Wysokonapięciowe wyłączniki próżniowe — konstrukcja i zasada działania

Wśród nowoczesnych urządzeń wysokiego napięcia przeznaczonych do przełączania obwodów elektrycznych w energię elektryczną szczególne miejsce zajmują wyłączniki próżniowe. Są szeroko stosowane w sieciach od 6 do 35 kV, a rzadziej w schematach od 110 lub 220 kV włącznie.

Ich znamionowy prąd wyłączalny może wynosić od 20 do 40 kA, a rezystancja elektrodynamiczna około 50 ÷ 100. Całkowity czas zadziałania takiego wyłącznika lub awarii wynosi około 45 milisekund.

Każda faza obwodu jest niezawodnie oddzielona izolatorami, a jednocześnie wszystkie urządzenia są konstrukcyjnie zmontowane na jednym wspólnym napędzie. Szyny zbiorcze podstacji są podłączone do zacisków wejściowych przełącznika, a połączenie wyjściowe do zacisków wyjściowych.

Styki mocy działają w wyłączniku próżniowym, które są ściśnięte razem, aby zapewnić minimalną rezystancję styku i niezawodne przejście zarówno prądu obciążenia, jak i prądu awaryjnego.

Górna część układu stykowego jest zamocowana na stałe, a dolna pod działaniem siły napędowej może poruszać się ściśle w kierunku osiowym.

Na rysunku widać, że płytki stykowe znajdują się w komorze próżniowej i są napędzane przez pręty sterowane siłami naciągu sprężyn i cewek elektromagnesów. Cała ta konstrukcja znajduje się wewnątrz systemu izolatorów, wykluczając występowanie prądów upływowych.

Ściany komory próżniowej wykonane są z oczyszczonych metali, stopów oraz specjalnych kompozycji ceramicznych, które zapewniają hermetyczność środowiska pracy przez kilkadziesiąt lat. Aby wykluczyć wnikanie powietrza podczas ruchów ruchomego styku, zainstalowane jest urządzenie tulejowe.

Zwora elektromagnesu prądu stałego może się poruszać, aby zamknąć styki mocy lub je rozerwać z powodu zmiany biegunowości napięcia przyłożonego do cewki. Stały okrągły magnes wbudowany w strukturę napędu utrzymuje ruchomą część w dowolnej pozycji.

System sprężyn zapewnia wytworzenie optymalnych prędkości ruchu zwory podczas komutacji, wykluczenie odbijania styków i możliwości zawalenia się konstrukcji ściany.

Obwody kinematyczny i elektryczny wraz z wałem synchronizacyjnym i dodatkowymi stykami pomocniczymi są zmontowane wewnątrz korpusu łącznika, zapewniając możliwość monitorowania i sterowania położeniem łącznika w dowolnym stanie.

Spotkanie

Pod względem zadań funkcjonalnych przerywacz próżni nie różni się od innych analogów urządzeń wysokiego napięcia. Zapewnia:

1.Niezawodny przepływ znamionowej mocy elektrycznej podczas pracy ciągłej;

2. możliwość gwarantowanego przełączania urządzeń przez personel elektryczny w trybie ręcznym lub automatycznym podczas przełączania operacyjnego w celu zmiany konfiguracji obwodu roboczego;

3. automatyczne usuwanie pojawiających się awarii w możliwie najkrótszym czasie.

Główną różnicą między wyłącznikiem próżniowym jest sposób gaszenia łuku elektrycznego, który powstaje, gdy styki są rozłączone podczas wyłączania. Jeśli jego analogi tworzą środowisko dla sprężonego powietrza, oleju lub gazu SF6, to tutaj działa próżnia.

Zasada gaszenia łuku w obwodzie mocy

Obie płytki stykowe pracują w środowisku próżni wytworzonej przez pompowanie gazów z komory komory łukowej do 10-6÷10-8 N/cm2. Tworzy to wysoką wytrzymałość dielektryczną charakteryzującą się ulepszonymi właściwościami dielektrycznymi.

Wraz z rozpoczęciem ruchu od napędu styków pojawia się między nimi szczelina, która natychmiast zawiera próżnię. Wewnątrz rozpoczyna się proces odparowywania nagrzanego metalu z pól kontaktowych. Prąd obciążenia nadal przepływa przez te pary. Inicjuje powstawanie dodatkowych wyładowań elektrycznych, tworząc łuk w środowisku próżni, który nadal rozwija się w wyniku parowania i uwalniania oparów metali.

Pod wpływem przyłożonej różnicy potencjałów utworzone jony poruszają się w określonym kierunku, tworząc plazmę.

W jego otoczeniu przepływ prądu elektrycznego trwa, następuje dalsza jonizacja.

Ponieważ przełącznik działa na prąd przemienny, jego kierunek podczas każdej połowy cyklu jest odwrotny.Kiedy sinusoida przechodzi przez zero, nie ma prądu. Dzięki temu łuk zostaje gwałtownie wygaszony i przerwany, a odrzucone jony metali przestają się rozdzielać iw ciągu 7-10 mikrosekund całkowicie osadzają się na najbliższych powierzchniach styku lub innych częściach komory gaszenia łuku.

W tym momencie wytrzymałość dielektryczna szczeliny między stykami mocy, wypełnionej próżnią, jest przywracana niemal natychmiast, co zapewnia ostateczne wyłączenie prądu obciążenia. W następnym półokresie sinusoidy łuk elektryczny nie może już wystąpić.

Zatem, aby zakończyć działanie łuku elektrycznego w środowisku próżni, przy rozwarciu styków mocy wystarczy, aby prąd przemienny zmienił swój kierunek.

Charakterystyka technologiczna różnych modeli

Wyłączniki próżniowe przeznaczone są do pracy ciągłej na zewnątrz lub w obiektach zamkniętych. Zewnętrzne elementy montażowe wykonane są z solidnych słupków z izolacją silikonową, a do prac wewnętrznych stosowane są odlewane masy epoksydowe.

Komory próżniowe są fabrycznie mobilne, optymalnie skonfigurowane do montażu w formowanej obudowie. Styki mocy wykonane ze specjalnych rodzajów stopów stopowych są już w nich umieszczone. Dzięki zastosowanej zasadzie działania i konstrukcji zapewniają miękkie gaszenie łuku elektrycznego, wykluczają możliwość wystąpienia przepięć w obwodzie.

We wszystkich konstrukcjach wyłączników próżniowych stosowany jest uniwersalny siłownik elektromagnetyczny. Utrzymuje styki mocy w stanie zamkniętym lub wyłączonym dzięki energii silnych magnesów.

Przełączanie i mocowanie układu styków odbywa się za pomocą położenia „zatrzasku magnetycznego”, który przełącza łańcuch magnesów, aby ponownie połączyć lub rozłączyć ruchomą zworę. Wbudowane elementy sprężynowe umożliwiają ręczne przełączanie przez personel elektryczny.

Do sterowania pracą komory próżniowej typowe układy przekaźnikowe lub elektroniczne, jednostki mikroprocesorowe, które mogą być umieszczone bezpośrednio w obudowie napędu lub wykonane ze zdalnych urządzeń w osobnych szafach, blokach lub panelach.

Zalety i wady wyłączników próżniowych

Korzyści obejmują:

• względna prostota konstrukcji;

• zmniejszone zużycie energii elektrycznej do produkcji przełączników;

• wygoda w naprawie polegająca na możliwości wymiany bloku pękniętej komory łukowej;

• możliwość działania przełącznika w dowolnej orientacji w przestrzeni;

• wysoka niezawodność;

• zwiększona odporność na przełączanie obciążeń;

• ograniczone rozmiary;

• odporność na ogień i wybuch;

• cicha praca przy przełączaniu;

• wysoka przyjazność dla środowiska, z wyjątkiem zanieczyszczenia atmosferycznego.

Wady projektu to:

• stosunkowo niskie dopuszczalne prądy trybu nominalnego i awaryjnego;

• występowanie przepięć łączeniowych podczas przerw w działaniu małych prądów indukcyjnych;

• zmniejszone zasoby urządzenia łukowego w zakresie eliminacji prądów zwarciowych.