Вакуумный выключатель, что это такое, принцип действия и назначения

Что это такое и для чего нужно

Назначение этих обменных единиц следующее:

• Обеспечить надежное соединение электрической цепи в рабочем и аварийном режимах в кратчайшие сроки.
• Исключение аварийного закрытия ВЛ за счет возможности автоматического повторного включения.

Разработка первых образцов началась в 30-х годах прошлого века. В то время не существовало совершенных технологических решений для создания оборудования, способного поддерживать глубокий вакуум. Поэтому первые образцы коммутационных аппаратов позволяли отключать только меньшие токи при напряжении до 40 кВ.

После обширной исследовательской работы удалось в 1957 году объяснить процессы, происходящие при возникновении электрической дуги в устаревшем газе. Дальнейшие усилия исследователей в течение 20 лет были направлены на поиск способов предотвращения возникновения перенапряжений, альтернатив предотвращения загрязнения внутренних частей дуги металлическими частицами, проблем герметичности и методов экранирования.

Результатом работы исследователей стало создание вакуумных выключателей – высоковольтных выключателей, способных работать в сетях трехфазного переменного тока. Диапазон напряжений, в котором применяются такие выключатели, охватывает электроустановки как до 1000 В, так и до 220 кВ.

Как действует высоковольтный вакуумный коммутатор?

В основе функциональности вакуумных камер, используемых в конструкции автоматических выключателей, лежат физические свойства газа в разряженном состоянии. В таких условиях свойство газа, характеризуемое как электрическая прочность, существенно изменяется в сторону увеличения.

Этот эффект сильно состарившейся среды (от 10-6 до 10-8 Н/см2) успешно используется в конструкции выключателей, дополненных газовакуумными камерами, через которые проходят электрические контактные группы.

Одной из моделей вакуумного выключателя является устройство, используемое для работы электрических сетей. Устройство считается более современным и надежным по сравнению с аналогичными устройствами, но другого типа исполнения

Ток, протекающий через контактные группы (в момент размыкания контакта), образует электрический разряд — дугу. Горение дуги происходит за счет частичной ионизации паров металла, неизбежно образующихся от высоких температур. Прохождение тока между контактами через образовавшуюся плазму сохраняется до тех пор, пока ток не пойдет на нейтральную шину.

Как только наступает момент перехода через «ноль», электрическая дуга гаснет. Общий процесс занимает не более 7-10 микросекунд.

Зачем нужен вакуумный выключатель

Десятки тысяч ампер и выше — такие значения не являются чем-то необычным для высоковольтных установок. Требования по электробезопасности здесь высоки как нигде – ведь в аварийных ситуациях возможны повреждения дорогостоящего и ответственного оборудования и травмы людей. Вакуумные выключатели применяют в качестве коммутационных аппаратов в цепях напряжением 6 кВ и более для нормального режима работы или быстрого аварийного режима.

Устройства предназначены для:

• Выдерживать ток короткого замыкания в течение короткого времени.
• Обеспечить быструю и надежную коммутацию силовых цепей.

Принцип действия

Механизм гашения дуги в вакуумных выключателях основан на высокой диэлектрической прочности и улучшенных диэлектрических свойствах вакуума. В момент размыкания контакта в вакуумном промежутке возникает электрическая дуга, которая поддерживается за счет испарения металла с поверхности контакта. При переходе тока через ноль дуга гасится и диэлектрические свойства вакуумного промежутка восстанавливаются, а дуга между разомкнутыми контактами больше не возникает. Благодаря высокой электрической прочности вакуума дугу можно погасить до прохождения тока через ноль, это явление называется клиппингом тока. Отключение электроэнергии негативно влияет на сеть, так как вызывает коммутационные перенапряжения, которые могут достигать огромных значений.

Особенности применения и эксплуатации

Вакуумные выключатели изначально проектировались как блоки, используемые только в распределительных шкафах (комплектных распределительных устройствах). В настоящее время они также используются для открытых систем коммутации (ОРУ). Современный высоковольтный вакуумный выключатель — это быстродействующий выключатель нового поколения, рассчитанный на более длительный срок службы, чем его предшественники, с гасящим дугу агентом с масляной или газовой изоляцией. Статистически говоря, доля их использования в электроустановках выше 1000 вольт неуклонно растет.

Китайские энергетики уже полностью отказались от устаревших масленок и полностью перешли на вакуумные прерыватели, более компактные и не требующие частого обслуживания. Вакуумный переключатель довольно неприхотлив и не требует регулярной чистки контактов и замены масла, которое часто довольно обильно течет из бачков. По паспортным данным срок службы вакуумных прерывателей составляет примерно 20 лет.

В процессе эксплуатации может выйти из строя рабочий механизм, а необходимо подавать питание на какой-то важный механизм в производственной цепочке, поэтому все автоматические выключатели должны быть оснащены ручным механизмом взведения пружины. А также обязательно наличие аварийной кнопки отключения механизмов блокировки развертывания во включенном состоянии. Это безопасность персонала, поэтому этот момент очень важен.

Читайте также: Гирлянда на батарейках: новогодние светодиодные модели в виде бахромы и капелек, беспроводные варианты из лампочек

Устройство выключателей вакуумного исполнения

Ассортимент вакуумных прерывателей, учитывая их конструкцию, достаточно велик. Поэтому сложно охарактеризовать эти единицы в целом. При этом, несмотря на конструктивные различия, принцип работы остается неизменным. Рассмотрим для общего ознакомления трехполюсный вакуумный выключатель, снабженный пружинным приводом. Этот прибор предназначен для установки внутри или снаружи помещений. В любом случае монтаж осуществляется в специальные металлические распределительные коробки.

Субъекты могут обслуживаться в различных сферах народного хозяйства. Однако существуют некоторые ограничения.

Так вакуумные прерыватели не предназначены для установки с последующей эксплуатацией при следующих условиях:

• помещения, в которых присутствует пожар, взрывоопасная среда;
• установки, конструктивно предусматривающие частые переключения;
• установки мобильного (передвижного) типа;
• энергосистемы для морских и речных судов.

Вакуумные прерыватели обычно имеют два типа конструкции:

1. Для стационарной установки.
2. Для монтажа с помощью тележки для оборудования.

Вне зависимости от версии, корпус устройства содержит три стойки, оснащенные дужками.

Подвижные контакторы работают внутри вакуумных камер, приводимые в действие пружинным моторным механизмом. Корпус устройства дополнен передней панелью, на которой размещены элементы индикации и блоки управления.

Три полюса главной цепи выполнены в виде колонн. Расположение тяг обычно сзади шасси пружинного моторного привода. Каждый стержень комплектуется дугогасительной камерой, заключенной в полимерный изолятор. Для повышения электрической прочности корпус изолятора имеет ребристую форму.

Внутри каждой вакуумной камеры смонтирована контактная группа из двух элементов — подвижного и неподвижного. Подвижный контактный элемент соединен с переключающим механизмом через натяжной изолятор. Далее связь с нижним контактным выходом. А неподвижный контакт соединяется через коническую посадку с верхним контактным выводом устройства.

Как работает привод выключателя?

Подвижные контакты вакуумных камер механически связаны с валом привода пружинного двигателя. Благодаря силовой пружине, предварительно взведенной (установленной в состояние натяжения), привод можно легко привести в действие нажатием кнопки управления или другого механизма.

Взвод пружины (обычно две пружины) осуществляется с помощью цепной передачи. Нормальный режим работы оборудования предусматривает взведение пружины посредством электродвигателя, снабженного редуктором. При этом имеется ручная рукоятка натяжения, которая используется в случае аварий или потери мощности.

Натянутая пружина фиксируется спусковым механизмом. Этот механизм управляется через электромагнитный привод или через кнопку включения. Как только активирован режим активации, защелка освобождается, сила натяжения пружины приводит в движение кулачковый механизм. Он, в свою очередь, воздействует на вал, механически связанный с механизмом переключения подвижных контактов вакуумных камер.

Операция по размыканию вакуумного прерывателя выполняется активацией режима «Отключено» — электромагнитом или кнопкой. Последовательность действий почти аналогична первому режиму. Также задействованы пружины усилия спуска, состояние которых задается спусковым крючком.

Панель управления обеспечивает простоту использования и контроля над работой устройства. На лицевой стороне панели расположены элементы: счетчик числа циклов, индикатор состояния натяжной пружины, индикатор состояния вакуумного выключателя.

Особенности выкатных конструкций

Выдвижное оборудование собирается на базе специальной тележки. С помощью этого аксессуара автоматический выключатель размещается в шкафу или вне его.

Тележка для оборудования служит не только для транспортировки устройства, но и действует как контроллер для перевода устройства в тестовый или рабочий режим, как только переключатель вставлен в шкаф.

Вакуумный выключатель крепится непосредственно к подвижной части тележки. Крепление осуществляется болтовыми соединениями. Между тем, аппаратная тележка также имеет неподвижную часть, где закреплен приводной механизм подвижной части. Перемещение подвижного модуля относительно неподвижного осуществляется винтом на рукоятке управления каретки.

Подвижная часть представляет собой металлическую основу на четырех колесах, обработанную гальваническим покрытием. Здесь имеется внешняя механическая блокировка (толкатель) заземлителя, фиксатор приводного винта, вспомогательные контакты, механизм блокировки выключателя и другие элементы, обеспечивающие перемещение или фиксацию.

Установка и подключение прибора

Прежде чем приступить к установке вакуумного прерывателя, необходимо осмотреть все внешне доступные элементы, чтобы убедиться в отсутствии повреждений и дефектов. Затем изолирующие поверхности стоек очищают сухой безворсовой тканью.

Не допускается ввод оборудования в систему при наличии сколов, трещин, деформированных участков на поверхностях изоляции. Обязательно проверьте расположение вторичных цепей, а также подключение кузовной шины.

Проверяет установленное устройство. Здесь важно тщательно проверить каждую деталь, каждый элемент крепления. Высоковольтные устройства не прощают даже малейшей ошибки

Перед установкой следует проверить работу выключателя, включив его вручную (холостой ход без питания) и убедившись, что индикаторы панели управления находятся в правильном положении. Далее необходимо проверить наличие чехлов штока. Если используется оборудование мощностью 1600А и выше, перед установкой необходимо снять защитные кожухи.

Подключение непосредственно в сеть

Зажимы контактных наконечников жил силовых кабелей должны быть зачищены перед подключением к зажимам выключателя.

Процедура снятия изоляции зависит от используемого материала клемм:

• Для медных и алюминиевых выводов без дополнительного покрытия зачистку производят наждачной бумагой зернистостью М20 и менее с последующим обезжириванием поверхности металла.
• Если медные или алюминиевые клеммы покрыты слоем серебра, достаточно протереть их безворсовой тканью.

Недопустимо использование кабелей, если серебряное покрытие на клеммах повреждено на площади более 5%. В этом случае поврежденный элемент подлежит замене. Подробнее о зажимах для соединения кабелей вы можете прочитать в этом материале.

Внешние проводники присоединяют к зажимам вакуумного выключателя таким образом, чтобы на зажимах аппарата со стороны внешних проводников не образовывались механические усилия. Соединения выполняются с помощью болтового крепления с плоскими упругими металлическими шайбами.

Как производится заземление?

Стационарные устройства подключаются к месту «заземления» с помощью болтового соединения (М12) непосредственно в точке с пометкой «Заземление».

Конструктивные элементы аппаратной тележки и шасси выключателя, через которые осуществляется заземление устройства. Как правило, эти точки отмечаются соответствующим знаком рядом с элементом

Место контакта «Земля» перед подключением необходимо обезжирить. Заземлителем должна быть шина достаточного сечения (правила устройства электроустановок), гибкий провод или плетеная жила. Смажьте контактные поверхности специальной смазкой (ЦИАТИМ-203) перед укладкой проводника на контактную площадку).

Раздвижная конструкция заземляется с помощью элементов аппаратной тележки. Заземление вакуумного прерывателя осуществляется через конструкцию аппаратной тележки, для которой также предусмотрены крепления.

Ввод устройства в эксплуатацию

Установка вводится в эксплуатацию после дополнительной проверки установленного и подготовленного оборудования. В частности, проверяют надежность заземления, состояние креплений узлов сборки и доступ теплоносителя к потенциально нагревающимся элементам.

Поверхности токоведущих стержней, соприкасающиеся с ламелями контактных групп гнезда, необходимо обработать небольшим количеством смазки ЦИАТИМ. В целом необходимо соблюдать все процедуры, указанные в ПЭС при приемо-сдаточных испытаниях, и следить за тем, чтобы величина рабочего напряжения находилась в допустимых пределах.

Установите вакуумный прерыватель. Монтажные работы выполняются только квалифицированным персоналом. Те же требования распространяются на персонал, отобранный для работы с высоковольтным оборудованием

Вакуумный выключатель может обслуживать персонал, допущенный к обслуживанию электроустановок, работающих при напряжении выше 1000 вольт. Разрешенная группа доступа для компаньонов должна быть не ниже третьей. Перед началом работы с оборудованием персонал проходит технический минимум для изучения сложностей конкретной модели оборудования.

Как выбрать вакуумный выключатель?

Устройство выбирают с учетом его номинальных параметров, которые оцениваются по отношению к параметрам действующей сети в месте установки. Выбор производится по критерию максимально нагруженных режимов работы, принятых для условий эксплуатации.

Допускается, чтобы номинальное напряжение вакуумного выключателя было равным (или повышенным) по отношению к номинальному напряжению системы, питаемой через выключатель.

Параметр номинального долговременного тока выбирается выше номинального значения тока питаемой системы. Параметр номинального тока отсечки выбирается выше максимального значения номинального тока короткого замыкания (учитывается момент расхождения контактов).

Паспортная табличка – это первое, на что обращают внимание при выборе автоматического выключателя. По значениям параметров уже можно решить, подходит устройство для конкретной установки или нет

С точки зрения возможных условий короткого замыкания выбор делается с учетом наиболее тяжелых режимов.

Апериодический член рассчитывается с учетом условий короткого замыкания при нулевом напряжении в какой-то из фазных линий. При этом необходимо учитывать параметр апериодического тока, указанный производителем оборудования.

Конструктивные особенности

Каждый высоковольтный вакуумный выключатель имеет свои характеристики и конструктивные особенности, так как применяется в сетях с разным напряжением и током. Также разные производители вносят свои индивидуальные коррективы в устройство и конструкцию своей продукции. Но основные элементы остаются прежними.

Основными элементами конструкции вакуумного прерывателя являются:

1. Корпус из прочного металлического материала, внутри которого установлена ​​станция включения и выключения, в данном случае она подпружинена;
2. Три полюса токоведущих частей, которые предназначены для подключения к сети и отключения от нее при работе в контрольном, рабочем и насосном положениях;
3. Литой диэлектрический корпус, содержащий силикон и эпоксидную смолу, с вакуумной дугогасительной камерой;
4. Тележка для перемещения внутри ячейки выключателя, этот механизм часто отличается у разных производителей.

Основная высоковольтная электрическая часть разделена по фазам и содержит следующие элементы:

1. Верхний ведущий терминал;
2. Арочный вал, содержащий вакуум;
3. Диэлектрический корпус полюса;
4. Подвижная часть контактной системы;
5. Нижняя исходящая ведущая клемма;
6. Гибкий элемент в токоведущей шине;
7. Специальный стержень, оснащенный прочным изолятором.

В свою очередь сама дуга тоже очень важный, хотя и неразборный элемент; часто в случае выхода из строя их не ремонтируют, а заменяют новыми.

Вот основные части и механизмы:

1. Выход стационарного разъема питания;
2. Фиксированная розетка;
3. Подвижный разъем питания;
4. Экранирующий механизм, уменьшающий помехи при переключении;
5. Керамический изолирующий корпус;
6. Сильфоны, сохраняющие герметичность при движении контакта;
7. Вывод подвижного элемента в контактную систему.

Переключатель управляется локально или извне. В аварийном режиме он отключается от релейной защиты или от аварийной автоматики (подается питание на отключающий электромагнит и размыкаются токоведущие контакты). В настоящее время некоторые производители выпускают высоковольтные выключатели в комплекте с релейной защитой и противоаварийной автоматикой, такое устройство называется реклоузером.

Преимущества и недостатки

Как и любой механизм или устройство, этот выключатель также имеет свои положительные и отрицательные стороны, и очень важно понимать их при выборе.

Преимущества

• Простая конструкция и установка в ячейках после вывода из эксплуатации устаревших выключателей;
• Легкий ремонт, если камера не работает, ее нужно немедленно заменить;
• Возможность работать не только в горизонтальном положении;
• Надежность на протяжении всего длительного срока службы;
• Хорошая износостойкость переключателя;
• Компактный небольшой размер и вес;
• Низкая пожароопасность;
• Не загрязняет окружающую среду;
• Низкие затраты на обслуживание и ремонт.

Ошибка

• Малый ресурс при токах короткого замыкания;
• Есть возможность переключения перенапряжения;
• Достаточно высокая стоимость как всего устройства, так и комплектующих.

Правила выбора и монтажа

Выключатель выбирается исходя из его технических характеристик. Они учитывают эксплуатационные параметры уже существующих схем электрических сетей. Выбор делается исходя из максимальной производительности режимов работы сети.

Номинальное напряжение должно быть равно или больше номинального напряжения электрической сети. Выбор по длительному рабочему току делается исходя из максимально возможных параметров. Установки защиты будут обоснованы расчетами работы в наиболее жестких условиях.

Монтаж вакуумного прерывателя производят в соответствии со всеми требованиями, указанными в нормативно-технической документации, с учетом организационно-технических мероприятий по обеспечению безопасности работ.

Перед началом монтажа автоматического выключателя необходимо убедиться в комплектности и отсутствии дефектов внешним осмотром. При наличии сколов или трещин на поверхности изоляторов установка оборудования не допускается.

После проверки внешние поверхности протираются безворсовой тканью. При этом особое внимание уделяется очистке изоляции полюсов выключателя. Перед установкой узла переключателя проверьте работу и целостность цепи вторичной цепи, включив и выключив переключатель.

Особенности выбора

Чтобы правильно выбрать этот тип высоковольтного выключателя, в соответствии с местными условиями работы и спецификой оборудования, стоит учитывать следующие критерии:

• Номинальное напряжение;
• Динамическая устойчивость;
• Параметры систем управления;
• Номинальный ток в рабочем режиме и режиме короткого замыкания;
• Частота включения и выключения;
• Климатические характеристики; скорость срабатывания выключателя ;
• Периодичность профилактических ремонтов и осмотров в электроустановках без дежурного местного персонала является очень важным аспектом;
• Износостойкость при коротких замыканиях;
• Размеры и размер вакуумной установки.

Самые распространённые модели

Вот некоторые из наиболее распространенных моделей ВВЭ-М-10-20, ВВЭ-М-10-40, ВВТЭ-М-10-20, а на рисунке показана их расшифровка и структура условных обозначений, т.к модели могут содержать до 10-12 букв и цифр. Почти все они являются заменой устаревшим масляным выключателям и могут работать как для коммутации цепей переменного, так и постоянного тока.

наладка, монтаж и пуско-наладка высоковольтных вакуумных выключателей – кропотливый процесс, от которого напрямую зависит вся дальнейшая работа системы электроснабжения, а также всех элементов и оборудования, связанных с ними, поэтому все работы лучше возложить на плечи квалифицированного электротехнического персонала. Управление вакуумным выключателем должно осуществляться четко и по определенным командам, от этого зависит жизнь и здоровье людей, работающих на механизированном оборудовании.

Как осуществляется эксплуатация устройства?

После ввода в эксплуатацию вакуумный выключатель обязательно проходит периодические осмотры и испытания – текущий и капитальный ремонт, профессиональный контроль, осмотр. Что установлено правилами технической эксплуатации, а также заводскими инструкциями.

Помимо регламентных работ, узел выключателя может быть отключен от аварийных нагрузок, что может значительно повредить рабочую поверхность контактов. Поэтому после эксплуатации в аварийном режиме обслуживающий персонал обязан провести внеплановый осмотр блока выключателя на предмет выявления прогаров, оплавлений, мест выброса металла и других дефектов, свидетельствующих о возможном снижении электропроводности или изоляционных свойств, марок и т.д. Результаты осмотров вакуумного выключателя после аварийной остановки должны быть зафиксированы в соответствующем журнале.

Особенности контроля и управления вакуумными выключателями?

Управление может осуществляться как дистанционно, так и вручную. Все коммутационные операции выполняются через блок управления, который обрабатывает команды и передает их на станцию ​​блока. Универсальная электромагнитная станция позволяет удерживать рабочие контакты в заданном положении. Все современные модели оснащены магнитным замком, обеспечивающим четкую фиксацию положения вне зависимости от удобства его использования.

Информация о работе блока коммутации отображается на блоке управления или передается по сети управления на пульт оперативного персонала. Поэтому функции управления могут выполняться путем отправки персонала через систему телемеханики, где все команды передаются через оперативные потоки и не требуют личного присутствия.

Ручное отключение влияет на станцию ​​напрямую, но требует личного присутствия рабочих возле шкафа или выдвижного шкафа.

Основные технические характеристики

Ассортимент выпускаемых вакуумных переключателей разнообразен. Выбирая подходящую модель в соответствии с местными условиями, обратите внимание на важнейшие технические характеристики:

• Класс напряжения.
• Номинальный рабочий ток и ток короткого замыкания.
• Динамическая и термическая стабильность.
• Обменный ресурс.
• Тип исполнения.
• Климатические представления.
• Совместимость систем управления.
• Скорость отклика.
• Габаритные размеры и масса выключателя.