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.

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).

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[править | править код]

• 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

• 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.

• 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.

Вакуумные выключатели › Устройство и принцип действия, эксплуатация, выбор, преимущества и недостатки

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

Преимущетсва:

• 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.

Недостатки:

• 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.

 

 

Вакуумный выключатель 6, 10, 35 кВ: принцип работы (схема)

В высоковольтных линиях до 6, 10 и даже 35 кВ при попытке включения/отключения отдельных цепей возникает мощная электрическая дуга. Для ее эффективного гашения, надежной коммутации используют вакуумный выключатель. Это оборудование, рассчитанное на нормальные и аварийные режимы энергосистемы, то есть номинальные токи и токи коротких замыканий.

Область применения

Вакуумные выключатели являются представителями нового поколения среди коммутационной высоковольтной аппаратуры. Они более эффективны, экономичны по сравнению с традиционными воздушными и электромагнитными выключателями. Как показывает статистика, доля их применения в сетях с напряжением от 6 до 10 и даже 35 кВ стабильно растет. Так, например, высоковольтные линии в Китае практически полностью строятся вокруг таких коммутаторов. В развитых странах Евросоюза их доля превышает две трети. Такое соотношение достигается за счет более надежной, а главное, долговечной конструкции (паспортный показатель достигает 20 лет). Они довольно неприхотливы в обслуживании и эксплуатации, не требуют регулярной очистки, то есть, снижают амортизационные капиталовложения.

Принцип действия

Наши рекомендации:

Если вы ищете хороший интернет-магазин Электрики, советуем посетить магазин 220 ВОЛЬТ. Если же вы не хотите сами заморачиваться с Электрикой, мы рекомендуем поискать профессионального мастера на сайте Ремонтник.ру

Работа вакуумных выключателей, независимо от номинала напряжения (6, 10, 35 кВ), подчиняется определенным принципам. Вся теория их использования строится вокруг явления возникновения дуги между размыкаемыми/замыкаемыми контактами. Причиной ее возникновения является ток коммутации, вызывающий процесс ионизации, испарения металла на контактных поверхностях. Пар закономерно образует плазму, являющуюся токопроводящим элементом. За счет зоны вакуума, куда происходит испарение, в момент, когда значение тока достигает отметки «0», дуга угасает, пар мгновенно конденсируется. Одновременно происходит восстановление напряжения на контактах.

Особенности конструкции

Каждая из моделей низковольтных и высоковольтных выключателей имеет различную конструктивную схему. Так происходит потому, что используется разный номинал напряжения и тока. К тому же свои идеи реализуют различные производители. В качестве примера при рассмотрении устройства оборудования, используем вакуумный выключатель VF12. Это отечественная разработка, рассчитанная на номинальное напряжение 10 кВ и ток до 3150 А. Основные его узлы можно видеть на следующем рисунке:

Основой выключателя служит металлический корпус со встроенным приводом. С ним соединены три полюса токоведущей цепи. Каждый полюс состоит из контактной группы со встроенной дугогасительной камерой. Все эти элементы собраны в синтетический литой корпус, который служит изолятором. В данном случае используется комбинация силиконовых и эпоксидных смол. Внутренне устройство корпуса можно видеть на следующем рисунке:

Наши рекомендации:

Если вы ищете хороший интернет-магазин Электрики, советуем посетить магазин 220 ВОЛЬТ. Если же вы не хотите сами заморачиваться с Электрикой, мы рекомендуем поискать профессионального мастера на сайте Ремонтник.ру

Главным элементом VF12 является вакуумная камера, которая состоит из следующих основных элементов:

Наши читатели рекомендуют! Для экономии на платежах за электроэнергию наши читатели советуют ‘Экономитель энергии Electricity Saving Box’. Ежемесячные платежи станут на 30-50% меньше, чем были до использования экономителя. Он убирает реактивную составляющую из сети, в результате чего снижается нагрузка и, как следствие, ток потребления. Электроприборы потребляют меньше электроэнергии, снижаются затраты на ее оплату.

Что касается корпуса самого выключателя, то та часть, где расположен привод, имеет секционную схему. Такое решение позволяет повысить общую надежность работы, безопасность обслуживания. Сам привод является пружинным – его взвод происходит автоматически (рабочий режим) или вручную рукояткой, которая монтируется в соответствующее гнездо. Общую схему привода, а также расположения органов управления можно видеть на рисунке:

Преимущества вакуумных коммутаторов

Наши рекомендации:

Если вы ищете хороший интернет-магазин Электрики, советуем посетить магазин 220 ВОЛЬТ. Если же вы не хотите сами заморачиваться с Электрикой, мы рекомендуем поискать профессионального мастера на сайте Ремонтник.ру

Вакуумные выключатели на 6, 10 и 35 кВ обладают очевидными преимуществами по сравнению с конкурентными решениями, что обуславливает широкое их применение. К очевидным достоинствам можно отнести:

• Безопасность. Любой вакуумный коммутационный узел 6, 10 или 35 кВ намного легче аналогов для этого номинала напряжений. Это обеспечивает снижение динамических нагрузок, шума, мощности привода, что комплексно сказывается на безопасности эксплуатации,
• Автономность. В отличие от масляных, вакуумные выключатели не требуют периодической компенсации уровня рабочей среды, снижая объемы работ по обслуживанию к минимуму,
• Быстродействие. Малый ход контактной группы обеспечивает более быстрое срабатывание, а значит, меньший износ узлов.

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.

Для подбора правильного исполнительного механизма необходимо точно определить такие показатели (критерии):

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

Особенности эксплуатации

Несмотря на неприхотливость выключателей от 6 до 35 кВ, их ревизию, обслуживание нужно проводить не реже 1 раза в 4 года (в зависимости от производителя и модели этот термин может отличаться). 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.

Наши рекомендации:

Если вы ищете хороший интернет-магазин Электрики, советуем посетить магазин 220 ВОЛЬТ. Если же вы не хотите сами заморачиваться с Электрикой, мы рекомендуем поискать профессионального мастера на сайте Ремонтник.ру

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.

Почему вакуумный выключатель — это лучшее решение для распределительных сетей 6-10 кВ?

Развитие городской инфраструктуры, постройка новых мощных промышленных комплексов, уплотнительные застройки в центре городов-миллионников ставят перед энергетиками непростые задачи по обеспечению электроэнергией потребителей без снижения качества и надежности электроснабжения. В связи со столь высоким ростом объёмов потребления Стратегия ПАО «Россети» направлена на увеличение объёма генерации не менее чем на 13,3% в периоде 2016-2020 гг.

Помимо роста объёмов потребления и генерации электроэнергии не менее важно её распределение, за которое отвечают, как правило, тупиковые подстанции на классы напряжения 6, 10, 20 и 35кВ. Однако более половины таких подстанций находятся в эксплуатации не менее 30 лет. Оборудование данных подстанций сильно изношено, морально устарело и нуждается в замене.

Стоит отметить, что на каждой электрической подстанции основным элементом защиты цепей являются силовые выключатели. Исходя из этих факторов, а также статистических данных ФСК и МРСК можно сделать вывод о том, что в России ежегодно потребляется не менее 20000 силовых выключателей с классами напряжения 6 и 10кВ. Очевидно, что на столь массовый и ответственный элемент системы электроснабжения налагаются жёсткие требования, как со стороны потребителя, так и со стороны надзорных органов. Основными требованиями, предъявляемыми к силовым выключателям, можно выделить:

• Соответствие техническим параметрам электросети (Наибольшее рабочее напряжение, отключающая способность, и т.п.)
• Безопасность персонала при эксплуатации
• Высокий уровень надёжности
• Компактность
• Минимальная необходимость в обслуживании
• Энергоэффективность

Достичь всех этих качеств в одном аппарате – задача нетривиальная, и далее мы рассмотрим тот путь, который пришлось пройти выключателям для достижения современного уровня их технического развития.

Виды выключателей 6-10 кВ

Первыми выключателями, которые защищали отходящие линии 6-10 кВ в комплектных распределительных устройствах, были баковые многообъёмные масляные выключатели, такие как ВМБ-10. Данный выключатель представляет собой металлический бак, массой 170 кг, который вмещает в себя 50 килограммов трансформаторного масла. Трансформаторное масло выступает в качестве изолирующей контакты разных полюсов среды, также в ней происходит разрыв контактов и гашение электрической дуги. При таком способе гашения дуги масло разлагается, образуя газопаровую смесь, состоящую из 70% водорода и паров испаряющегося трансформаторного масла. Данная смесь охлаждает и расщепляет дугу, а также деионизирует место её возникновения, что способствует скорейшему восстановлению электрической прочности масла. Этот процесс протекает достаточно бурно, давление в газовом пузыре может достигать 12 атмосфер. Именно присутствие масла в конструкции данного типа выключателей и определило их основные недостатки. Таким аппаратам требуется постоянный контроль уровня масла, его доливка, замена после относительного небольшого количества отключений. Выделение водорода, вкупе с высоким давлением внутри выключателя делает данный способ дугогашения достаточно опасным, нередки случаи взрывов и пожаров при применении таких выключателей. Для исключения разлива масла в случае аварии также необходимо строительство маслоприёмников, способных вместить полный объём масла, находящегося в выключателе.

Очевидно, что данный конструктив выключателей был далёк от идеала и не удовлетворял большинству требований, названных ранее. Именно поэтому следующим этапом развития этого класса аппаратов стали маломасляные выключатели.

Масляный малообъемный выключатель (крупно: указатель уровня масла)

В маломасляных выключателях масло уже не несёт в себе изоляционные свойства, а лишь служит газогенерирующей средой. Это позволило снизить общую массу аппарата, и, что особенно важно, объём заливаемого трансформаторного масла. Так, например, выключатель ВМП-10 требует заливки лишь 5кг масла. Помимо этого значительно выросли номинальный ток и отключающая способность, с 1000А до 1500А и с 5,7кА до 20кА соответственно (относительно выключателя ВМБ-10). Обновлённый конструктив масляных выключателей также позволил отказаться от необходимости возведения маслоприёмников. Вместе с тем недостатки, характерные для маслонаполненных выключателей, всё же сохранялись. К тому же на базе масляных малообъемных выключателей было невозможно реализовать быстродействующее АПВ (автоматическое повторное включение). Кроме того, само масло представляло опасность для экологии, и поэтому нельзя было допустить утечку и попадание масла в грунтовые воды.

Трансформаторное масло, как дугогасящая среда, исчерпало себя, поэтому дальнейшее улучшение конструктива не несло в себе каких либо существенных плюсов для характеристик выключателя. Именно поэтому возникла необходимость в поиске более эффективной среды дугогашения. В СССР подобные исследования велись уже в 30-х годах. В ЛФТИ, под руководством известного учёного Б. М. Гохберга, были исследованы электрические свойства ряда газов. Данная работа позволила выявить некоторые полезные свойства шестифтористой серы (SF6), которая получила название «элегаз». Данный газ характеризуется высочайшей электрической прочностью – 89кВ на 1 см. Но промышленное производство элегаза удалось освоить только в конце 1980-х годов.

Масляные малообъемные выключатели серии ВК

Следующим поколением выключателей, которое пришло на смену масляным, стали элегазовые. В отличие от масляных малообъемных выключателей они являются взрыво- и пожаробезопасными, имеют более высокую коммутационную способность (до 40кА), гораздо больший коммутационный ресурс, а также сниженные массогабаритные характеристики. Однако при эксплуатации элегазового оборудования есть несколько важных моментов. После первого гашения дуги в элегазовой среде образуются химически активные и вредные для человека примеси. Вредны они настолько, что, при замене отработавшего элегаза следует быть особо осторожным: использовать респираторы, обеспечить защиту глаз, а внутреннюю поверхность газовых корпусов нужно обязательно нейтрализовать при помощи раствора гашеной извести. Помимо этого, в закрытых распредустройствах требуется установка специальных датчиков, осуществляющих контроль утечек элегаза. К тому же гексафторид серы был признан вредным для атмосферы, как разрушающий озоновый слой. В связи с этим во всех европейских странах, в том числе и в России, стараются избегать применения элегазового оборудования в сетях 6-10 кВ.

С развитием коммутационной электротехники, в сетях 6-10 кВ на смену элегазовым пришли вакуумные выключатели, которые в настоящее время заняли доминирующее положение в структуре распределительных сетей. Особенности конструкции вакуумных выключателей заключаются в использовании вакуумных камер сравнительно небольших размеров и применении глубокого вакуума (давление в камере составляет порядка 5×10-5 мм.рт.ст.) в качестве среды для гашения дуги, что позволило добиться следующих преимуществ по сравнению с выключателями предыдущих поколений:

• высокая надежность
• не требуют обслуживания
• сниженные массогабаритные характеристики
• широкий диапазон рабочих температур
• отсутствие вредных выбросов
• малая потребляемая мощность в цепях оперативного тока
• возможность любого расположения в пространстве

Несмотря на высочайшие показатели электрической прочности вакуума, долгое время использование данной технологии было ограничено техническим развитием. Однако с момента первых промышленных образцов технические характеристики вакуумных выключателей заметно улучшились. В частности, можно отметить возросшие значения отключаемых токов короткого замыкания (до 50кА). Это стало возможным благодаря особенной геометрии контактов.

В конструкции вакуумных выключателей OptiMat V от КЭАЗ применены спиралевидные контакты . Такая форма контактов вакуумной камеры создаёт радиальное магнитное поле по всей области дуги, что вызывает её быстрое вращение по поверхности контактов и скорейшее затухание, а также минимизирует тепловую нагрузку, позволяет избегать локальных перегревов, выгорания металла контактов, что уменьшает их износ, а также исключает возможность повторного зажигания дуги после прохождения тока через ноль.

Такие разработки позволяют увеличивать общий коммутационный ресурс выключателя.

Контактная система с радиальным магнитным полем вакуумных выключателей OptiMat V

Кроме того, сниженные весо-габаритные параметры вакуумных выключателей (особенно заметно по сравнению с распространенными в России масляными малообъемными выключателями), позволяют специалистам электросетевых компаний производить монтажные и ремонтные работы значительно проще. Сравните: масса вакуумного выключателя OptiMat V — 56 кг, масляного малообъемного серии ВК от 160 до 200 кг + 12 кг масла, а элегазового выключателя ВГП — 120 кг (разница в массе составляет от 2 до 5 раз).

Также большое значение имеет широкий температурный диапазон. Ведь при эксплуатации в зимний период нужно учитывать дополнительные траты на подогрев масла в выключателях предыдущих поколений (масло густеет и препятствует скорейшему расхождению контактов). Здесь же стоит упомянуть и разные токи для катушек включения приводов: 3,9 А при 220 В у вакуумных выключателей OptiMat V и 100 А при 220 В у масляных малообъемных выключателей серии ВК.

Таким образом, вакуумные выключатели, на сегодняшний день, являются самыми современными, технологичными, надежными и экономичными коммутационными аппаратами в распределительных сетях напряжением 6-10 кВ.

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

Почему вакуумный выключатель — это лучшее решение для распределительных сетей 6-10 кВ? — Блог — Пресс-центр — Компания — KЭAЗ

Развитие городской инфраструктуры, постройка новых мощных промышленных комплексов, уплотнительные застройки в центре городов-миллионников ставят перед энергетиками непростые задачи по обеспечению электроэнергией потребителей без снижения качества и надежности электроснабжения. В связи со столь высоким ростом объёмов потребления Стратегия ПАО «Россети» направлена на увеличение объёма генерации не менее чем на 13,3% в периоде 2016-2020 гг.

Помимо роста объёмов потребления и генерации электроэнергии не менее важно её распределение, за которое отвечают, как правило, тупиковые подстанции на классы напряжения 6, 10, 20 и 35кВ. Однако более половины таких подстанций находятся в эксплуатации не менее 30 лет. Оборудование данных подстанций сильно изношено, морально устарело и нуждается в замене.

Стоит отметить, что на каждой электрической подстанции основным элементом защиты цепей являются силовые выключатели. Исходя из этих факторов, а также статистических данных ФСК и МРСК можно сделать вывод о том, что в России ежегодно потребляется не менее 20000 силовых выключателей с классами напряжения 6 и 10кВ. Очевидно, что на столь массовый и ответственный элемент системы электроснабжения налагаются жёсткие требования, как со стороны потребителя, так и со стороны надзорных органов. Основными требованиями, предъявляемыми к силовым выключателям, можно выделить:

• Соответствие техническим параметрам электросети (Наибольшее рабочее напряжение, отключающая способность, и т.п.)
• Безопасность персонала при эксплуатации
• Высокий уровень надёжности
• Компактность
• Минимальная необходимость в обслуживании
• Энергоэффективность

Достичь всех этих качеств в одном аппарате – задача нетривиальная, и далее мы рассмотрим тот путь, который пришлось пройти выключателям для достижения современного уровня их технического развития.

Виды выключателей 6-10 кВ

Первыми выключателями, которые защищали отходящие линии 6-10 кВ в комплектных распределительных устройствах, были баковые многообъёмные масляные выключатели, такие как ВМБ-10. Данный выключатель представляет собой металлический бак, массой 170 кг, который вмещает в себя 50 килограммов трансформаторного масла. Трансформаторное масло выступает в качестве изолирующей контакты разных полюсов среды, также в ней происходит разрыв контактов и гашение электрической дуги. При таком способе гашения дуги масло разлагается, образуя газопаровую смесь, состоящую из 70% водорода и паров испаряющегося трансформаторного масла. Данная смесь охлаждает и расщепляет дугу, а также деионизирует место её возникновения, что способствует скорейшему восстановлению электрической прочности масла. Этот процесс протекает достаточно бурно, давление в газовом пузыре может достигать 12 атмосфер. Именно присутствие масла в конструкции данного типа выключателей и определило их основные недостатки. Таким аппаратам  требуется постоянный контроль уровня масла, его доливка,  замена после относительного небольшого количества отключений. Выделение водорода, вкупе с высоким давлением внутри выключателя делает данный способ дугогашения достаточно опасным, нередки случаи взрывов и пожаров при применении таких выключателей. Для исключения разлива масла в случае аварии также необходимо строительство маслоприёмников, способных вместить полный объём масла, находящегося в выключателе.

Очевидно, что данный конструктив выключателей был далёк от идеала и не удовлетворял большинству требований, названных ранее. Именно поэтому следующим этапом развития этого класса аппаратов стали маломасляные выключатели.

Масляный малообъемный выключатель (крупно: указатель уровня масла)

В маломасляных выключателях масло уже не несёт в себе изоляционные свойства, а лишь служит газогенерирующей средой. Это позволило снизить общую массу аппарата, и, что особенно важно, объём заливаемого трансформаторного масла.  Так, например, выключатель ВМП-10 требует заливки лишь 5кг масла. Помимо этого значительно выросли номинальный ток и отключающая способность, с 1000А до 1500А и с 5,7кА до 20кА соответственно (относительно выключателя ВМБ-10). Обновлённый конструктив масляных выключателей также позволил отказаться от необходимости возведения маслоприёмников. Вместе с тем недостатки, характерные для маслонаполненных выключателей, всё же сохранялись. К тому же на базе масляных малообъемных выключателей было невозможно реализовать быстродействующее АПВ (автоматическое повторное включение). Кроме того, само масло представляло опасность для экологии, и поэтому нельзя было допустить  утечку и попадание масла в грунтовые воды.

Трансформаторное масло, как дугогасящая среда, исчерпало себя, поэтому дальнейшее улучшение конструктива не несло в себе каких либо существенных плюсов для характеристик выключателя. Именно поэтому возникла необходимость в поиске более эффективной среды дугогашения. В СССР подобные исследования велись уже в 30-х годах. В ЛФТИ, под руководством известного учёного Б. М. Гохберга, были исследованы электрические свойства ряда газов. Данная работа позволила выявить некоторые полезные свойства шестифтористой серы (SF6), которая получила название «элегаз». Данный газ характеризуется высочайшей электрической прочностью – 89кВ на 1 см. Но промышленное производство элегаза удалось освоить только в конце 1980-х годов.

Масляные малообъемные выключатели серии ВК

Следующим поколением выключателей, которое пришло на смену масляным, стали элегазовые. В отличие от масляных малообъемных выключателей они являются взрыво- и пожаробезопасными, имеют более высокую коммутационную способность (до 40кА), гораздо больший коммутационный ресурс, а также сниженные массогабаритные характеристики. Однако при эксплуатации элегазового оборудования есть несколько важных моментов. После первого гашения дуги в элегазовой среде образуются химически активные и вредные для человека примеси. Вредны они настолько, что, при замене отработавшего элегаза следует быть особо осторожным: использовать респираторы, обеспечить защиту глаз, а внутреннюю поверхность газовых корпусов нужно обязательно нейтрализовать при помощи раствора гашеной извести. Помимо этого, в закрытых распредустройствах требуется установка специальных датчиков, осуществляющих контроль утечек элегаза. К тому же гексафторид серы был признан вредным для атмосферы, как разрушающий озоновый слой. В связи с этим во всех европейских странах, в том числе и в России, стараются избегать применения элегазового оборудования в сетях 6-10 кВ.

С развитием коммутационной электротехники, в сетях 6-10 кВ на смену элегазовым пришли вакуумные выключатели, которые в настоящее время заняли доминирующее положение в структуре распределительных сетей. Особенности конструкции вакуумных выключателей заключаются в использовании вакуумных камер сравнительно небольших размеров и применении глубокого вакуума (давление в камере составляет порядка 5×10-5 мм.рт.ст.) в качестве среды для гашения дуги, что позволило добиться следующих преимуществ по сравнению с выключателями предыдущих поколений:

• высокая надежность
• не требуют обслуживания
• сниженные массогабаритные характеристики
• широкий диапазон рабочих температур
• отсутствие вредных выбросов
• малая потребляемая мощность в цепях оперативного тока
• возможность любого расположения в пространстве

Несмотря на высочайшие показатели электрической прочности вакуума, долгое время использование данной технологии было ограничено техническим развитием. Однако с момента первых промышленных образцов технические характеристики  вакуумных выключателей заметно улучшились. В частности, можно отметить возросшие значения отключаемых токов короткого замыкания (до 50кА). Это стало возможным благодаря особенной геометрии контактов.

В конструкции вакуумных выключателей OptiMat V от КЭАЗ применены спиралевидные  контакты . Такая форма контактов вакуумной камеры создаёт радиальное магнитное поле по всей области дуги, что вызывает её быстрое вращение по поверхности контактов и скорейшее затухание, а также минимизирует тепловую нагрузку, позволяет избегать локальных перегревов, выгорания металла контактов, что уменьшает их износ, а также исключает возможность повторного зажигания дуги после прохождения тока через ноль.

Такие разработки позволяют увеличивать общий коммутационный ресурс выключателя.

Контактная система с радиальным магнитным полем вакуумных выключателей OptiMat V

Кроме того, сниженные весо-габаритные параметры вакуумных выключателей (особенно заметно по сравнению с распространенными в России масляными малообъемными выключателями), позволяют специалистам электросетевых компаний производить монтажные и ремонтные работы значительно проще. Сравните: масса вакуумного выключателя OptiMat V — 56 кг, масляного малообъемного серии ВК от 160 до 200 кг + 12 кг масла, а элегазового выключателя ВГП — 120 кг (разница в массе составляет от 2 до 5 раз).

Также большое значение имеет широкий температурный диапазон. Ведь при эксплуатации в зимний период нужно учитывать дополнительные траты на подогрев масла в выключателях предыдущих поколений (масло густеет и препятствует скорейшему расхождению контактов). Здесь же стоит упомянуть и разные токи для катушек включения приводов: 3,9 А при 220 В у вакуумных выключателей OptiMat V и 100 А при 220 В у масляных малообъемных выключателей серии ВК.

Таким образом, вакуумные выключатели, на сегодняшний день, являются самыми современными, технологичными, надежными и экономичными коммутационными аппаратами в распределительных сетях напряжением 6-10 кВ.

Перейти в каталог

Вакуумный выключатель — это… 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.

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 еще 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 500 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 других деталей дугогасящей камеры, восстанавливая электрическую прочность вакуумного промежутка. В то же время на разведенных контактах восстанавливается приложенное к ним напряжение (см. иллюстрацию процесса отключения).

Достоинства и недостатки

Достоинства

• простота конструкции;
• 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 при отключении малых индуктивных токов;
• небольшой ресурс дугогасительного устройства по отключению токов короткого замыкания.

Источники информации

• 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.