Вакуумный выключатель — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 13 марта 2019; проверки требует 1 правка. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 13 марта 2019; проверки требует 1 правка.

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

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).

Вакуумный выключатель

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.

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ВАКУУМНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

 

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

 

Выключатель высокого напряжения – это аппарат, предназначенный для оперативной и аварийной коммутации в энергосистемах, для выполнения операции включения и отключения отдельных цепей при ручном и автоматическом управлении.

Отключение тока выключателем сопровождается возникновением на его контактах мощной электрической дуги. Для гашения дуги в выключателях применяют различные дугогасительные среды и специальные дугогасительные приспособления, которые облегчают и ускоряют гашение дуги.

В зависимости от применяющейся дугогасительной среды различают масляные, воздушные, автогазовые, элегазовые, вакуумные и другие выключатели.

В среднем классе напряжения 6-35 кВ вакуумные выключатели находят все возрастающее применение в силу их принципиальных преимуществ перед всеми другими известными типами выключателей. Для эксплуатации удобно и экономически выгодно иметь на подстанции одно­типные коммутационные аппараты, так как это снижает эксплуатационные расходы и квалифика­ционные требования к обслуживающему персоналу.

Вакуумные выключатели – это выключатели, в которых контакты расходятся в среде 10^-4 – 10^-6 Па. Возникающая при этом дуга быстро гаснет за счет интенсивной диффузии зарядов в вакууме.

В настоящее время вакуумные выключатели (ВВ) стали доминирующими аппаратами для электрических сетей напряжением 6-36 кВ. Так, доля вакуумных выключателей в общем количестве выпускаемых аппаратов в Европе и США достигает 70%, в Японии – 100%. В России в последние годы эта доля имеет постоянную тенденцию к росту и в 1997 г. превысила 50%-ную отметку.

ВВ в России пока еще более дорогие, чем масляные, однако в последние годы имеется устойчивая тенденция к сокращению разницы в цене.

Сегодня вакуумную коммутационную технику можно считать достаточно «взрослой», которая может применяться на токи отключения 100 кА, так что в последние годы усилия разработчиков направлены не на повышение основных параметров ВВ, а на создание более экономичных конструкций и повышение их надежности.

По первому направлению работа идет, в основном, по пути совершенствования конструкции и технологии производства вакуумных дугогасительных камер, составляющих 30-40% стоимости вакуумного выключателя. В области приводов традиционного типа (преимущественно пружинно-моторных) возможности разработки с точки зрения снижения производственных затрат практически исчерпаны.

Второе направление – повышение надежности ВВ, в основном связано с повышением надежности их приводов, так как надежность вакуумных дугогасительных камер (ВДК) при современной технологии производства практически безупречна.

В 90-х годах ряд фирм представил конструкции приводов, не требующих обслуживания в течение всего срока эксплуатации.

Вместе с тем, очевидно, что при сохранении традиционных подходов к проектированию ВВ существенного прогресса в области снижения производственных затрат (которые, разумеется, влияют и на цену ВВ на рынке) и повышения надежности приводов ожидать не приходится.

Преимущества вакуумных выключателей

 

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

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

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

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

5. Полная взрыво- и пожаробезопасность.

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

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

8. Повышенная устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам.

9. Произвольное рабочее положение вакуумного дугогасительного устройства.

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

11. Отсутствие загрязнения окружающей среды.

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

13. Высокое быстродействие.

14. Возможность организации высокоавтоматизированного производства.

Недостатки вакуумных выключателей

 

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

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

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

Принцип дугогашения

 

В момент времени t₁ (рис. 1.1) начинается расхождение контак­тов ВДК и в межконтактном промежутке зажигается электрическая дуга. Падение напряже­ния на дуге чрезвычайно мало и обычно не превышает 30 В. В момент t

2 перехода тока через естественный ноль межконтакт­ный промежуток заполнен ионизированными парами металла, образовавшимися в течение горения дуги t₁ — t₂. Однако, в силу отсутствия среды, препятствующей разделу этих паров, их уход из промежутка осуществляется за чрезвычайно малое время -10^-5 с, после чего вакуумный выключатель готов выдержать восстанавливающее напряжение. Поскольку электрическая прочность вакуумного промежутка чрезвычайно высока (30 кВ/мм), отключение гарантированно происходит при зазорах более 1 мм.

 

Рис. 1.1. Осциллограммы отключения переменного тока в вакууме:

i — отключаемый ток; n — концентрация ионизированных паров металла

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

U_a — напряжение на дуге

 

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

 

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИНЦИП РАБОТЫ И КОНСТРУКЦИЯ

ВАКУУМНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

 

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

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

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

 

 

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

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

 

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

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

Аналогичное устройство имеют выключатели на 1000 и 1600 А.

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

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

 

 

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

 

а)

б)

 

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

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

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

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

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

 

ВАКУУМНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ С МАГНИТНОЙ ЗАЩЕЛКОЙ

ФИРМЫ «ТАВРИДА ЭЛЕКТРИК»

 

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

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

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

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

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

 

а)	б)

 

Рис. 1.5. Вакуумный выключатель:

а – внешний вид; б – схема устройства полюса:

1 – вакуумная дугогасительная камера; 2 – неподвижный контакт;

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

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

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

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

 

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

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

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

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

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

 

ВЫКЛЮЧАТЕЛИ ВАКУУМНЫЕ ТИПА ВБЭМ-10

 

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

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

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

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

 

Рис. 1.6. Выключатель вакуумный ВБЭМ-10

 

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

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

 

ВАКУУМНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ ВЫСОКОЙ КОММУТАЦИОННОЙ

СПОСОБНОСТИ ТИПА ВВЭ-(С)М-10-40

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

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

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

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

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

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

 

Таблица 1.1

Основные технические параметры

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

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

 

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

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

 

 

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

 

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

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

 

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

(ВВЭ-М-10-31,5/2000…3150):

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

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

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

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

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

 

 

 

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

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

 

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

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

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

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

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

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

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

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

 

 

 

Рис. 1.10. Работа выключателя и механизма свободного расцепления

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

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

 

 

 

Рис. 1.11. Принципиальная электрическая схема управления

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

 

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

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

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

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

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

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

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

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

Контрольные вопросы

 

1. Какие выключатели называют вакуумными?

2. Изложите основные технические данные вакуумных выключателей.

3. Расскажите о достоинствах вакуумных выключателей по сравнению

с масляными.

4. Расскажите о недостатках вакуумных выключателей.

5. Объясните устройство вакуумной дугогасительной камеры КДВ-10-1600-20.

6. Объясните устройство вакуумных выключателей ВВТЭ-10-10/630У2 и

ВВК-35Б20/1000У1.

7. Расскажите об устройстве вакуумного выключателя с магнитной защелкой.

8. Объясните принцип работы привода выключателя с магнитной защелкой.

9. Расскажите об устройстве и принципе работы выключателя ВБЭМ-10.

10. Расскажите об устройстве выключателя ВВЭ–(С)М-10-40, особенностях

управления выключателем данного типа.

11. Объясните устройство вакуумной дугогасительной камеры

(КДВХ4-10-40/3150) выключателя ВВЭ–(С)М-10-40.

12. Какие типы приводов используются для управления вакуумными выключателями? Опишите принцип работы любого привода на конкретном примере.

Тема № 2

 

---

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

УСТРОЙСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

Высоковольтные выключатели относятся к классу коммутационных устройств, использующихся в электрических сетях напряжением выше 1000 В.

Главным их отличием от других коммутационных аппаратов – разъединителей, отделителей, высоковольтных выключателей нагрузки, является способность разрывать электрические цепи при протекании аварийных сверхтоков.

Основу выключателя составляет его контактная система, особая конструкция которой и обеспечивает возможность коммутации токов большой величины вплоть до аварийных при номинальном напряжении сети, достигающем 1000 кВ и выше.

Примечание.

В 80-х годах прошлого века в рамках создания сверхмощного энергетического моста «Сибирь – Центр», а именно, для ЛЭП – 1150 кВ переменного тока «Экибастуз – Кокшетау» в Казахстане, НПО «Уралэлектротяжмаш» разработало и изготовило уникальные воздушные коммутаторы ВНВ-1150.

Проект в целом не оказался успешным, в настоящее время линия работает под напряжением 500 кВ, но, тем не менее, такое оборудование существует. Что касается электрических сетей постоянного тока, самая высоковольтная линия, соответственно и аппаратура, работающая на ней, имеет напряжение 1330 кВ. Линия находится в США и работает в сети «Pacific Intertie».

Назначение высоковольтных выключателей заключается в выполнения следующих функций:

• производство оперативных переключений с целью изменения схемы электрической сети;
• автоматическая коммутация в результате работы устройств релейной защиты и системной автоматики.

К основным техническим параметрам коммутационный приборов относятся:

• время его отключения;
• отключающая способность, выраженная максимальным значением разрываемого тока;
• время восстановления готовности привода высоковольтного выключателя к повторному включению.

Для проверки рабочих параметров коммутационных аппаратов осуществляются испытания высоковольтных выключателей с использованием специальных приборов контроля.

ТИПЫ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

Основной задачей высоковольтного прибора коммутации является гашение электрической дуги при отключении электрической нагрузки. Для успешного выполнения этой функции применяются различные технологические решения. Базовый принцип классификации высоковольтной коммутационной аппаратуры основан на применяемых способах решения этой задачи.

В соответствии с этим принципом приборы коммутации могут относиться к одному из следующих типов:

• масляные, главная контактная группа которых погружена в масло;
• воздушные, осуществляющие гашение дуги воздушным потоком;
• вакуумные, использующие электрическую прочность разрежённого газа;
• элегазовые, в которых применяется специальный электропрочный газ SF6.

МАСЛЯНЫЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

Существуют конструктивные разновидности аппаратов данного типа. Так, устройства, коммутация всех трёх фаз которых происходит в одном общем объёме, заполненном маслом, называются однобаковыми.

Такие конструкции характерны для масляных коммутаторов напряжением до 20 кВ. В другом, трёхбаковом варианте исполнения контакт каждой фазы находится в отдельной ёмкости с маслом.

Гашение дуги осуществляется благодаря изоляционным свойствам применяемого трансформаторного масла и особой конструкции контактов, создающих несколько разрывов в каждой фазе. Баковые конструкции характеризуются внушительными размерами масляных баков и большим объёмом заливаемого масла, которое кроме дугогашения играет роль основной изоляции.

Другая разновидность высоковольтных масляных аппаратов, представлена маломасляными или горшковыми моделями. Они более компактны и требуют значительно меньше масла, выполняющего исключительно дугогасительные функции. Роль основной изоляции играют твердотельные материалы – фарфор или полимеры.

К недостатку всех типов масляных коммутационных аппаратов следует отнести небольшой ресурс работы заливаемого масла, которое довольно быстро разлагается в процессе гашения электрической дуги.

Кроме этого, масло обладает гигроскопичностью, абсорбируя влагу из воздуха. В процессе эксплуатации требуется осуществление регулярного контроля качества масла путём проведения лабораторных анализов.

При отклонении рабочих характеристик масла от нормы необходимо производить процедуры его осушки, очистки и регенерации с использованием специализированного оборудования.

ВОЗДУШНЫЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

Применяются воздушные аппараты преимущественно в открытых распределительных устройствах (ОРУ) электрических подстанций. Связано это с их внушительными габаритами и необходимостью наличия компрессорного хозяйства с сетью воздуховодов высокого давления.

Воздушные приборы коммутации разделяются на два подтипа – аппараты с отделителем и без отделителя. В дугогасительной камере воздушных аппаратов первого подтипа располагаются основные контакты, разрывающие электрическую дугу.

В каждом из полюсов последовательно с дугогасительными контактами располагается отделитель – контакт, обеспечивающий разрыв полюса в отключенном положении.

При отключении привода воздушного аппарата открывается пневмоклапан, подающий воздух на приводные поршни дугогасительных контактов. Перемещение поршня вызывает их размыкание, а также открывает клапан, обеспечивающий поступление сжатой воздушной струи в дугогасительные камеры.

Создаваемое воздушное дутьё гасит дугу, после чего происходит разъединение контактов отделителя. После прекращения воздушной подачи дугогасительные контакты возвращаются в замкнутое состояние, и разрыв полюсов в отключенном положении обеспечивается только контактной группой отделителей.

В воздушных моделях без отделителей главная контактная группа выполняет функции как дугогашения, так и создания разрыва при отключении.

Воздушные приборы относятся к устаревшему виду коммутационного оборудования. В силу своих габаритов и потребности во вспомогательных системах они не вписываются в компоновку современных распределительных устройств.

ВАКУУМНЫЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

В основе конструкции вакуумных высоковольтных коммутаторов лежит идея использования разрежённой воздушной среды не склонной к ионизации, для гашения электрической дуги, которая возникает при разрыве токовой цепи.

При высокой степени разрежения количество вещества, находящегося в вакуумной камере выключателя настолько мало, что горение электрической дуги может поддерживаться только за счёт эмиссии электронов с поверхности металлических контактов.

В результате гашение дуги в вакуумной камере происходит в течение первого полупериода при прохождении значения переменного тока через ноль.

Ключевыми элементами вакуумных коммутационных аппаратов являются вакуумные камеры, представляющие собой неразборные узлы.

Необходимый уровень разрежения воздуха внутри вакуумной камеры создаётся на заводе при её изготовлении и не требует корректировки в процессе эксплуатации. Это обстоятельство делает вакуумный вид коммутационной аппаратуры привлекательным с точки зрения удобства в эксплуатации.

Вакуумная коммутационная аппаратура обладает целым рядом преимуществ, среди которых:

• малые габаритные размеры, позволяющие встраивать вакуумные выключатели в ячейки различного типа;
• низкие затраты на проведение технического обслуживания;
• высокая надёжность вакуумного оборудования;
• низкая степень пожароопасности.

ЭЛЕГАЗОВЫЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

Применение шестифтористой серы SF6, именуемой элегазом в качестве среды для гашения дуги позволило существенно уменьшить габариты дугогасительных камер и упростить конструкцию контактных групп элегазовых выключателей. Элегазовые коммутационные аппараты имеют баковую или колонковую конструкцию.

Элегазовая аппаратура наряду с вакуумной постоянно наращивает своё присутствие на рынке электротехнических устройств и относится к одному из самых перспективных направлений развития отрасли.

© 2012-2020 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Вакуумный выключатель — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

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

Вакуумный выключатель на 6-10 кВ

История создания

Первые разработки вакуумных выключателей были начаты в 30-е годы XX века, действующие модели могли отключать небольшие токи при напряжениях до 40 кВ. Достаточно мощные вакуумные выключатели в те годы так и не были созданы из-за несовершенства технологии изготовления вакуумной аппаратуры и, прежде всего, из-за возникших в то время технических трудностей по поддержанию глубокого вакуума в герметизированной камере.

Для создания надежно работающих вакуумных дугогасительных камер, способных отключать большие токи при высоком напряжении электрической сети, потребовалось выполнить обширную программу исследовательских работ. В ходе проведения этих работ примерно к 1957 г. были выявлены и научно объяснены основные физические процессы, происходящие при горении дуги в вакууме.

Переход от единичных опытных образцов вакуумных выключателей к их серийному промышленному производству занял ещё два десятилетия, поскольку потребовал проведения дополнительных интенсивных исследований и разработок, направленных, в частности, на отыскание эффективного способа предотвращения опасных коммутационных перенапряжений, возникавших из-за преждевременного обрыва тока до его естественного перехода через нуль, на решение сложных проблем, связанных с распределением напряжения и загрязнением внутренних поверхностей изоляционных деталей осаждавшимися на них парами металла, проблем экранирования и создания новых высоконадежных сильфонов и др.

В настоящее время в мире налажен промышленный выпуск высоконадежных быстродействующих вакуумных выключателей, способных отключать большие токи в электрических сетях среднего (6, 10, 35 кВ) и высокого напряжения (до 220 кВ включительно).

Принцип действия

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

Разновидности вакуумных выключателей

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

Достоинства и недостатки

Достоинства

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

Недостатки

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

Ссылки

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

Примечания

См. также

ВРС-10 / Вакуумные выключатели 6(10) кВ каталог

Выключатели типа ВРС-10 предназначены для работы в шкафах комплектных распределительных устройств внутренней установки серии КУ10С, производства Концерна «Высоковольтный союз» и КРУ других производителей.

Конструкция

Выключатели состоят из следующих основных частей: блок-контактов положения выключателя, указателя, блока коммутаций, тумблера разрядки конденсатора, платы управления, электромагнита, конденсатора, механизма ручного отключения, счетчика, трех полюсов, механизма блокировки, вала, рамы и клеммного ряда.

Каждый полюс выключателя состоит из тяги изоляционной с механизмом поджатия, токосъема в виде гибкой связи или скользящего контакта, нижнего и верхнего контактов, вакуумной дугогасительной камеры и изоляционного корпуса. Вакуумные камеры залиты эпоксидным компаундом, что надежно защищает от механических и электрических повреждений. На полюсах выключателей на номинальные токи 2500 и 3150А установлен радиатор охлаждения.

Основные технические параметры

Параметры	Значение параметра
Номинальное напряжение, кВ	10
Наибольшее рабочее напряжение, кВ	12
Номинальный ток, А	630; 1 000; 1 250; 1 600; 2 000; 2 500; 3 150; 4 000*
Номинальный ток отключения, кА	20; 31,5; 40
Ток термической стойкости , кА (3 с)	20; 31,5; 40
Ток электродинамической стойкости, кА	52; 80; 102
Полное время отключения, мс, не более	65
Собственное время включения, мс, не более	90; 120
Собственное время отключения, мс, не более	35–50
Механический ресурс, циклов ВО	30 000; 100 000
Коммутационный ресурс при номинальных токах, циклов ВО	30 000; 50 000; 10 000**
Коммутационный ресурс при номинальных токах отключения, циклов ВО	40; 50; 100
Масса, кг	112–225

* При принудительном охлаждении
** Выключатели на номинальный ток 4 000 А

Скачать общий каталог выключателей 10 кв можно здесь.

Высоковольтные выключатели: виды и применение

Содержание:

1. Классификация высоковольтных выключателей
2. Основные требования к высоковольтным выключателям
3. Баковые и маломасляные выключатели
4. Выключатели воздушные
5. Элегазовые высоковольтные выключатели
6. Выключатели вакуумного типа

С помощью высоковольтных выключателей выполняется оперативное включение и отключение оборудования энергетической системы, а также ее отдельные цепи в случае ручного или автоматического управления в аварийном или нормальном режиме. В конструкцию стандартного выключателя входит корпус, контактная система, токоведущие части, устройство для гашения дуги, приводной механизм.

Классификация высоковольтных выключателей

Все высоковольтные выключатели классифицируются по различным параметрам. В зависимости от способа гашения дуги, они могут быть автогазовыми и автопневматическими, вакуумными, воздушными, а также масляными и электромагнитными.

По своему назначению эти устройства классифицируются следующим образом:

• Сетевые. Используются в электрических цепях с напряжением 6 кВ и выше. Основной функцией является пропуск и коммутирование тока в обычных условиях или в ненормальной ситуации в течение установленного времени, например, при коротких замыканиях.
• Генераторные. Предназначены для работы с напряжением 6-20 кВ. Применяются в цепях электродвигателей с высокой мощностью, генераторов и других электрических машин. Пропускают и коммутируют ток не только в обычном рабочем режиме, но и в условиях пуска и коротких замыканий. Отличаются большим значением тока отключения, а номинальный ток может составлять до 10 тыс. ампер.
• Устройства для электротермических установок. Рассчитаны на значение напряжений от 6 до 220 кВ и применяются в цепях с крупными электротермическими установками. Как правило, это рудотермические, сталеплавильные и другие печи. Могут пропускать и коммутировать ток в различных эксплуатационных режимах.
• Выключатели нагрузки. Их основное назначение состоит в работе с обычными номинальными токами, они используются в сетях с напряжением от 3 до 10 кВ и осуществляют коммутацию незначительных нагрузок. Данные устройства не рассчитаны на разрыв сверхтоков.
• Реклоузеры. Подвесные секционные выключатели, управляемые дистанционно. Они снабжены защитой и предназначены для установки на опорах воздушных линий электропередачи.

Высоковольтный выключатель может устанавливаться разными способами. С соответствии с этим они бывают опорными, подвесными, настенными, выкатными. Кроме того, эти приборы могут встраиваться в КРУ – комплектные распределительные устройства.

Основные требования к высоковольтным выключателям

Все коммутирующие устройства, работающие с высокими токами, должны обладать следующими качествами:

• Быть надежными и безопасными для персонала и других лиц.
• Обладать быстродействием, затрачивая минимальное время на отключение.
• Простой монтаж и удобное дальнейшее обслуживание.
• Низкий уровень шума в процессе работы.
• Относительно небольшая стоимость, оптимальное соотношение цены и качества.

Наиболее распространенные конструкции высоковольтных выключателей следует рассмотреть более подробно.

Баковые и маломасляные выключатели

Оба устройства представляют собой масляные типы высоковольтных выключателей. Деионизация дуговых промежутков в каждом из них осуществляется одними и теми же методами. Они отличаются друг от друга лишь количеством используемого масла, а также способами, с помощью которых контактная система изолируется от заземленного основания.

Баковые устройства в настоящее время сняты с производства, поскольку у них имелись серьезные недостатки. Уровень масла в баке требовалось постоянно контролировать. Оно использовалось в большом объеме, из-за чего замена масла отнимала много времени. Эти приборы относились к категории взрыво- и пожароопасных и не могли устанавливаться внутри помещений.

На смену им пришли маломасляные или горшковые выключатели, рассчитанные на все виды напряжений. Они могут устанавливаться в любые распределительные устройства, как закрытого, так и открытого типа. Масло в данном случае выступает прежде всего в качестве дугогасящей среды и лишь частично выполняет функции изоляции между разомкнутыми контактами.

Токоведущие части изолируются между собой с помощью фарфора и других твердых изолирующих материалов. Выключатели для внутренней установки оборудованы контактами, помещенными в стальной бачок или горшок. Эта конструктивная особенность дала название всему устройству. В зависимости от модели, приводы высоковольтных выключателей могут различаться между собой.

Приборы, рассчитанные на работу при напряжении 35 кВ, помещаются в фарфоровом корпусе. Наибольшее распространение получили подвесные устройства ВМГ-10 и ВМП-10 на 6-10 кВ. У них крепление корпуса осуществляется с помощью фарфоровых изоляторов к основанию, общему для всех полюсов. В свою очередь, каждый полюс оборудуется одним разрывом контактов и камерой для гашения дуги.

При работе с большими номинальными токами недостаточно одной пары контактов, которые одновременно являются рабочими и дугогасительными. Поэтому снаружи выключателя отдельно устанавливаются рабочие контакты, а внутри металлического бачка – дугогасительные.

Маломасляные выключатели используются в закрытых распределительных устройствах на подстанциях и электростанциях напряжением 6, 10, 20, 35 и 110 кВ. Кроме того, они устанавливаются в комплектных и открытых распределительных устройствах.

Выключатели воздушные

Для гашения дуги в выключателях воздушного типа используется сжатый воздух под давлением 2-4 Мпа. Дугогасительное устройство и токоведущие части изолируются с помощью фарфора и других аналогичных материалов. Воздушные выключатели конструктивно различаются между собой в зависимости от таких факторов, как номинальное напряжение, способ подачи сжатого воздуха и других.

Устройства высокого номинального тока, аналогично маломасляным выключателям, оборудованы главным и дугогасительным контурами. При включении основной ток попадает на главные контакты, расположенные открыто. После отключения они размыкаются первыми и далее ток попадает уже на дугогасительные контакты, расположенные в другой камере. Непосредственно перед их размыканием из резервуара в камеру осуществляется подача сжатого воздуха, гасящего дугу, в продольном или поперечном направлении.

В отключенном положении между контактами создается изоляционный зазор необходимых размеров. С этой целью контакты разводятся на достаточное расстояние. Выключатели для внутренней установки рассчитаны на ток до 20 тыс. ампер и напряжение 10-15 кВ. Они имеют отделитель открытого типа, после отключения которого сжатый воздух перестает поступать в камеры и происходит замыкание дугогасительных контактов.

Типовая конструктивная схема воздушного выключателя состоит из дугогасительной камеры, резервуара со сжатым воздухом, главных контактов, шунтирующего резистора, отделителя и емкостного делителя напряжения на 110 кВ, обеспечивающего два разрыва на фазу. В выключателях открытой установки, рассчитанных на напряжение 35 кВ, вполне достаточно одного разрыва на фазу.

Элегазовые высоковольтные выключатели

Элегазом называется смесь серы и фтора в определенной пропорции. В результате образуется инертный газ с плотностью выше чем у воздуха примерно в 5 раз и электрической прочностью в 2-3 раза больше воздушной.

Данный вид выключателей, используя элегаз, способен погасить дугу, ток которой примерно в 100 раз выше тока, отключаемого в обычном воздухе, в тех же самых условиях. Такая способность объясняется возможностями молекул улавливать электроны, находящиеся в дуговом столбе, с одновременным созданием относительно неподвижных отрицательных ионов. При потере электронов дуга становится неустойчивой и очень легко гаснет. Если элегаз подается под давлением, то электроны из дуги поглощаются еще быстрее.

Конструкция элегазового выключателя включает в себя корпус с тремя полюсами, наполненный элегазом. Внутри создается низкое избыточное давление в пределах 1,5 атмосфер. Сюда же входит механический привод и передняя панель привода, где находится рукоятка ручного взвода пружин. Устройство дополнено высоковольтными силовыми контактными площадками и разъемом для подключения вторичных коммутационных цепей.

Выключатели вакуумного типа

Вакуум обладает электрической прочностью, многократно превышающей этот показатель у масла, элегаза и других сред, используемых в высоковольтных выключателях. Здесь увеличивается средний свободный пробег электронов, молекул, атомов и ионов при снижении давления.

Вакуумная камера включает в себя подвижный и неподвижный контакты, помещенные в плотную оболочку из керамического или стеклянного изоляционного материала. Сверху и снизу установлены металлические крышки и общий металлический экран. Подвижный контакт перемещается относительно неподвижного контакта с помощью специального сильфона. К выводам камеры подключается главная токоведущая цепь выключателя.

Вакуумный выключатель работает в следующем порядке.

• В исходном положении контакты находятся разомкнутыми, поскольку на них через тяговый изолятор воздействует отключающая пружина.
• Под действием приложенного к катушке электромагнита напряжения со знаком «плюс», в зазоре магнитной системы происходит нарастание магнитного потока.
• Поток воздействует на якорь с силой, превышающей усилие отключающей пружины, после чего начинается движение якоря вверх совместно с тяговым изолятором и подвижным контактом вакуумной камеры.
• Пружина отключения сжимается, в катушке возникает противо-ЭДС, снижающая ток и препятствующая его дальнейшему нарастанию.

Высокая скорость движения якоря исключает появление пробоев и шума работы контактов. Когда контакты замыкаются, якорь резко замедляет движение, поскольку на него начинает действовать пружина дополнительного поджатия контактов. Однако, по инерции он все равно двигается вверх, сжимая пружины отключения и дополнительного поджатия контактов. Чтобы отключить устройство к выводам катушки прикладывается напряжение с отрицательной полярностью.