CC BY
36УДК 620.9
Гладков М.А.
Инженер по наладке и испытаниям электрооборудования АО «Самотлорнефтегаз» (г. Нижневартовск, Россия)
ВАКУУМНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ, ПРЕИМУЩЕСТВА, УСТРОЙСТВО ВАКУУМНЫХ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ КАМЕР
Аннотация: в данной статье рассмотрены: основные преимущества вакуумных выключателей, конструкция вакуумной камеры выключателя, процесс дугогашения в вакуумной среде, материалы, используемые при производстве контактов вакуумых камер выключателей.
Ключевые слова: вакуумные выключатели, конструкция, вакуумные дугогасительные камеры, преимущества.
В настоящее время вакуумные выключатели являются самой динамично развивающейся коммутационной техникой.
Особенно заметен рост применения вакуумных выключателей в сетях среднего напряжения. Причиной такого динамичного развития вакуумных выключателей является ряд очень хороших технических параметров конструкции таких выключателей, которые превосходят другие типы выключателей.
Из наиболее важных преимуществ, в плане эксплуатации, стоит отметить длительный срок службы и коммутационный ресурс. Коммутационный ресурс обуславливается высокой износостойкостью при коммутации номинальных токов и номинальных токов отключения. Число отключений номинальных токов вакуумным выключателем в среднем составляет 10-20 тысяч, однако некоторые
современные производители вакуумной коммутационной техники, гарантируют ресурс коммутационной стойкости в 50 тысяч отключениях при 1ном.
Механический ресурс определяется долговечностью сильфона. Зачастую эксплуатационный ресурс вакуумной камеры выключателя превышает ресурс механической части выключателя.
Компоненты вакуумного выключателя безвредны для окружающей среды и могут быть легко переработаны.
Контакты вакуумного выключателя не требуют технического обслуживания в течение всего срока эксплуатации.
Для работы вакуумного выключателя требуется механизм с относительно низким энергопотреблением, вакуумный выключатель может работать в любой пространственной ориентации.
Вакуумный выключатель можно использовать в неблагоприятных условиях, и на него не влияют температура, пыль, влажность или высота над уровнем моря. Он может быть изготовлен из коррозионностойких материалов.
При прерывании тока дуга между размыкающими контактами полностью локализуется в вакуумной среде, отсутствует опасность взрыва в потенциально взрывоопасной окружающей среде, а это в свою очередь означает, что данные выключатели можно использовать в электроустановках расположенных на объектах нефтегазодобычи, угольно добывающей промышленности.
К основному недостатку вакуумных выключателей можно отнести склонность к возникновению чрезмерных коммутационных перенапряжений в коммутируемых электрических цепях с большой крутизной нарастания. Данная проблема решается установкой ограничителей перенапряжения.
Дуга в вакууме горит до тех пор, пока на контактах выделяется энергия, достаточная для поддержания в межконтактном промежутке концентрации паров металла, при которой может существовать дуговой разряд. В области перехода тока через нуль выделяющаяся на электродах энергия резко уменьшается, и дуга гаснет еще до достижения нуля тока, вследствие чего
происходит срез тока, который вызывает перенапряжения в коммутируемой цепи.
Длина дуги в вакуумных выключателях значительно меньше, чем в масляных и воздушных, вследствие чего на ее характеристики значительное влияние оказывают процессы на электродах, в особенности на катоде. При отключаемых токах до 10 кА дуга в вакууме имеет диффузную форму, и разрушение контактов происходит за счет испарения. Падение напряжения на дуге диффузной формы не зависит от тока и составляет десятки вольт (для медных электродов-20 В). При токах свыше 10 кА дуга переходит в сжатую (контрагированную) форму, для которой характерно увеличение падения напряжения с возрастанием тока. При этом возрастают плотность тока и выделяемая на электродах энергия, что приводит к существенному увеличению дуговой эрозии и постоянной времени распада дуги (до нескольких миллисекунд против микросекунд для диффузной дуги). В связи с этим для эффективного дугогашения необходимо, чтобы в процессе отключения при подходе тока к нулю дуга сохраняла диффузную форму.[3, с. 60]
Принцип действия вакуумных дугогасительных камер основан на гашении электрической дуги тока отключения в вакууме. В вакуумной камере давление остаточных газов составляет 10-3 - 10-6 Па.
В вакуумных дугогасительных камерах происходят коммутационные процессы замыкания и размыкания электрической цепи.
Контактная система вакуумной камеры выключателя состоит из двух контактов, расположенных друг напротив друга. Один из контактов является подвижным, а второй не подвижным. Неподвижный контакт служит для жесткого присоединения внутренних токоведущих частей и внешнего присоединения токопровода к шинопроводу выключателя. Подвижный контакт имеет осевой ход в несколько миллиметров, при сохранении идеальной герметичности внутри вакуумной камеры. Это достигается благодаря гибкому
элементу, который называется сильфоном. В момент включения выключателя он сопрягается с неподвижным, образуя тем самым электрическую цепь.
Рис 1. Устройство вакуумной дугогасительной камеры.
Работа контактной системы вакуумного выключателя определяет его харектеристику. При коммутационных процессах происходит эрозия контактных поверхностей. Влияние эрозии на контактные поверхности обусловлена длительностью горения дуги, величиной отключаемого тока, температурой плавления контактов и теплоотводом.
При отключении вакуумного выключателя разъединяется сопряженная пара контактов. Подвижный контакт отделяется от неподвижного, в результате процесса коммутации происходит дугообразование внутри вакуумной камеры. В процессе коммутации образуется небольшое количество паров металла. Эти пары постепенно покидают пространство между контактами и конденсируются на экранах вакуумной камеры. Экраны в вакуумной камере предотвращают оседание паров на поверхностях контактов и на внутренней изоляционной поверхности вакуумной камеры в целом.
Для обеспечение высокой скорости дугогашения, необходима высокая скорость подвижного контакта при коммутационном процессе. Необходимость в быстродействии коммутационного процесса внутри вакуумной камеры
обусловлена в первую очередь тем, что при медленном сближении контактов, непосредственно перед сопряжением, происходит пробой межконтактного промежутка с переходом в дугу. Вследствие этого увеличивается тепловое воздействие, оказываемое на поверхность контактов, и может произойти их оплавление. По этой же причине следует избегать возникновение дребезга контактов. Проблема дребезга контактов решается сильным прижимом контактов, устраняя тем самым дребезг и снижая переходное сопротивления в месте сопряжения контактов, обеспечивая тем самым уменьшение тепловыделения и тепловых расширений в месте сопряжения контактных поверхностей.
Основополагающим являются материалы, из которых произведена вакуумная камера, а также её герметизация. Изоляционный корпус для большинства современных вакуумных камер изготавливается из фарфора с высоким содержанием оксида алюминия. Герметизация вакуумной камеры от окружающей среды обеспечивается сварными соединениями, в частности применяют аргонодуговую сварку. По средствам сварочного соединения изоляционные свойства сохраняются на весь срок эксплуатации. [4, с. 51-52]
Материал контактов оказывает большое влияние на характеристики выключателя. Он должен обладать высокой механической прочностью, хорошей электропроводностью, теплостойкостью и антикоррозийной стойкостью.
В настоящее время при производстве контактов вакуумных выключателей применяют следующую лигатуру сплавов: СиВ^ WCu, WCAg, МоСи, СиСг.
Эти сплавы обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью, износостойкостью и теплостойкостью. [5, с. 165-175]
Контакты вакуумных выключателей не изготавливают из чистой меди по причине затруднения дегазации, а также из-за того, что чистая медь имеет меньшую температуру плавления, что в свою очередь может приводить к её размягчению, деформации, оплавлению и свариванию.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. В.В.Жуков, Минеин В.Ф. Современные КРУ на 6 и 10 кВ с вакуумными и электромагнитными выключателями // Москва «Высшая школа» 1989. С. 13 - 22.
2. Борисов В.В. Особенности дуговых процессов на контактах из дугостойких композиций в разных средах // Тр. Межд. Конференция «электрические контакты» 1996. С. 7 - 8.
3. Борисов В.В. Особенности дуговых процессов в выключаетлях 6-35 кВ с различными дугогасящими средами // Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования № 7 // Санкт-Петербург 2001. С. 59 - 67.
4. Г.А. Евдокунин, Г. Тилер Современная вакуумная коммутационная техника для сетей среднего напряжения (технические преимущества и эксплуатационные характеристики) // Санкт-Петербург 2000. С. 51 - 52.
5. David Helstyn, Petr Kacor, Zdenek Hytka Elektricke pristroje spinaci ochranne a jistici // Vysoka skola banska - Technicka univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky // Ostrava 2003. С 165 - 175.
Gladkov M.A.
Electrical equipment commissioning and testing Engineer JSC "Samotlorneftegaz" (Nizhnevartovsk, Russia)
VACUUM SWITCHES, ADVANTAGES, DEVICE OF VACUUM ARC
EXTINGUISHING CHAMBERS
Abstract: this article discusses: the main advantages of vacuum circuit breakers, the design of the vacuum chamber of the circuit breaker, the process of arcing in a vacuum environment, materials used in the manufacture of contacts of vacuum chamber switches.
Keywords: vacuum circuit breakers, design, vacuum arc extinguishing chambers, advantages.
