Вакуумен прекъсвач: дизайн и принцип на работа + нюанси на избора и свързването

КРИТЕРИИ И ОГРАНИЧЕНИЯ ЗА БЕЗОПАСНОСТ

Климатична модификация и категория на поставяне "U2" съгласно GOST1550, условия на работа в тях:

• Най-висока надморска височина до 3000 м;
• Горната работна температура на околния въздух в разпределителното устройство (CSA) се приема за плюс 55°C, а ефективната температура на околния въздух в разпределителното устройство и CSA е плюс 40°C;
• Долната работна температура на околния въздух е минус 40°C;
• горна стойност на относителната влажност 100% при плюс 25°С;
• средата не е взривоопасна, не съдържа газове и пари, вредни за изолацията, не е наситена с токопроводим прах в концентрации, които могат да намалят параметрите на електрическата якост на изолацията на превключвателя.

Всяка работна позиция в пространството. Във версии 59, 60, 70, 71 - с основа надолу или нагоре. Превключвателите са проектирани да работят в режим "О" и "В" и в цикли О - 0,3 s - VO - 15 s - VO; О - 0,3 s - VO - 180 s - VO.
Параметрите на спомагателните контакти на превключвателя са дадени в таблица 3.1.
Според устойчивостта на външни механични фактори превключвателят съответства на група М 7 съгласно ГОСТ 17516.1-90, като по този начин превключвателят работи под въздействието на синусоидални вибрации в честотния диапазон (0,5*100) Hz с максимална амплитуда на ускорението 10 m/s2 (1 q) и многократни удари с ускорение 30 m/s2 (3 q).

Таблица 3.1 - Параметри на спомагателните контакти на превключвателя

Фигура 3.1

Превключвателите отговарят на изискванията на GOST687, IEC-56 и техническата спецификация TU U 25123867.002-2000 (а също и ITEA 674152.002 TU; TU U 13795314.001-95).
Зависимостта на продължителността на работа на автоматичните прекъсвачи от стойността на тока на задействане е представена на фиг. 3.1.

Превключвателите отговарят на изискванията на GOST 687, IEC-56 и техническата спецификация TU 25123867.002-2000 (а също и ITEA 674152.002; TU U 13795314.001-95).
Зависимостта на продължителността на работа на автоматичните прекъсвачи от стойността на тока на изключване е представена на фиг. 3.1.

Технология на вакуумните прекъсвачи.

Основна хоризонтална линия на покритие в "чиста стая". VIL, Финчли, 1978 г.

Вакуумните прекъсвачи на дъгата се произвеждат в специализирани съоръжения, като се използват съвременни технологии - "чиста стая", вакуумни пещи и др.

Семинар за вакуумни прекъсвачи в Южна Африка, 1990 г.

Изработката на вакуумни камери е високотехнологичен производствен процес. След сглобяването камерите за разбиване се поставят във вакуумна пещ, където се запечатват херметически.

Четири ключови момента при производството на камера за вакуумно дъгово гасене:

1. пълен вакуум
2. подробен електрически проект.
3. система за контрол на дъгата
4. материал на контактната група

Четири ключови момента при производството на вакуумни прекъсвачи:

1. перфектно цялостно качество на сглобяването на устройството.
2. точното изчисляване на електромагнитните параметри на устройството. Ако устройството е проектирано неправилно, може да възникнат електромагнитни смущения между разединителите.
3. механизъм. Механизмът трябва да е с къс ход и ниска консумация на енергия. Например при превключване при 38 kV необходимият ход на механизма е 1/2″, а консумацията на енергия не надвишава 150 джаула.
4. идеално заварени заварки.

Конструиране на класическа камера за гасене на вакуумна дъга.
камера за гасене на дъга V8 за 15 kV (диаметър 4 1/2″). Началото на 70-те години.

На снимката са показани основните компоненти на камерата за охлаждане на вакуумна дъга.

Контрол на дъгата: радиално магнитно поле.

Висока скорост на снимане (5000 кадъра в секунда).
контактна площ на прекъсвача. диаметър 2".
Радиално магнитно поле
31.5kArms 12kVrms.
Този процес се дължи на самоиндукцията на радиалното магнитно поле (векторът на полето е насочен в радиална посока), което създава движение на дъгата над електрическия контакт, като по този начин намалява локалното нагряване на контактната подложка. Контактният материал трябва да е такъв, че дъгата да се движи свободно по повърхността. Всичко това дава възможност за превключване на токове до 63 kA.

Контрол на дъгата: аксиално магнитно поле.

Високоскоростно изображение (9000 fps).
Изображение на аксиалното магнитно поле
40kArms 12kVrms

Процесът, при който се използва самоиндукция на магнитното поле по оста на електрическата дъга, предотвратява свиването на дъгата и предпазва контактната подложка от прегряване чрез отвеждане на излишната енергия. В този случай материалът на контактната подложка не трябва да допринася за движението на дъгата по контактната повърхност. В промишлени условия е възможно да се превключват токове над 100 kA.

Електрическа дъга във вакуум - материал на контактната подложка.
Висока скорост на снимане (5000 кадъра в секунда).
Изображение на контактно петно с диаметър 35 mm.
Радиално магнитно поле.
20kArms 12kVrms

Когато контактите се отварят във вакуум, металът се изпарява от контактните повърхности и образува електрическа дъга. Свойствата на дъгата варират в зависимост от материала, използван за контактите.

Препоръчителни параметри на контактната плоча:

Материали

Микрофотография.

Първоначално за контактните плочи е използвана сплав от мед и хром. Този материал е разработен и патентован от компанията English Electric през 60-те години на миналия век. Днес това е най-широко използваният метал в производството на вакуумни дъгови камери за закаляване.

Принцип на работа на механизма.

Механизмът на вакуумните прекъсвачи е конструиран така, че количеството енергия, изразходвано за превключването, е без значение - то просто премества контактите. Типичният реклоузър се нуждае само от 150-200 джаула енергия, за да се задейства, за разлика от MCCB, който се нуждае от 18 000-24 000 джаула, за да извърши едно превключване. Този факт прави възможно използването на постоянни магнити.

Магнитно задвижване.

Принцип на действие на магнитния задвижващ механизъм

Стадий на покой Моделът на движение.

История на вакуумния прекъсвач

50-те години на миналия век. История на развитието: как започна всичко...
Един от първите високоволтови прекъсвачи за електрическата мрежа. На снимката е показан 132kV AEI - вакуумен прекъсвач, който работи в Уест Хам, Лондон, от 1967 г. насам. Този модел, както и повечето подобни, е в експлоатация до 90-те години на миналия век.

История на разработката: Вакуумен прекъсвач VGL8 за 132kV.
- е резултат от съвместна разработка на CEGB (Central Electric Generating Board - основният доставчик на електроенергия в Англия) и General Electric Company.
- Първите шест единици са въведени в експлоатация между 1967 и 1968 г.
- Напрежението се разпределя чрез паралелно свързани кондензатори и сложен подвижен механизъм.
- Всяка група е защитена с порцеланов изолатор и е под налягане в серен хексафлуорид.

Конфигурация на вакуумния прекъсвач "Т" с четири вакуумни камери за гасене на дъгата във всяка група - съответно серия от 8 вакуумни камери за гасене на дъгата на фаза.

Експлоатационна история на този апарат:
- Непрекъсната работа в Лондон в продължение на 30 години. През 90-те години на миналия век тя е изведена от експлоатация поради липса на употреба и е демонтирана.
- Вакуумни прекъсвачи от този тип са използвани до 80-те години на миналия век в електроцентралата Tir John (Уелс), когато в резултат на реконструкцията на мрежата са демонтирани в графство Девън.

История на развитието: проблеми през 60-те години.

В същото време, заедно с развитието на вакуумните прекъсвачи за високо напрежение, производствените компании сменят своите маслени и въздушни прекъсвачи с прекъсвачи с газова изолация. Прекъсвачите Elegas са по-прости и по-евтини за експлоатация поради следните причини:
- Използването на 8 вакуумни прекъсвача на фаза във високоволтови вакуумни превключватели изискваше сложен механизъм за едновременното задействане на 24 контакта в група.
- Използването на съществуващите маслени прекъсвачи не беше икономически изгодно.

Вакуумен прекъсвач.

При вакуумните прекъсвачи първо се използват вакуумни камери за гасене на дъгата от серия V3, а по-късно и от серия V4.
Вакуумните камери за гасене на дъга от серията V3 първоначално са разработени за използване в трифазни разпределителни мрежи с напрежение 12 kV. Въпреки това те се използват успешно в електрическите тягови вериги на електрически локомотиви и в "праволинейните" връзки - в еднофазни мрежи от 25 kV.

Проектиране на вакуумния прекъсвач:

Вакуумният прекъсвач се състои от основна камера с размери 7/8″ (22,2 mm) и допълнително отделение с размери 3/8″ (9,5 mm) за работа с контактна пружина.Препоръчителни работни характеристики
- Средна скорост на затваряне на камерата - 1-2 м/сек.
- средна скорост на отваряне на камерата - 2-3 м/сек.

И така, на какви проблеми са обърнали внимание производителите на вакуумни прекъсвачи за високо напрежение през 60-те години?

Първо, напрежението на превключване на първите вакуумни прекъсвачи е ограничено до 17,5 или 24 kV.
Второ, тогавашната технология изискваше голям брой вакуумни дъгови камери за закаляване в серия. Това от своя страна доведе до използването на сложни механизми.
Друг проблем е, че производството на вакуумни дъгови пожарогасители по онова време е проектирано за големи обеми на продажби. Разработването на високоспециализирани устройства не беше икономически изгодно.

Най-често срещаните модели

Тук са представени някои от най-често срещаните модели на VVE-M-10-20, VVE-M-10-40, VVTE-M-10-20 и фигурата показва как да ги дешифрирате и структура за обозначаване на типаМоделите могат да съдържат до 10-12 букви и цифри в имената си. Почти всички те са заместители на остарелите маслени прекъсвачи и могат да се използват за превключване на вериги за променлив и постоянен ток.

Създаването, инсталирането и пускането в експлоатация на вакуумни прекъсвачи за високо напрежение е процес, който отнема много време и който пряко влияе върху цялостната бъдеща работа на енергийната система, както и върху всички компоненти и оборудване, свързани с нея, затова е най-добре работата да бъде поверена на квалифициран електротехнически персонал. Вакуумният прекъсвач трябва да се управлява точно и по определени команди - от това зависи животът и здравето на персонала, работещ с доставеното оборудване.

Превключване на прекъсвача

Първоначалното отваряне на контактите 1 и 3 във вакуумната прекъсвателна камера на прекъсвача се осигурява от действието на задействащата пружина 8, която въздейства върху подвижния контакт 3 чрез тяговия изолатор 4. Когато се подаде сигналът "ON", блокът за управление на прекъсвача генерира импулс на напрежение с положителна полярност, който се подава към соленоидните намотки 9. В същото време в междината на магнитната система съществува електромагнитна сила на привличане, която с нарастването си преодолява силата на задействащите пружини 8 и 5, в резултат на което под въздействието на разликата на тези сили електромагнитната котва 7 заедно с тяговите изолатори 4 и 2 в момент 1 започва да се движи към неподвижния контакт 1, като при това компресира задействащата пружина 8.

След затварянето на главните контакти (време 2 на осцилоскопа) котвата на електромагнита продължава да се движи нагоре, като допълнително притиска натисковата пружина 5. Движението на котвата продължава, докато работната междина в магнитната система на соленоида стане нула (времеви момент 2а в осцилоскопа). След това пръстеновидният магнит 6 продължава да съхранява магнитната енергия, необходима за задържане на превключвателя в положение ON, а бобината 9 започва да се изключва след достигане на време 3, след което задвижването се подготвя за операцията на изключване. По този начин превключвателят става магнитно заключващ, т.е. не се консумира енергия за управление, за да се поддържат контактите 1 и 3 затворени.

В процеса на включване на превключвателя пластината 11, влизаща в прореза на вала 10, завърта този вал, като премества монтирания върху него постоянен магнит 12 и осигурява задействането на рид-спирачите 13, които комутират външните спомагателни вериги.

История на строителството

Първите вакуумни прекъсвачи са разработени през 30-те години на миналия век, а сегашните модели са били в състояние да превключват малки токове с напрежение до 40 kV. През онези години не са били построени достатъчно мощни вакуумни разбивачи поради несъвършената вакуумна технология и най-вече поради техническите трудности, които се срещат по онова време при поддържането на дълбок вакуум в запечатана камера.

За да се разработят надеждни вакуумни прекъсвачи, способни да спират големи токове при високи напрежения, беше необходима обширна програма за изследователска работа. В хода на тази работа до около 1957 г. са идентифицирани и научно обяснени основните физични процеси, протичащи при запалване на дъга във вакуум.

Преходът от единични прототипи на вакуумни прекъсвачи към търговско производство отнема още две десетилетия, тъй като изисква допълнителни интензивни научни изследвания и разработки, особено за намиране на ефективен начин за предотвратяване на опасни комутационни пренапрежения, причинени от преждевременни прекъсвания на тока преди естественото пресичане на нулата, за решаване на сложни проблеми, свързани с разпределението на напрежението и замърсяването на вътрешните повърхности на изолационните части.

Днес светът разполага с промишлено производство на високонадеждни бързодействащи вакуумни прекъсвачи, способни да прекъсват високи токове в мрежи за средно напрежение (6, 10, 35 kV) и високо напрежение (до 220 kV).

Проектиране и конструиране на въздушния прекъсвач

Нека разгледаме как е конструиран въздушен прекъсвач, като използваме за пример превключвателя за захранване VBB, чиято опростена конструктивна схема е показана по-долу.

Типичен дизайн на въздушни прекъсвачи от серията BBB

Наименования на единиците:

• А - Ресивер, резервоар, в който се изпомпва въздух до образуване на ниво на налягане, съответстващо на номиналното налягане.
• B - Метален резервоар на камерата за дъгово закаляване
• C - Краен фланец.
• D - Кондензатор за разделяне на напрежението (не се използва при сегашните конструкции на превключватели).
• E - Монтажен прът за плъзгащата се контактна група.
• F - Порцеланов изолатор
• G - спомагателен контакт за прекъсване на дъгата.
• H - шунтиращ резистор.
• I - Въздушен клапан.
• J - Импулсен въздуховод.
• K - Основно подаване на въздушна смес.
• L - банка клапани.

Както можете да видите, в тази серия контактната група (E, G), механизмът за свързване/развързване и взривният клапан (I) са затворени в метален съд (B). Самият резервоар се пълни със смес от сгъстен въздух. Полюсите на превключвателя са разделени от междинен изолатор. Тъй като в резервоара има високи напрежения, защитата на опорната колона е от особено значение. Това се извършва с помощта на порцеланови изолационни "кожуси".

Въздушната смес се подава от два въздуховода - K и J. Първият е основният, който се използва за вкарване на въздух в резервоара, а вторият работи в импулсен режим (подава въздушна смес, когато контактите на превключвателя са разединени и се нулира, когато затваряне).

Каква е ситуацията днес?

Научният напредък, постигнат през последните четиридесет години, направи възможно комбинирането на 38kV и 72/84kV камерите при производството на вакуумни изолатори в една камера. Максимално възможното напрежение на разединител днес е до 145 kV - по този начин високото ниво на комутационно напрежение и ниската консумация на енергия позволяват използването на надеждни и евтини устройства.

Прекъсвачът на снимката вляво е проектиран да работи при 95 kV, а този вдясно - при 250 kV. И двете устройства са с еднаква дължина. Този напредък стана възможен благодарение на подобренията в материалите, от които са изработени електрическите контактни повърхности.

Проблеми, които възникват при използването на вакуумни прекъсвачи в мрежи с по-високо напрежение:
Операцията изисква физически по-големи размери на вакуумните камери, което води до намаляване на производителността и влошаване на качеството на самите камери.
Увеличаването на физическия размер на устройството увеличава изискванията към уплътняването на самото устройство и наблюдението на производствения процес.
Голямата (повече от 24 mm) контактна междина влияе на способността за контрол на дъгата чрез радиалното и аксиалното магнитно поле и намалява ефективността на устройството.
Използваните понастоящем контактни материали са предназначени за средно напрежение. За такива големи разстояния между контактите е необходимо да се разработят нови материали.
Наличието на рентгенови лъчи трябва да се вземе под внимание.

Във връзка с последния въпрос трябва да се отбележат няколко други факта:

Когато контакторът е изключен, няма рентгеново излъчване.
При средни стойности на напрежението (до 38 kV) рентгеновото излъчване е нулево или незначително. Обикновено при превключватели с напрежение до 38 kV рентгеновите лъчи се появяват само при тестови напрежения.
Щом напрежението в системата се повиши до 145 kV, мощността на рентгеновото излъчване се увеличава и трябва да се обърне внимание на проблемите, свързани с безопасността.
Въпросът, който сега стои пред конструкторите на вакуумни прекъсвачи, е колко силно ще бъде облъчването от околната среда и как то ще се отрази на полимерите и електрониката, които са монтирани директно върху самия прекъсвач.

Днес.
Вакуум високоволтов вакуумен прекъсвач, проектиран да работи при 145 kV.

Най-съвременна камера за вакуумно дъгово гасене.

Вакуумната камера за прекъсвач, проектирана за работа при 145 kV, улеснява значително производството на 300 kV вакуумен прекъсвач с две точки на прекъсване на фаза. Такива високи напрежения обаче поставят собствени изисквания към контактния материал и методите за контрол на дъгата. Заключения:
Технологично е възможно да се произвеждат и експлоатират промишлено вакуумни прекъсвачи до 145 kV.
С помощта само на наличната в момента технология е възможно да се използват вакуумни прекъсвачи в мрежи до 300-400 kV.
Понастоящем съществуват сериозни технически проблеми, които възпрепятстват използването на вакуумни прекъсвачи в мрежи над 400 kV в близко бъдеще. Въпреки това работата в тази насока продължава, като целта е да се изработят камери за вакуумно гасене на дъга за работа в мрежи до 750 kVolt.
До момента няма сериозни проблеми при използването на вакуумни камери за дъгова закалка в електрическите мрежи. Повече от 30 години вакуумните прекъсвачи се използват успешно в за пренос на ток в мрежи с напрежения до 132 kV.

Термостатични сифони за пара (капсулни сифони за пара)

Термостатичните пароуловители работят на базата на температурната разлика между парата и кондензата.

Термостатичният пароуловител се задейства посредством капсула с гнездо в долната част, която действа като спирателен механизъм. Капсулата е фиксирана в тялото на пароуловителя, като дискът е разположен непосредствено над седлото, на изхода на пароуловителя. Когато е студена, между диска на капсулата и седалката има празнина, която позволява на кондензат, въздух и други некондензиращи газове да излизат безпрепятствено от сифона.

Когато се нагрее, специалната смес в капсулата се разширява, въздействайки върху диска, който по време на разширяването потъва в гнездото, предотвратявайки изтичането на пара. Този тип пароуловител, освен че отстранява кондензат, позволява и отстраняване на въздух и газове от системата, т.е. той може да се използва като въздушен уловител за парни системи. Съществуват три версии на термостатични пароуловители, които позволяват кондензатът да се източва при температура 5°C, 10°C или 30°C под температурата на генериране на пара.

Основни модели термостатични сифони за пара: TH13A, TH21, TH32Y, TSS22, TSW22, TH35/2, TH36, TSS6, TSS7.

Обхват на приложение

Първите модели, произведени в Съветския съюз, се деактивират при сравнително ниски натоварвания поради неподходящата конструкция на вакуумната камера и техническите характеристики на контактите. Съвременните модели имат много по-устойчив на топлина и издръжлив повърхностен материал. Това дава възможност за инсталиране на такива разпределителни устройства в почти всички отрасли на промишлеността и икономиката. Днес в такива приложения се използват вакуумни прекъсвачи:

• В електроразпределителни инсталации в електроцентрали, както и в разпределителни подстанции;
• В металургичната промишленост за доставка на пещни трансформатори, които захранват оборудване за производство на стомана;
• В петролната, газовата и химическата промишленост - в трансферни точки, превключвателни точки и трансформаторни подстанции;
• За работа на първичните и вторичните вериги на тяговите подстанции в железопътния транспорт, захранва спомагателното оборудване и нетяговите консуматори;
• В минните предприятия за доставка на комбайни, багери и друго тежко оборудване от цялостни трансформаторни подстанции.

Във всяка от горепосочените индустрии вакуумните превключватели повсеместно заместват старите маслени и въздушни модели.

Принцип на работа

Вакуумният прекъсвач (10 kV, 6 kV, 35 kV) има определен принцип на работа. Когато контактите се отворят, токът на превключване създава разряд в междината (вакуум). Съществуването му се поддържа чрез изпаряване на метал от повърхността на самите контакти във вакуумната междина. Плазмата, образувана от йонизираните метални пари, е проводящ елемент. Той поддържа условията за протичане на електрически ток. В момента, в който кривата на променливия ток премине през нулата, дъгата започва да гасне, а металните пари възстановяват електрическата якост на вакуума почти мигновено (за десет микросекунди), като кондензират върху контактните повърхности и вътрешността на камерата за гасене на дъгата. През това време се възстановява напрежението в контактите, което дотогава вече е било разсеяно. Ако след възстановяването на напрежението локалните зони останат прегряти, те могат да се превърнат в източник на излъчване на заредени частици, което да доведе до пробив на вакуума и протичане на ток. За тази цел се използва управление на дъгата, като топлинният поток се разпределя равномерно върху контактите.

Вакуумният превключвател, чиято цена зависи от производителя, може да спести значително количество ресурси благодарение на своите експлоатационни свойства. В зависимост от напрежението, производителя и изолацията цените варират от 1500 до 10000 щ.д.

Спецификации на устройството

Устройствата, които изключват товара чрез отваряне на електрическа верига, имат различни технически характеристики

Всички те са важни и са определящи за избора на подходящо устройство за закупуване и последващия му монтаж.

Номиналното напрежение показва работното напрежение на електрическия уред, за което той е бил първоначално проектиран от производителя.

Максималната стойност на работното напрежение показва най-високото възможно високо напрежение, при което превключвателят може да функционира в нормална работа, без да се наруши неговата функция. Обикновено тази стойност надвишава номиналното напрежение с 5-20%.

Електрическият ток, при който нивото на нагряване на изолационното покритие и частите на проводника не пречи на нормалната работа на системата и може да бъде издържан от всички компоненти за неограничен период от време, се нарича номинален ток. Стойността му трябва да се вземе предвид при избора и закупуването на прекъсвача на товара.

Стойността на допустимата гранична стойност на проходния ток показва каква част от тока, протичащ през мрежата в режим на късо съединение, може да бъде издържана от инсталирания в системата прекъсвач на товара.

Електродинамичният ток на издръжливост отразява големината на тока на късо съединение, който, след като въздейства върху устройството през първите няколко периода, не оказва неблагоприятно въздействие върху него и не го поврежда механично по никакъв начин.

Токът на термична устойчивост определя граничния ток, чийто ефект на нагряване не поврежда превключвателя за прекъсване на товара за определен период от време.

Техническото изпълнение на задвижването и физическите параметри на агрегатите също са много важни, тъй като определят общия размер и тегло на агрегата. Въз основа на това е възможно да се разбере къде да се поставят устройствата, за да работят правилно и да изпълняват ясно задачите си.

Някои от безспорните предимства на устройствата за намаляване на товара са

• простота и достъпност в строителството;
• елементарен метод на работа;
• много ниска цена на крайния продукт в сравнение с други видове превключватели
• възможност за удобно активиране/деактивиране на номиналните токове на товарите;
• оптически видима контактна междина, която осигурява пълна безопасност при всички работи по изходящите линии (без необходимост от инсталиране на допълнителен разединител).
• евтина защита от претоварване по ток посредством предпазители, обикновено пълни с кварцов пясък (тип PKT, PK, PT).

Сред недостатъците на всички видове превключватели най-често се споменава възможността да се превключва само номиналната мощност, без да се работи с токове на повреда.

Въпреки ниската си цена и ниската си поддръжка автоматичните газови модули са признати за остарели и целенасочено се заменят с по-съвременни вакуумни елементи по време на планова поддръжка или при реконструкция на мрежи и подстанции.

Автоматичните газови модули обикновено се критикуват за ограничения им живот, който се дължи на постепенното изгаряне на вътрешните части, генериращи газ в гасителната камера.

Този проблем обаче може да бъде решен доста лесно и на ниска цена, тъй като газовите генератори и двойките контакти, предназначени за защита от дъгови съединения, са много евтини и могат лесно да бъдат заменени не само от професионалисти, но и от неквалифицирани работници.