Високовольтні вакуумні вимикачі — пристрій і принцип роботи

Серед сучасного високовольтного обладнання, призначеного для комутації електричних ланцюгів в енергетиці, особливе місце відводиться вакуумних вимикачів. Вони широко застосовуються в мережах від 6 до 35 кВ і рідше в схемах 110 або 220 кВ включно.

Їх номінальний струм відключення може складати від 20 до 40 кА, а електродинамічної стійкості — близько 50÷100. Загальний час відключення таким вимикачем навантаження або аварії становить близько 45 мілісекунд.

Кожна фаза ланцюги надійно відокремлена ізоляторами і в той же час все обладнання конструктивно зібрано на єдиному загальному приводі. Шини підстанції підключаються на вхідні виведення вимикача, а відходить приєднання — на вивідні.

Всередині вакуумної дугогасительной камери працюють силові контакти, прижимаемые між собою так, щоб забезпечити мінімальний перехідний опір і надійне проходження струмів як навантаження, так і аварії.

Верхня частина контактної системи стаціонарно закріплена, а нижня під дією зусилля приводу здатна переміщатися строго в осьовому напрямку.

На картинці видно, що контактні пластини розташовані у вакуумній камері і приводяться в рух тягами, керованими силами натягу пружин і котушок електромагнітів. Вся ця конструкція розташована всередині системи ізоляторів, що виключають виникнення струмів витоку.

Стінки вакуумної камери виконані з очищених металів, сплавів і спеціальних складів кераміки, що забезпечують герметичність робочої середовища протягом декількох десятиліть. Для виключення попадання повітря при переміщеннях рухомого контакту встановлено сильфонні пристрій.

Якір електромагніта постійного струму здатний рухатися на замикання силових контактів або їх розрив за рахунок зміни полярності подається на обмотку напруги. Постійний кругової магніт, вбудований в конструкцію привода, утримує рухому частину в будь-якому сработанном положенні.

Система пружин забезпечує створення оптимальних швидкостей пересування якоря при комутаціях, виключення брязкоту контактів і можливостей пробоїв конструкції стінок.

Усередині корпусу вимикача зібрана кінематична і електрична схеми з синхронизирующим валом і додатковими блок-контактами, що забезпечують можливості контролю і керування положенням вимикача в будь-якому стані.

Призначення

За своїм функціональним завданням вакуумний вимикач нічим не відрізняється від інших аналогів високовольтного обладнання. Він забезпечує:

1. надійне проходження номінальних електричних потужностей при тривалій роботі;

2. можливості гарантованих комутацій обладнання електротехнічним персоналом в ручному або автоматичному режимі при оперативних перемиканнях для змін конфігурації діючої схеми;

3. автоматичну ліквідацію виникають аварій за мінімально можливий час.

Принципова відмінність вакуумного вимикача полягає в способі гасіння електричної дуги, що виникає при роз'єднанні контактів під час відключення. Якщо у його аналогів для цього створюється середовище стисненого повітря, масла або элегаза, то тут працює вакуум.

Принцип гасіння дуги в силовій схемі

Обидві контактні пластини працюють у середовищі вакууму, утвореного за рахунок відкачування газів з посудини дугогасительной камери до 10^-6÷10^-8 М/см2. При цьому створюється висока електрична міцність, характеризується посиленими діелектричними властивостями.

З початком руху приводом контактів на роз'єднання між ними з'являється проміжок, одразу містить вакуум. Всередині нього починається процес випаровування нагрітого металу контактних майданчиків. Через ці пари продовжує протікати струм навантаження. Він ініціює утворення додаткових електричних розрядів, що створюють дугу в середовищі вакууму, яка продовжує розвиватися за рахунок випаровування і відриву парів металу.

Під дією прикладеної різниці потенціалів утворені іони рухаються у певному напрямку, створюючи плазму.

В її середовищі триває протікання електричного струму, що йде подальша іонізація.

Оскільки вимикач працює з перемінним електричним струмом, то його напрямок протягом кожного напівперіоду змінюється на протилежне. При переході синусоїди через нуль струм відсутній. За рахунок цього дуга різко гасне і обривається, а відторгнуті іони металу припиняють виділятися і за 7÷10 мікросекунд повністю осідають на найближчих поверхнях контактів або інших частинах дугогасящей камери.

У цей момент електрична міцність проміжку між силовими контактами, заповнена вакуумом, практично миттєво відновлюється, чим забезпечується остаточне відключення струму навантаження. В наступному полупериоде синусоїди електрична дуга виникнути вже не може.

Таким чином, для припинення дії електричної дуги в середовищі вакууму при розмиканні силових контактів досить змінному струму змінити свій напрямок.

Технологічні особливості різних моделей

Конструкції вакуумних вимикачів створюються для тривалої роботи на відкритому повітрі або в закритих спорудах. Пристрої зовнішньої установки виготовляються з суцільнолитими полюсами, виконаними з ізоляцією з кремнійорганічних матеріалів, а для внутрішньої роботи застосовують литі компаунди епоксидних складів.

Вакуумні камери в заводських умовах виготовляють знімними, оптимально налаштованими для установки в литому корпусі. Всередині них розміщені силові контакти зі спеціальних сортів легованих сплавів. Вони, завдяки застосованому принципу роботи і конструкції, забезпечують м'яке гасіння електричної дуги, що виключають можливість утворення перенапруг у схемі.

Універсальний електромагнітний привід використовується у всіх конструкціях вакуумних вимикачів. Він утримує силові контакти в замкнутому або відключеному стані за рахунок енергії потужних магнітів.

Комутація і фіксація контактної системи здійснюється становищем «магнітної засувки», перемикає ланцюг магнітів на возз'єднання чи відключення рухомого якоря. Вбудовані пружинні елементи дозволяють здійснювати ручне перемикання електротехнічного персоналу.

Для управління роботою вакуумним вимикачем використовуються типові релейні схеми або електронні, мікропроцесорні блоки, які можуть бути розташовані безпосередньо в корпусі приводу або виконані виносними пристроями в окремих шафах, блоках або на панелях.

Переваги і недоліки вакуумних вимикачів:

До переваг відносять:

• відносну простоту конструкції;

• знижене споживання електроенергії для виробництва перемикань;

• зручність ремонту, що полягає в можливості блокової заміни, що вийшла з ладу, дугогасительной камери;

• здатність вимикача працювати за будь-якої орієнтації у просторі;

• високу надійність;

• підвищену стійкість до комутаційних навантажень;

• обмежені габарити;

• стійкість до виникнення пожежі та вибухів;

• тиху роботу при перемиканнях;

• високу екологічність, що виключає забруднення атмосфери.

Недоліками конструкцій є:

• відносно низькі допустимі струми номінальних і аварійних режимів;

• поява комутаційних перенапруг під час відключень низьких індуктивних струмів;

• знижений ресурс дугогасильного пристрою по відношенню до ліквідації струмів коротких замикань.

Компанія Укрэлектро реалізує вакуумні вимикачі типу ВВ/TEL https://ukrelektro.com.ua/p802875126-vyklyuchatel-vakuumnyj-vvtel.html , виробництва Таврида -Електрик, а також вакуумні вимикач інших вітчизняних і імпортних виробників.