Преимуществаи недостатки вакуумных коммутаторов

Введение

В настоя­щее время выключатели с вакуумными и элегазовыми дугогасящими устройствами (ДУ) начинают все больше вытес­нять масляные, электромагнитные и воздушные выключа­тели. Дело в том, что ДУ вакуумные и элегазовые не тре­буют ремонта по крайней мере в течение 20 лет, в то время как в масляных выключателях масло при отключениях за­грязняется частицами свободного углерода и, кроме того, изоляционные свойства масла снижаются из-за попадания в него влаги и воздуха. Это приводит к необходимости сме­ны масла не реже 1 раза в 4 года. Дугогасящие устройства электромагнитных выключателей примерно в эти же сроки требуют очистки от копоти, пыли и влаги; ДУ вакуумных и элегазовых выключателей заключены в герметичные обо­лочки, и их внутренняя изоляция не подвергается воздейст­вию внешней среды. Электрическая дуга при отключениях в вакууме или в элегазе также практически не снижает свойств дугогасящей и изолирующей среды.

Современные выключатели должны обладать коммута­ционными и механическими ресурсами, обеспечивающими межремонтный период в эксплуатации 15—20 лет. Эти ус­ловия трудно выполнимы при традиционных методах гаше­ния дуги в масле или воздухе. Возможности дальнейшего существенного совершенствования выключателей с тради­ционными способами гашения дуги практически исчерпаны. Однако выпуск этих выключателей пока будет продол­жаться из-за того, что технология их изготовления проста и цена их ниже вновь осваиваемых воздушных и элегазо­вых выключателей.

Область применения

Вакуумные выключатели являются представителями нового поколения среди коммутационной высоковольтной аппаратуры. Они более эффективны, экономичны по сравнению с традиционными воздушными и электромагнитными выключателями. Как показывает статистика, доля их применения в сетях с напряжением от 6 до 10 и даже 35 кВ стабильно растет. Так, например, высоковольтные линии в Китае практически полностью строятся вокруг таких коммутаторов. В развитых странах Евросоюза их доля превышает две трети. Такое соотношение достигается за счет более надежной, а главное, долговечной конструкции (паспортный показатель достигает 20 лет). Они довольно неприхотливы в обслуживании и эксплуатации, не требуют регулярной очистки, то есть, снижают амортизационные капиталовложения.

Принцип действия

Работа вакуумных выключателей, независимо от номинала напряжения (6, 10, 35 кВ), подчиняется определенным принципам. Вся теория их использования строится вокруг явления возникновения дуги между размыкаемыми/замыкаемыми контактами. Причиной ее возникновения является ток коммутации, вызывающий процесс ионизации, испарения металла на контактных поверхностях. Пар закономерно образует плазму, являющуюся токопроводящим элементом. За счет зоны вакуума, куда происходит испарение, в момент, когда значение тока достигает отметки «0», дуга угасает, пар мгновенно конденсируется. Одновременно происходит восстановление напряжения на контактах вакуумных выключателей.

Особенности конструкции

Каждая из моделей низковольтных и высоковольтных выключателей имеет различную конструктивную схему. Так происходит потому, что используется разный номинал напряжения и тока. К тому же свои идеи реализуют различные производители. В качестве примера при рассмотрении устройства оборудования, используем вакуумный выключатель VF12. Это отечественная разработка, рассчитанная на номинальное напряжение 10 кВ и ток до 3150 А. Основные его узлы можно видеть на следующем рисунке:

Рисунок 1. Вакуумный выключатель типаVF-12 НА 10кВ и 3150А

1-Корпус с приводом; 2-Контактная система; 3-Полюс с вакуумной дугогасительной камерой; 4-Тележка аппаратная

Основой выключателя служит металлический корпус со встроенным приводом. С ним соединены три полюса токоведущей цепи. Каждый полюс состоит из контактной группы со встроенной дугогасительной камерой. Все эти элементы собраны в синтетический литой корпус, который служит изолятором. В данном случае используется комбинация силиконовых и эпоксидных смол. Внутренне устройство корпуса можно видеть на следующем рисунке:

Рисунок 2.Внутренне устройство корпуса

1-Верхний вывод; 2-Вакуумная дугогасительная камера; 3-Корпус полюса; 4-Подвижный контакт; 5-Нижний вывод;6-Гибкая токоведущая шина; 7-Тяга с изолятором.

Главным элементом VF12 является вакуумная камера, которая состоит из следующих основных элементов:

Рисунок 3.Вакуумная камера

1-Вывод неподвижного контакта; 2-Контакт неподвижный; 3-Контакт подвижный; 4-Экран; 5-Керамический изолятор; 6-Сильфон; 7-Вывод неподвижного контакта

Что касается корпуса самого выключателя, то та часть, где расположен привод, имеет секционную схему. Такое решение позволяет повысить общую надежность работы, безопасность обслуживания. Сам привод является пружинным – его взвод происходит автоматически (рабочий режим) или вручную рукояткой, которая монтируется в соответствующее гнездо. Общую схему привода, а также расположения органов управления можно видеть на рисунке:

Рисунок 3.Привод выключателя

1-Разъем 58-контактный; 2-Индикатор взвода пружины; 3-Индикатор положения аппарата; 4-Кнопка «Отключение» ; 5-Кнопка «Включение» ; 6-Гнездо для установки рукоятки для взвода пружины.

Преимуществаи недостатки вакуумных коммутаторов

Вакуумные выключатели на 6, 10 и 35 кВ обладают очевидными преимуществами по сравнению с конкурентными решениями, что обуславливает широкое их применение. К очевидным достоинствам можно отнести:

· Безопасность. Любой вакуумный коммутационный узел 6, 10 или 35 кВ намного легче аналогов для этого номинала напряжений. Это обеспечивает снижение динамических нагрузок, шума, мощности привода, что комплексно сказывается на безопасности эксплуатации;

· Автономность. В отличие от масляных, вакуумные выключатели не требуют периодической компенсации уровня рабочей среды, снижая объемы работ по обслуживанию к минимуму;

· Быстродействие. Малый ход контактной группы обеспечивает более быстрое срабатывание, а значит, меньший износ узлов

· Коммутационная стойкость, высокий ресурс, низкие расходы на обслуживание. Число отключений рабочего тока без ремонтов и ревизий составляет десятки тысяч. Вакуумный выключатель способен отключать токи короткого замыкания в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен раз (в зависимости от изготовителя и величины ударного тока и его периодической составляющей). К примеру: масляные выключатели нуждались в ревизии всего после нескольких сотен отключений рабочего тока и до десяти отключений токов КЗ (короткого замыкания). Воздушные выключатели – соответственно от 1000 до 2000 и от о 5 до 15.

· Надежность эксплуатации. Количество отказов у «вакуумника» намного ниже, чем у традиционных выключателей.

Недостатки вакуумных выключателей:

· Вероятность коммутационных перенапряжений в случае отключения небольших индуктивных токов.

· Сложный процесс изготовления, так как нужно создать контактные материалы. Работа с вакуумом требует особых производственных условий.

· Необходимость значительных инвестиций в производство, что напрямую сказывается на себестоимости продукции.