Вакуумный прерыватель
В электротехнике вакуумный прерыватель представляет собой переключатель , в котором используются электрические контакты в вакууме. Это основной компонент автоматических выключателей среднего напряжения, генераторных выключателей и высоковольтных выключателей. Разъединение электрических контактов приводит к образованию дуги из паров металла, которая быстро гасится. Вакуумные прерыватели широко используются в энергоблоках системах электропередачи, и системах распределения электроэнергии на железных дорогах , в дуговых печах и на промышленных предприятиях .
Поскольку дуга удерживается внутри прерывателя, распределительные устройства с вакуумными прерывателями очень компактны по сравнению с распределительными устройствами, в которых используется воздух, гексафторид серы (SF 6 в качестве дугогасительной среды ) или масло. Вакуумные прерыватели могут использоваться для автоматических выключателей и выключателей нагрузки. Вакуумные прерыватели с автоматическими выключателями используются в основном в энергетическом секторе на подстанциях и объектах электрогенерации, а вакуумные прерыватели с переключением нагрузки используются для конечных пользователей энергосистем .
История
[ редактировать ]Использование вакуума для переключения электрических токов было мотивировано наблюдением, что зазор в один сантиметр в рентгеновской трубке может выдерживать десятки тысяч вольт . Хотя некоторые вакуумные переключающие устройства были запатентованы в XIX веке, они не были коммерчески доступны. В 1926 году группа под руководством Ройала Соренсена из 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 права на патент и начала коммерческую разработку. Великая депрессия и разработка маслонаполненных распределительных устройств заставили компанию сократить работы по разработке, и до 1950-х годов в области вакуумных распределительных устройств проводилось мало коммерчески важных работ. [1]
В 1956 году Хью К. Росс из Jennings Radio Manufacturing Corporation совершил революцию в области вакуумного переключателя высокочастотной цепи и произвел вакуумный переключатель с номиналом 15 кВ при токе 200 А. Пять лет спустя Томас Х. Ли из General Electric изготовил первый вакуумные выключатели [2] [3] номинальным напряжением 15 кВ при токах отключения короткого замыкания 12,5 кА. В 1966 году были разработаны устройства с номинальным напряжением 15 кВ и токами отключения короткого замыкания 25 и 31,5 кА. После 1970-х годов вакуумные выключатели начали заменять выключатели с минимальным использованием масла в распределительных устройствах среднего напряжения. В начале 1980-х годов элегазовые выключатели и прерыватели также постепенно были заменены вакуумной технологией в приложениях среднего напряжения.
По состоянию на 2018 год напряжение вакуумного выключателя достигло 145 кВ, а ток отключения достиг 200 кА. [4]
Классификация
[ редактировать ]
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 распределительных устройств изготавливаются с керамическим кожухом.
Область применения и использование включают автоматические выключатели, генераторные выключатели, выключатели нагрузки, контакторы двигателей и устройства повторного включения . Также производятся вакуумные прерыватели специального назначения, например те, которые используются в трансформаторов переключателях ответвлений или в дуговых печах .
Генераторный автоматический выключатель
[ редактировать ]Исследования и исследования, проведенные в начале 1990-х годов, позволили использовать технологию вакуумного переключения для генераторов. Приложения с коммутацией генераторов хорошо известны своими более высокими нагрузками на прерывающие устройства, такими как высокий ток короткого замыкания с высокой асимметрией или высокое и крутое переходное восстанавливающееся напряжение; стандарт IEC/IEEE 62271-37-013 (бывший и все еще действующий IEEE C37.013, 1997 г.) был введен для удовлетворения таких требований к автоматическим выключателям, используемым в генераторных установках.
Вакуумные выключатели могут быть квалифицированы как генераторные выключатели (GCB) согласно IEC/IEEE 62271-37-013. По сравнению с выключателями, в которых используются другие закалочные среды (например, элегаз, струя воздуха или минимальное количество масла), вакуумные выключатели имеют следующие преимущества:
- Высокая сила восстановления, устраняющая необходимость в конденсаторах для снижения крутизны переходного восстанавливающегося напряжения (как это требуется в большинстве элегазовых автоматических выключателей);
- Высокая механическая и электрическая долговечность при значительно большем количестве и частоте возможных коммутационных операций без технического обслуживания; и
- Экологичность за счет отсутствия использования SF 6 .
Вакуумные ПЦГ подходят для частого переключения и отключения низкочастотных токов, например, в гидроаккумулирующих электростанциях . [5]
Структура
[ редактировать ]Вакуумный прерыватель обычно имеет один фиксированный и один подвижный контакт, гибкий сильфон, обеспечивающий перемещение этого контакта, и дугогасительные экраны, заключенные в герметичный стеклянный, керамический или металлический корпус с высоким вакуумом . Подвижный контакт соединен гибкой оплеткой с внешней цепью и перемещается с помощью механизма, когда устройству требуется размыкаться или замыкаться. Поскольку давление воздуха имеет тенденцию замыкать контакты, приводной механизм должен удерживать контакты открытыми, преодолевая замыкающую силу давления воздуха на сильфоне.
Герметичный корпус
[ редактировать ]Корпус прерывателя изготовлен из стекла или керамики. Герметичные уплотнения гарантируют сохранение вакуума в прерывателе в течение всего срока службы устройства. Корпус должен быть непроницаемым для газа и не должен выделять захваченный газ. Сильфон из нержавеющей стали изолирует вакуум внутри прерывателя от внешней атмосферы и перемещает контакт в заданном диапазоне, открывая и закрывая выключатель.
Экранирование
[ редактировать ]Вакуумный прерыватель имеет экраны вокруг контактов и на концах прерывателя, предотвращающие конденсацию любого контактного материала, испаряющегося во время дуги , на внутренней стороне вакуумной оболочки. Это уменьшит прочность изоляции оболочки, что в конечном итоге приведет к искрению прерывателя в разомкнутом состоянии. Экран также помогает контролировать форму распределения электрического поля внутри прерывателя, способствуя повышению номинального напряжения холостого хода. устройства Он помогает поглощать часть энергии, образующейся в дуге, повышая отключающую способность .
Контакты
[ редактировать ]
Контакты проводят ток цепи в закрытом состоянии, образуя клеммы дуги в открытом состоянии. Они изготавливаются из различных материалов, в зависимости от использования и конструкции вакуумного прерывателя, обеспечивающего длительный срок службы контактов, быстрое восстановление выдерживаемого напряжения и контроль перенапряжения из-за прерывания тока.
Внешний приводной механизм приводит в движение подвижный контакт, который размыкает и замыкает подключенную цепь. Вакуумный прерыватель включает в себя направляющую втулку для контроля подвижного контакта и защиты сильфона уплотнения от перекручивания, что значительно сокращает срок его службы.
Хотя некоторые конструкции вакуумных прерывателей имеют простые стыковые контакты, контакты обычно имеют прорези, выступы или канавки, чтобы улучшить их способность отключать большие токи. Ток дуги, протекающий через фасонные контакты, создает магнитные силы на столбе дуги, которые заставляют пятно контакта дуги быстро перемещаться по поверхности контакта. Это снижает износ контактов за счет эрозии дугой, плавящей контактный металл в точке контакта.
Лишь немногие производители вакуумных прерывателей во всем мире производят сам контактный материал. Основное сырье, медь и хром , объединяются в контактный материал посредством процедуры дуговой плавки. Полученные необработанные детали перерабатываются в контактные диски с радиальным магнитным полем (RMF) или осевым магнитным полем (AMF), при этом на концах дисков AMF с прорезями удаляются заусенцы. Контактные материалы требуют следующего:
- Высокая разрушающая способность: отличная электропроводность, малая теплопроводность , большая теплоемкость и низкая к эмиссии горячих электронов ; способность
- Высокое напряжение пробоя и устойчивость к электрической эрозии ;
- Устойчивость к сварке;
- Низкое значение тока отключения; и
- Низкое содержание газа (особенно меди).
В автоматических выключателях контактные материалы вакуумных выключателей в основном представляют собой медно-хромовый сплав 50-50. Их можно изготовить путем наварки листа медно-хромового сплава на верхней и нижней контактных поверхностях на контактное гнездо из бескислородной меди . В других конструкциях прерывателей используются другие материалы, такие как серебро, вольфрам и вольфрамовые соединения. Конструкция контактов вакуумного прерывателя оказывает большое влияние на его отключающую способность, электрическую долговечность и уровень прерывания тока.
Сильфоны
[ редактировать ]Сильфон вакуумного прерывателя позволяет управлять подвижным контактом снаружи 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, передаваемое от дуги.
Чтобы обеспечить соответствие требованиям высокой износостойкости в реальной практике, сильфоны регулярно подвергаются испытаниям на выносливость каждые три месяца. Испытание проводится в полностью автоматической испытательной кабине с ходом, адаптированным к соответствующему типу.
Срок службы сильфона составляет более 30 000 рабочих циклов CO.
Операция
[ редактировать ]Вакуумный прерыватель использует высокий вакуум для гашения дуги между парой контактов. Поскольку контакты раздвигаются, ток протекает через меньшую площадь. Между контактами происходит резкое увеличение сопротивления, а температура на поверхности контакта быстро возрастает вплоть до испарения электродного металла. В то же время электрическое поле в небольшом контактном зазоре очень велико. При пробое зазора возникает вакуумная дуга. Поскольку переменный ток вынужден проходить через ноль благодаря сопротивлению дуги, а зазор между неподвижными и подвижными контактами расширяется, проводящая плазма, создаваемая дугой, удаляется от зазора и становится непроводящей. Ток прерывается.
Контакты AMF и RMF имеют на своих торцах спиральные (или радиальные) пазы. Форма контактов создает магнитные силы, которые перемещают пятно дуги по поверхности контактов, поэтому дуга не остается на одном месте очень долго. Дуга равномерно распределяется по поверхности контакта, что позволяет поддерживать низкое напряжение дуги и уменьшать эрозию контактов.
Производственный процесс
[ редактировать ]Компоненты вакуумной камеры перед сборкой необходимо тщательно очистить, поскольку загрязнения могут выделять газ в вакуумную камеру. Чтобы обеспечить высокое напряжение пробоя, сборка компонентов осуществляется в чистом помещении , где строго контролируется пыль.
После того как поверхности обработаны и очищены гальванопокрытием, а также проведен оптический контроль целостности поверхности всех отдельных деталей, прерыватель собирается. На стыки компонентов наносится высоковакуумная припой, детали выравниваются, прерыватели фиксируются. Поскольку чистота во время сборки особенно важна, все операции выполняются в условиях чистого помещения с кондиционированием воздуха. Таким образом, производитель может гарантировать постоянно высокое качество прерывателей и максимально возможные номиналы до 100 кА в соответствии с IEC/IEEE 62271-37-013.
Подузлы вакуумных прерывателей первоначально собирались и паялись в водородной атмосфере печи. Трубка, соединенная с внутренней частью прерывателя, использовалась для вакуумирования прерывателя с помощью внешнего вакуумного насоса, при этом в прерывателе поддерживалась температура около 400 °C (752 °F). С 1970-х годов компоненты прерывателя собираются в высоковакуумной печи для пайки с помощью комбинированного процесса пайки и вакуумирования. Десятки (или сотни) бутылок обрабатываются за одну партию с помощью высоковакуумной печи, нагревающей их при температуре до 900 °С и давлении 10 −6 мбар. [6] Таким образом, прерыватели соответствуют требованию качества « герметизированы на весь срок службы ». Благодаря полностью автоматическому производственному процессу высокое качество можно постоянно воспроизводить в любое время.
Затем оценка прерывателей с помощью рентгеновской процедуры используется для проверки положения, а также комплектности внутренних компонентов и качества точек пайки. Это обеспечивает высокое качество вакуумных прерывателей.
Во время формовки окончательная внутренняя электрическая прочность вакуумного прерывателя устанавливается при постепенном увеличении напряжения, что подтверждается последующим испытанием на напряжение грозового импульса. Обе операции выполняются с более высокими значениями, чем указано в стандартах, что свидетельствует о качестве вакуумных прерывателей. Это является предпосылкой длительного срока службы и высокой доступности.
Запечатан на всю жизнь
[ редактировать ]Из-за их производственного процесса, [7] Доказано, что вакуумные прерыватели «герметизированы на весь срок службы». [8] Это позволяет избежать необходимости использования систем мониторинга или испытаний на герметичность, как указано в стандарте IEEE C37.100.1 в параграфе 6.8.3. [9]
Эффекты перенапряжения
[ редактировать ]При определенных обстоятельствах вакуумный выключатель может снизить ток в цепи до нуля до естественного нуля (и изменения направления тока) в цепи переменного тока. Если время срабатывания прерывателя неблагоприятно с точки зрения формы сигнала переменного напряжения (когда дуга погасла, но контакты все еще движутся и ионизация еще не рассеялась в прерывателе), напряжение может превысить выдерживаемое напряжение промежутка. Это может привести к повторному зажиганию дуги, вызывающему резкие переходные токи. В любом случае колебания в систему вводятся , которые могут привести к значительному перенапряжению . Производители вакуумных прерывателей решают эти проблемы, выбирая материалы и конструкции контактов, чтобы минимизировать прерывание тока. Для защиты оборудования от перенапряжения в состав вакуумных распределительных устройств обычно входят ограничители перенапряжения . [10]
В настоящее время, благодаря очень малому току прерывания, вакуумные выключатели не вызывают перенапряжения, которое могло бы снизить изоляцию от окружающего оборудования.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Аллан Гринвуд, Вакуумное распределительное устройство , ИЭПП, 1994 г. ISBN 0852968558 , глава 1.
- ^ «Труды Института инженеров электротехники и электроники» . 10 . Институт инженеров электротехники и электроники. 1982: 105.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ «Доклады летней встречи» . Общество энергетиков IEEE. 1976: 36.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ «Вакуумный прерыватель (ВИ) | Продукция и услуги» .
- ^ Портал, ЭЭП-Электротехника (01.07.2019). «Защита гидроаккумулирующих электростанций с помощью вакуумно-генераторного выключателя (ВГВ) | ЭЭП» . ЭЭП — Электротехнический портал . Проверено 1 июля 2019 г.
- ^ Джозеф А. Эйхмайер, Манфред Тумм (редакторы), Вакуумная электроника: компоненты и устройства , Springer Science & Business Media, 2008 г. ISBN 3540719296 , стр. 408.
- ^ От вакуумного прерывателя до автоматического выключателя и генераторного распределительного устройства: https://www.youtube.com/watch?v=DqFxNJuYlVw .
- ^ Р Ренц; Д. Генч; Х. Финк; П. Слэйд; М. Шлауг (2007). «Вакуумный прерыватель — герметичен на весь срок службы» (PDF) . СИРЕД .
- ^ C37.100.1-2007 — Стандарт IEEE общих требований к распределительным устройствам высокого напряжения с номиналом выше 1000 В. IEEE. 12 октября 2007 г. doi : 10.1109/IEESTD.2007.4350337 . ISBN 978-0-7381-5606-4 .
- ^ Роберт В. Смитон, Уильям Х. Уберт, Справочник по распределительным устройствам и управлению, 3-е издание , McGraw Hill, 1998, страницы 14–29 и 14–30.