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

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.

Назначение

Вакуумные выключатели предназначены для коммутации электрических цепей при нормальных и аварийных ситуациях в сетях трехфазного переменного тока (частота 50 Гц) на номинальное напряжение до 10 кВ с изолированной, компенсированной, заземленной через резистор или дуговой реактор нейтралью для установки в новых и реконструируемых распределительных устройствах станций, подстанций и других объектов, распределяющих и потребляющих электрическую энергию во всех отраслях народного хозяйства, включая нефтегазодобывающую и перерабатывающую, нефтехимическую, химическую, горнодобывающую и другие отрасли промышленности.

Устройство и принцип действия

Вакуумные выключатели предназначены для коммутационных операций в сетях электроснабжения высокого напряжения. Конструктивно вакуумный выключатель состоит из трех отдельных полюсов или колонн (по одной на каждую фазу).

Все колонны монтируются на один привод с помощью опорного изолятора из полимера, фарфора или текстолита. Каждый из них имеет по два выхода для подключения шинопровода. Устройство состоит из двух контактов, подключенных к соответствующим потенциалам полюсов.

Один из них подвижный, а другой стационарный, как и в других типах выключателей. Силовые контакты вакуумного прерывателя расположены внутри герметичной камеры, способной длительное время поддерживать вакуум. Для чего в состав камеры входят специальные металлические сплавы и керамические добавки.

Для постоянного поддержания состояния высокозастоявшейся газовой среды внутри вакуумной камеры устройство снабжено сильфонным элементом. Это исключает возможность проникновения воздуха или другого газа в вакуумную камеру.

Принцип гашения электрической дуги

При нарушении контактов между поверхностями происходит ионизация помещения. Вакуумные переключатели используют другую технологию, чем воздушные и масляные переключатели. Основной принцип основан на том, что в идеальном вакууме нет вещества, способного испускать заряженные частицы.

Поэтому в момент разъединения контактов из-за разности потенциалов единственным источником ионизации является пара горячего металла. Они продолжают двигаться между контактными поверхностями, но при переходе синусоиды электрического тока через нуль заряженные частицы теряют энергию на ионизацию и движение, а их место занимает пустое пространство высокой электрической плотности и дуга разрывается.

Ионы металлов связаны с ближайшей поверхностью – контактами или стенками камеры. Такой принцип работы позволяет сократить время гашения дуги и дает ряд преимуществ по сравнению с другими типами КРУ.

Однако чрезмерные коммутационные перенапряжения могут привести к деформации поверхности, что будет препятствовать нормальному замыканию контактов, увеличивать контактное сопротивление и вызывать перегрев внутри вакуумной камеры.

Преимущества и недостатки вакуумных выключателей

Преимущества:

• Небольшие габариты по сравнению с масляными и воздушными выключателями.
• Возможность быстрой замены, особенно в выдвижных ячейках.
• Относительно низкий уровень шума.
• Экологичность.
• Не требуют периодической компенсации уровня рабочей среды, сводят объем работ по техническому обслуживанию к минимуму.
• Высокая надежность.

Недостатки:

• Возникновение перенапряжения при отключении малых индуктивных токов.
• Небольшой коммутационный ресурс для отключения аварийных токов.

Особенности эксплуатации

Несмотря на неприхотливость автоматических выключателей от 6 до 35 кВ, ревизию и техническое обслуживание следует проводить не реже одного раза в 4 года.

Общие рекомендации включают:

• Необходимость периодически проверять скорость отклика;
• Используется для установки розеток;
• Необходимость проверки исправности после скачков напряжения;
• При поломке в первую очередь проверяют состояние контактов и кабелей.

Особенности выбора

В связи с высоким спросом на этот тип выключателей их производство налажено большим количеством независимых компаний. Это порождает разницу в конструкции, технических характеристиках, а потому вынуждает использовать определенные критерии выбора:

• Напряжение, мощность, сопротивление.
• Значения токов срабатывания, динамическая устойчивость.
• Номинальный тепловой импульс сети.
• Принцип работы встроенного микропроцессора.
• Значения входных/выходных сигналов.

Сферы применения вакуумных выключателей

• В распределительных электроустановках электростанций и сетевых станций.
• В металлургии для привода печных трансформаторов, питающих сталеплавильное оборудование.
• В нефтегазовой и химической промышленности на перегрузочных пунктах, узлах присоединения и трансформаторных подстанциях.
• Для работы первичных и вторичных цепей тяговых станций на железнодорожном транспорте обеспечивает питание вспомогательного оборудования и нетяговых потребителей.
• В горнодобывающей промышленности для привода комбайнов, экскаваторов и другой тяжелой техники от комплектных подстанций.

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.

Область применения

Эксплуатация вакуумных выключателей необходима в различных отраслях промышленности, где работают электрические системы высокого напряжения. Они установлены в:

• Распределительные станции.
• В плавильных металлургических цехах.
• В трансформаторах в нефтегазовой и химической промышленности.
• Об электрических системах железнодорожного транспорта.
• В шахтах и ​​шахтах.

Но бывают случаи, когда их использование запрещено. Это:

• Помещения с повышенной взрыво- и пожароопасностью.
• Мобильные конструкции.
• Системы электроснабжения водного транспорта.
• Установки с частым переключением.

Принцип действия

Для гашения дуги между контактами выключателя используется среда сильно сжатого газа — технический вакуум. Благодаря тому, что электрическая прочность вакуума во много десятков раз выше, чем у любого другого газа, появилась возможность изготовления быстродействующих коммутационных устройств малых габаритов.

Рассмотрим подробнее принцип гашения дуги. В момент размыкания контактов в вакууме между ними возникает электрический разряд, который поддерживается испарением металла с поверхности. В этом случае проводником электрического тока является плазма.

Так как переменный электрический ток изменяется во времени не только по величине, но и по направлению, то при переходе синусоиды через нуль электрическая дуга гаснет. Частицы металла между контактами на короткое время (от 7 до 10 мкс) оседают на контактах и ​​стенках камеры. Это приводит к восстановлению электрической прочности пространства между контактами.

Читайте также: Люксметр: что измеряет, принцип работы, типы, какой выбрать

Устройство и конструктивные особенности

Помимо дуги с контактами в конструкцию полюса вакуумного выключателя входят станция и тяговый изолятор. Сильфон используется для поддержания вакуума внутри дуговой камеры. Он не позволяет проникать другим газам при движении контакта.

Один из контактов неподвижный, другой подвижный. Он получает движение через натяжной изолятор с помощью электромагнитного привода. Меняя полярность постоянного тока, подаваемого на электромагнит, можно размыкать или замыкать контакты. Постоянный круглый магнит используется для удержания частей привода в выбранном положении.

Для обеспечения оптимальной скорости якоря и снижения контактного сопротивления контактов используется пружинная система. Механизм работы выключателя собран в одном корпусе, который также включает в себя кинематические и электрические схемы контроля и управления работой. Выключатель имеет три полюса, которые отделены друг от друга.

Управление выключателем осуществляется через блок управления, который вынесен на отдельный щит (шкаф) или расположен в корпусе выключателя. Блок управления может быть микропроцессорным или работать на электромеханических реле.

Характерной конструктивной особенностью вакуумных выключателей является длительный срок службы (около 20 лет).

Ресурс активации и деактивации контактов не менее 20 000 операций. В течение всего срока службы автоматический выключатель не требует сложного обслуживания. Дугогасительная камера не подлежит ремонту и замене при необходимости на новую. Конструкция преобразователя частоты позволяет включать и выключать автоматический выключатель вручную.

По конструкции вакуумные выключатели выпускаются для установки как в закрытые выключатели, так и в открытые. Вакуумные выключатели, предназначенные для установки в закрытые коммутационные аппараты, могут быть выдвижными или стационарными. В этом случае их отделяют от токоведущих частей видимым разрывом, осуществляемым с помощью линейных и шинных разделителей.

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 в систему оборудования 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 приводных стержней, соприкасающиеся с ламелями гнездовых групп, 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 части фазных линий. При этом необходимо учитывать параметр апериодического тока, указанный производителем оборудования.

Распространённые модели

Впервые промышленные образцы вакуумных выключателей стали появляться в США, Германии и Великобритании в 60-х годах прошлого века. Их производили General Electric и Siemens. В нашей стране промышленное производство таких выключателей началось в 1980 году.

В числе первых промышленных образцов был введен в эксплуатацию вакуумный выключатель ВВВ-10-2/320. Он был рассчитан на отключающие токи до 2000 А и номинальный ток 320 А. Рабочее напряжение составляло 10 000 В.

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

Компания «Таврида Электрик» специализируется на разработке и производстве вакуумных распределительных устройств напряжением до 35 кВ. Наиболее популярными моделями являются вакуумные прерыватели BB/TEL-10. Компания также производит реклоузеры Smart35 для монтажа на опорах ВЛ 35 кВ.

Крупнейший отечественный производитель вакуумного оборудования ПО «ЭЛКО» выпускает автоматические выключатели, рассчитанные на работу на напряжение 6-10 кВ (серии ВБСК, ВБЧСЭ, ВБП, ВББ), и на напряжение 35 кВ серии ВБН.

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

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

Siemens предлагает широкий ассортимент вакуумных автоматических выключателей SION для использования в электроустановках от 6 до 20 кВ и вакуумных автоматических выключателей 3AF до 40,5 кВ для наружной установки.

АББ производит вакуумные выключатели внутренней установки марки ВД4 для работы в электроустановках напряжением до 40,5 кВ и выключатели наружной установки марок ОВБ-СДБ, ОВБ-ВБФ, ПВБ/ПВБ-С.

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.

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.