9 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Короткое замыкание вакуумного выключателя

Что такое вакуумные выключатели?

Вакуумный выключатель – это специальное устройство, применяемое для быстрого гашения электрической дуги с помощью вакуума. Прибор создан для коммутации номинальных токов и предотвращения последствий короткого замыкания.

Принцип работы и конструкция

Газ в условиях вакуума обладает минимальной электропроводимостью, в отличие от нормального состояния. Именно такое его свойство и используется в работе выключателей.

В устройствах этого типа в момент размыкания контактов, в закрытом пространстве камеры образуется вакуум. Именно в такой среде успешно получается потушить электрическую дугу.

Для создания этих условий необходима строгая герметичность. Поэтому стенки камер выполняют из специальных сплавов или керамики. Правильный подбор материала позволят им сохранять работоспособность в течении нескольких десятилетий.

Примечательно что при размыкании линия тока прерывается не сразу. Это происходит в среднем в течении нескольких десятков миллисекунд, что практически неуловимо человеческим глазом.

Объясняется это тем, что при резком размыкании контактов ионизированными парами образуется плазма, которая способна в течении еще некоторого времени проводить ток. После разъединения контактов, дуга еще способна проходить между ними, но по достижении нулевой точки попросту исчезает.

Когда происходит процесс гашения то пары металла, которые образовывали токопроводящую плазму, начинают в условиях вакуума конденсироваться и оседать на поверхности контактных пар. В следствие происходит укрепление электрической прочности вакуумного промежутка. Во время завершения такого процесса на только что разъединённых контактах уже полностью восстанавливается напряжение.

Классификация вакуумных выключателей

Благодаря относительно простой и надежной конструкции, такие схемы обрели широкую популярность. Они отлично справляются со своей работой в сетях с напряжением до 35 кВ. Подобные устройства даже функционируют и в линиях электропередач где выполняют задачи с напряжением и до 220кВ. В виду широкой сферы использования приборы разделяют по допустимому уровню напряжения на несколько категорий:

  • до 1000В ;
  • до 35кВ ;
  • свыше 35кВ.

Также можно отдельно выделить еще одну категорию, выполняющую функцию выключателей нагрузки.

Преимущества и недостатки

Как и любая другая конструкция, эта система имеет ряд как положительных, так и некоторых отрицательных качеств. К достоинствам этих устройств прежде всего относится вышеупомянутая простота конструкции.

Также это свойство позволяет существенно упрощать процедуру и время ремонта. Камеру, в которой и происходит процесс гашения дуги можно попросту заменить на новую, так как она состоит из единого блока.

Благодаря специальным материалам, используемых при изготовлении стенок обеспечивается высокая надежность и безопасность работы. Также выключатели имеют еще ряд преимуществ:

  1. Большой запас коммутационной износостойкости.
  2. Минимальный уровень исходящего шума.
  3. Высокая степень пожаробезопасности.
  4. Хорошая взрывозащита.
  5. Небольшие компактные размеры относительно аналогов.
  6. Возможность работы в любом положении.
  7. Отсутствует загрязнение окружающей среды.

Рассматриваемая конструкция имеет и некоторые недостатки. Прежде всего в работе заложены относительно невысокие токи отключения и номинальные показатели. Такжеприбор имеет малый ресурс в сравнении с аналогами для гашения дуги при коротком замыкании.

Несмотря на наличия некоторых недостатках вакуумные выключатели это простое и в тоже время надежное устройство. Прибор уже давно зарекомендовал себя успешной работой в электрических сетях.

На нашем сайте имеется ряд приборов представленного типа, производства АВВ и Siemens.

На страницах блога также можно более подробно ознакомитьсчя с другим видом элемента безопасности >>>ЧТО ТАКОЕ РЕЛЕ. ВИДЫ РЕЛЕ >> АВТОМАТИЧЕСКИЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ. ВИДЫ И КОНСТРУКЦИЯ.

1. Общие сведения

Основным аппаратом, от работы которого в большинстве случаев зависят бесперебойность и надежность электроснабжения потребителей из всего оборудования, применяемого на любой подстанции, является выключатель. Он служит для включения и отключения токов любых режимов: номинальных, токов короткого замыкания (КЗ), токов холостого хода (хх) силовых трансформаторов, токов холостых линий и кабелей. Характерной особенностью этого аппарата является наличие дугогасительного устройства (ДУ), которое обеспечивает гашение дуги, возникающей в цепи высокого напряжения при ее размыкании.

Выключатель высокого напряжения является основным коммутационным аппаратом в электрических установках. Он служит для отключения и включения цепи в разных режимах: длительная нагрузка, перегрузка, короткое замыкание, холостой ход, несинхронная работа. Наиболее тяжелой и ответственной операцией является отключение токов КЗ и включение на существующее короткое замыкание.

К выключателям высокого напряжения предъявляют следующие требования:

— надежное отключение расчетных токов и токов короткого замыкания;

— быстрота действия, т.е. наименьшее время отключения;

— пригодность для быстродействующего автоматического повторного включения;

— возможность пофазного управления для выключателей 110 кВ и выше;

— легкость ревизии и осмотра контактов;

— взрыво- и пожаробезопасность;

— удобство транспортировки и эксплуатации.

Основной принцип работы каждого выключателя является наличие дугогасительной камеры с токонепроводящей средой, в которой происходит гашение электрической дуги высокого напряжения в момент размыкания электрической сети и расхождения токопроводящих элементов выключателя.

Теоретически и практически доказано, что самый простой способ гашения электрической дуги — в вакуумных выключателях, так как в вакуумных камерах практически отсутствует среда, проводящая электрический ток. В этих выключателях контакты расходятся под вакуумом (давление равно 10-4 Па). Возникающая при расхождении контактов дуга быстро гаснет благодаря интенсивной диффузии зарядов в вакууме.

Поскольку разрежённый газ (10 ?6 …10 ?8 Н/смІ) обладает электрической прочностью, в десятки раз превышающей прочность газа при атмосферном давлении, то это свойство широко используется в высоковольтных выключателях: в них при размыкании контактов в вакууме сразу же после первого прохождения тока в дуге через ноль изоляция восстанавливается, и дуга вновь не загорается.

Читать еще:  Расчет автоматических выключателей 380в

В момент размыкания контактов в вакуумном промежутке коммутируемый ток инициирует возникновение электрического разряда — вакуумной дуги, существование которой поддерживается за счет металла, испаряющегося с поверхности контактов в вакуумный промежуток. Плазма, образованная ионизированными парами металла, проводит электрический ток, поэтому ток протекает между контактами до момента его перехода через ноль. В момент перехода тока через ноль дуга гаснет, а оставшиеся пары металла мгновенно (за 7—10 микросекунд) конденсируются на поверхности контактов и других деталей дугогасящей камеры, восстанавливая электрическую прочность вакуумного промежутка. В то же время на разведенных контактах восстанавливается приложенное к ним напряжение (см. иллюстрацию процесса отключения).

В эксплуатации вакуумный выключатель также более прост, чем маломасляный и электромагнитный. Прекрасные дугогасящие свойства глубокого вакуума позволили создать выключатели на напряжение 10 кВ, которые благодаря своим преимуществам вытесняют маломасляные и электромагнитные выключатели. В вакуумных дугогасительных камерах реализуется два очень важных свойства вакуумных промежутков: высокая электрическая прочность (выше, чем у трансформаторного масла, не говоря о воздухе,) и высокая дугогасительная способность.

Вакуумные ДУ могут успешно отключать постоянный ток. При токе 1000 А и напряжении 10 кВ отключение происходит путем расхождения контактов в вакууме. При больших значениях тока постоянный ток с помощью конденсатора превращается в переменный и ДУ отключает его при первом прохождении через нуль. При двух последовательно соединенных ДУ отключался ток 5 к А при напряжении 60 кВ. Вспомогательный конденсатор имел емкость 3 мкФ.

Достоинства вакуумных выключателей: 1. Отсутствие необходимости в замене и пополнении дугогасящей среды и масляного хозяйства.

1. Высокая износостойкость при коммутации номинальных токов и токов КЗ.

2. Снижение эксплуатационных затрат, простота эксплуатации.

3. Быстрое восстановление электрической прочности.

4. Полная взрыво- и пожаробезопасность.

5. Повышенная устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам.

6. Произвольное рабочее положение вакуумной дугогасительной камеры (ВДК) в конструкции выключателя.

7. Широкий диапазон температур окружающей среды, в котором может работать ВДК (от -70° до + 200° С).

8. Безшумность, чистота, удобство обслуживания, обусловленные малым выделением энергии в дуге и отсутствием внешних эффектов при отключении токов КЗ.

9. Отсутствие загрязнения окружающей среды.

10. Высокое быстродействие, применение для работы в любых циклах АПВ.

11. Сравнительно малые массы и габариты, небольшие динамические на грузки на конструкцию при работе из-за относительно малой мощности привода.

12. Легкая замена ВДК.

К недостаткам можно отнести: 1. Возможные коммутационные перенапряжения при отключении малых индуктивных токов.

1. Трудности при создании и изготовлении, связанные с созданием контактных материалов, сложностью вакуумного производства, склонностью материалов контактов к сварке в условиях вакуума.

2. Большие вложения, необходимые для осуществления технологии производства, и поэтому большая стоимость.

Особенности испытаний вакуумных выключателей током короткого замыкания

Перцев А.А., Петерсон АЛ., Рыльская Л.А.

Излагаются рекомендации по повышению достоверности сертификационных испытаний высоковольтных вакуумных выключателей. Рекомендуются меры по выявлению полного числа повторных пробоев при коммутационных испытаниях и способ испытаний выключателей на стойкость к сквозным токам КЗ, исключающий принятие ошибочного заключения.
The article gives the recommendations concerning improvement of HV circuit-breakers certification tests accuracy based on VEI researches. The article discloses the measures allowing to determine the total number of restrikes occurring in switching tests and the method of testing circuit-breakers for short-circuit steady-leakage current resistance, which eliminates the probability of taking a wrong decision.

Вакуумные выключатели обладают рядом известных ценнейших качеств, таких как большая коммутационная способность, высокая износостойкость, стабильность электрического сопротивления контактов, полная экологическая чистота, малые затраты на обслуживание, высокая надежность, взрыво- и пожаробезопасность. Кроме того, основные коммутирующие элементы выключателей — вакуумные дугогасительные камеры (камеры) — выпускаются на специальных заводах по приемлемым ценам и доступны широкому кругу потребителей. Изготовление этих выключателей не требует сложного и громоздкого оборудования. Эти обстоятельства и относительная простота конструкции привлекают к изготовлению выключателей энтузиастов, зачастую не знакомых с особенностями этих аппаратов, обусловленных работой силовых контактов камер в вакууме. При выпуске этих аппаратов на рынок изготовители обычно полагаются на положительные результаты испытаний в соответствии с требованиями ГОСТ 687-78, который, однако, не учитывает некоторых особенностей вакуумных выключателей. Поэтому результаты испытаний по ГОСТ 687-78 еще не могут дать однозначного исчерпывающего ответа о качестве аппарата.
Цель настоящей статьи обратить внимание изготовителей и испытателей вакуумных выключателей на необходимость учитывать их специфику при формировании программы испытаний.
Повторные пробои. Одна из особенностей, проявляющихся при коммутационных испытаниях вакуумных выключателей на номинальное напряжение 10 кВ и более, состоит в возможности возникновения повторных пробоев (ПП). Согласно [1] ПП характеризуются возобновлением тока между контактами камеры в процессе операции отключения после того, как ток оставался равным нулю в течение времени, равного или большего 1/4 периода промышленной частоты.
Закономерности возникновения ПП были тщательно изучены. Лидирующая роль в этом принадлежит исследователям — сотрудникам ГУП ВЭИ, опубликовавшим цикл работ в отечественных и зарубежных изданиях. В первых работах этого цикла [2-4] показано, что ПП провоцируются макрочастицами субмиллиметровых размеров, образующимися в камерах вследствие эрозии контактов. Опытным путем установлено, что частота ПП, максимальная непосредственно после отключения тока, уменьшается по экспоненциальному закону с постоянной времени т = 0,1 с. В итоге, не менее 95% общего количества ПП, сопровождающих данную операцию отключения, происходит в камерах выключателя за первые 0,3 с приложения восстанавливающегося напряжения. За пределами этого интервала времени оказывается не более 5% общего количества, могущих пройти ПП. Поэтому при испытаниях увеличивать время приложения восстанавливающегося напряжения сверх 0,3 с не имеет смысла. Делать этот интервал существенно меньше также не следует, поскольку при этом окажется не выявленной часть ПП. Интервал 0,3 с является оптимальным. Отметим, что в ГОСТ 687-78 (п.7.6.4.5) время приложения восстанавливающегося напряжения ограничено: не более 0,1 с. Именно оно реализуется при сертифицированных испытаниях, при этом доля выявленных ПП не превышает 63% возможного их числа. Для получения достоверных данных о числе ПП при испытаниях данного аппарата в программе испытаний необходимо указывать длительность приложения восстанавливающегося напряжения не менее 3 с, причем этот порядок должен реализовываться до введения этой нормы в ГОСТ 687.

Читать еще:  Конечные выключатели электроприводных задвижек

В [5] показано, что в ходе эксплуатации вакуумного выключателя вероятность возникновения ПП уменьшается в несколько раз после выполнения десятков коммутационных операций как при номинальном токе, так и при номинальном токе отключения. Поэтому при испытаниях не бывшего в эксплуатации выключателя получают завышенную частоту ПП, против ожидаемой после истечения периода приработки.
В целом не следует драматизировать ситуацию с возникновением ПП. Во-первых, обычно они возникают довольно редко: на выключателях после периода их приработки наблюдается не более нескольких ПП на сотню операций отключения. Во-вторых, в трехполюсных выключателях в цепях с изолированной нейтралью во всем диапазоне отключаемых токов ПП, как правило, не сопровождаются протеканием тока промышленной частоты. Дело ограничивается кратковременным нарушением равномерности деления восстанавливающегося напряжения между полюсами выключателя. В-третьих, в однополюсных выключателях возникновение ПП не сопровождается током промышленной частоты при отключении токов, не превышающих номинальный ток, и может сопровождаться протеканием самопрерывающейся полуволны тока при отключении тока КЗ.

При коммутации емкостного тока к межконтактному промежутку камеры прикладывается восстанавливающееся напряжение, содержащее наряду с переменной также и постоянную составляющую. Постоянное восстанавливающееся напряжение прикладывается к межконтактному промежутку камеры также в вакуумных выключателях постоянного тока с принудительным переводом тока дуги через нулевое значение наложением импульсов тока противоположного направления. В этих случаях представляет интерес сопоставление числа ПП камер при восстанавливающихся напряжениях постоянного и переменного тока. Этот вопрос рассмотрен в [6], где показано, что число ПП на постоянном напряжении может быть в несколько раз больше, чем на переменном.
В [7] дано объяснение того, что спорадические ПП камер трехполюсного вакуумного выключателя в цепи с изолированной нейтралью обычно не приводят к протеканию тока через нагрузку, т.е. процесс ограничивается стадией неподдержанного ПП (НПП). Для возникновения тока через нагрузку необходимо, чтобы с разновременностью не более десятка микросекунд пробились камеры в двух полюсах выключателя. Однако, как показано в [7], вероятность такого совпадения при умеренной напряженности электрического поля на контактах камер мала, и процесс останавливается на стадии НПП, который не приводит к нарушениям в работе отключенной нагрузки.
Эти исследования оказались в центре внимания зарубежных коллег, были многократно ими повторены и нашли отражение в изменении методики испытаний высоковольтных выключателей, зафиксированной в стандарте МЭК 62271-100 [8]. Время приложения восстанавливающегося напряжения при испытаниях было увеличено с 1 до 0,3 с и более. Кроме того, признано допустимым возникновение НПП. Надеемся, что эти изменения в методике испытаний найдут отражение и в готовящейся к выходу новой редакции ГОСТ 687.

Испытания вакуумных выключателей сквозным током КЗ. Другая особенность вакуумных выключателей проявляется при их испытаниях сквозным током КЗ. В соответствии с ГОСТ 687 все выключатели переменного тока на напряжение свыше 1000 В испытываются на стойкость при сквозных токах КЗ. При этом виде испытаний выключатель проверяется на способность пропустить через сомкнутые контакты предельный (трех-, четырехсекундный) ток термической стойкости, значение которого соответствует номинальному току отключения / , и на способность пропустить ток с наибольшим пиком / = 2,55 / (в некоторых случаях требуется, чтобы / = 3 / ). При испытании сквозным током КЗ аппарат подвергается значительным термическим и динамическим нагрузкам, которые не должны вызывать остаточных явлений, препятствующих его дальнейшей нормальной работе.

Одно из таких явлений — сваривание между собою контактов выключателя. Обычно сваривание контактов происходит вследствие утраты контактной парой так называемой динамической устойчивости, наступающей в случае, когда мгновенное значение силы электродинамического отброса контактов превышает силу контактного нажатия. При этом между контактами образуется зазор, в котором горит дуга тока КЗ, поверхности контактов оплавляются, и при последующем соприкосновении контактов под действием силы нажатия происходит приваривание одного контакта к другому. При таком развитии событий дальнейшая нормальная работа выключателя становится невозможной. В правильно спроектированном выключателе сила контактного нажатия F2 должна быть всегда больше силы электродинамического отброса Fv Последняя возрастает пропорционально сквозному току. О значениях F» /> контактов в камерах типов КДВ- 35 при различных пиках сквозного тока и рекомендуемых значениях F2 можно судить по рис. 1. Из него следует, что в выключателе с этими камерами и номинальным током отключения / =40 кА, когда наибольший пик тока КЗ может достигнуть значения i = 2,55 1 = 2,55 • 40 = 100 кА, F» /> = 2,6 кН, а рекомендуемое значение F2 = 4,0 кН. Это на новом, не бывшем в работе, выключателе. С выработкой механического и электрического ресурсов выключателя сила F2 уменьшается. Полуторакратное превышение F2 над F в новом выключателе является достаточным условием для предотвращения отброса контактов в конце срока службы аппарата. Разумеется, что для камер других типов зависимость силы отброса от тока будет отличаться от приведенной на рис. 1, как правило, в сторону больших значений Fy Приведенная зависимость дает представление о возможных значениях этой силы.

Читать еще:  Автоматические выключатели серии ае 2056

Последствия прохождения сквозного тока через вакуумный выключатель оказываются принципиально иными, нежели в выключателях других типов. Для выключателей, контакты которых работают в газообразной (воздух, элегаз) или жидкой (масло) среде, необходимым и достаточным условием сохранения работоспособности после прохождения сквозного тока является отсутствие отброса контактов и тем самым исключение их сварки. В отличие от названных выключателей, контакты вакуумного выключателя свариваются между собой даже при полном исключении отброса. В [10] приведены результаты измерений силы сварки пар контактов из наиболее часто применяемых материалов. Особое внимание было уделено контактам из хромомедных композиций, наиболее широко используемых в камерах для силовых выключателей. Показано, что сила сварки и разброс ее значений возрастают с увеличением силы тока и что сила сварки при наличии отброса и без него сравнимы между собою (рис. 2). При пике сквозного тока 80- 90 кА сила сварки контактов из композиции CuCr (50%) достигает 3,5-4,2 кН. Она несколько возрастает с увеличением содержания меди в композиции. В дополнение к [10] приведем результат измерения разработчиков камеры КДВ-35, полученный при исследовательских испытаниях камеры.
В этой камере при пике сквозного тока 160 кА и отсутствии отброса наибольшее значение силы сварки достигало 7 кН! Материал контактов камеры CuCr (50%). Кроме того, вывод о сравнимости силы сварки контактов при наличии отброса и без него справедлив для случая, когда отброс контактов непродолжителен, имеет место в течение одной-двух полуволн тока КЗ. В практике испытаний известны случаи, когда отброс контактов происходил в течение многих полуволн тока. При этом сила сварки многократно превосходила наблюдаемую без отброса и дело кончалось заменой камер.
Из приведенных данных о прочности сварки контактов следует, что для ее разрыва необходимы усилия, как правило, превосходящие развиваемые пружинами отключения. Разрыв сварного соединения контактов производится за счет силы удара F^, возникающей в узле нажатия. Механизм возникновения этой силы продемонстрируем с помощью рис. 3, на котором предоставлена общепринятая кинематическая схема полюса вакуумного выключателя.
В позиции «включено» обязателен зазор L между крышкой 5 и тарельчатым элементом 6. Этот зазор называется «вжимом». Наличие вжима гарантирует заданную силу контактного нажатия и определяет силу удара.
При подаче команды на отключение фиксатор 11 отходит от выступа 10, освобождая тягу 9. Под действием сил F2 от пружины контактного нажатия 7 и F от пружины отключения 12 происходит ускоренное движение всех соединенных механически между собою подвижных частей полюса и привода, кроме ввода 2 и тарельчатого элемента 6.

Рис. 1. Зависимость сил F] и F2 от наибольшего пика сквозного тока КЗ для камер на 35 кВ:
Fx = 0,26/2 — сила электродинамического отброса контактов; F, = 0,4г — контактное нажатие при наибольшем вжиме контактов; □- контактное нажатие по ТУ на камеры.
При этом на пути вжима L указанные подвижные части обретают количество движения mv, где т — приведенная масса подвижных частей, v — их скорость. В момент прохождения вжима L крышка корпуса 5 ударяет по тарельчатому элементу 6, вызывая силу удара F , которая через вывод 2 передается на сварное соединение контактов камеры 1. Можно показать, что сила удара достигает значения

Здесь At продолжительность F ^ к — коэффициент.
При силе удара больше силы сварки контактов произойдет их размыкание, т.е. команда на отключение будет выполнена. В противном случае необходимо констатировать отказ в работе выключателя.
Все члены, входящие в выражение (1), характеризующие состояние выключателя в процессе его эксплуатации, кроме L, практически не изменяются,
а следовательно, не влияют на Fyi. Напротив, значение L с выработкой электрического и механического ресурсов выключателя постепенно уменьшается.
У нового выключателя значение вжима равно номинальному L , т.е. L = L . В ходе эксплуатации выключателя происходит износ контактов камеры. При полной выработке электрического ресурса износ контактов достигает Ad. Значение износа указывается в ТУ на камеры. Обычно Ad = 3 мм. Как видно из рис. 3, на это значение уменьшается вжим, т.е. L = L — Ad.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector