Устройство вакуумного выключателя и принцип работы

Технические характеристики

Достоинства и недостатки

Вакуумный выключатель имеет множество преимуществ в сравнении с электромагнитными и масляными:

1. В теории и на практике доказано, что самый простой метод гашения электродуги состоит в использовании вакуумного выключателя. Дугогасящие качества позволяют создавать выключатели для напряжения даже в 6-10 кВт.
2. Эксплуатация устройства гораздо проще, чем у конкурентов.
3. В условиях вакуума дугогасительной камеры дистанции свободного передвижения электронов и молекул могут достигать сотен метров, то есть гораздо больше, чем расстояния между контактами. Причем ударной ионизации почти нет, а значит, промежуток в вакууме не становится причиной появления заряженных частиц. Такие частицы, однако, могут возникнуть при определенных обстоятельствах на контактных поверхностях.
4. Хотя вакуумные выключатели все еще дороги в изготовлении, при серийном производстве их себестоимость лишь на 5-15% выше себестоимости маломасляных устройств. Электромагнитные же выключатели и вовсе проигрывают в этом отношении вакуумным.
5. Камеры характеризуются незначительными размерами. Причина в электрической прочности вакуума и отсутствии необходимости в значительных расстояниях между контактами: обычно достаточно 2-2,5 сантиметров. Компактность означает еще и небольшой вес.
6. Устройство отличается безопасностью применения. Выключатель работает при небольших динамических нагрузках, бесшумен, отсутствует риск утечки масла.
7. Работает вакуумная камера в автономном режиме, поскольку отсутствует потребность в пополнении среды. Результатом автономности является снижение эксплуатационных расходов.
8. Серьезный механический ресурс. Число включений и отключений без проведения ремонта может доходить до нескольких десятков тысяч. Отключение токов короткого замыкания может осуществляться десятки или даже сотни раз. Те же маломасляные устройства нуждаются в ремонте уже после нескольких сотен отключений при рабочем токе и всего лишь после десятка отключений при коротких замыканиях.
9. Быстродействие. Причина быстрой работы состоит в малом ходу контактов, так как дистанция между ними не более 10 миллиметров. Для примера: расстояние между контактами в маломасляных выключателях достигает десятков сантиметров.

Недостатки вакуумных выключателей:

1. Вероятность коммутационных перенапряжений в случае отключения небольших индуктивных токов.
2. Сложный процесс изготовления, так как нужно создать контактные материалы. Работа с вакуумом требует особых производственных условий.
3. Необходимость значительных инвестиций в производство, что напрямую сказывается на себестоимости продукции.

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.

Термостатические конденсатоотводчики (капсульные)

Принцип действия термостатического конденсатоотводчика основан на разности температур пара и конденсата.

Рабочим элементом термостатического конденсатоотводчика является капсула с расположенным в нижней части седлом, выполняющим функцию запорного механизма. Капсула закреплена в корпусе конденсатоотводчика, причем диск расположен непосредственно над седлом, на выходе из конденсатоотводчика. В холодном состоянии между диском капсулы и седлом существует зазор, позволяющий конденсату, воздуху и другим неконденсируемым газам беспрепятственно выходить из конденсатоотводчика. 

При нагреве специальный состав в капсуле расширяется, воздействуя на диск, который при расширении опускается на седло, препятствуя выходу пара. Данный тип конденсатоотводчиков помимо отвода конденсата, позволяет также удалять из системы воздух и газы, то есть использоваться в качестве воздухоотводчика для паровых систем. Существуют три модификации термостатических капсул позволяющих отводить конденсат при температуре на 5°С, 10°С или 30°С ниже температуры парообразования.  

Основные модели термостатических конденсатоотводчиков: TH13A, TH21, TH32Y, TSS22, TSW22, TH35/2, TH36, TSS6, TSS7.

Устройство и принцип действия масляных выключателей

Все масляные выключатели конструктивно состоят из:

1. Силовой контактной группы. В неё входит подвижный (свеча) и неподвижный контакт (розетка), между которым и возникает дуга, гасящаяся в масле;
2. Изоляторы, которые обеспечивают надёжную изоляцию токопроводящих частей от корпуса, и друг от друга;
3. Одного или трёх баков с трансформаторным маслом;
4. Группы блок-контактов, выполняющих контролирующую и управляющую роль;
5. Приводы к масляным выключателям, собраны на довольно мощной включающей катушке, называющейся соленоидом или катушкой соленоида. Отключающая катушка выполняет роль ударного механизма, сбивающего с защёлки включенное устройство выключателя. Также привод может быть ручной;
6. Специальные отключающие пружины, которые размыкают силовую часть при отключении. За счёт них зависит скорость расхождения контактов.

После тока как свечи вошли в розетку на 20–25 мм, механизм масляного выключателя встаёт на защёлку. Во время работы, в ячейках где установлены высоковольтные выключатели, должны быть изготовлены блокирующие устройства, которые не позволят механически, включенный высоковольтный аппарат, выкатить из ячейки КРУ.

Масляные выключатели, установленные в ячейках должны быть оснащены системами защиты. Таким образом, он работает в автоматическом режиме. Его работа и назначение схожи с обычным низковольтным автоматическим выключателем. При подаче отключающего сигнала или нажатия на механическую кнопку происходит сбивание устройства с защёлки и за счёт пружин, электрическая цепь разрывается, и он переходит в отключенное состояние. Отключающие сигналы,которые управляют выключателем, приходят от релейной защиты и автоматики.

Отличия от автоматического выключателя

Автоматический выключатель нагрузки – это прибор электрический коммутационного назначения. Он предназначен для проведения номинальных токов к нагрузке и размыкает цепь в автоматическом режиме, если возникают токи короткого замыкания либо токи, превышающие значение номинальных. Также некоторые устройства способны срабатывать при нежелательном понижении питающего напряжения, когда мощность изменяет направление. Не следует использовать автоматы в качестве тумблеров, их механизм не приспособлен для этого, могут подгорать внутренние контакты.

По числу полюсных контактов: одно-, двух- и трехполюсные.

С функцией токоограничения и без нее.

Ручного привода либо от электромагнитов.

С возможностью устанавливать задержку по времени в режиме к. з. и без этой функции.

Автоматический дифференциальный выключатель

В домашних условиях часто используются другие устройства – автоматические дифференциальные выключатели. Их устанавливают на различные бытовые приборы для защиты от скачков напряжения. Они могут обесточить помещение при необходимости, защитить токоприемники и проводку от агрессивного воздействия высоких токов.

Автоматические выключатели не подходят для частых отключений и выключений. Это может привести к быстрому износу модуля и выгоранию рабочего ресурса, после чего устройство придется менять. Для таких целей рекомендуется использовать модульные выключатели нагрузки. Коммутаторы ввода обеспечивают высокую безопасность распределительных щитов, бесперебойную подачу электричества, удобство размыкания цепи. Оптимальным вариантом является использование переключателя нагрузки и автомата одновременно. Тогда повышается безопасность электросети.

Главным отличием от автомата является невозможность работы в автоматическом режиме. Для переключения требуется внешнее вмешательство – ручное или дистанционное. Автомат срабатывает при достижении предельного тока. Также приборы могут отличаться по маркировке и внешнему виду.

Совместимость с другими агрегатами

Автономность интеллектуального выключателя зависит от конструктивных нюансов. Аппараты с приемником сигнала Wi-Fi управляются непосредственно с телефона без дополнительных приспособлений. Аналоги с системами Z-Wave или Zig-Bee нуждаются в дополнительном контроллере, выполняющего функцию посредника между смартфоном и выключателем. Идентичное устройство используется также для хранения заданных программ. Например, диапазон автоматического отключения и включения ламп.

Инновационные технологии дают возможность монтировать взаимодействующую систему, включающую в себя несколько интеллектуальных приборов. Пользователю доступна настройка выключателя в нескольких режимах, включая срабатывание аппарата при открывании дверей по сигналу датчика. Уровень светового потока, в свою очередь, может влиять на работу прочих бытовых устройств, например, кондиционера или увлажнителя воздуха.

Использование по назначению

Подготовка выключателя к использованию

Использование выключателя должно вестись в соответствии с настоящим руководством по эксплуатации, паспортом БЕКР 674152.003 ПС, а также в соответствии с документами:

• Правилами технической эксплуатации станций и сетей
• Правилами устройства электроустановок», утвержденными Госэнергонадзором.

После вскрытия упаковки необходимо произвести наружный осмотр выключателя, обращая особое внимание на наличие трещин, царапин и сколов керамического корпуса КДВ и наличие следов коррозии, повреждений на самом выключателе.

Проверить комплектность выключателя согласно разделу 3 паспорта БЕКР 674152.003 ПС.

Результаты осмотра выключателя, упаковки, комплектности поставки отразить в акте приемки изделия.

Консервацию и расконсервацию выключателя, встроенного в ячейку, производить в соответствии с инструкцией предприятия-изготовителя  КРУ.

При эксплуатации выключателей напряжение и токовая нагрузка не должны превышать величин, указанных в разделе 1.2 настоящего    руководства по эксплуатации.

При эксплуатации выключателей необходимо соблюдать меры безопасности, указанные в разделе 2.3 настоящего руководства по эксплуатации.

Все сведения об отключениях коротких замыканий, неисправностях, результаты периодических осмотров заносить в специальный журнал при распределительном устройстве на месте эксплуатации.

Подготовка к работе

• Снять лицевую крышку, проверить состояние и надежность крепления всех узлов и деталей. При необходимости подтянуть  крепежные соединения.
• Снять консервационную смазку. Контактные токовыводы имеют гальваническое покрытие. При очистке необходимо пользоваться растворителем, например бензином или уайт-спиритом.
• Необходимо обтереть выключатель. Обтирочный материал должен быть чистым и не оставлять ворса.

Проверить состояние мест заземления на отсутствие следов коррозии.

Испытать изоляцию вспомогательных цепей одноминутным приложением   напряжения промышленной частоты 2 кВ,  закоротив все выводы вторичных цепей между собой (для предотвращения выхода из строя полупроводниковых элементов схемы).

После испытаний провести 5 циклов » ВО» на номинальном значении напряжения цепи.

• Испытать изоляцию выключателя на электрическую прочность напряжением промышленной частоты в соответствии с требованиями п.2.5.3.7 настоящего руководства по эксплуатации.
• Замерить сопротивление токоведущего контура каждого полюса согласно требованиям п. 2.5.3.6 настоящего руководства по эксплуатации.
• Проверить блокировку от повторного включения выключателя путем подачи одновременно команд на включение и отключение.

Проверить работу выключателя на исправность действия механизма в соответствии с п. 2.5.3.13 настоящего руководства по эксплуатации.

Проверить работу действия механизма оперативного ручного включения выключателя  в соответствии с п.2.5.3.13.

Занести в паспорт выключателя размер для определения износа контактов в процессе эксплуатации в соответствии с требованиями п.2.5.3.9.

Включение

В отключенном положении выключателя контакты вакуумной камеры (ВДК) удерживаются в разомкнутом состоянии действием отключающей пружины, которое передаётся на подвижный контакт ВДК посредством тягового изолятора. Для включения модуля на обмотку электромагнитного привода разряжается на предварительно заряженный включающий конденсатор блока управления. Импульс тока, протекающий по обмотке электромагнитного привода в результате разряда конденсатора, создаёт магнитное поле в зазоре между якорем и плоским магнитопроводом.

По мере роста тока в обмотке электромагнитного привода сила электромагнитного притяжения между якорем и плоским магнитопроводом возрастает до величины, превышающей силу удержания, создаваемую пружиной отключения. В этот момент якорь привода начинает двигаться по направлению к магнитопроводу, толкая тяговый изолятор и подвижный контакт ВДК.

В процессе движения якоря по направлению к магнитопроводу воздушный зазор уменьшается, благодаря чему сила притяжения якоря увеличивается. Быстро растущая электромагнитная сила стремительно ускоряет движущиеся части модуля до скорости примерно 1 м/с. Такая скорость является оптимальной для процесса включения и позволяет избежать дребезга контактов при их соударении, существенно снижая при этом вероятность пробоя вакуумного промежутка до момента замыкания контактов.

Ускоряющий якорь генерирует в витках обмотки электромагнитного привода противо ЭДС, которая препятствует дальнейшему нарастанию тока в обмотке и даже несколько снижает его.

В момент замыкания контактов подвижный контакт останавливается, а якорь продолжает своё движение ещё на 2 миллиметра, поджимая контакты через пружину дополнительного поджатия контактов.

Достигнув плоского магнитопровода, якорь останавливается, примагнитившись к магнитопроводу привода. В момент остановки якоря он перестаёт индуцировать противо-ЭДС, что приводит к росту тока, необходимого для насыщения кольцевого постоянного магнита до достижения им необходимых магнитных свойств.

Намагниченный до насыщения кольцевой магнит создаёт мощный остаточный магнитный поток, достаточный для удержания якоря привода (и соответственно, контактов модуля) во включенном положении даже после отключения включающего тока вспомогательным контактом.

Испытания на стойкость к механическим воздействиям показали, что усилие удержания, развиваемого постоянным магнитом, достаточно для того, чтобы удерживать модуль во включенном положении так долго, как это необходимо по условиям эксплуатации, даже при воздействии вибрационных и ударных нагрузок.
Отключающая пружина привода также сжимается в процессе движения якоря, накапливая потенциальную энергию для выполнения операции отключения модуля.

Перемещение якоря передаётся на синхронизирующий вал, поворачивая его в процессе перемещения на угол 44°, для обеспечения индикации состояния модуля, управления вспомогательными контактами и приведения в действие блокировочных механизмов распредустройства.

Выключатели нагрузки серии ВНА

Выключатель нагрузки автогазовый (ВНА) предназначен для коммутации под нагрузкой цепей трехфазного тока 630А частотой 50 Гц напряжением 6 или 10 кВ в камерах сборных одностороннего обслуживания (КСО), в шкафах комплектных распределительных устройств (КРУ) и в комплектных трансформаторных подстанциях (КТП). В качестве дугогасящего элемента служит дугогасительная камера из полиметилметакрилата в полиамидном корпусе.

Условия эксплуатации:

• высота установки над уровнем моря не более 1000 м;
• температура окружающего воздуха от минус 45° С до плюс 40° С;
• окружающая среда невзрывоопасная, не содержащая агрессивных газов и паров, а также производственной пыли в количествах, нарушающих работу выключателя;
• рабочее положение в пространстве — установка на вертикальной плоскости. Допускается отклонение от вертикального положения 5° в любую сторону учитывая, что подвижные контакты должны откидываться вниз.

Условное обозначение выключателя нагрузки ВНА

ВНА-П(Л)-I(II)(III)-10/630-20з(зп) УХЛ2

• В — выключатель;
• Н — нагрузки;
• А — автогазовый;
• П, Л — правосторонний (левосторонний) привод;
• I, II, III — расположение заземляющих ножей сверху, снизу, с двух сторон;
• 10 — номинальное напряжение, кВ;
• 630 — номинальный ток, А;
• 20 — предельный сквозной ток, кА;
• з, зп — с заземляющими ножами, с заземляющими ножами и предохранителями;
• УХЛ2 — климатическое исполнение и категория размещения.

Конструкция и принцип действия

Выключатель нагрузки ВНА состоит из рамы, вала управления подвижными токоведущими контактами и вала управления заземляющими ножами. На трех нижних изоляторах шарнирно закреплены подвижные токоведущие контакты совместно с подвижными дугогасительными контактами. На трех верхних изоляторах закреплены неподвижные токоведущие контакты, неподвижные дугогасительные контакты и дугогасительная камера. Движение от рычагов вала к подвижным контактам передаются при помощи тяговых изоляторов из стеклонаполненного полиамида.

Установка выключателя ВНА-П-10/630-II-20з УХЛ2 в камере КСО-393

1 — выключатель нагрузки, 2 — привод ПР-10 главных ножей, 3 — привод ПР-10 заземляющих ножей, 4 — тяга главных ножей, 5 — тяга за заземляющих ножей

Для отключения выключателя установлены две пружины: отключающая и депфирующая, также для смягчения ударов при отключении установлен резиновый буфер.

Дугогасительные камеры из полиметилметакрилата предназначены для гашении электрической дуги при размыкании дугогасительных контактов, потоком газа образующегося в результате воздействия высокой температуры на газогенерирующий материал камеры. При включении выключателя сначала замыкаются главные контакты, а затем дугогасительные, при отключении сначала размыкаются главные контакты а затем дугогасительные.

Работа выключателя осуществляется при помощи пружинного механизма.

В конструкции выключателя предусмотрена блокировка которая обеспечивает:

• Невозможность включения выключателя при включенных заземляющих ножах.
• Невозможность включения заземляющих ножей при включенном положении выключателя.

Включение и отключение выключателя осуществляется при помощи ручного привода типа ПР-10. Привод соединяется с валом пружинного механизма включения при помощи тяги (в комплект поставки не входит). Включение осуществляется при передаче поступательного движения от привода ПР-10 через тягу на вал пружинного механизма, при этом происходит сжатие включающей пружины включающего механизма, переход ее через мертвую точку и последующее включение главного вала выключателя. Отключение происходит аналогичным образом.

Выключатель типа ВНА с заземляющими ножами и предохранителями дополнительно имеет отдельную полураму заземлителя и смонтированные на изоляторах контакты типа КО для установки патронов предохранителей серии ПТ. Заземлитель и выключатель соединяются между собой блокировкой.

Технические характеристики выключателей нагрузки ВНА

Выбрать выключатель нагрузки ВНА…

Преимущества

Все свои положительные качества вакуумные выключатели проявляют в электроустановках, где совершается большое количество коммутаций. Поэтому аппараты работают особо эффективно в системах управления трансформаторов и электродвигателей.

• Высокая надежность по сравнению с масляными или воздушными выключателями. Что это значит? Количество отказов вакуумных выключателей существенно ниже, чем у вышеупомянутых коммутационных устройств. Это с уверенностью можно назвать главным преимуществом.

• Длительный срок эксплуатации. Выключатель способен прослужить 25 лет, после чего его заменяют новым.

• Быстродействие. Причина этому — более серьезный показатель вакуума на пробой электрическим током, чем масло или воздушная среда. Поэтому ход контактов дугогасительной камеры у выключателя составляет всего 6—10 мм, против 100 мм у масляных моделей. Скорость срабатывания около 2 мс, то есть, очень быстро. Вдобавок вакуумная конструкция обладает длительным механическим ресурсом.

• Низкие эксплуатационные расходы. Это обусловлено дугогосящей средой. В тех же воздушных или масляных выключателях есть необходимость в пополнении оной. Вакууму ничего подобного не нужно. Полюса изготавливаются в герметичном и неразборном исполнении.

• Относительная простота конструкции. Нет дополнительных элементов в виде масляных баков или компрессорных установок, за которыми требуется постоянно следить и обслуживать.

• Выключатель справляется со своими функциями одинаково эффективно независимо от ориентации в пространстве.

Читать далее: Лучшие пылесосы Samsung без мешка характеристики моделей рекомендации перед покупкой

• Высокая коммутационная стойкость. Выключатель без ревизии и ремонта способен выдержать до 20 тыс. отключений с рабочей величиной токов и до 200 отключений при токе КЗ (ресурс зависит от конкретной модификации аппарата и величины тока КЗ). Ни один вид выключателей не способен обеспечить такой рабочий срок без профилактических мероприятий.

• Удобство ремонта и обслуживания. Вся конструкция построена по блочному принципу. Один заменяется на другой без необходимости разбора и восстановления.

• Малые габариты. При одних и тех же рабочих значениях токов и напряжений, размеры и масса вакуумного выключателя будут существенно меньше, чем аналогов.

• Безопасность. Отсутствие утечек масла или газа определяют высокую степень пожарной и экологической безопасности коммутационного аппарата. Срабатывает вакуумный выключатель тише, нежели воздушник. Последний «бьет» очень громко, как выстрел ружья, который слышно за 500 м.

Похожие записи:

Разница между переменным и постоянным током Как выбрать светодиодные лампы для автомобиля Проводим нагрузочное тестирование скоростных usb-библиотек для stm32f103c8t6 Как выбрать подрозетники по бетону и произвести их крепление Сопротивление диода Почему люди «бьются» током?