Войти
Вакуумный прерыватель с керамическим корпусом. В электротехнике вакуумный прерыватель - переключатель , который использует электрические контакты в вакууме. Он является основным компонентом автоматических выключателей среднего напряжения, генераторных выключателей и высоковольтных выключателей. Разделение электрических контактов приводит к возникновению дуги из паров металла, которая быстро гаснет. Вакуумные прерыватели широко используются в коммунальных системах передачи энергии, энергоблоках и системах распределения энергии для железных дорог, дуговые печи применения и промышленные установки.
Поскольку дуга находится внутри прерывателя, распределительное устройство с вакуумными прерывателями очень компактно по сравнению с распределительными устройствами, использующими воздух, SF6 или масло в качестве дугогасящая среда. Вакуумные прерыватели могут использоваться для автоматических выключателей и переключателей нагрузки. Вакуумные прерыватели силовых выключателей используются в основном в электроэнергетике на подстанциях и на объектах энергетики, а вакуумные прерыватели с переключением нагрузки используются в энергосистеме конечные пользователи.
Использование вакуума для коммутации электрических токов было мотивировано наблюдение, что зазор в один сантиметр в рентгеновской трубке может выдерживать десятки тысяч вольт. Хотя некоторые устройства переключения вакуума были запатентованы в 19 веке, они не были коммерчески доступны. В 1926 году группа под руководством Калифорнийского технологического института исследовала вакуумное переключение и протестировала несколько устройств; исследованы фундаментальные аспекты прерывания дуги в вакууме. Соренсон представил результаты на встрече AIEE в том же году и предсказал коммерческое использование коммутаторов. В 1927 году General Electric приобрела патент и начала коммерческую разработку. Великая депрессия и разработка маслонаполненных распределительных устройств вынудили компанию сократить опытно-конструкторские работы, и до 1950-х годов над вакуумными распределительными устройствами проводилось мало коммерчески важных работ.
В 1956 г. Кросс произвел революцию в области вакуумных выключателей для высокочастотных цепей и произвел вакуумные выключатели с номиналом 15 кВ при 200 А. Пять лет спустя Томас Х. Ли из General Electric выпустил первые вакуумные выключатели с номинальное напряжение 15 кВ при токах отключения при коротком замыкании 12,5 кА. В 1966 году были разработаны устройства на номинальное напряжение 15 кВ и токи отключения при коротком замыкании 25 и 31,5 кА. После 1970-х годов вакуумные переключатели начали заменять переключатели с минимальным содержанием масла в распределительных устройствах среднего напряжения. В начале 1980-х годов переключатели и прерыватели SF6 также постепенно были заменены вакуумной технологией в системах среднего напряжения.
По состоянию на 2018 год вакуумный выключатель достиг 145 кВ, а ток отключения достиг 200 кА.
Трехфазный вакуумный выключатель среднего напряжения с тремя корпусами вакуумных прерывателей Вакуумные прерыватели можно классифицировать по типу корпуса, применению и классу напряжения.
Экспериментальные, радиочастотные и ранние вакуумные прерыватели с переключением мощности имели стеклянные корпуса. В последнее время вакуумные прерыватели для силовых распределительных устройств изготавливаются с керамическими оболочками.
Области применения и применения включают автоматические выключатели, генераторные выключатели, переключатели нагрузки, контакторы двигателей и устройства повторного включения. Также производятся специальные вакуумные прерыватели, такие как те, которые используются в трансформаторе переключателях ответвлений или в дуговой электропечи.
Исследования и исследования в начале 1990-х годов позволяют использовать вакуумную коммутационную технологию для генераторов. Применения переключения генераторов хорошо известны своими более высокими нагрузками на отключающие устройства, такими как высокий ток короткого замыкания с большой асимметрией или высокое и крутое переходное напряжение восстановления; стандарт IEC / IEEE 62271-37-013 (бывший и действующий IEEE C37.013, 1997) был введен для удовлетворения таких требований кавтоматическим выключателям, используемым в генераторах.
Вакуумные автоматические выключатели могут квалифицироваться как генераторные автоматические выключатели в соответствии с IEC / IEEE 62271-37-013. По сравнению с автоматическими выключателями, использующими другие гасящие среды (такие как SF6, воздушный поток или минимальное количество масла), вакуумные выключатели имеют следующие преимущества:
Вакуумные GCB подходят для частого переключения и для прерывания низкочастотных токов, как указано в гидроаккумулирующей электростанции.
Вакуумный прерыватель обычно имеет один фиксированный и один подвижный контакт, гибкий сильфон, позволяющий перемещать этот контакт, и дуговые экраны, заключенные в герметичный стеклянный, керамический или металлический корпус с высоким вакуумом.. Подвижный контакт соединен гибкой оплеткой с внешним цепи и перемещается механизмом, когда требуется, чтобы устройство открылось или закрылось. Поскольку давление воздуха стремится закрыть контакты, рабочий механизм должен удерживать контакты в разомкнутом состоянии, преодолевая замыкающую силу давления воздуха на сильфон.
Корпус выключателя изготовлен из стекла или керамики. Герметичные уплотнения обеспечивают поддержание вакуума в прерывателе в течение всего срока службы устройства. Корпус должен быть газонепроницаемым и не должен выделять захваченный газ. Сильфон из нержавеющей стали изолирует вакуум внутри прерывателя от внешней атмосферы и перемещает контакт в заданном диапазоне, размыкая и замыкая переключатель.
Вакуумный прерыватель имеет экраны вокруг контактов и на концах прерывателя, предотвращая конденсацию любого контактного материала, испаряющегося во время дуги, на внутренней стороне вакуумный конверт. Это снизило бы прочность изоляции оболочки, что в конечном итоге привело бы к искрообразованию в размыкателе прерывателя. Экран также помогает контролировать форму распределения электрического поля внутри прерывателя, что способствует более высокому номинальному напряжению холостого хода. Он помогает поглощать часть энергии, производимой в дуге, увеличивая отключающую способность устройства.
Вакуумный прерыватель Siemens 30-летней давности Контакты пропускают ток цепи в замкнутом состоянии, образуя выводы дуга в открытом состоянии. Они изготавливаются из различных материалов, в зависимости от использования и конструкции вакуумного прерывателя, для длительного срока службы контактов, быстрого восстановления номинального выдерживаемого напряжения и контроля перенапряжения из-за прерывания тока.
Внешний привод приводит в движение подвижный контакт, который размыкает и замыкает подключенную цепь. Вакуумный прерыватель включает в себя направляющую втулку для управления подвижным контактом и защиты сильфона от скручивания, что резко сократит срок его службы.
Хотя некоторые конструкции вакуумных прерывателей имеют простые стыковые контакты, контакты обычно имеют форму пазов, выступов или канавок для улучшения их способности отключать большие токи. Ток дуги, протекающий через профильные контакты, создает магнитные силы на столбе дуги, которые заставляют пятно контакта дуги быстро перемещаться по поверхности контакта. Это снижает износ контактов из-за эрозии дугой, которая плавит контактный металл в точке контакта.
Лишь немногие производители вакуумных выключателей в мире производят сам контактный материал. Основное сырье, медь и хром, с помощью дуговой плавки превращается в мощный контактный материал. Полученные необработанные детали перерабатываются в контактные диски RMF или AMF, а с дисков AMF с прорезями в конце удаляются заусенцы. Для контактных материалов требуется следующее:
В автоматических выключателях контактные материалы вакуумного прерывателя в основном представляют собой сплав 50-50 медь - хром. Они могут быть изготовлены путем приваривания листа медно-хромового сплава на верхней и нижней контактных поверхностях к контактному гнезду из бескислородной меди. Другие материалы, такие как серебро, вольфрам исоединениявольфрама, используются в других конструкциях прерывателей. Конструкция контактов вакуумного прерывателя оказывает большое влияние на его отключающую способность, электрическую прочность и уровень отключения тока.
Сильфон вакуумного прерывателя позволяет приводить в действие подвижный контакт извне корпуса прерывателя и должен поддерживать длительный высокий вакуум в течение ожидаемого срока службы прерывателя. Сильфон изготовлен из нержавеющей стали толщиной от 0,1 до 0,2 мм. На его усталостную долговечность влияет тепло, отводимое от дуги.
Чтобы обеспечить соответствие требованиям к высокой износостойкости на практике, сильфоны регулярно каждые три месяца подвергаются испытанию на долговечность. Испытание проводится в полностью автоматической испытательной кабине с регулировкой хода для соответствующего типа.
Срок службы сильфонов составляет более 30 000 рабочих циклов на CO.
В вакуумном прерывателе используется высокий вакуум для гашения дуги между парой контактов. По мере того как контакты расходятся, ток проходит через меньшую площадь. Между контактами происходит резкое увеличение сопротивления, и температура на контактной поверхности быстро увеличивается до тех пор, пока не произойдет испарение электродного металла. В то же время электрическое поле очень велико через небольшой контактный зазор. При пробое зазора возникает вакуумная дуга. Поскольку переменный ток вынужден проходить через ноль из-за сопротивления дуги, и зазор между неподвижным и подвижным контактами увеличивается, проводящая плазма , создаваемая дугой, удаляется от дуги. разрыв и становится непроводящим. Ток прерван.
Контакты AMF и RMF имеют спиральные (или радиальные) прорези в торцах. Форма контактов создает магнитные силы, которые перемещают пятно дуги по поверхности контактов, поэтому дуга не остается в одном месте очень долго. Дуга равномерно распределяется по контактной поверхности, чтобы поддерживать низкое напряжение дуги и уменьшить эрозию контактов.
Компоненты вакуумного прерывателя должны быть тщательно очищены перед сборкой, поскольку загрязняющие вещества могут выделять газ в вакуумную камеру. Чтобы обеспечить высокое напряжение пробоя, компоненты собираются в чистом помещении, где строго контролируется пыль.
После того, как поверхности были обработаны и очищены гальваническим покрытием и проведен оптический контроль однородности поверхности всех отдельных частей, прерыватель собирается. На стыки компонентов наносится припой в высоком вакууме, детали выравниваются, прерыватели фиксируются. Поскольку чистота во время сборки особенно важна, все операции выполняются в условиях чистой комнаты с кондиционированием воздуха. Таким образом производитель может гарантировать неизменно высокое качество прерывателей и максимально возможные номиналы до 100 кА в соответствии с IEC / IEEE 62271-37-013.
Подузлы вакуумных прерывателей первоначально были собраны и спаяны вместе в печи в атмосфере водорода. Трубка, подключенная к внутренней части прерывателя, использовалась для откачки газа из прерывателя с помощью внешнего вакуумного насоса, в то время как прерыватель поддерживался при температуре около 400 ° C (752 ° F). С 1970-х годов подкомпоненты прерывателя собираются в печи для пайки в высоком вакууме с помощью комбинированного процесса пайки и вакуумирования. Десятки (или сотни) бутылок обрабатываются за одну партию с использованием высоковакуумной печи, которая нагревает их до температуры до 900 ° C и давления 10 мбар. Таким образом, прерыватели соответствуют требованиям качества "". Благодаря полностью автоматическому производственному процессу высокое качество может быть постоянно воспроизведено в любое время
Затем оценка прерывателей с помощью процедуры рентгеновского снимка используется для проверки качества позиции, а также комплектность внутренних компонентов и качество точек пайки. Это обеспечивает высокое качество вакуумных камер.
Во время формовки определенная внутренняя диэлектрическая прочность вакуумного прерывателя устанавливается при постепенном увеличении напряжения, и это подтверждается последующим испытанием импульсным напряжением молнии. Обе операции выполняются с более высокими значениями, чем те, которые указаны в стандартах, что свидетельствует о качестве вакуумных камер. Это необходимое условие для длительного срока службы и высокой готовности.
Благодаря процессу производства вакуумные камеры доказали свою «герметичность на весь срок службы». Это позволяет избежать необходимости в системах контроля или проверке герметичности, как указано в стандарте IEEE C37.100.1 в параграфе 6.8.3.
При определенных обстоятельствах вакуумный выключатель может вызвать ток в цепи до нуля до естественногонуля (иреверсирования тока) в цепи переменного тока. Если синхронизация срабатывания прерывателя неблагоприятна по отношению к форме волны переменного напряжения (когда дуга гаснет, но контакты все еще движутся и ионизация еще не рассеялась в прерывателе), напряжение может выдерживать выдерживаемое промежутком вольтаж. Это может повторно воспламенить дугу, вызывая резкие переходные токи. В любом случае в систему вводится колебание, которое может привести к значительному перенапряжению. Производители вакуумных прерывателей решают эти проблемы, выбирая материалы и конструкцию контактов, чтобы свести к минимуму прерывание тока. Для защиты от перенапряжения в вакуумные распределительные устройства обычно входят разрядники для защиты от перенапряжений.
. В настоящее время, при отключении очень слабого тока, вакуумные выключатели не вызывают перенапряжения, которое могло бы снизить изоляцию от окружающего оборудования.
