Вакуумный выключатель: устройство и принцип действия, 10 и 6 кВ, достоинства и недостатки, монтаж

Обновлено: 14.05.2024

При отключении и включении значительных нагрузок между контактами коммутационных аппаратов возникает электрическая дуга, приводящая к повреждению самих контактов и к перекрытию дугой соседних токоведущих частей. Такая ситуация провоцирует серьезные аварии или пожар.

Для предотвращения этого в конструкции имеется специальная камера. В ней происходит гашение дуги. Высоковольтные выключатели оборудуются дугогасящими камерами, где дуга разрывается под воздействием масла, потоком сжатого воздуха или в среде элегаза.

Одно из перспективных направлений - создание высоковольтных выключателей с вакуумной дугогасящей камерой. В этой статье рассмотрен вакуумный выключатель, его устройство и принцип работы наиболее распространенных моделей, их достоинства и недостатки.

Что это такое и для чего нужно

Назначение этих коммутационных аппаратов заклю чается в следующем :

О беспечении надежной коммутации электрической цепи в рабочем и аварийном режиме за минимально возможное время.
Л иквидации аварийных отключений воздушных линий за счет возможности автоматического повторного включения.

Разработка первых образцов началась в 30-х годах прошлого века. В это время еще не было совершенных технологических решений, позволяющих создавать аппаратуру, способную поддерживать глубокий вакуум. Поэтому первые образцы коммутационных аппаратов позволяли отключать только незначительные токи при напряжении до 40 кВ .

После проведенной обширной исследовательской работы к 1957 г. удалось объяснить процессы, происходящие при появлении электрической дуги в разреженном газе. Дальнейшие усилия исследователей в течение 20 лет были направлены на поиск способов, позволяющих предотвратить появление перенапряжений, вариантов предотвращения загрязнения внутренних частей дугогасящей камеры частицами металла, проблем герметичности, методов экранирования.

Результатом работы исследователей стало создание вакуумных выключателей — высоковольтных коммутационных аппаратов, способных работа ть в трехфазных сетях переменного тока. Диапазон напряжений, при котором используются такие выключатели, охватывает электроустановки как до 1000 В, так и до 220 к В.

Принцип действия

Для гашения дуги между контактами выключателя применяется среда сильно разреженного газа — технический вакуум. Благодаря тому, что электрическая прочность вакуума во много десятков раз выше, чем у любого другого газа, стало возможным создание быстродействующих коммутационных аппаратов небольших размеров.

Рассмотрим подробнее принцип гашения дуги. В момент р азмыкани я контактов в вакууме между ними возникает электрический разряд, который поддерживается за счет металла, испаряющегося с поверхности . При этом проводник электрического тока — плазма.

Рисунок 1. Образование дуги в вакуумном промежутке

Так как переменный электрический ток с течением времени меняется не только по величине, но и по направлению, при переходе синусоиды через ноль электрическая дуга гаснет. Частицы металла между контактов за небольшой промежуток времени (от 7 до 10 микросекунд) оседают на контактах и стенках камеры. Это приводит к восстановлению электрической прочности пространства между контактами.

Устройство и конструктивные особенности

Кроме дугогасящей камеры с контактами в конструкцию полюса вакуумного выключателя входит привод и тяговый изолятор. Для сохранения вакуума внутри дугогасящей камеры применяют сильфон. Он не позволяет проникать другим газам внутрь при движении контакта.

Рисунок 3. Конструкция вакуумного выключателя

Один из контактов закреплен неподвижно, второй - подвижный. Он получает движение через тяговый изолятор посредством электромагнитного привода. Меняя полярность постоянного тока, подаваемого на электромагнит, можно размыкать или замыкать контакты. Для удержания деталей привода в выбранном положении используется постоянный круговой магнит.

Для обеспечения оптимальной скорости движения якоря и уменьшения переходного сопротивления контактов применяется пружинная система. Привод выключателя собран в одном корпусе, куда также входят кинематическая и электрическая схемы для контроля и управления работой. У в ыключателя три полюса, которые разделены между собой.

Управление выключателем осуществляется через блок управления, который выносится на отдельную панель (шкаф) или располагается в корпусе выключателя. Блок управления может быть микропроцессорным или работать на электромеханических реле.

Отличительная конструктивная особенность вакуумных выключателей - длительный срок службы (около 20 лет).

Ресурс по включению и отключению контактов - не менее 20 000 операций. Во время всего срока службы выключатель не требует сложного технического обслуживания. Дугогасящая камера не подлежит ремонту и при необходимости заменяется новой. Конструкция привода предусматривает возможность включения и отключения выключателя вручную.

По исполнению вакуумные выключатели выпускаются для установки как в закрытых распределительных устройствах, так и в открытых. Вакуумные выключатели, предназначенные для установки в закрытых распредустройствах, могут быть выкатного или стационарного исполнения. В этом случае они отделяются от токоведущих частей видимым разрывом, осуществляемым при помощи линейного и шинного разъединителей.

Распространённые модели

Впервые промышленные модели вакуумных выключателей стали появляться в США, ФРГ и Великобритании в 60-х годах прошлого века. Они производились компаниями General Electric и Siemens. В нашей стране промышленное производство таких выключателей началось в 1980 г.

Среди первых промышленных моделей, введенных в эксплуатацию, стал вакуумный выключатель марки ВВВ-10-2/320. Он был рассчитан на токи отключения до 2000 А и номинальный ток 320 А. Рабочее напряжение составляло 10 000 В.

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

Наиболее известна продукция отечественных предприятий:

ПО «ЭЛКО».
«Таврида Электрик».
ОАО «Самарский трансформатор».
АО НПП «Контакт».

Среди иностранных производителей наиболее распространенными являются:

Компания «Таврида Электрик» специализируется на проектировании и выпуске вакуумных коммутационных аппаратов напряжением до 35 кВ. Наиболее популярные модели - вакуумные выключатели BB/TEL- 10. Также компания выпускает реклоузеры Smart35 для установки на опорах ВЛ 35 кВ.

Крупнейший отечественный изготовитель вакуумной техники ПО «ЭЛКО» производит выключатели, рассчитанные на работу с напряжением 6- 10 кВ ( серий ВБСК, ВБЧСЭ, ВБП, ВББ), и на напряжение 35 кВ серии ВБН.

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

АО «НПП»Контакт» - один из крупнейших российских производителей вакуумных приборов. Ассортимент выпускаемой продукции включает низковольтные вакуумные автоматические выключатели напряжением 1,14 кВ таких марок: КВТ-1,14-2,5/160, КВТ-1,14-2,5/250, КВТ-1,14-4/400, высоковольтные вакуумные 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).

Компания Siemens предлагает широкий ассортимент вакуумных выключателей марки SION для применения в электроустановках напряжением от 6 до 20 кВ и вакуумные выключатели марки 3 AF напряжением до 40,5 кВ для наружной установки.

Компания АВВ производит вакуумные выключатели для внутренней установки марки VD4 для работы в электроустановках напряжением до 40,5 кВ и выключатели наружной установки марок OVB-SDB, OVB-VBF, PVB/PVB-S.

Основные технические характеристики

Ассортимент выпускаемых вакуумных коммутационных аппаратов разнообразен. Выбирая подходящую модель в соответствии с местными условиями, обращают внимание на основные технические характеристики:

Класс напряжения.
Номинальный рабочий ток и ток короткого замыкания.
Динамическая и термическая устойчивость.
Коммутационный ресурс.
Тип исполнения.
Климатическое исполнение.
Совместимость систем управления.
Скорость срабатывания.
Габаритные размеры и масса выключателя.

Правила выбора и монтажа

Выключатель выбирают на основании его технических характеристик. Учитывают рабочие параметры уже действующих схем электрических сетей. Выбор осуществляется исходя из максимальных показателей рабочих режимов сети.

Номинальное напряжение должно быть равным или большим, чем номинальное напряжение электрической сети. Выбор по длительному рабочему току производится исходя из максимально возможных параметров. Уставки защит обоснуются расчетами работы при наиболее тяжелых режимах.

Установка вакуумного выключателя проводится с соблюдением всех требований, указанных в нормативно-технической документации, с учетом организационных и технических мероприятий для безопасных работ.

Перед началом монтажа выключателя необходимо убедиться в комплектности и отсутствии дефектов путем внешнего осмотра. При обнаружении на поверхности изоляторов сколов или трещин установка оборудования не допускается.

После проверки внешние поверхности очищаются ветошью без ворса. При этом уделяется особое внимание очистке изоляции полюсов выключателя. Перед установкой коммутационного аппарата проверяется работоспособность и целостность схемы вторичных цепей путем включения и отключения выключателя.

Особенности эксплуатации

После ввода в эксплуатацию обязательно проводятся осмотры с частотой, указанной в технической документации производителя. Выключатель должен проходить периодическое техническое обслуживание — текущие и капитальные ремонты.

После аварийного отключения выключатель осматривается для выявления повреждений, которые могут возникать вследствие электродинамических нагрузок, оплавления, следов выброса раскаленного металла и т. п.

Для оформления отводов от высоковольтных линий передач традиционно используются специальные коммутирующие устройства. Их общее название - вакуумный выключатель, что объясняется особенностями дугогасящей камеры. Подробно ознакомиться с этими приборами удается только после изучения предыстории их появления.

Историческая справка

Впервые вакуумные выключатели упоминаются в начале 30-х годов XX века, когда устройства использовались для отключения относительно слаботочных цепей, работающих под напряжением до 40 кВ. Чтобы получить надежные вакуумные гасители, способные отключать значительные по величине токи в цепях при высоком потенциале, потребовалась целая серия исследований. При их проведении ориентировочно к 1957 году были полностью изучены и систематизированы процессы, наблюдающиеся при высоковольтном горении дуги. Для перехода от опытных образцов, выпускаемых в единичных экземплярах, к серийному производству современных устройств потребовалось еще два долгих десятилетия.

В основе принципа гашения дуги заложен известный из физики факт высокой электрической прочности и особых изоляционных свойств полученного искусственным путем вакуума. При размыкании силовых контакторов в камере, куда они помещены, формируется электрическая дуга, поддерживаемая испаряющимися с их поверхности частицами металла. Отсутствие условий для ее стабилизации предотвращает развитие пика процесса за счет высоких диэлектрических свойств вакуумной среды.

Из-за значительной диэлектрической прочности вакуума момент гашения дуги смещается в точку, предшествующую максимуму его развития. В электротехнике это явление называется «срезом тока». Его наличие отрицательно влияет на электрические сети, поскольку следствием этого процесса являются коммутационные перенапряжения.

Особенности применения и эксплуатации

По своей конструкции на начальном этапе этот тип выключателей разрабатывался как прибор, предназначенный для установки в шкафах КРУ (в комплексных устройствах). В настоящее время они монтируются и в открытых распределительных конструкциях (ОРУ). Современный вакуумный выключатель - это быстродействующий коммутационный аппарат, рассчитанный на длительные сроки службы в сравнении со своими предшественниками, располагающими масляной и газовой средами.

Большинство современных энергетических хозяйств отказались от устаревших конструкций и окончательно перешли на достаточно компактные и не нуждающиеся в профилактике новые выключатели. Это объясняется следующими причинами:

вакуумный прибор неприхотлив и не нуждается в регулярной чистке контактов или обновлении среды;
при эксплуатации масляного устройства наполнитель постоянно протекает;
согласно данным паспорта срок эксплуатации вакуумных устройств достигает 20 лет, что намного выше того же показателя для других типов выключателей.

В процессе эксплуатации приводной механизм нередко выходит из строя в самый неподходящий для этого момент. Для поддержания его в работоспособном состоянии в приборе предусмотрен особый узел ручного взвода пружины. Обязательным для этих устройств является и наличие аварийной кнопки, позволяющей отключать механизм блокировки выкатывания модулей КРУ при включенном состоянии шкафа. Указанный момент касается безопасности обслуживающего оборудование персонала и требует к себе пристального внимания.

Конструктивные особенности

Каждая модель высоковольтного вакуумного переключателя обладает индивидуальными характеристиками, поскольку предназначается для эксплуатации в сетях с различными электрическими показателями. Помимо этого производителями также вносятся некоторые коррективы в конструкцию выпускаемых ими изделий. Однако в целом состав комплектующих этих устройств остается неизменным. Основные элементы:

Корпус, изготавливаемый на основе прочного металла, внутри которого смонтирован привод включения и отключения (бывает пружинным или иного типа).
3-х полюсный токосъемник, предназначенный для подключения к сети 380 Вольт и отключаемый при переводе КРУ из рабочего режима в выкаченное положение.
Тележка для размещения внутри корпуса, по своему исполнению отличающаяся от других подобных конструкций.

Электрическая часть изделия имеет специальные перегородки, отделяющие фазные секции одну от другой. Она также отличается сложным устройством и содержит в своем составе целый ряд элементов, описываемых в паспорте.

Разновидности вакуумных выключателей

Изделия принято классифицировать по классу коммутируемого ими потенциала.

Среди всего многообразия выделяются следующие типы:

Приборы для работы с напряжениями 6-10 кВ.
Устройства для коммутации более высоких уровней - до 35-ти кВ.
Приборы, рассчитанные на сверхвысокие напряжения 110-220 кВ.

Еще одним «рабочим» критерием классификации выключателей является мощность, которую они способны передать в нагрузку. Согласно этому параметру их деление производится аналогично классификации самого потребителя.

Достоинства и недостатки

К достоинствам приборов относят:

небольшие габариты;
возможность оперативной замены отдельных секций;
бесшумность и независимость от ориентации в пространстве;
безопасность для здоровья обслуживающего персонала.

Они не нуждаются в пополнении защитной среды и отличаются высокой надежностью. Но и эти изделия не обошлись без проблем, присущих многим электротехническим приборам. К числу недостатков вакуумных выключателей относятся:

ограниченность рабочих токов;
«склонность» к перенапряжениям;
небольшой коммутационный ресурс.

Несмотря на имеющиеся недостатки, эти устройства прочно заняли свое место в перечне самого современного коммутирующего оборудования для ВВ.

Особенности выбора и монтажа

В процессе выбора выключателя учитываются следующие важные моменты:

защитные характеристики прибора должны соответствовать параметрами сети, в которой его предполагается эксплуатировать;
выключатель выбирается исходя из наиболее тяжелого рабочего режима;
номинальные ток и напряжение должны превышать соответствующие параметры для защищаемой сети;
ток размыкания не должен превышать величину, гарантированную заводом-изготовителем.

Перед установкой вакуумного выключателя необходимо внимательно обследовать место его монтажа и убедиться в отсутствии повреждений и дефектов. Затем потребуется очистить изолированные поверхности полюсов посредством сухой ветоши.

Не допускается устанавливать новое оборудование в систему, на изоляционных поверхностях которой имеются сколы, трещины и сильно деформированные участки.

Обязательной проверке подлежит схема вторичных цепей с последующим подключением «земляной» шины. Сам вакуумный выключатель крепится прямо к подвижной части тележки с помощью специальных болтовых метизов.

Самые распространённые модели

Среди наиболее распространенных моделей вакуумных камер выделяются следующие:

ВВЭ-М-10-20.
ВВЭ-М-10-40.
ВВТЭ-М-10-20.

Почти все образцы изделий из этого перечня являются дальнейшим развитием старых масляных выключателей и способны работать в цепях переменного и постоянного тока. Монтаж, последующая настройка и запуск в эксплуатацию высоковольтных вакуумных устройств относятся к трудоемким процедурам, определяющим их дальнейшую функциональность. Поэтому перечисленные операции доверяются только специалистам, имеющим соответствующую квалификацию.

При установке прибора должна соблюдаться последовательность операций по настройке. Соблюдение этого требования - основа безопасности оперативного персонала или дежурного электрика, допущенного к работе с высоковольтным оборудованием.

Изделия, относящиеся к категории вакуумных выключателей, нуждаются в профессиональном подборе и оценке, поскольку их эксплуатация связана с высокими напряжениями.

Среди современного высоковольтного оборудования, предназначенного для коммутации электрических цепей в энергетике, особое место отводится вакуумным выключателям. Они широко применяются в сетях от 6 до 35 кВ и реже в схемах 110 или 220 кВ включительно.

Их номинальный ток отключения может составлять от 20 до 40 кА, а электродинамической стойкости — порядка 50÷100. Общее время отключения таким выключателем нагрузки или аварии составляет около 45 миллисекунд.

Каждая фаза цепи надежно отделена изоляторами и в то же время все оборудование конструктивно собрано на едином общем приводе. Шины подстанции подключаются на входные вывода выключателя, а отходящего присоединения — на выводные.

Внутри вакуумной дугогасительной камеры работают силовые контакты, прижимаемые между собой так, чтобы обеспечить минимальное переходное сопротивление и надежное прохождение токов как нагрузки, так и аварии.

Верхняя часть контактной системы стационарно закреплена, а нижняя под действием усилия привода способна перемещаться строго в осевом направлении.

На картинке видно, что контактные пластины расположены в вакуумной камере и приводятся в движение тягами, управляемыми силами натяжения пружин и катушек электромагнитов. Вся эта конструкция расположена внутри системы изоляторов, исключающих возникновение токов утечек.

Стенки вакуумной камеры выполнены из очищенных металлов, сплавов и специальных составов керамики, обеспечивающих герметичность рабочей среды в течение нескольких десятилетий. Для исключения попадания воздуха при перемещениях подвижного контакта установлено сильфонное устройство.

Якорь электромагнита постоянного тока способен двигаться на замыкание силовых контактов или их разрыв за счет смены полярности подаваемого на обмотку напряжения. Постоянный круговой магнит, встроенный в конструкцию привода, удерживает подвижную часть в любом сработанном положении.

Система пружин обеспечивает создание оптимальных скоростей передвижения якоря при коммутациях, исключения дребезга контактов и возможностей пробоев конструкции стенок.

Внутри корпуса выключателя собрана кинематическая и электрическая схемы с синхронизирующим валом и дополнительными блок-контактами, обеспечивающими возможности контроля и управления положением выключателя в любом состоянии.

По своим функциональным задачам вакуумный выключатель ничем не отличается от других аналогов высоковольтного оборудования. Он обеспечивает:

1. надежное прохождение номинальных электрических мощностей при длительной работе;

2. возможности гарантированных коммутаций оборудования электротехническим персоналом в ручном или автоматическом режиме при оперативных переключениях для изменений конфигурации действующей схемы;

3. автоматическую ликвидацию возникающих аварий за минимально возможное время.

Принципиальное отличие вакуумного выключателя состоит в способе гашения электрической дуги, возникающей при разъединении контактов во время отключения. Если у его аналогов для этого создается среда сжатого воздуха, масла или элегаза, то здесь работает вакуум.

Принцип гашения дуги в силовой схеме

Обе контактных пластины работают в среде вакуума, образованного за счет откачки газов из сосуда дугогасительной камеры до 10 -6 ÷10 -8 Н/см2. При этом создается высокая электрическая прочность, характеризующаяся усиленными диэлектрическими свойствами.

С началом движения приводом контактов на разъединение между ними появляется промежуток, сразу содержащий вакуум. Внутри него начинается процесс испарения нагретого металла контактных площадок. Через эти пары продолжает протекать ток нагрузки. Он инициирует образование дополнительных электрических разрядов, создающих дугу в среде вакуума, продолжающую развиваться за счет испарения и отрыва паров металла.

Под действием приложенной разности потенциалов образованные ионы движутся в определенном направлении, создавая плазму.

В ее среде продолжается протекание электрического тока, идет дальнейшая ионизация.

Поскольку выключатель работает с переменным электрическим током, то его направление в течение каждого полупериода меняется на противоположное. При переходе синусоиды через ноль ток отсутствует. За счет этого дуга резко гаснет и обрывается, а отторгнутые ионы металла прекращают выделяться и за 7÷10 микросекунд полностью оседают на ближайших поверхностях контактов или остальных частях дугогасящей камеры.

В этот момент электрическая прочность промежутка между силовыми контактами, заполненная вакуумом, практически мгновенно восстанавливается, чем обеспечивается окончательное отключение тока нагрузки. В следующем полупериоде синусоиды электрическая дуга возникнуть уже не может.

Таким образом, для прекращения действия электрической дуги в среде вакуума при размыкании силовых контактов достаточно переменному току сменить свое направление.

Технологические особенности различных моделей

Конструкции вакуумных выключателей создаются для длительной работы на открытом воздухе или в закрытых сооружениях. Устройства наружной установки изготавливаются с цельнолитыми полюсами, выполненными с изоляцией из кремнийорганических материалов, а для внутренней работы применяют литые компаунды эпоксидных составов.

Вакуумные камеры в заводских условиях изготавливают съемными, оптимально настроенными для установки в литом корпусе. Внутри них уже размещены силовые контакты из специальных сортов легированных сплавов. Они, благодаря примененному принципу работы и конструкции, обеспечивают мягкое гашение электрической дуги, исключают возможности образования перенапряжений в схеме.

Универсальный электромагнитный привод используется во всех конструкциях вакуумных выключателей. Он удерживает силовые контакты в замкнутом или отключенном состоянии за счет энергии мощных магнитов.

Коммутация и фиксация контактной системы осуществляется положением «магнитной защелки», переключающей цепь магнитов на воссоединение или отключение подвижного якоря. Встроенные пружинные элементы позволяют осуществлять ручные переключения электротехническому персоналу.

Для управления работой вакуумным выключателем используются типовые релейные схемы или электронные, микропроцессорные блоки, которые могут быть расположены непосредственно в корпусе привода или выполнены выносными устройствами в отдельных шкафах, блоках или на панелях.

Преимущества и недостатки вакуумных выключателей

К достоинствам относят:

относительную простоту конструкции;

пониженное потребление электроэнергии для производства переключений;

удобство ремонта, заключающееся в возможности блочной замены, вышедшей из строя, дугогасительной камеры;

способность выключателя работать при любой ориентации в пространстве;

повышенную стойкость к коммутационным нагрузкам;

стойкость к возникновению пожара и взрывов;

тихую работу при переключениях;

высокую экологичность, исключающую загрязнение атмосферы.

Недостатками конструкций являются:

относительно низкие допустимые токи номинальных и аварийных режимов;

появление коммутационных перенапряжений во время отключений низких индуктивных токов;

пониженный ресурс дугогасящего устройства по отношению к ликвидации токов коротких замыканий.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Читайте также: