Вакуумні вимикачі
IV загальні положення
Електрична міцність вакууму значно вище міцності інших середовищ, застосовуваних у вимикачах. Пояснюється це збільшенням довжини середнього вільного пробігу електронів, атомів, іонів і молекул при зменшенні тиску. У вакуумі довжина вільного пробігу часток перевищує розміри вакуумної камери. У цих умовах удари часток об стінки камери відбуваються значно чаші, чим зіткнення між частками. При настільки високій електричній міцності відстань між контактами може бути дуже мала (2 — 2,5 мм), тому розміри камери можуть бути також відносно невеликими.
Процес відновлення електричної міцності проміжку між контактами при відключенні струму протікає у вакуумі значно швидше, ніж у газах, що обумовлює високу ефективність вакууму, як дугогасильного середовища.
Переваги вакуумних вимикачів:
відсутність необхідності в заміні і поповненні дугогасильного середовища;
висока зносостійкість при комутації номінальних струмів і струмів КЗ;
мінімум обслуговування, зниження експлуатаційних витрат;
швидке відновлення електричної міцності (10÷50)*103 В/мкс;
повна вибухо - і пожежобезпечність;
надійна робота у випадку, коли в процесі відключення малого струму в ланцюзі виникає струм КЗ (ДП масляних вимикачів можуть вибухнути);
широкий діапазон температур навколишнього середовища, у якому можлива робота ВДК (від -70 до +200°С);
підвищена стійкість до ударних і вібраційних навантажень;
довільне робоче положення вакуумного ДП;
безшумність, чистота, зручність обслуговування, обумовлені малим виділенням енергії в дузі і відсутністю зовнішніх ефектів при вимиканні КЗ;
відсутність забруднення навколишнього середовища;
висока швидкодія.
V. Принцип роботи вакуумного вимикача
Пристрій вакуумної камери показаний на рис. 3. Вона складається з наступних частин: стеклокерамічної оболонки 1, сталевих торцевих фланців 2, мідних контактних стрижнів — нерухомого 3 і рухомого 4, електродів 5, сталевого ребристого сильфона 6, привареного до рухомого контактного стрижня 4, екранів 7, 8, 9.
Тиск у камері складає близько 1,3*10-5 Па. Метали, використовувані для контактів, повинні мати механічну міцність, високою провідністю, стійкістю щодо ерозії і зварювання Застосування одержали бінарні сплави Cu—Bi, Cu—Те, Ag—Bi та ін.
У положенні «увімкнено» електроди притиснуті друг до друга пружиною привода із силою близько 3000 Н. У процесі вимикання контакти розмикаються. Швидкість руху контактів складає близько 1,5 м/с. При цьому струм проходить через невеликі площадки торкання в яких опір швидко збільшується, що веде до виділення великої кількості тепла і плавленню металу електродів. Утворюється рідкий металевий місток, який під дією високої температури нагрівається і випаровується. Загоряється так звана вакуумна дуга, що фактично горить у середовищі пар металу електродів. Іони, що утворяться під дією високої температури, рухаються до електродів, створюючи поблизу їх відповідні об'ємні заряди.
Рис 3. Вакуумная дугогасильна камера
Потік електронів направляється до анода і робить його бомбардування. Вивільнювані з анода позитивні іони рухаються до катода і руйнують його.
Мала щільність газу в колбі обумовлює дуже швидку дифузію зарядів через велику різницю щільностей часток у дузі і вакуумі. Швидка дифузія часток, висока електрична міцність вакууму дозволяє ефективно гасити дугу у вакуумному вимикачі. Коли струм підходить до нульовому значенню, дуга вгасає і пароутворення припиняється. Якщо швидкість електричної міцності проміжку, що відновлюється, перевищує швидкість повторного відновлення напруги, ланцюг виявляється розімкнутою. При змінному струмі після проходження струму через нуль унаслідок дифузії відбувається швидке зменшення кількості зарядів і через 10 мкс між контактами відновлюється електрична міцність вакууму.
Для того, щоб зменшити кількість зарядів у дузі, що утворилася, як матеріал для електродів застосовують вольфрам, що має високу температуру плавлення і велику роботу виходу електронів, крім того, контакти з вольфраму стійкі проти зварювання.
Для роботи вакуумного вимикача має велике значення дегазація контактів, тому що гази, адсорбовані контактами, при розігріві електродів виділяються і погіршують вакуум вимикача. З метою видалення газових включень з контактів їх нагрівають на протязі декількох годин до червоного розжарювання.
При роботі вимикача розпилені матеріали контактів осаджуються на поверхню ізоляційного циліндра, що створює можливість перекриття ізоляції апарата. Для захисту циліндра від часток металу електроди захищаються спеціальними металевими екранами.
Контактна система вакуумного вимикача працює в тяжких умовах. Наявність вакууму, що оточує контакти, погіршує охолодження, яке відбувається в основному за рахунок теплопровідності тіла контактів і випромінювання. За рахунок удосконалювання конструкції камери і застосування нових контактних матеріалів струм вимикання вакуумних камер доведений до 40 кА при напрузі 15 кВ.
В даний час основними виробниками вакуумних вимикачів є фірми Siemens, Tawrida Elekric, РЗВА та АВВ.
Вакуумні вимикачі ВВ/ТЕ (надалі - вимикачі) призначені для роботи в комплектних розподільних пристроях (КРП) і камерах стаціонарних однобічного обслуговування (КСО) внутрішньої і зовнішньої установки класу напруги до 20 кВ трифазного змінного струму 50 Гц для систем з ізольованої і заземленої нейтралі. В основі конструктивного рішення вимикача лежить використання пофазних електромагнітних приводів з «магнітною засувкою», механічно зв'язаних загальним валом-синхронізатором. Паралельно з'єднані котушки електромагнітних приводів фаз вимикача при виконанні команд підключаються до попередньо заряджених конденсаторів у блоках керування. Така конструкція дозволила досягти наступних відмінних рис у порівнянні з традиційними вакуумними вимикачами (ВВ):
високий механічний і комутаційний ресурс;
мале енергоспоживання по шинах оперативної напруги;
малі габарити і вага;
легкість і простота адаптації в будь-які типи КРП, КСО;
можливість використання в широкому діапазоні оперативної напруги живлення вторинних ланцюгів;
необслуговування протягом усього терміну експлуатації.
низька трудомісткість виробництва і, як наслідок, помірна ціна.
Технічні характеристики вакуумних вимикачів ВВ/ТЕL приведені в таблиці 1.
Таблиця 1
Технічні характеристики вимикачів ВВ/ТЕL
Найменування показника |
Значення |
Номінальна напруга, кВ |
10; 20 |
Найбільша робоча напруга, кВ |
12; 24 |
Номінальний струм, А |
630; 1000; 1600 |
Номінальний струм вимикання, кА |
12,5; 20 |
Тік термічної стійкості, кА |
12,5; 20 |
Наскрізний струм короткого замикання, кА |
32; 52; 81 |
Час протікання струму термічної стійкості, c |
3 |
Повний час вимикання, c |
0,09 |
Власний час вимикання вимикача, c |
0,015 |
Власний час вмикання, c |
0,07 |
Повний час вмикання, c |
0,1 |
Неодночасність замикання і розмикання контактів, c |
0,004 |
Номінальна напруга котушок електромагнітів, В |
220 |
Механічний ресурс, циклів |
50000 |
Термін служби до списання, років |
25 |
На відміну від більшості існуючих вимикачів, в основу пристрою ВВ/ТЕ закладений принцип роздільного керування контактами вакуумних дугогасильних камер фаз апарата. Даний принцип дозволив істотно зменшити кількість частин привода, що рухаються.
Вакуумні дугогасильні камери встановлені усередині порожніх опорних ізоляторів, закріплених на загальній підставі. Рухомі контакти дугогасильних камер жорстко з'єднані зі своїми приводами за допомогою ізоляційних тяг, що також розташовуються усередині опорних ізоляторів. Таким чином, всі елементи конструкції полюса мають загальну вісь симетрії, уздовж якого роблять зворотно-поступальний рух деталі механізму. Це дозволяє істотно спростити кінематичну схему ВВ/ТЕL, відмовитися від застосування навантажених шарнірних і підйомних ланок, що, у свою чергу, дає можливість створення комутаційного апарата з високим механічним ресурсом, не потребуючого обслуговування і регулювання протягом усього терміну служби. Приводи фаз розташовуються усередині основи вимикача. Вони механічно з'єднані між собою за допомогою загального вала, що виконує наступні функції:
забезпечує синхронізацію фаз, охороняючи від неповнофазних режимів роботи;
пускає в хід допоміжні контакти вимикача;
забезпечує механічне блокування роботи РП, у якому установлений ВВ/ТЕL;
керує візуальними індикаторами положення ВВ/ТЕL.
У додатку 1, 2 представлений приклад конструкції вимикача з номінальним струмом 1000 А.