Вакуумные выключатели: устройство, принцип функционирования и важные аспекты выбора и подключения

Вакуумный выключатель — это электроустройство, предназначенное для работы в высоковольтных электрических сетях. Оно получило своё название благодаря своей конструкции, включающей вакуумную камеру, что позволяет мгновенно гасить электрическую дугу.

Как правило, такие выключатели используются для отключения оборудования в случае аварии или в процессе эксплуатации. Давайте более подробно рассмотрим, что собой представляют вакуумные коммутаторы и какова их роль.

Устройство вакуумного выключателя состоит из следующих основных компонентов: контактной системы, вакуумной камеры, механизма управления и корпуса. Контактная система отвечает за переключение электрического тока, в то время как вакуумная камера обеспечивает быстрое прерывание электрической дуги, что минимизирует эрозию контактов и увеличивает срок службы устройства.

Принцип функционирования вакуумного выключателя основан на создании вакуума в камере, что позволяет избежать коронного разряда. Когда контакты выключателя размыкаются, электрическая дуга, возникающая между ними, быстро гаснет благодаря тому, что в вакууме нет газа, способного поддерживать горение дуги.

Важные аспекты выбора вакуумного выключателя включают его номинальное напряжение, ток и тип применения. При выборе необходимо учитывать условия эксплуатации, такие как окружающая среда и наличие возможных загрязнений. Кроме того, стоит обратить внимание на производителя и наличие сертификатов качества, что может гарантировать надежность и долговечность устройства.

Подключение вакуумного выключателя требует соблюдения определенных правил, таких как правильное заземление и использование подходящих кабелей. Неправильное подключение может привести к неисправностям и аварийным ситуациям в электрической сети.

Таким образом, вакуумные выключатели играют ключевую роль в обеспечении безопасности и надежности работы высоковольтных электрических сетей, и их правильный выбор и установка крайне важны для стабильности электроснабжения.

Принцип действия высоковольтного вакуумного выключателя

Функциональность вакуумных камер, используемых в выключателях, основана на физических свойствах газа при пониженном давлении. В таких условиях увеличивается электрическая прочность газа.

Этот эффект, достигаемый в вакууме (с давлением от 10 -6 до 10 -8 Н/см 2), активно применяется в конструкциях выключателей, где установлены газовые вакуумные камеры, через которые проходят электрические контакты.

Среди моделей вакуумного выключателя можно выделить устройство, используемое в силовых электрических сетях. Это устройство считается более современным и надежным по сравнению с аналогами других типов исполнения.

При протекании тока через.contacts, в момент их разъединения, возникает электрический разряд в форме дуги. Этот процесс происходит за счёт частичной ионизации металлических пар, возникновение которых неизбежно из-за высокой температуры. Ток продолжает проходить между контактами через образованную плазму до достижения нуля.

Как только происходит переход через «ноль», электрическая дуга гаснет. Весь процесс занимает не более 7-10 микросекунд.

Вакуумные выключатели обладают рядом преимуществ, включая долгий срок службы, высокую надежность и малые размеры. Они менее подвержены загрязнению, поскольку находятся в герметичном вакууме, что позволяет снизить необходимость в техническом обслуживании. Кроме того, такие устройства могут работать при экстремальных температурах и в различных климатических условиях, что делает их универсальными для применения в различных электроэнергетических схемах.

Важно отметить, что вакуумные выключатели могут эффективно использоваться не только в силовых сетях, но и в распределительных системах, а также в промышленных установках, где требуется высокая степень защиты от коротких замыканий и перегрузок. Технология их изготовления постоянно развивается, что позволяет улучшать параметры быстродействия и энергоэффективности подобных устройств.

Конструкция вакуумных выключателей

Существуют различные типы вакуумных выключателей, что затрудняет обобщение их характеристик. Однако независимо от конструктивных особенностей, принцип работы остаётся неизменным.

Структурная схема вакуумного выключателя включает: 1 – верхний вывод; 2 – вакуумная камера; 3 – полимерный изолятор; 4 – нижний вывод; 5 – ленточный контакт; 6 – силовая пружина; 7 – тяговый элемент; 8 – пружина отключения; 9 – рычаг передачи; 10 – вал привода; 11 – расцепитель; 12 – корпус.

Рассмотрим подробнее трёхполюсный вакуумный выключатель с пружинно-моторным приводом. Этот выключатель подходит как для внутренней установки, так и для размещения на открытом воздухе. В любом случае его монтаж производится внутри металлических распределительных коробов.

Данное устройство может быть использовано в различных секторах экономики, однако не может использоваться в ряде запрещенных условий.

Например, вакуумные выключатели не предназначены для эксплуатации в таких условиях:

• в помещениях с пожаро- и взрывоопасной атмосферой;
• где необходима частая коммутация;
• в мобильных (передвижных) установках;
• в энергетических системах морских и речных судов.

Вакуумные выключатели обычно бывают двух типов исполнения:

1. Для стационарной установки;
2. Для установки с выдвижной аппаратной тележкой.

В любом случае конструкция прибора включает три полюса, оснащённых дугогасителями.

Внутри вакуумных камер находятся подвижные контакты, которые приводятся в действие пружинно-моторным механизмом. Корпус устройства также включает переднюю панель с элементами индикации и управления.

Основные внешние элементы выключателя: 1 – полюса устройства; 2 – механизм блокировки включения; 3 – окно для подъёма; 4 – рукоятка механики, блокирующей внешние цепи.

Три полюса основной цепи имеют форму колонн и размещены на задней стороне шасси пружинно-моторного привода. Каждый полюс дополнен камерой для гашения дуги, находящейся внутри полимерного изолятора. Для повышения электрической прочности изолятора применяется ребристая форма корпуса.

В каждой вакуумной камере установлена контактная группа, состоящая из подвижного и неподвижного контактов. Подвижный контакт соединен через тяговый изолятор с механизмом переключения, который, в свою очередь, имеет связь с нижним выводом. Неподвижный контакт соединяется с верхним выводом устройства посредством конусного соединения.

Работа привода выключателя

Подвижные контакты вакуумных камер механически связаны с валом пружинно-моторного привода. Сила пружины, предварительно установленные в растянутом состоянии, позволяет легко активировать привод нажатием кнопки управления или другим механизмом.

Схема вакуумной камеры: 1 – клеммник неподвижного контакта; 2 – неподвижный контакт; 3 – подвижный контакт; 4 – металлический экран; 5 – керамический (полимерный) изолятор; 6 – сильфон; 7 – клеммник подвижного контакта.

Пружина (как правило, две) заводится через цепную передачу. Обычный режим работы аппарата предполагает запуск пружины с помощью электродвигателя с редуктором, но также предусмотрена ручная рукоятка для экстренных ситуаций или при отключении питания.

Закрепленная пружина фиксируется с помощью спускового механизма, который может управляться через электромагнитный привод или кнопку включения. Когда режим включения активирован, фиксация снимается, и сила растяжения пружины запускает кулачковый механизм, который воздействует на вал, соединенный с переключающим механизмом подвижных контактов вакуумных камер.

Отключение вакуумного выключателя выполняется путем активации режима «Отключено» — либо электромагнитом, либо кнопкой. Последовательность практически аналогична первой операции, и также используются силовые пружины для отключения, состояние которых контролируется спусковым механизмом.

Элементы управления и индикации на панели: 1 – режим «включено»; 2 – режим «отключено»; 3 – состояние взведенной пружины; 4 – состояние освобождённой пружины.

Удобство эксплуатации и контроль за работой устройства обеспечивается с помощью панели управления. На передней части панели размещены элементы: счётчик циклов, индикатор состояния взведенной пружины и индикатор работы вакуумного выключателя.

Особенности конструкции с выдвижной тележкой

Выключатели выкатного исполнения собраны на специальной аппаратной тележке, которая позволяет вводить устройство в шкаф или выносить его оттуда.

Тележка выполняет роль как транспортного средства, так и контроллера для включения прибора в тестовый или рабочий режим после его установки в шкаф.

Компоненты аппаратной тележки: 1 – колеса (4 шт.); 2 – основание; 3, А – подвижное основание; 4 – рукоятки (2 шт.); 5 – гнездо для воротка; 6 – блокировка; 7 – фиксирующий элемент; 8 – разъём для вторичной цепи; 9 – блокировка прибора; 10 – блокировочные контакты; 11 – фиксирующая планка для винта; Б – неподвижная часть.

Вакуумный выключатель крепится непосредственно к подвижной части тележки с использованием болтовых соединений. У тележки есть неподвижная часть, где закреплён привод подвижной части. Движение происходит с помощью рукоятки управления тележкой.

Подвижная часть представлена металлическим основанием на четырёх колесах с защитным покрытием. Здесь также имеется внешняя механическая блокировка (нажимная планка) заземлителя, блокировка винта, блок-контакты, механизм блокировки выключателя и другие элементы, обеспечивающие движение и фиксацию.

Монтаж и подключение устройства

Перед началом установки вакуумного выключателя необходимо внимательно осмотреть все внешние элементы, чтобы убедиться в их целостности. После этого нужно очистить изоляционные поверхности полюсов с использованием сухой безворсовой тряпки.

Запрещается устанавливать устройство в систему, если на изоляционных поверхностях имеются сколы, трещины или деформации. Обязательно проверяется схема вторичных цепей и подключение корпусной шины.

Далее следует проверить установленное оборудование, тщательно проверяя каждую деталь и элемент крепления, так как высоковольтные аппараты очень чувствительны к ошибкам.

Перед установкой необходимо протестировать работоспособность выключателя с помощью ручного включения (вхолостую без питания) и убедиться в правильности индикации на панели управления. Затем проверяется наличие крышек полюсов. Для аппаратов номиналом 1600А и выше требуется снять защитные крышки перед монтажом.

Подключение к сети

Перед присоединением контактных наконечников проводников силовых кабелей следует очистить их от загрязнений.

Процесс очистки зависит от материала клемм:

• Для медных и алюминиевых клемм без покрытия нужно использовать наждачную бумагу с зернистостью М20 или ниже, затем обезжирить поверхность металла.
• Если клеммы медные или алюминиевые с серебряным покрытием, их достаточно протереть безворсовой тканью.

Использование кабелей с повреждённым серебряным покрытием клемм более чем на 5% недопустимо; в таких случаях требуется замена поврежденного элемента. Более подробную информацию о клеммах для подключения можно найти в соответствующем материале.

Провода, идущие от внешней электрической сети, должны быть подключены к выходам вакуумного выключателя таким образом, чтобы исключить возникновение механических напряжений на выводах устройства из-за этих проводов. Соединения осуществляются с помощью болтового крепления, в процессе использования плоских упругих металлических шайб.

Как осуществляется заземление?

Устройства стационарного типа подсоединяются к «земле» через болтовое соединение (М12) в точке, обозначенной знаком «Заземление».

Заземляющие элементы конструкции аппаратной тележки и шасси выключателя служат для подключения аппарата к земле. Эти точки обычно помечены специальным знаком рядом с соответствующим элементом.

Перед тем, как произвести соединение в области контактной точки «Заземление», требуется очистить её от жира. Для заземления следует выбрать шину с достаточным сечением (согласно Правилам устройства электроустановок), гибкий провод или оплетённый кабель. Перед тем как разместить проводник на контактной поверхности, необходимо нанести специальную смазку (ЦИАТИМ-203).

Устройство выкатного типа заземляется при помощи элементов аппаратной тележки. Процесс заземления вакуумного выключателя также осуществляется через конструкцию тележки, для чего предусмотрены соответствующие элементы крепежа.

Запуск устройства в работу

Эксплуатация устройства начинается после тщательной проверки всего установленного и подготовленного оборудования. В частности, необходимо убедиться в надежности заземления, исправности крепежа элементов сборки, а также в доступе охлаждающей среды к частям, воспринимающим тепло.

Контактирующие поверхности токоведущих стержней, которые соединяются с ламелями розеточных групп, должны быть покрыты небольшой порцией смазки ЦИАТИМ. В общем, должны быть выполнены все предусмотренные ПЭУ процедуры для приёмо-сдаточных испытаний, и надо проверить соответствие уровней оперативного напряжения установленным нормам.

Монтаж вакуумного выключателя должен выполнять только высококвалифицированный персонал. Те же требования действуют для сотрудников, работающих с высоковольтными установками.

Управление вакуумным выключателем допускается только для сотрудников, имеющих разрешение на работу с электроустановками, находящимися под напряжением свыше 1000 вольт. Критерии допуска для обслуживающего персонала должны быть не ниже третьей группы. Прежде чем приступить к работе, работники проходят технический минимум, чтобы ознакомиться с особенностями конкретной модели оборудования.

Выбор вакуумного выключателя

При выборе аппарата учитываются его номинальные характеристики, которые сравниваются с параметрами действующей сети, где будет стоять устройство. Выбор основывается на максимальных нагрузках, которые предполагаются в условиях эксплуатации.

Номинальное напряжение вакуумного выключателя может соответствовать или превышать номинальное напряжение системы, подключенной через этот выключатель.

Параметр номинального долговременного тока должен быть выше, чем номинальный ток питаемого оборудования. Параметр тока отключения выбирается выше максимального значения расчетного тока короткого замыкания, принимая во внимание задержку в размыкании контактов.

Технический паспорт с характеристиками – это первое, на что обращают внимание при выборе выключателя. Основываясь на этих параметрах, можно понять, подходит ли устройство для конкретной установки.

При выборе себя следует учитывать возможные условия короткого замыкания, ориентируясь на наиболее тяжелые режимы работы.

Апериодическая составляющая рассчитывается с учетом условий короткого замыкания при нулевом напряжении в любой из фазных линий, при этом необходимо учесть параметр апериодического тока, указанный производителем оборудования.

Заключение и полезное видео по теме

Дополнительную информацию об устройстве, принципах работы и условиях установки вакуумного выключателя можно найти в следующем видеоролике:

Вакуумные выключатели выделяются на фоне других типов устройств своей относительно простой и надежной структурой. Поэтому такой тип оборудования может функционировать долго и без значительных проблем. Срок службы определяется минимальным количеством 20000 операций, и при своевременном техническом обслуживании этот срок может увеличиваться на 5-10%. Тем не менее, техобслуживание ВВ включает только несколько простых действий.

Если у вас остались вопросы по содержанию статьи или вы хотите поделиться ценными знаниями с нашими читателями, оставляйте свои комментарии, делитесь опытом и задавайте вопросы в разделе под статьей.