Зачем нужны вакуумные выключатели

Принцип работы вакуумного выключателя

Вакуумный выключатель – это электротехническое устройство, применяемое для отключения электрической цепи при превышении номинального значения тока.

Принцип работы вакуумного выключателя основан на изоляции электрической цепи от окружающего пространства путем создания вакуума внутри его корпуса. Когда номинальный ток превышается, контакты выключателя разъединяются, прерывая электрическую цепь и предотвращая повреждение системы. Кроме того, вакуумный выключатель имеет механизмы защиты от короткого замыкания и перегрузок.

Одним из преимуществ вакуумного выключателя является его высокая эффективность при больших токах: он способен быстро и точно прерывать электрическую цепь при превышении допустимых значений. Также вакуумные выключатели требуют меньше электроэнергии для работы, чем выключатели, работающие в среде с воздухом.

Вакуумные выключатели выходят в лидеры по мере вытеснения конкурентов и увеличения доли на рынке. Это надежное и эффективное устройство, которое позволяет безопасно управлять электрическими системами. Благодаря своей конструкции, он выдерживает большие токи и требует меньше энергии для работы, чем другие типы выключателей.

Рис. 1. Вакуумный выключатель

Как работает вакуумный выключатель

Вакуумный выключатель — это устройство, использующее электрический разряд в вакууме для передачи тока. При размыкании контактов происходит испарение металла и образование проводящего элемента в виде плазмы. Такой выключатель применяется при высоких напряжениях и больших токах, так как не имеет подвижных частей и является более надежным и долговечным. Уменьшение тока приводит к исчезновению дуги и конденсации металлических паров внутри прибора, что увеличивает электрическую прочность вакуума. Этот процесс предотвращает пробои и протекания тока, сохраняя работоспособность прибора на высоком уровне.

Вакуумный выключатель состоит из нескольких основных элементов, каждый из которых имеет свою роль:

• контакты, которые открываются или закрываются в процессе работы выключателя;
• оболочка, которая создает вакуумное пространство внутри выключателя и защищает контакты от окружающей среды;
• привод, который открывает и закрывает контакты;
• система управления, которая контролирует работу выключателя.

В зависимости от предназначения и условий эксплуатации контакты выключателя изготавливают из меди, бронзы, латуни, серебра и других материалов с высокой электропроводимостью и стабильностью при повышенных температурах.

Оболочка изготавливается из металла или пластика и служит для создания вакуумного пространства внутри выключателя. Данное пространство позволяет уменьшить воздействие окружающей среды на контакты, что повышает надежность работы.

Привод выключателя может быть механическим, электрическим или гидравлическим. В зависимости от типа привода выключатель может иметь более или менее высокую точность коммутации.

Система управления позволяет контролировать работу выключателя и управлять им в зависимости от потребностей процесса. Система управления может быть встроена в сам выключатель или работать отдельно.

Типы вакуумных выключателей

Вакуумные выключатели можно классифицировать по классу напряжения: на устройства:

• на 6–10 кВ,
• на 35 кВ,
• на 110–220 кВ.

Устройства на напряжения до 35 кВ имеют три полюса, в каждом расположена камера и узел поджатия контактов (тяги), а пружинный привод.

По месту расположения выключатели подразделяются на:

• Выключатели наружной установки
• Выключатели внутренней установки.

Также существуют вакуумные выключатели нагрузки.

По варианту установки внутри распределительных устройств также могут отличаться и иметь два варианта исполнения – стационарное и выкатное.

Рис. 2. Функциональные блоки вакуумного выключателя

Для наиболее эффективной работы вакуумных выключателей необходимо выбирать выключатели, которые соответствуют конкретным требованиям, таким как класс напряжения и ток, а также мощность установленных электрических машин. Это поможет снизить вероятность отказа выключателя и обеспечит безопасную работу всей системы. Группа СВЭЛ может предоставить полную консультацию по выбору нужного типа вакуумного выключателя.

Преимущества вакуумных выключателей

1. Беззвучность. Их работа не сопровождается шумом и не приводит к вибрациям, что повышает уровень комфорта для операторов и позволяет использовать их даже в помещениях, где не допускается излишний шум.
2. Отсутствие выбросов и загрязнения окружающей среды. Вакуумные выключатели не используют масел или газов, так что не выделяют вредных веществ в атмосферу, что означает, что их можно использовать в любом месте.
3. Повышенная прочность. Они способны выдерживать большие нагрузки и имеют высокую степень защиты от перегрузок и коротких замыканий. Вакуумные выключатели требуют минимального технического обслуживания.
4. Вакуумные выключатели надежнее масляных и воздушных, так как вакуумная среда исключает возможность возгорания или взрыва.
5. Не нуждаются в замене жидкости или газа после определенного периода времени. Это может быть особенно полезно в случаях, когда выключатель находится в труднодоступном месте или используется в условиях, когда обслуживание будет затруднительным или опасным.
6. Скорость коммутации выше, чем у других типов выключателей.
7. Вакуумные выключатели не подвержены коррозии и окислению.
8. Устройства можно установить на небольших площадях благодаря компактным размерам.

Рис. 3. Устройство вакуумного выключателя

Своевременная диагностика и обслуживание вакуумного выключателя позволяют продлить срок его службы до 30 лет и более.

Профилактическое обслуживание включает в себя ряд мероприятий, направленных на увеличение срока использования и предотвращение поломок выключателя. Оно проводится на основании этапов диагностики, а именно визуального осмотра, измерения параметров, поиска и устранения неисправностей.

Текущее обслуживание сводится к ежедневной проверке параметров его работы и смены поврежденных элементов. Необходимо отметить, что проведение профилактического и текущего обслуживания должно осуществляться только профессионалами.

Применение вакуумных выключателей

Обновление технического оборудования в электрических сетях и подстанциях является необходимостью. Устаревшие выключатели, не соответствующие современным требованиям производительности и безопасности, должны быть заменены на более совершенные аналоги.

В последние годы вакуумные выключатели получили широкое распространение в различных отраслях промышленности и считаются одними из самых надежных устройств для защиты электрооборудования от повреждений и аварий. Однако стоит учитывать, что они не могут использоваться в экстремальных условиях, таких как очень высокие или низкие температуры и экстремальная влажность. Поэтому при замене устаревшего оборудования нужно учитывать особенности работы и условия эксплуатации вакуумных выключателей.

Вакуумные выключатели

Любой выключатель, применяемый в высоковольтных сетях, должен надёжно и быстро отключать и включать электрические цепи и оборудование в нормальном и аварийном режимах энергосистемы. При коммутации в высоковольтных сетях, токи в которых могут достигать десятки тысяч ампер при коротких замыканиях, возникает электрическая дуга между контактами выключателя. Это может привести к человеческим жертвам, повреждениям самого выключателя и близстоящего оборудования. Для предотвращения возникновения дуги в высоковольтных выключателях используют специальное дугогасительное устройство (дугогасительная камера), в которой расположены контакты выключателя. Внутри камеры создается вакуум с давлением около 10 −5 мм рт. ст., электрическая прочность которого в десятки раз больше воздуха в нормальных условиях.

Таким образом, вакуумный высоковольтный выключатель — это коммутационный аппарат, предназначенный для операций включения и выключения в цепях от 6 кВ и выше, который в качестве среды для гашения дуги используют вакуум.

Выключатель рассчитан на:

1. нормальный режим работы;
2. аварийный, то есть должен выдерживать кратковременные токи короткого замыкания.

Принцип действия

Механизм гашения дуги в вакуумных выключателях основан на высокой электрической прочности и усиленных диэлектрических свойствах вакуума. В момент размыкания контактов в вакуумном промежутке возникает электрическая дуга, которая поддерживается за счет металла, испаряющегося с поверхности контактов. При переходе тока через ноль, происходит гашение дуги и восстановление диэлектрических свойств вакуумного промежутка, и дуга между разомкнутыми контактами больше не возникает. Из-за большой электрической прочности вакуума гашение дуги может произойти до перехода тока через ноль, это явление называют срезом тока. Срез тока негативно влияет на сеть, так как вызывает коммутационные перенапряжения, которые могут достигать огромных величин.

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.

Конструктивные особенности

Каждый высоковольтный вакуумный выключатель обладает своими характеристиками и конструктивными особенностями, так как используется в сетях с разным напряжением и током. Также разные производители вносят свои индивидуальные коррективы в устройство и конструкцию своих изделий. Но основные элементы всё же остаются неизменными.

Основные элементы конструкции вакуумного выключателя это:

1-Корпус из прочного металлического материала, внутри которого установлен привод включения и отключения, в этом случае он пружинный; 2-Три полюса токоведущих частей, которые предназначены для подключения к сети и для отсоединения от неё при эксплуатации в контрольное, рабочее и выкаченное положения; 3-Литой диэлектрический корпус, содержащий силиконовые и эпоксидные смолы, с вакуумной дугогасительной камерой; 4-Тележка для перемещения внутри ячейки КРУ, этот механизм зачастую у разных производителей различный.

Электрическая основная высоковольтная часть разделена между фазами и содержит следующие элементы:

1-Верхний токопроводящий вывод; 2-Дугогасительная камера, содержащая вакуум; 3-Диэлектрический корпус полюса; 4-Подвижная часть контактной системы; 5-Нижний отходящий токопроводящий вывод; 6-Гибкий элемент токоведущей шины; 7-Специальная тяга, оборудованная прочным изолятором.

В свою очередь, сама дугогасящая камера является тоже очень важным хоть и не разборным элементом, зачастую в случае неисправности они не ремонтируются, а заменяются новыми.

Вот основные её части и механизмы:

1-Вывод неподвижного силового контакта; 2-Неподвижный силовой контакт; 3-Подвижный силовой контакт; 4-Экранирующий механизм, снижающий помехи при коммутации; 5-Керамический изоляционный корпус; 6-Сильфон, сохраняющий герметичность во время движения контакта; 7-Вывод подвижного элемента контактной системы.

Выключатель управляется местным или дистанционным способом. В аварийных режимах отключается от релейной защиты или от противоаварийной автоматики (подается питание на электромагнит отключения и токопроводящие контакты размыкаются).

На данный момент некоторые производители изготавливают высоковольтные выключатели в комплекте с релейной защитой и противоаварийной автоматикой, такое устройство называется реклоузером.

Преимущества и недостатки

Как и любой механизм или устройство данный выключатель тоже имеет свои положительные и отрицательные стороны и понимание их при выборе очень важно.

Преимущества

• Простая конструкция и установка в ячейки после вывода из эксплуатации устаревших выключателей;
• Несложный ремонт, при неисправности камеры она подлежит немедленной замене;
• Возможность работы не только в горизонтальном положении;
• Надёжность во время всего длительного срока эксплуатации;
• Хорошая коммутационная износостойкость;
• Компактные небольшие размеры и вес;
• Низкая пожароопасность;
• Не загрязняет окружающую среду;
• Небольшие расходы на ремонтные и профилактические работы.

Недостатки

• Небольшой ресурс во время токов короткого замыкания;
• Есть вероятность появления коммутационных перенапряжений;
• Довольно высокая стоимость как всего устройства, так и комплектующих.

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:

1. Номинальное напряжение;
2. Динамическая устойчивость;
3. Параметры систем управления;
4. Номинальный ток в рабочем режиме и режиме короткого замыкания;
5. Частота включений и отключений;
6. Климатическое исполнение;
7. Скорость срабатывания выключателя ;
8. Частота профилактических ремонтов и осмотров, в электроустановках без местного дежурного персонала это очень важный аспект;
9. Износостойкость при коротких замыканиях;
10. Габариты и размер вакуумной установки.

Самые распространённые модели

Вот несколько самых распространенных моделей ВВЭ-М-10–20, ВВЭ-М-10–40, ВВТЭ-М-10–20, а на рисунке указано как их расшифровывать и структура условных обозначений, так как модели могут содержать в своём названии до 10–12 букв и цифр. Почти все они являются заменой устаревших масляных выключателей, а работать могут как для коммутации цепей переменного тока, так и постоянного.

Настройка, установка и включение в работу высоковольтных вакуумных выключателей это трудоемкий процесс, от которого напрямую зависит вся дальнейшая работа энергосистемы, а также всех элементов и оборудования, подключаемого к ним, поэтому все работы лучше положить на плечи квалифицированного инженерно-электротехнического персонала. Управление вакуумным выключателем должно выполняться чётко и по определённым командам, от этого зависит жизнь и здоровье людей работающих на питаемом оборудовании.

Вакуумный выключатель: устройство и принцип действия, 10 и 6 кВ, достоинства и недостатки, монтаж

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.

Что это такое и для чего нужно

Назначение этих коммутационных аппаратов заклю чается в следующем :

• О беспечении надежной коммутации электрической цепи в рабочем и аварийном режиме за минимально возможное время.
• Л иквидации аварийных отключений воздушных линий за счет возможности автоматического повторного включения.

Разработка первых образцов началась в 30-х годах прошлого века. В это время еще не было совершенных технологических решений, позволяющих создавать аппаратуру, способную поддерживать глубокий вакуум. Поэтому первые образцы коммутационных аппаратов позволяли отключать только незначительные токи при напряжении до 40 кВ .

После проведенной обширной исследовательской работы к 1957 г. удалось объяснить процессы, происходящие при появлении электрической дуги в разреженном газе. Дальнейшие усилия исследователей в течение 20 лет были направлены на поиск способов, позволяющих предотвратить появление перенапряжений, вариантов предотвращения загрязнения внутренних частей дугогасящей камеры частицами металла, проблем герметичности, методов экранирования.

Результатом работы исследователей стало создание вакуумных выключателей — высоковольтных коммутационных аппаратов, способных работа ть в трехфазных сетях переменного тока. Диапазон напряжений, при котором используются такие выключатели, охватывает электроустановки как до 1000 В, так и до 220 к В.

Принцип действия

Для гашения дуги между контактами выключателя применяется среда сильно разреженного газа — технический вакуум. Благодаря тому, что электрическая прочность вакуума во много десятков раз выше, чем у любого другого газа, стало возможным создание быстродействующих коммутационных аппаратов небольших размеров.

Рассмотрим подробнее принцип гашения дуги. В момент р азмыкани я контактов в вакууме между ними возникает электрический разряд, который поддерживается за счет металла, испаряющегося с поверхности . При этом проводник электрического тока — плазма.

Рисунок 1. Образование дуги в вакуумном промежутке

Так как переменный электрический ток с течением времени меняется не только по величине, но и по направлению, при переходе синусоиды через ноль электрическая дуга гаснет. Частицы металла между контактов за небольшой промежуток времени (от 7 до 10 микросекунд) оседают на контактах и стенках камеры. Это приводит к восстановлению электрической прочности пространства между контактами.

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.

Отличительная конструктивная особенность вакуумных выключателей — длительный срок службы (около 20 лет).

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.

Распространённые модели

Впервые промышленные модели вакуумных выключателей стали появляться в США, ФРГ и Великобритании в 60-х годах прошлого века. Они производились компаниями General Electric и Siemens. В нашей стране промышленное производство таких выключателей началось в 1980 г.

Среди первых промышленных моделей, введенных в эксплуатацию, стал вакуумный выключатель марки ВВВ-10-2/320. Он был рассчитан на токи отключения до 2000 А и номинальный ток 320 А. Рабочее напряжение составляло 10 000 В.

На данный момент российские производители занимают лидирующие позиции на отечественном рынке и рынках стран СНГ.

Наиболее известна продукция отечественных предприятий:

• ПО «ЭЛКО».
• «Таврида Электрик».
• ОАО «Самарский трансформатор».
• АО НПП «Контакт».

Среди иностранных производителей наиболее распространенными являются:

Компания «Таврида Электрик» специализируется на проектировании и выпуске вакуумных коммутационных аппаратов напряжением до 35 кВ. Наиболее популярные модели — вакуумные выключатели BB/TEL- 10. Также компания выпускает реклоузеры Smart35 для установки на опорах ВЛ 35 кВ.

Крупнейший отечественный изготовитель вакуумной техники ПО «ЭЛКО» производит выключатели, рассчитанные на работу с напряжением 6- 10 кВ ( серий ВБСК, ВБЧСЭ, ВБП, ВББ), и на напряжение 35 кВ серии ВБН.

ОАО «Самарский трансформатор» производит вакуумные выключатели марок ВВВСТ-10 и ВВСТ-35 по лицензии компании Siemens, рассчитанные на напряжение 10, 20,35 кВ соответственно.

АО «НПП»Контакт» — один из крупнейших российских производителей вакуумных приборов. Ассортимент выпускаемой продукции включает низковольтные вакуумные автоматические выключатели напряжением 1,14 кВ таких марок: КВТ-1,14-2,5/160, КВТ-1,14-2,5/250, КВТ-1,14-4/400, высоковольтные вакуумные выключатели напряжением 6 кВ, 10 кВ (марки ВБЭ, ВБММ, ВБ, ВБПП), 20 кВ (марки ВБ, ВБХ), 27,5 кВ, 35 кВ (марки ВБС, ВБ, ВБЭТ, ВБД, ВБПК) и 110 кВ (марка ВБП-110 кВ).

Компания Siemens предлагает широкий ассортимент вакуумных выключателей марки SION для применения в электроустановках напряжением от 6 до 20 кВ и вакуумные выключатели марки 3 AF напряжением до 40,5 кВ для наружной установки.

Компания АВВ производит вакуумные выключатели для внутренней установки марки VD4 для работы в электроустановках напряжением до 40,5 кВ и выключатели наружной установки марок OVB-SDB, OVB-VBF, PVB/PVB-S.

Основные технические характеристики

Ассортимент выпускаемых вакуумных коммутационных аппаратов разнообразен. Выбирая подходящую модель в соответствии с местными условиями, обращают внимание на основные технические характеристики:

• Класс напряжения.
• Номинальный рабочий ток и ток короткого замыкания.
• Динамическая и термическая устойчивость.
• Коммутационный ресурс.
• Тип исполнения.
• Климатическое исполнение.
• Совместимость систем управления.
• Скорость срабатывания.
• Габаритные размеры и масса выключателя.

Правила выбора и монтажа

Выключатель выбирают на основании его технических характеристик. Учитывают рабочие параметры уже действующих схем электрических сетей. Выбор осуществляется исходя из максимальных показателей рабочих режимов сети.

Номинальное напряжение должно быть равным или большим, чем номинальное напряжение электрической сети. Выбор по длительному рабочему току производится исходя из максимально возможных параметров. Уставки защит обоснуются расчетами работы при наиболее тяжелых режимах.

Установка вакуумного выключателя проводится с соблюдением всех требований, указанных в нормативно-технической документации, с учетом организационных и технических мероприятий для безопасных работ.

Перед началом монтажа выключателя необходимо убедиться в комплектности и отсутствии дефектов путем внешнего осмотра. При обнаружении на поверхности изоляторов сколов или трещин установка оборудования не допускается.

После проверки внешние поверхности очищаются ветошью без ворса. При этом уделяется особое внимание очистке изоляции полюсов выключателя. Перед установкой коммутационного аппарата проверяется работоспособность и целостность схемы вторичных цепей путем включения и отключения выключателя.

Особенности эксплуатации

После ввода в эксплуатацию обязательно проводятся осмотры с частотой, указанной в технической документации производителя. Выключатель должен проходить периодическое техническое обслуживание — текущие и капитальные ремонты.

После аварийного отключения выключатель осматривается для выявления повреждений, которые могут возникать вследствие электродинамических нагрузок, оплавления, следов выброса раскаленного металла и т. п.

Для оформления отводов от высоковольтных линий передач традиционно используются специальные коммутирующие устройства. Их общее название — вакуумный выключатель, что объясняется особенностями дугогасящей камеры. Подробно ознакомиться с этими приборами удается только после изучения предыстории их появления.

Историческая справка

Впервые вакуумные выключатели упоминаются в начале 30-х годов XX века, когда устройства использовались для отключения относительно слаботочных цепей, работающих под напряжением до 40 кВ. Чтобы получить надежные вакуумные гасители, способные отключать значительные по величине токи в цепях при высоком потенциале, потребовалась целая серия исследований. При их проведении ориентировочно к 1957 году были полностью изучены и систематизированы процессы, наблюдающиеся при высоковольтном горении дуги. Для перехода от опытных образцов, выпускаемых в единичных экземплярах, к серийному производству современных устройств потребовалось еще два долгих десятилетия.

В основе принципа гашения дуги заложен известный из физики факт высокой электрической прочности и особых изоляционных свойств полученного искусственным путем вакуума. При размыкании силовых контакторов в камере, куда они помещены, формируется электрическая дуга, поддерживаемая испаряющимися с их поверхности частицами металла. Отсутствие условий для ее стабилизации предотвращает развитие пика процесса за счет высоких диэлектрических свойств вакуумной среды.

Из-за значительной диэлектрической прочности вакуума момент гашения дуги смещается в точку, предшествующую максимуму его развития. В электротехнике это явление называется «срезом тока». Его наличие отрицательно влияет на электрические сети, поскольку следствием этого процесса являются коммутационные перенапряжения.

Особенности применения и эксплуатации

По своей конструкции на начальном этапе этот тип выключателей разрабатывался как прибор, предназначенный для установки в шкафах КРУ (в комплексных устройствах). В настоящее время они монтируются и в открытых распределительных конструкциях (ОРУ). Современный вакуумный выключатель — это быстродействующий коммутационный аппарат, рассчитанный на длительные сроки службы в сравнении со своими предшественниками, располагающими масляной и газовой средами.

Большинство современных энергетических хозяйств отказались от устаревших конструкций и окончательно перешли на достаточно компактные и не нуждающиеся в профилактике новые выключатели. Это объясняется следующими причинами:

• вакуумный прибор неприхотлив и не нуждается в регулярной чистке контактов или обновлении среды;
• при эксплуатации масляного устройства наполнитель постоянно протекает;
• согласно данным паспорта срок эксплуатации вакуумных устройств достигает 20 лет, что намного выше того же показателя для других типов выключателей.

В процессе эксплуатации приводной механизм нередко выходит из строя в самый неподходящий для этого момент. Для поддержания его в работоспособном состоянии в приборе предусмотрен особый узел ручного взвода пружины. Обязательным для этих устройств является и наличие аварийной кнопки, позволяющей отключать механизм блокировки выкатывания модулей КРУ при включенном состоянии шкафа. Указанный момент касается безопасности обслуживающего оборудование персонала и требует к себе пристального внимания.

Конструктивные особенности

Каждая модель высоковольтного вакуумного переключателя обладает индивидуальными характеристиками, поскольку предназначается для эксплуатации в сетях с различными электрическими показателями. Помимо этого производителями также вносятся некоторые коррективы в конструкцию выпускаемых ими изделий. Однако в целом состав комплектующих этих устройств остается неизменным. Основные элементы:

• Корпус, изготавливаемый на основе прочного металла, внутри которого смонтирован привод включения и отключения (бывает пружинным или иного типа).
• 3-х полюсный токосъемник, предназначенный для подключения к сети 380 Вольт и отключаемый при переводе КРУ из рабочего режима в выкаченное положение.
• Тележка для размещения внутри корпуса, по своему исполнению отличающаяся от других подобных конструкций.

Электрическая часть изделия имеет специальные перегородки, отделяющие фазные секции одну от другой. Она также отличается сложным устройством и содержит в своем составе целый ряд элементов, описываемых в паспорте.

Разновидности вакуумных выключателей

Изделия принято классифицировать по классу коммутируемого ими потенциала.

Среди всего многообразия выделяются следующие типы:

• Приборы для работы с напряжениями 6-10 кВ.
• Устройства для коммутации более высоких уровней — до 35-ти кВ.
• Приборы, рассчитанные на сверхвысокие напряжения 110-220 кВ.

Еще одним «рабочим» критерием классификации выключателей является мощность, которую они способны передать в нагрузку. Согласно этому параметру их деление производится аналогично классификации самого потребителя.

Достоинства и недостатки

К достоинствам приборов относят:

• небольшие габариты;
• возможность оперативной замены отдельных секций;
• бесшумность и независимость от ориентации в пространстве;
• безопасность для здоровья обслуживающего персонала.

Они не нуждаются в пополнении защитной среды и отличаются высокой надежностью. Но и эти изделия не обошлись без проблем, присущих многим электротехническим приборам. К числу недостатков вакуумных выключателей относятся:

• ограниченность рабочих токов;
• «склонность» к перенапряжениям;
• небольшой коммутационный ресурс.

Несмотря на имеющиеся недостатки, эти устройства прочно заняли свое место в перечне самого современного коммутирующего оборудования для ВВ.

Особенности выбора и монтажа

В процессе выбора выключателя учитываются следующие важные моменты:

• защитные характеристики прибора должны соответствовать параметрами сети, в которой его предполагается эксплуатировать;
• выключатель выбирается исходя из наиболее тяжелого рабочего режима;
• номинальные ток и напряжение должны превышать соответствующие параметры для защищаемой сети;
• ток размыкания не должен превышать величину, гарантированную заводом-изготовителем.

Перед установкой вакуумного выключателя необходимо внимательно обследовать место его монтажа и убедиться в отсутствии повреждений и дефектов. Затем потребуется очистить изолированные поверхности полюсов посредством сухой ветоши.

Не допускается устанавливать новое оборудование в систему, на изоляционных поверхностях которой имеются сколы, трещины и сильно деформированные участки.

Обязательной проверке подлежит схема вторичных цепей с последующим подключением «земляной» шины. Сам вакуумный выключатель крепится прямо к подвижной части тележки с помощью специальных болтовых метизов.

Самые распространённые модели

Среди наиболее распространенных моделей вакуумных камер выделяются следующие:

• ВВЭ-М-10-20.
• ВВЭ-М-10-40.
• ВВТЭ-М-10-20.

Почти все образцы изделий из этого перечня являются дальнейшим развитием старых масляных выключателей и способны работать в цепях переменного и постоянного тока. Монтаж, последующая настройка и запуск в эксплуатацию высоковольтных вакуумных устройств относятся к трудоемким процедурам, определяющим их дальнейшую функциональность. Поэтому перечисленные операции доверяются только специалистам, имеющим соответствующую квалификацию.

При установке прибора должна соблюдаться последовательность операций по настройке. Соблюдение этого требования — основа безопасности оперативного персонала или дежурного электрика, допущенного к работе с высоковольтным оборудованием.

Изделия, относящиеся к категории вакуумных выключателей, нуждаются в профессиональном подборе и оценке, поскольку их эксплуатация связана с высокими напряжениями.

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

Обе контактных пластины работают в среде вакуума, образованного за счет откачки газов из сосуда дугогасительной камеры до 10 -6 ÷10 -8 Н/см2. При этом создается высокая электрическая прочность, характеризующаяся усиленными диэлектрическими свойствами.

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.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

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

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.

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.

1. Назначение

Вакуумные выключатели предназначены для коммутации электрических цепей при нормальных и аварийных режимах в сетях трехфазного переменного тока (частота 50 Гц), номинальным напряжением до 10 кВ с изолированной, компенсированной, заземлённой через резистор или дугогасительный реактор нейтралью. они предназначены для установки в новых и реконструируемых комплектных распределительных устройствах станций, подстанций и других устройств, осуществляющих распределение и потребление электрической энергии во всех отраслях народного хозяйства, в том числе нефтегазодобывающей и перерабатывающей, нефтехимической, химической, горнорудной и др. отраслях.

2. 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. Устройство состоит из двух контактов, подведенных под соответствующие потенциалы полюсов.

Один из них выполняется подвижным, а второй – стационарным, как и в других типах выключателей. Силовые контакты вакуумного выключателя располагаются внутри герметичной камеры, способной сохранять вакуум в течение длительного периода времени. Для чего в состав камеры включаются специальные металлические сплавы и керамические добавки.

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.

Рисунок 2 – Конструкция вакуумного выключателя

3. 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.

4. Преимущества и недостатки вакуумных выключателей

• Небольшие габариты, в сравнении с масляными и воздушными выключателями.
• Возможность быстрой замены, особенно в выкатных ячейках.
• Сравнительно низкий уровень шума.
• Экологичность.
• Не требуют периодической компенсации уровня рабочей среды, снижая объемы работ по обслуживанию к минимуму.
• Высокая надежность.

• Возникновение перенапряжения при отсекании малых индуктивных токов.
• Малый коммутационный ресурс отключения аварийных токов.

5. Особенности эксплуатации

Несмотря на неприхотливость выключателей от 6 до 35 кВ, их ревизию, обслуживание нужно проводить не реже 1 раза в 4 года.

К общим рекомендациям можно отнести:

• Необходимость периодической проверки скорости срабатывания;
• Использование для установки силовых розеток;
• Необходимость проверки корректности работы после скачков напряжения;
• При поломке в первую очередь проверяется на состояние контактов и проводки.

6. Особенности выбора

Ввиду наличия высокого спроса на такой вид выключателей, их производство налажено огромным количеством независимых компаний. Это порождает различие конструкций, технических характеристик, а значит, вынуждает использовать определенные критерии выбора:

• Номиналы напряжения, мощности, сопротивления.
• Значения токов отключения, динамической устойчивости.
• Номинал теплового импульса сети.
• Принцип работы бортового микропроцессора.
• Входные/выходные значения сигнала.

7. 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.

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.