6. ВАКУУМНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ
Теоретически и практически доказано, что самый простой способ гашения электрической дуги - в вакуумных выключателях, так как в вакуумных камерах практически отсутствует среда, проводящая электрический ток. В эксплуатации вакуумный выключатель также более прост, чем маломасляный и электромагнитный. Прекрасные дугогасящие свойства глубокого вакуума позволили создать выключатели на напряжение 10 кВ, которые благодаря своим преимуществам вытесняют маломасляные и электромагнитные выключатели.
В вакуумных дугогасительных камерах реализуется два очень важных свойства вакуумных промежутков: высокая электрическая прочность (выше, чем у трансформаторного масла, не говоря о воздухе,) и высокая дугогасительная способность.
В глубоком вакууме дугогасительной камеры выключателя длина свободного пробега молекул и электронов составляют десятки и сотни метров, т.е. во много раз больше, чем расстояния между контактами выключателя. Ударная ионизация в вакуумном промежутке практически отсутствует, поэтому вакуумный промежуток не может служить источником заряженных частиц. Заряженные частицы могут появиться при определенных условиях с поверхностей контактов и других частей вакуумной камеры (рис.6.1.).
При массовом производстве стоимость вакуумных выключателей всего на 5-15% больше стоимости маломасляных и меньше стоимости электромагнитных. Большая экономия при эксплуатации делает эти выключатели высокоэффективными, что обуславливает их все более широкое распространение (в Японии 50% всех выключателей вакуумные).
Рис. 6.1. Устройство вакуумной камеры.
При высокой электрической прочности вакуума расстояние между контактами очень мало (2-2,5 см), поэтому размеры камеры также относительно небольшие.
Конструкция вакуумной камеры. Устройство вакуумной камеры показано на рис.6.1. Она состоит из следующих частей: стеклокерамической оболочки 1; стальных торцевых фланцев 2; медных контактных стержней - неподвижного 3 и подвижного 4; электродов 5; стального ребристого сильфона 6, приваренного к подвижному контактному стержню 4; экранов 7, 8, 9. Давление в камере составляет около 1,3 * 10"5 Па.
Материал контактов оказывает большое влияние на характеристики выключателя.
Металлы, используемые для контактов, должны обладать механической прочностью, стойкостью относительно эрозии и сваривания. Перенапряжения при медных контактах в 2,5 раза ниже, но они более подвержены свариванию и износу. Эти противоречия устраняются, если часть контактной поверхности выполнена из дугостойкого металла (молибден), а другая часть - из материала с высоким давлением паров (сурьма). Хорошие результаты дает специальная металлокерамика. Применяют сплавы меди с небольшим количеством висмута, железа, бора. Эти сплавы отличаются более высокой электро- и теплопроводностью по сравнению с ранее применявшимися материалами, например, вольфрамом.
Контакты находятся в глубоком вакууме и поэтому не окисляются, благодаря чему достигается высокая износостойкость контактов. Они работают без обслуживания в течение всего срока службы камеры.
Наличие вакуума ухудшает охлаждение контактов. За счет увеличения размеров подводящих шин, совершенствования ДУ и контактных материалов удается довести длительные токи до необходимых значений.
Для получения быстродействия в вакуумных ДУ нашла широкое применение торцовая контактная система. Она дает возможность иметь малый ход контактов (20-25 мм) и небольшое время отключения. Ход контактов у маломасляных выключателей с теми же параметрами в 10 раз больше (около 200 мм у выключателя типа ВМП-10). Простая конструкция контакта позволяет создать технологию, при которой хорошо дегазируются токоведущие элементы выключателя, что очень важно для обеспечения высокого вакуума большой стабильности.
В положении "включено" (рис.6.1) электроды прижаты друг к другу пружиной привода с силой около 3000 Н. В процессе отключения контакты размыкаются. Скорость движения контактов составляет около 1,5 м/с. Зажигается дуга. Она горит в парах металла, образующихся на поверхности холодного катода в отдельных наиболее нагретых точках. Металлические пары непрерывно покидают дуговой промежуток и конденсируются на поверхности центрального экрана, изолированного от электродов. Он защищает изолирующую оболочку от радиации дуги и оседания на ней частиц металла.
Для того, чтобы погасить дугу, необходима высокая скорость движения подвижного контакта при отключении и включении. Эта необходимость вызвана тем, что при сближении контактов перед замыканием происходит пробой межконтактного промежутка с переходом в дугу так же, как и при отключении. При медленном сближении контактов тепловыделение увеличивается, может возникнуть оплавление контактов. По этой же причине нежелательна вибрация контактов после замыкания, так называемый дребезг контактов.
Достаточно большое сжатие контактов в замкнутом состоянии устраняет дребезг и способствует уменьшению межконтактного электрического сопротивления.
При переменном токе после прохождения тока через нуль происходит быстрое рассасывание зарядов вследствие диффузии, и через 10 мкс между контактами восстанавливается электрическая прочность вакуума, что является большим достоинством этих выключателей.
В настоящее время отечественная промышленность выпускает вакуумные выключатели на напряжение 10 кВ серий ВВТ и ВВЭ.
Выключатели серии ВВЭ, ВВТЭ предназначены для КРУ установок общего назначения и установок с частыми коммутациями электрических цепей трехфазного переменного тока с изолированной нейтралью частотой 50 Гц (60 Гц) напряжением до 12 кВ в промышленных и сетевых установках с частыми коммутациями. Они имеют исполнения для тропиков (на экспорт) и для умеренного климата.
Вакуумный выключатель типа ВВЭ-М-10-20 - (выключатель вакуумный модернизированный) со встроенным электромагнитным приводом на номинальное напряжение 10 кВ и номинальный ток отключения 20 кА, рис. 6.2. Устанавливаются в КРУ типа К-104, КМ-1Ф, К-49, К-59. По своим габаритным размерам и схемам управления взаимозаменяемы с выключателями ВК-10, ВКЭ-10.
Схема управления выключателя обеспечивает:
-оперативное и неоперативное включение и отключение выключателя;
-сигнализацию положения выключателя с помощью коммутирующих контактов для внешних вспомогательных цепей контроля и управления в КРУ;
-ручное оперативное отключение.
Условия эксплуатации:
-климатическое исполнение выключателей УЗ по ГОСТ 15150-89;
-высота над уровнем моря до 1000 м;
- температура окружающего воздуха от -45°С до +40°С;
- окружающая среда не взрывоопасная.
Рис. 6.2. Вакуумный выключатель серии ВВЭ-10
Срок службы выключателя до первого среднего ремонта не менее 10 лет. срок службы выключателя до капитального ремонта (списания) не менее 25 лет, если не исчерпан механический и коммутационный ресурсы выключателя. Масса выключателя не более 93 кГ. Операция включения выключателя осуществляется за счет тягового усилия электромагнита включения встроенным электромагнитным приводом зависимого (прямого) действия.
Собственное время включения должно быть 0,1 с, собственное время отключения - не более 0,02 с.
Вакуумный выключатель типа ВВЭ-М-10-40 на номинальный ток отключения 40 кА. Устанавливается в КРУ типа К-105, К-59, а также могут использоваться для замены маломасляных и электромагнитных выключателей в любых типах распределительных устройств.
Схема управления и условия эксплуатации аналогичны выключателю ВВЭ-М-10-20.
Выключатель серии ВВТЭ-М-10-20 со встроенным электромагнитным приводом со схемами управления на постоянном или переменном токе.
Устанавливаются в ячейки типа КРУЭ-6П, 2КВЭ-6М, КРУП-6П, а также для замены маломасляных выключателей типа ВМПЭ-10, ВМП-10К, ВМГ-133 в любых типах распределительных устройств.
Рекомендуются для применения на нефтебуровых установках, мощных экскаваторах, передвижных электростанциях, в электрических подстанциях, шахтах, метрополитенах, подстанциях оросительных систем и других распределительных устройств наружной и внутренней установки общепромышленного применения.
Выключатели вакуумные серии ВВС-35-20/630 УХЛ1 (Т1) - (выключатель вакуумный северный) на номинальное напряжение 35 кВ, номинальный ток отключения 20 кА, номинальный ток 630 А, умеренного, холодного или тропического исполнения.
Принцип работы выключателя основан на гашении в вакууме электрической дуги, возникающей при размыкании контактов вакуумных дугогасительных камер. Горение дуги в вакууме поддерживается за счет паров металла, попадающих в межконтактный промежуток при их испарении с поверхности контактов. В момент перехода тока через нулевое значение происходит быстрое нарастание электрической прочности межконтактного промежутка, обеспечивающее надежное отключение цепей выключателя.
Трехполюсный выключатель содержит механизмы задержки на 1 и Ш полюсах относительно первой гасящей фазы на П полюсе, что обеспечивает снижение перенапряжений, возникающих при отключении вакуумными камерами токов КЗ, до приемлемого уровня.
Выключатель состоит из трех или одного полюса, см. рис. 6.3 и 6.4.
Каждый полюс собран на отдельной крышке. Полюса трехполюсного выключателя соединяют между собой в один общий комплект междуполюсные муфты.
Крышки установлены на сварной (из углового профиля) каркас. На плите, приваренной к каркасу, укреплен шкаф с приводом. На одной из вертикальных стоек каркаса укреплен барабан с тросом, на валу которого устанавливается лебедка для подъема и опускания баков.
Крышка является основной несущей частью, к которой крепятся все остальные элементы полюса выключателя. Через отверстия в крышке приходят вводы.
Вакуумная дугогасительная камера, рис.6.5 размещена в стеклопластиковом цилиндре, установленном на крышке. Электрическая прочность наружной изоляции вакуумных камер обеспечивается за счет заполнения баков и стеклопластиковых цилиндров трансформаторным маслом.
Рис.6.5. Общий вид и габаритные размеры дугогасительной камеры: 1 - шина; 2 - траверса: 3 - тяга: 4 - наконечник; 5. 10. 13 - шпильки; 6 - кольцо; 7 - цилиндр; 8 - втулка; 9 - пружина: 11 - гибкая связь: 12 - вакуумная камера; 14 - изоляционная втулка; 15 - изоляционная шайба; 16 - крышка
Выключатель комплектуется встроенными трансформаторами тока (по два на полюс). Которые предназначены для подключения защиты и измерительных приборов. Вторичные обмотки трансформаторов тока имеют отпайки и позволяют менять номинальный первичный ток в широких пределах.
Управление выключателем осуществляется электромагнитным приводом, рис.6.6, с помощью механизма. Механизм выключателя служит для передачи движения от привода к подвижным контактам камер.
Баки выключателя овальной формы, внутри их установлена внутрибаковая изоляция. Баки снабжены маслоуказателем.
Разработчик и изготовитель ОАО «Карпинский электромашиностроительный завод», Свердловская обл., г. Карпинск.
Для выключателей напряжением 110-220 кВ необходимо соединять последовательно несколько камер. Для выключателя напряжением 220 кВ потребуется четыре ДУ на напряжение 84 кВ, соединенных последовательно. Существуют определенные сложности, препятствующие созданию многоразрывного вакуумного выключателя.
По данным фирмы "Дженерал Электрик" проектируется выключатель напряжением 242 кВ с пятью ДУ на полюс и током отключения 40 кА. Компоновка выключателя такая же, как у баковых элегазовых выключателей. В Японии построен и введен в эксплуатацию вакуумный выключатель на напряжение 160 кВ, ток отключения 40 кА, имеющий всего два разрыва на полюс.
Вакуумные ДУ обладают исключительно высокой надежностью и износостойкостью. Выключатель может отключать номинальный ток 50 раз.
Рис. 6.6 Общий вид и габаритные размеры электромагнитного привода ПЭМУ: 1 - шкаф; 2 - болт заземления; 3 - счетчик импульсов: 4 - выпрямительное устройство: 5 - блоки зажимов; 6 - привод: 7 - контактор: 8 - вилка: 9 - устройство для подогрева: 10 - ходовой винт; 11 - коробка выводов: 12 - рукоятка ручного отключения
Малая масса подвижного контакта, малый ход контактов и небольшая скорость отключения значительно упрощают требования к механизму выключателя. Между тем отказы в работе вакуумных выключателей чаще всего возникают из-за неисправности механизма и других второстепенных причин.
Вакуумные ДУ могут успешно отключать постоянный ток. При токе 1000 А и напряжении 10 кВ отключение происходит путем расхождения контактов в вакууме. При больших значениях тока постоянный ток с помощью конденсатора превращается в переменный и ДУ отключает его при первом прохождении через нуль. При двух последовательно соединенных ДУ отключался ток 5 к А при напряжении 60 кВ. Вспомогательный конденсатор имел емкость 3 мкФ.
Достоинства вакуумных выключателей:
1. Отсутствие необходимости в замене и пополнении дугогасящей среды и масляного хозяйства.
- Высокая износостойкость при коммутации номинальных токов и
токов КЗ. - Снижение эксплуатационных затрат, простота эксплуатации.
- Быстрое восстановление электрической прочности.
- Полная взрыво- и пожаробезопасность.
- Повышенная устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам.
- Произвольное рабочее положение вакуумной дугогасительной камеры
(ВДК) в конструкции выключателя. - Широкий диапазон температур окружающей среды, в котором может
работать ВДК (от -70° до + 200° С). - Безшумность, чистота, удобство обслуживания, обусловленные
малым выделением энергии в дуге и отсутствием внешних эффектов при отключении токов КЗ.
- Отсутствие загрязнения окружающей среды.
- Высокое быстродействие, применение для работы в любых циклах
АПВ. - Сравнительно малые массы и габариты, небольшие динамические на
грузки на конструкцию при работе из-за относительно малой мощности
привода. - Легкая замена ВДК.
К недостаткам можно отнести:
1. Возможные коммутационные перенапряжения при отключении малых индуктивных токов.
- Трудности при создании и изготовлении, связанные с созданием
контактных материалов, сложностью вакуумного производства,
склонностью материалов контактов к сварке в условиях вакуума. - Большие вложения, необходимые для осуществления технологии
производства, и поэтому большая стоимость.
