Вакуумный выключатель - Vacuum interrupter
В области электротехники , А вакуумный прерыватель является переключателем , который использует электрические контакты в вакууме. Это основной компонент автоматических выключателей среднего напряжения, генераторных выключателей и высоковольтных выключателей. Разделение электрических контактов приводит к возникновению дуги из паров металла, которая быстро гаснет. Вакуумные прерыватели широко используются в коммунальной передаче мощности систем, выработки электроэнергии блоке, а также системы питания распределительных для железных дорог , дуговой печь приложений и промышленных установок .
Поскольку дуга находится внутри прерывателя, распределительное устройство с вакуумными прерывателями очень компактно по сравнению с распределительными устройствами, использующими воздух, SF 6 или масло в качестве средства для подавления дуги. Вакуумные прерыватели могут использоваться для автоматических выключателей и переключателей нагрузки. Вакуумные прерыватели с автоматическими выключателями используются в основном в электроэнергетике на подстанциях и объектах производства электроэнергии, а вакуумные прерыватели с переключением нагрузки используются для конечных пользователей электросетей .
История
Использование вакуума для переключения электрических токов было мотивировано наблюдением, что зазор в один сантиметр в рентгеновской трубке может выдерживать десятки тысяч вольт . Хотя некоторые устройства переключения вакуума были запатентованы в 19 веке, они не были коммерчески доступны. В 1926 году группа под руководством Роял Соренсен 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 патентные права и начала коммерческую разработку. Великая Депрессия и развитие маслонаполненного распределительных устройств вызвало компании сократить работу по развитию и мало коммерчески важная работа не была сделана на вакуум мощности распределительных устройств до 1950 года .
В 1956 году Х. Кросс произвел революцию в области вакуумного выключателя для высокочастотной цепи и произвел вакуумный выключатель с номиналом 15 кВ при 200 А. Пять лет спустя Томас Х. Ли из General Electric произвел первые вакуумные выключатели с номинальным током. напряжение 15 кВ при токах отключения при коротком замыкании 12,5 кА. В 1966 году были разработаны устройства на номинальное напряжение 15 кВ и токи отключения при коротком замыкании 25 и 31,5 кА. После 1970-х годов вакуумные переключатели начали заменять переключатели с минимальным содержанием масла в распределительных устройствах среднего напряжения. В начале 1980-х годов переключатели и прерыватели SF6 также постепенно были заменены вакуумной технологией в системах среднего напряжения.
По состоянию на 2018 год вакуумный выключатель достиг 145 кВ, а ток отключения достиг 200 кА.
Классификация
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 силовых распределительных устройств изготавливаются с керамическими оболочками.
Области применения и применения включают автоматические выключатели, выключатели генератора, переключатели нагрузки, контакторы двигателей и устройства повторного включения . Также производятся специальные вакуумные прерыватели, такие как те, которые используются в переключателях ответвлений трансформаторов или в электродуговых печах .
Генераторный выключатель
Исследования и исследования в начале 1990-х годов позволяют использовать вакуумную коммутационную технологию для генераторов. Применения переключения генераторов хорошо известны своими более высокими нагрузками на отключающие 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 действующий до сих пор IEEE C37.013, 1997) был введен для удовлетворения таких требований к автоматическим выключателям, используемым в генераторах.
Вакуумные выключатели могут быть квалифицированы как автоматические выключатели генератора в соответствии с IEC / IEEE 62271-37-013. По сравнению с автоматическими выключателями, использующими другие гасящие среды (такие как SF6 , воздушный поток или минимальное количество масла), вакуумные выключатели обладают следующими преимуществами:
- Высокая способность к восстановлению, устраняющая необходимость в конденсаторах для уменьшения крутизны переходного восстанавливающегося напряжения (как требуется в большинстве газовых выключателей с элегазом );
- Высокая механическая и электрическая прочность при значительно большем количестве и частоте возможных переключений без обслуживания; и
- Экологичность за счет отсутствия фторсодержащего газа .
Вакуумные GCB подходят для частого переключения и для прерывания низкочастотных токов, как в гидроаккумулирующих электростанциях .
Состав
Вакуумный прерыватель обычно имеет один фиксированный и один подвижный контакт, гибкий сильфон, позволяющий перемещать этот контакт, и дугозащитные 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 требуется размыкание или замыкание устройства. Поскольку давление воздуха стремится замкнуть контакты, рабочий механизм должен удерживать контакты в разомкнутом состоянии, преодолевая замыкающую силу давления воздуха на сильфон.
Герметичный корпус
Корпус прерывателя изготовлен из стекла или керамики . Герметичные уплотнения обеспечивают поддержание вакуума в прерывателе в течение всего срока службы устройства. Корпус должен быть газонепроницаемым и не должен выделять захваченный газ. Сильфон из нержавеющей стали изолирует вакуум внутри прерывателя от внешней атмосферы и перемещает контакт в заданном диапазоне, размыкая и замыкая переключатель.
Экранирование
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 снизило бы прочность изоляции оболочки, что в конечном итоге привело бы к искрообразованию в размыкателе прерывателя. Экран также помогает контролировать форму распределения электрического поля внутри прерывателя, что способствует более высокому номинальному напряжению холостого хода. Это помогает поглотить часть энергии , вырабатываемой в дуге, увеличивая устройства отключающей рейтинг .
Контакты
Контакты пропускают ток цепи в замкнутом состоянии, образуя контакты дуги в разомкнутом состоянии. Они изготавливаются из различных материалов, в зависимости от использования и конструкции вакуумного прерывателя, для длительного срока службы контактов, быстрого восстановления номинального выдерживаемого напряжения и контроля перенапряжения из-за прерывания тока.
Внешний рабочий механизм приводит в действие подвижный контакт, который размыкает и замыкает подключенную цепь. Вакуумный прерыватель включает в себя направляющую втулку для управления подвижным контактом и защиты сильфона от скручивания, что значительно сократит срок его службы.
Хотя некоторые конструкции вакуумных прерывателей имеют простые стыковые контакты, контакты обычно имеют паз, выступы или канавки для улучшения их способности отключать большие токи. Ток дуги, протекающий через профилированные контакты, создает магнитные силы на столбе дуги, которые заставляют пятно контакта дуги быстро перемещаться по поверхности контакта. Это снижает износ контактов из-за эрозии дугой, которая плавит контактный металл в точке контакта.
Лишь немногие производители вакуумных выключателей в мире производят сам контактный материал. Основное сырье, медь и хром, с помощью дуговой плавки превращается в мощный контактный материал. Полученные необработанные детали перерабатываются в контактные диски RMF или AMF, а с дисков AMF с прорезями в конце удаляются заусенцы. Для контактных материалов требуется следующее:
- Высокая разрушающая способность: отличная электропроводность, малая теплопроводность , большая теплоемкость и низкая способность к эмиссии горячих электронов ;
- Высокое напряжение пробоя и устойчивость к электроэрозии ;
- Устойчивость к сварке;
- Низкое значение тока отсечки; и
- Низкое содержание газов (особенно меди).
В автоматических выключателях контактные материалы вакуумных выключателей в основном представляют собой медно- хромовый сплав 50-50 . Они могут быть изготовлены путем приваривания листа медно-хромового сплава к верхней и нижней контактным поверхностям поверх контактного гнезда из бескислородной меди . Другие материалы, такие как серебро, вольфрам и соединения вольфрама, используются в других конструкциях прерывателей. Конструкция контактов вакуумного прерывателя оказывает большое влияние на его отключающую способность, электрическую износостойкость и уровень прерывания тока.
Сильфоны
Сильфон вакуумного прерывателя позволяет управлять подвижным контактом извне 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, отводимое от дуги.
Чтобы обеспечить соответствие требованиям к высокой износостойкости на практике, сильфоны регулярно каждые три месяца подвергаются испытаниям на долговечность. Испытание проводится в полностью автоматической испытательной кабине с регулировкой хода для соответствующего типа.
Срок службы сильфонов составляет более 30 000 рабочих циклов на CO.
Операция
В вакуумном выключателе для гашения дуги между парой контактов используется высокий вакуум. По мере того, как контакты расходятся, ток проходит через меньшую площадь. Между контактами резко увеличивается сопротивление, и температура на контактной поверхности быстро увеличивается до тех пор, пока не начнется испарение электродного металла. В то же время электрическое поле очень велико через небольшой контактный зазор. При пробое зазора возникает вакуумная дуга. Поскольку переменный ток вынужден проходить через ноль из-за сопротивления дуги, и зазор между неподвижным и подвижным контактами увеличивается, проводящая плазма, создаваемая дугой, удаляется от зазора и становится непроводящей. Ток прерван.
Контакты AMF и RMF имеют спиральные (или радиальные) пазы в торцах. Форма контактов создает магнитные силы, которые перемещают пятно дуги по поверхности контактов, поэтому дуга не остается в одном месте очень долго. Дуга равномерно распределяется по контактной поверхности для поддержания низкого напряжения дуги и уменьшения эрозии контактов.
Производственный процесс
Компоненты вакуумного прерывателя должны быть тщательно очищены перед сборкой, поскольку загрязняющие вещества могут выделять газ в вакуумную оболочку. Чтобы обеспечить высокое напряжение пробоя, компоненты собираются в чистом помещении, где строго контролируется пыль.
После того, как поверхности были обработаны и очищены гальваническим покрытием и проведен оптический контроль консистенции поверхности всех отдельных частей, прерыватель собирается. На стыки компонентов наносится припой в высоком вакууме, детали выравниваются, прерыватели фиксируются. Поскольку чистота во время сборки особенно важна, все операции выполняются в условиях чистой комнаты с кондиционированием воздуха. Таким образом производитель может гарантировать неизменно высокое качество прерывателей и максимально возможные номинальные значения до 100 кА в соответствии с IEC / IEEE 62271-37-013.
Сборочные узлы вакуумных прерывателей первоначально собирались и спаялись в печи с водородной атмосферой. Трубка, подключенная к внутренней части прерывателя, использовалась для откачки воздуха из прерывателя с помощью внешнего вакуумного насоса, в то время как прерыватель поддерживался при температуре около 400 ° C (752 ° F). С 1970-х годов подкомпоненты прерывателя собираются в печи для пайки в высоком вакууме с помощью комбинированного процесса пайки и вакуумирования. Десятки (или сотни) бутылок обрабатываются за одну партию с использованием высоковакуумной печи, в которой они нагреваются до температуры 900 ° C и давления 10-6 мбар. Таким образом, прерыватели соответствуют требованию качества « герметичность на весь срок службы ». Благодаря полностью автоматическому производственному процессу высокое качество можно постоянно воспроизводить в любое время.
Затем оценка прерывателей с помощью процедуры рентгеновского излучения используется для проверки положения, а также полноты внутренних компонентов и качества точек пайки. Это обеспечивает высокое качество вакуумных камер.
Во время формовки окончательная внутренняя диэлектрическая прочность вакуумного прерывателя устанавливается при постепенном увеличении напряжения, что подтверждается последующим испытанием импульсным напряжением молнии. Обе операции выполняются с более высокими значениями, чем те, которые указаны в стандартах, что свидетельствует о качестве вакуумных камер. Это необходимое условие для длительного срока службы и высокой готовности.
Запечатан на всю жизнь
Доказано, что вакуумные камеры "герметичны на весь срок службы" благодаря их производственному процессу. Это позволяет избежать необходимости использования систем мониторинга или испытаний на герметичность, как указано в стандарте IEEE C37.100.1 в параграфе 6.8.3.
Эффекты перенапряжения
При определенных обстоятельствах вакуумный выключатель может принудительно установить ток в цепи до нуля перед естественным нулем (и реверсированием тока) в цепи переменного тока. Если синхронизация срабатывания прерывателя неблагоприятна по отношению к форме волны переменного напряжения (когда дуга гаснет, но контакты все еще движутся и ионизация еще не рассеялась в прерывателе), напряжение может превышать выдерживаемое напряжение промежутка. Это может повторно воспламенить дугу, вызывая резкие переходные токи. В любом случае в систему вносятся колебания, которые могут привести к значительному перенапряжению . Производители вакуумных прерывателей решают эти проблемы, выбирая материалы и конструкцию контактов, чтобы свести к минимуму прерывание тока. Для защиты оборудования от перенапряжения в вакуумные распределительные устройства обычно входят разрядники для защиты от перенапряжений .
В настоящее время при отключении очень слабого тока вакуумные выключатели не вызывают перенапряжения, которое могло бы снизить изоляцию от окружающего оборудования.