ВАКУУМНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

В последние годы мировая практика электроаппаратостроения ориентируется на направление, связанное с применением новых нетрадиционных видов изоляции. В частности, в области создания коммутационных аппаратов для электрических сетей напряжением 6-35 кВ в настоящее время стали доминирующими вакуумные выключатели. Так, доля вакуумных выключателей в общем количестве выпускаемых аппаратов в странах Европы и США достигает 70%, в Японии 100%. В России в последние годы эта доля имеет постоянную тенденцию к росту и составляет более 50%. Вакуум как дугогасительная и изолирующая среда благодаря своим замечательным свойствам позволяет создавать коммутационные аппараты в простейшем с конструктивной точки зрения виде. Резюмируя целый ряд преимуществ вакуумных выключателей перед традиционно применяемыми в средних классах напряжения масляными и электромагнитными выключателями, можно выделить основные:

-высокая надежность;

- низкие затраты на обслуживание.

Применение вакуумной техники особенно оправданно для работы с частыми коммутациями рабочих токов, например для коммутации реакторов, конденсаторных устройств компенсации реактивной мощности промышленных дуговых печей, где присутствуют не только частые коммутации, но и довольно большой коммутируемый ток, для пусков и переключений электродвигателей мощностью от десятков до тысяч киловатт. Многие повреждения, особенно в воздушных сетях, являются по природе временными. Например, межфазное дуговое замыкание, вызванное ударом молнии или схлестыванием проводов из-за сильного ветра. В таких обстоятельствах целесообразным видится быстрое отключение аварийного участка для прекращения дугового разряда с последующим восстановлением питания аварийного участка, на котором причина возникновения замыкания к этому моменту, как правило, исчезает. Вся операция занимает доли секунды. Аппараты, предназначенные для таких целей, называют реклоузерами. Большинство современных промышленных реклоузеров являются вакуумными, поскольку они лучше всего соответствуют предъявленным требованиям к массогабаритным показателям, быстродействию и минимизации энергопотребления при выполнении операций.

Предельные параметры вакуумных выключателей, достигнутые в серийном производстве, составляют по номинальному току 4000 А, по току отключения – 100 кА при 7,2 кВ и 31,5 кА при 35 кВ. Таким образом, в последние годы усилия разработчиков направлены не на повышение основных параметров аппаратов, а на создание более экономичных конструкций и повышение их надежности. По первому направлению работа идет, в основном, по пути совершенствования конструкции и технологии изготовления вакуумных дугогасительных камер, стоимость которых является определяющим фактором стоимости вакуумного выключателя в целом. В области создания приводов традиционного типа (пружинно-моторные, пружинно-рычажные) возможности с точки зрения снижения производственных затрат практически исчерпаны. Второе направление - повышение надежности вакуумных выключателей – в основном связано с повышением надежности их приводов, так как надежность камер при современной технологии производства практически безупречна. Однако при сохранении традиционного подхода к проектированию выключателя маловероятно ожидать существенного повышения надежности аппарата и снижения производственных издержек.

В вакуумных выключателях гаше­ние дуги при коммутации электрической цепи осуществляется в вакуумной дугогасительной камере (ВДК), которая состоит из изоляционной цилиндрической оболочки, снабженной по концам металлическими флан­цами, внутри которой помещаются подвиж­ный и неподвижный контакты и электроста­тические экраны. Неподвижный контакт жестко крепится к одному фланцу, а под­вижный соединяется с другим фланцем сильфоном из нержавеющей стали, обеспечиваю­щим возможность перемещения контакта без нарушения герметичности ВДК. Экраны предназначены для защиты оболочки от брызг и паров металла, образующихся при горении дуги, а также для выравнивания распределения напряжения по камере. Обо­лочка ВДК изготовляется из специальной газоплотной керамики (в некоторых конст­рукциях — из стекла). Внутри оболочки созда­ется вакуум. В ВДК применяют контакты торцевого типа достаточно сложной конфи­гурации, выполненные из специальных спла­вов. В выключателях напряжением до 35 кВ, предназначенных для работы в сетях трех­фазного переменного тока промышленной частоты, используются три ВДК (по одной на полюс выключателя), снабженные общим приводом — пружинным или электромагнит­ным. При напряжении выше 35 кВ в каждом полюсе выключателя используются несколь­ко ВДК, соединенных последовательно.

При отключении сначала размыкаются рабочие, а затем дугогасительные контакты, между которыми возникает дуга. Электромагнитный контур создает электродинамические силы, которые вместе с воздушным потоком, созданным поршневым устройством, перебрасывают дугу на передний дугогасительный рог. При включении катушки магнитного дутья создается магнитное поле, взаимодействующее с током дуги и премещающее дугу со скоростью до 30 м/с внутрь дугогасительной камеры. При движении вверх дуга удлиняется, попадая в щели камеры. Соприкасаясь со стенками камеры, дуга охлаждается и через 0,01 - 0,02 с гаснет.

Преимущества вакуумных выключателей:

Достоинства вакуумных выключателей, обеспечивающие им преимущества перед другими типами выключателей на средние напряжения:

1) Автономность работы.

Автономность работы определяется отсутствием масляного и компрессорного хозяйств. Вакуумная дугогасительная камера (ВДК) не требует пополнения дугогасящей среды. Приводные устройства вакуумных выключателей (ВВ) могут работать от сети как постоянного, так и переменного тока.

Это позволяет в значительной мере снизить расходы на содержание парка ВВ по сравнению с масляными или воздушными выключателями.

2) Высокая эксплуатационная надежность.

Интенсивность отказов ВВ на порядок ниже по сравнению с масляными или электромагнитными выключателями.

3) Механический ресурс и быстродействие.

Высокий механический ресурс ВВ обусловлен в первую очередь тем, что ход контактов ВДК составляет от 6 до 10 мм при напряжении 10 кВ. Для масляных и электромагнитных выключателей на это же напряжение ход контактов достигает 100-200 мм. Эта особенность наряду с малой массой подвижных контактов ВВ обеспечивает высокое быстродействие, что позволяет применять ВВ в схемах быстродействующих устройств.

4) Высокая коммутационная износостойкость.

Число отключений номинальных токов, допускаемое без ревизий и ремонта ВДК, достигает 10-20 тысяч, а номинальных токов отключения (токов короткого замыкания) - от 20 до 200 в зависимости от типа ВКД и значения тока. При эксплуатации маломасляных выключателей необходимо производить ревизию после 500-1000 отключений номинального тока или 3-10 отключений номинального тока отключения. Для воздушных выключателей эти цифры составляют 1000-2500 и 6-15 отключений соответственно. Высокая коммутационная износостойкость позволяет значительно сократить расходы по обслуживанию ВВ, а также перерывы в электроснабжении, связанные с выполнением регламентных работ. Обслуживание ВВ сводится к периодической смазке механизма привода и проверке износа контактов один раз в 5-10 лет или через 5-10 тысяч отключений. Замена ВДК производится через 20-25 лет или после 20-30 тысяч операций.

5) Безопасность эксплуатации и культура обслуживания. Для ВВ характерны малая энергия привода, малые динамические нагрузки и отсутствие выброса газов, масла. Масса ВВ значительно ниже массы выключателей других типов при одинаковых номинальных параметрах тока и напряжения. Все это обеспечивает бесшумность работы, повышает культуру обслуживания и предотвращает загрязнение окружающей среды. Герметичное исполнение ВКД и отсутствие среды, поддерживающей горение, обеспечивает высокую пожаро - и взрывобезопасность и возможность работы в агрессивных средах.

Недостатки вакуумных коммутационных аппаратов:К недостаткам можно отнести:

• Более высокая стоимость по сравнению с маломасляными выключателями.

• Генерация перенапряжений. Для вакуумных выключателей характерен очень маленький разрыв между контактами и высокая скорость отключения. То есть выключатель может разрывать дугу до перехода тока через ноль. От этого и возникают перенапряжения. В ранее использовавшихся маломасляных выключателях было большое расхождение контактов, и пока дуга разрывалась,

синусоида успевала проходить через ноль, перенапряжения не было. А перенапряжение для кабельной сети - это опасно. Необходимо иметь ограничители перенапряжения. Проблема коммутационных перенапряжений сформировалась на основе раннего опыта эксплуатации первых вакуумных камер в ряде стран. С тех пор имеются большие достижения в разработке контактных материалов, дающих малый ток среза и, следовательно, обеспечивающих низкий уровень перенапряжений при отключении нагрузки. Кроме того, проблема коммутационных перенапряжений при необходимости может быть эффективно решена путем применения достаточно простых защитных устройств. Следует учитывать также, что коммутационные перенапряжения не являются специфической особенностью вакуумных коммутационных аппаратов, а присущи и другим типам выключателей.

• Возможность потери вакуума и вызываемые этим последствия. Имевшие место на начальном этапе освоения вакуумных выключателей опасения из-за возможной потери вакуума в ВДК оказались несущественными, так как накопленный мировой опыт эксплуатации ВВ в распределительных сетях показал, что потеря вакуума не создает серьезных проблем и не приводит к созданию аварийных ситуаций.

Преимущества вакуумных коммутационных аппаратов в наибольшей степени проявляются в электроустановках с частыми коммутациями. С этой точки зрения эффективным является применение их в схемах управления электродвигателями и печными трансформаторами.

Вакуумный выключатель внутренней установки класса 10 кВ типа ЗАН5 (рис. 4) пред­назначен для коммутации электрических цепей в нормальном и аварийном режимах работы с номинальным током отключения 20 кА. Выключатель устанавливается в ячейках КРУ, КСО. Является самым экономичным выклю­чателем из аналогов, присутствующих на российском рынке.

Изготавливаются по требованиям и из комплектующих Siemens. Выключа­тель ЗАН5 входит в состав широко используемой во всем мире серии ЗАН, которая закрывает диапазоны номинального напряжения 7,2—36 кВ, номи­нального тока 800—12000 А, номинального тока отключения 13,1—80 кА.Тип привода — пружинный с мотор-редуктором.

Преимущества и отличительные особенности:

· малая потребляемая мощность вторичных цепей: I пит. = 1,6—3 А при U_пит =110—230 В, что в несколько раз ниже даже самых экономичных аналогов,

· свободный от обслуживания ресурс - 10000 операционных циклов,

оптимальные масса и габаритные размеры,

· изготовлен по требованиям и из комплектующих Siemens, обеспечивающих высокое качество и надежность.

Вакуумные выключатели внутренней установки класса 10 кВ серии ВБКЭ-10 (рис. 5) предназначены для коммутации электрических цепей в нормальном и ава­рийном режимах работы с номинальными токами отключения 20 и 31,5 кА. Выключатели предназначены для работы при следующих номинальных условиях: высота над уровнем моря — до 1000 м; температура окружающего воздуха — от минус 25 до +50°С; относительная влажность окружающего воздуха не должна превышать 80% при температуре +20°С, верхнее значе­ние - 98% при температуре +25°С (без конденсации влаги); окружающая среда - взрыво- и пожаробезопасная, содержание пыли и газов не должно превышать норм для атмосферы типа II по ГОСТ 15150-69; выключатели предназначены для работы в операциях ВО и обеспечивают выполнение циклов О-0,Зс-ВО-180с-ВО, О-180с-ВО-180с-ВО, 0-0,Зс-ВО-20 с-ВО.

Выключатели в зависимости от номинального тока, тока отключения и конст­руктивных особенностей имеют следующие типоисполнения: ВБКЭ-10-630-20 УЗ, ВБКЭ-10-1000-20 УЗ, ВБКЭ-10-1600-20 УЗ, ВБКЭ-10-630-31,5 УЗ, ВБКЭ-10-1000-31,5 У3, ВБКЭ -10-1600-31,5 У3.

номинальными токами отключения 20 и 31,5 кА.

Выключатели используются для замены масляных и малома сляных выклю­чателей в выкатных элементах КРУ типов K-XXVI, К-Ш-У, K-VI-У, ST-7 (Польша) и др.