышно за 500 м.

Недостатки

     Если с достоинствами конструкции все предельно понятно, то с минусами немного сложнее. Они несущественны. Но определенного внимания заслуживают.

• Более высокая стоимость по сравнению с аналогами. Да, вакуумный аппарат дороже, но эксплуатационные расходы ниже.

• Возможность разгерметизации вакуумной камеры, вследствие ее повреждения. Случается такое очень и очень редко, производители уделяют качеству продукции должное внимание.

• При коммутации небольших токов возможны перенапряжения. Поэтому в связке с «вакуумником» должна устанавливаться соответствующая защита для оборудования.

Эксплуатация и техническое обслуживание

     Неприхотливые в обслуживании вакуумные выключатели рекомендуется проверять не реже 1 раза в 4 года. Но периодичность может быть иная. Все зависит от конструктивного исполнения коммутационного аппарата и регламентируется в технической документации.

     Обслуживание вакуумных выключателей подразумевает проверку изоляторов на наличие трещин, сколов, загрязнения и следов разрядов.

     Камера полюса герметичная, вакуум сохраняется весь срок службы устройства. Поэтому полюса не ремонтируют, а заменяют целиком.

     Вдобавок проводятся различные электротехнические испытания:

• Измерение сопротивления изоляции.

• Испытание повышенным напряжением.

• Проверка механических частей.

• Замер времени срабатывания.

• Осмотр состояния контактов (метод основан на измерении сопротивления постоянному току).

     После всех проведенных испытаний составляется нормативный документ, свидетельствующий о работоспособности аппарата или его непригодности к дальнейшей эксплуатации.

Рекомендации по выбору

     Чтобы правильно подобрать вакуумный выключатель, следует учесть ряд показателей:

• Характеристики оборудования, для которого устанавливается аппарат.

• Номинальные значения напряжения, сопротивления и мощности.

• Величина токов отключения и динамическая стойкость.

• Мощность дуги.

• Тип управления.

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.

Масляные и вакуумные выключатели

Проблема высокой энергии дуги при разрыве или включении сетей с напряжением 6….35 кВ решается разными способами. При движении контактов между ними возникает дуга, которая состоит из двух разрушительных фаз.

Первая фаза — это собственно дуга, которая возникает в воздушной, газовой или масляной среде. В зазоре происходит ионизация вещества, и мере изменения положения контактов (сближение или разрыв) дуга или затухает, или повышает интенсивность горения. На качество дуги влияет момент прохождения синусоиды переменного тока через ноль оси периода и изменение полярности. Это значит, что на длительность эксплуатации контактов влияет скорость их перемещения.

Вторая фаза — термическое воздействие дуги на контакты и рабочую среду. Это приводит к выгоранию материала контактов, общему нагреву переключателя и ослаблению (отжигу) упругих элементов.

Масляные выключатели

Имеют не самую простую электромеханическую конструкцию и их много разновидностей, что усложняет замену и обслуживание. Основные конструкции — пружинная, на базе соленоида и смешанная. По направлению движения контактов различают дугогасительные камеры с перемещением подвижного контакта сверху-вниз или снизу-вверх Контакты размещены в баке с маслом, которое не должно менять свою вязкость при различных температурах и не поддерживать горение.

Недостатки масляных выключателей:

Достаточно сложная конструкция.
Большое время срабатывания (0,5…1 с) из-за вязкости масла.
Загустение масла от времени и низкой температуре.
Выгорание масла и образования в нем взвеси из материала контактов и изолятора камеры гашения дуги, что снижает эффективность.
Ограниченное число включений (напр., при номинальном токе 20 кА и напряжении 35 кВ количество гарантированных переключений не более 20), что требует учета числа переключений и проведения профилактических работ.

Элегазовые переключатели

По большому счету, этот тип переключателей является развитием масляных устройств. Вместо масла применяется смесь газов, которая гасит дугу в доли секунды. По способу привода подвижного контакта переключатели разделяются на пружинные и пружинно-гидравлические.

Элегазовые выключатели лишены большинства недостатков масляных, но имеют ряд ограничений, которые влияют на применяемость оборудования:

Высокая стоимость смеси газов.
Монтаж можно осуществлять на отдельной опоре или выносном щите.
Переключатель не работает при низких температурах.
Монтаж и обслуживание требует опыта и специального оборудования.

Оборудование может применяться для постоянного или переменного напряжения сетей любой мощности. Но высокая стоимость оборудования ограничивает применение и оставляет нишу 110 и 220 кВ.

Вакуумные выключатели

Развитие вакуумной аппаратуры в технологии изготовления, герметичность изделия в течение длительного периода и получения технического вакуума (10−6 …10−8 Н/см²) позволили создать качественно новые переключатели для сетей 6…35 кВ. Разреженный газ не поддерживает горения дуги, т.к. основным токопроводящим элементом является металл контактов, испарившийся в момент размыкания. При прохождении синусоиды через ноль дуга автоматически гаснет, а пары металла оседают на контактах или стенках камеры. Повторного зажигания дуги не происходит, т.к. на участке между контактами нет токопроводящего элемента (паров металла). Время протекания процесса гашения дуги составляет 7…10 миллисекунд.

Достоинства вакуумного переключателя:

Большая номенклатура моделей, что позволяет получить оптимальное соотношение цена/качество.
Простота установки или замены масляных выключателей, т. к. надо учитывать только расстояние между токоведущими элементами.
Компактность и малый вес.
Большой межремонтный ресурс (порядка 20 лет), что снижает эксплуатационные расходы.
Пожарная и экологическая безопасность, т.к. нет масла или специальной смеси газов.

Компания ООО «Энерготехмонтаж» предлагает услугу по замене масляных выключателей на вакуумные.

Замена носит комплексный характер:

Подбор требуемого оборудования.
Монтаж.
Приемосдаточные испытания силами своей сертифицированной лаборатории.
Оформление документов.

В большинстве случаев замена масляных переключателей приводит к модернизации основной части распределительного оборудования. Специалисты компании предложат варианты модернизации, которые будут по средствам заказчика, т.к. на сайте можно подобрать любое оборудование. В случае заключения договора о модернизации «под ключ» компания принимает на себя обязательства по разработке документации, поставке оборудования, выполнение монтажных работ и приемо-сдаточных испытаний. Заказчик получает готовый к эксплуатации объект с полным пакетом технической документации.