Вакуумные выключатели
К устройствам, работающим в высоковольтных электрических цепях, предъявляются особые требования по надежности, скорости срабатывания и другим параметрам. Один из их необходимых элементов цепи – вакуумный выключатель. Название объясняется конструкцией. В нем предусмотрена вакуумная камера для гашения электрической дуги, формирующейся между коммутирующими контактами. Остановимся детальней на том, что из себя представляют устройства, их конструктивных и функциональных особенностях, а также вопросе, как выбрать и подключить включатель.
Зачем нужен вакуумный выключатель
Десятки тысяч Ампер и выше – такие значения не редкость для высоковольтных установок. Требования электробезопасности здесь высоки, как нигде – ведь при аварийных ситуациях возможно повреждение дорогостоящего и важного оборудования, человеческие жертвы. В качестве устройства коммутации в силовых цепях с напряжением от 6 кВ для работы в обычном режиме или быстром аварийном срабатывании применяются вакуумные выключатели.
Устройства рассчитаны так, чтобы:
- Кратковременно выдержать ток КЗ.
- Обеспечивать быструю и надежную коммутацию силовых цепей.
Принцип работы вакуумных выключателей
Устройство вакуумного выключателя предусматривает расположение контактов внутри специальной камеры. Она называется дугогасительной из-за того, что именно эта камера предотвращает возникновение электрической дуги. Действие основано на свойстве разряженной среды с давлением. Внутри камеры искусственно создана вакуумная среда, которая имеет электрическую прочность в разы больше, чем у воздуха или других сред при нормальном давлении. Физически это обосновывается тем, что средний пробег электронов, молекул и других элементарных частиц увеличивается при уменьшении давления. Длина пробега элементов в вакууме больше, чем размера камеры, а значит, электрическая прочность намного увеличивается.
Защита от возникновения электрической дуги в камере и основана на свойствах вакуума выступать в роли диэлектрика. Во внутренней части камеры нем ничего, кроме контактов выключателя. Они образуют дугу с помощью ионизации заряженных частиц металла при высокой температуре. Но она сохраняется только до тех пор, пока при изменении синусоиды тока не теряется энергия заряженных частиц. Они быстро выпадают на контакты или стенки блока, а межконтактное пространство заполняется вакуумом. Таким образом, именно вакуум способствует быстрому (до 7-10 микросекунд) служит защитой от электрической дуги. Такой метод имеет ряд преимуществ перед другими коммутаторами, хотя и не лишен недостатков: есть риск перегрева блока, деформации контактов при перенапряжениях.
Устройство вакуумного выключателя
Оборудование выпускаются разными производителями электротехнических устройств, имеет различные конструкции и параметры. Два основных типа исполнения:
- Для стационарной установки.
- Для выкатных элементов коммутационно-распределительного устройства (КРУ).
Есть основные конструктивные элементы, которые присутствуют у любых вакуумных выключателей.
Рисунок 1. Вакуумная камера.
- Токосъемная часть.
- Контакт переключателя.
- Двигающийся коммутационный контакт.
- Защитный экран из металла от возникающих помех.
- Внешний корпус из диэлектрического материала (керамики).
- Сильфон для перемещения контакта и герметичности камеры.
- Второй контакт.
Вакуумная камера встраивается в сам выключатель.
Рисунок 2. Вакуумный выключатель.
- Отверстие для выхода кабеля.
- Дугогасительная камера.
- Внешний блок из диэлектрического материала.
- Двигающаяся контактная система.
- Второй вывод для электрического провода.
- Электрическая шина.
- Тяговое устройство с изолятором.
Всего таких блоков в выключателе три – для подключения трех полюсов. Они собраны в единую конструкцию, которая выглядит так:
Рисунок 3. Вакуумный выключатель.
- Корпус с механизмом коммутации.
- Токоведущие элементы для подводки трех полюсов сети.
- Вакуумная камера в корпусе из диэлектрического материала.
- Механизм передвижения блока внутри КРУ.
Сама вакуумная камера – неразборной элемент. При ее поломке, ее невозможно разобрать, заменить или отремонтировать конструктивные элементы. При ее поломке, камера заменяется новой.
Область применения
Работа вакуумных выключателей нужна в разных отраслях промышленности, где работают высоковольтные электрические системы. Их устанавливают в:
- Распределительных подстанциях.
- В плавильных металлургических цехах.
- В трансформаторах нефтегазовой и химических отраслях.
- На электрических системах ЖД транспорта.
- На шахтах и рудниках.
Но есть и случаи, когда их применение запрещено. Это:
- Помещения с повышенной взрыво- и пожароопасностью.
- Мобильные конструкции.
- Системы электропитания водного транспорта.
- Установки с частой коммутацией.
Достоинства и недостатки
Понимать сильные и слабые стороны важно, для правильной эксплуатации и применения.
Основные достоинства вакуумных выключателей:
- Простота конструкции и монтажа.
- Удобный ремонт путем замены неисправного блока.
- Надежность и износостойкость.
- Низкие энергозатраты и стоимость обслуживания.
- Возможность работы в любом положении в пространстве.
- Компактность.
- Тихая работа.
- Безопасность для экологии окружающей среды – нет вредных химических и других факторов.
Но у вакуумных выключателей есть и ряд недостатков:
- Коммутационные перенапряжения.
- Небольшой ресурс на токи КЗ.
- Стоимость.
Особенности выбора
Бесперебойная работа предприятия, безопасность персонала зависит от многих факторов, в том числе и от правильного подбора элементов коммутационных устройств. Обращаем внимание на условия эксплуатации и характеристики вакуумных выключателей:
- Напряжение должно равняться или быть больше напряжения электросистемы.
- Ток выключателя при КЗ или рабочем режиме – выбирается выше, чем расчетный ток системы.
- Предполагаемая частота коммутаций.
- Климатические условия в месте монтажа.
- Время срабатывания.
- Периодичность профосмотров, рекомендованная изготовителем – особенно важно для мест с закрытым доступом и без персонала.
- Габаритные размеры.
За основу при расчете принимаются режимы работы с максимальной нагрузкой.
Основные типы высоковольтных выключателей в зависимости от величины напряжения:
- Рассчитанные на 6-10 кВ.
- До 35 кВ.
- Выключатели до 110-220 кВ.
Установка и подключение
Это трудоемкий процесс, который должен выполнять квалифицированный персонал. Прежде всего, нужно убедиться в отсутствии дефектов и повреждений внешних элементов, качестве крепежа. Нельзя эксплуатировать оборудование с трещинами, сколами, деформациями корпуса. Проверятся и схема подключения цепи, правильность положений индикаторов на управляющей панели (путем холостого пуска).
Для аппаратуры номиналом 1600А и больше, перед монтажом блоков снимают крышки защиты. Контакты зачищаются от пыли и загрязнения с помощью ветоши без ворсинок (для клемм с серебряным покрытием) или наждачной бумагой (с зернистостью М20) и дальнейшим обезжириванием для медных или алюминиевых контактов.
Внешняя проводка присоединяется к блоку так, чтобы не было внешнего механического усилия на контакты выключателя. Применяется сцепка болтами с плоскими металлическими шайбами. Первоначальный запуск проводится после контрольной проверки, после запуска проходят приемо-сдаточные испытания.
К управлению установкой допускается после вводного инструктажа только квалифицированный персонал с допуском на работу в электроустановках под напряжением больше 1000 В.