Как работает вакуумный выключатель

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 заключается в следующем:

• Обеспечении надежной коммутации электрической цепи в рабочем и аварийном режиме за минимально возможное время.
• Ликвидации 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 работать в трехфазных сетях переменного тока. Диапазон напряжений, при котором используются такие выключатели, охватывает электроустановки как до 1000 В, так и до 220 кВ.

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 размыкания контактов в вакууме между ними возникает электрический разряд, который поддерживается за счет металла, испаряющегося с поверхности. При этом проводник электрического тока — плазма.

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.

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 выключателя 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:

• Siemens.
• ABB.

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 3AF 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.

Заключение

Благодаря совокупности уникальных характеристик вакуумные выключатели – одни из самых востребованных типов высоковольтных коммутационных аппаратов. Они надежны и долговечны, безопасны для обслуживающего персонала, не загрязняют окружающую среду. Техническое обслуживание ограничивается небольшим числом операций.