Вакуумни прекъсвачи

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2011

Вакуумни прекъсвачиВакуумни прекъсвачиВакуумни прекъсвачиВакуумни прекъсвачиВакуумни прекъсвачи

    Прекъсвачите за високи напрежения, в които вакуумът служи за среда за гасене на електрическата дъга, са известни под наименованието вакуумни прекъсвачи. Те са предназначени за комутации (операции по включване – изключване) на електрически ток с номинална стойност или токове на късо съединение (к. с.) в електроустановките.

Предназначение и развитие на вакуумните прекъсвачи
Първите разработки на вакуумни прекъсвачи (ВП) датират от 20-те години на миналия век, като са създадени опитни образци, комутиращи неголеми токове при напрежение до 40 kV. Достатъчно мощни ВП в тези години не са били създадени поради несъвършенство на технологиите за изготвяне на вакуумната апаратура и преди всичко, заради възникналите трудности по поддръжката на дълбок вакуум в херметизираната камера. За създаването на надеждно работещи вакуумни дъгогасителни камери, способни да изключат големи токове при високо напрежение на електрическата мрежа, била изпълнена обширна програма от изследователски работи. В хода на тяхното провеждане през 50-те години били научно обяснени и основните физически процеси при горене на дъгата във вакуум.
Преходът от единични опитни образци на вакуумните прекъсвачи към тяхното серийно промишлено производство продължил още две десетилетия. Били необходими допълнителни изследвания и разработки за елиминиране на опасните комутационни пренапрежения, възникващи при прекъсване на тока при неговото естествено преминаване през нулата. Решението на друг проблем било свързано с разпределението на напрежението върху замърсените вътрешни повърхности на изолационните детайли, по които са попаднали пари и капки от разтопен метал. Решени били проблеми по екранирането и създаването на нови високонадеждни силфони и др.
Понастоящем се произвеждат високонадеждни бързодействащи вакуумни прекъсвачи, способни да комутират големи токове в електрическите мрежи със средно (6, 10, 35 kV) и високо напрежение (до 50 kV включително).

Преглед на видовете прекъсвачи високо напрежение
Прекъсвачите за високо напрежение (ВН) са най-отговорните и скъпи комутационни апарати в разпределителните уредби (РУ). Те са предназначени за комутация на електрически вериги при всички режими на работа: нормален, на к. с., на празен ход и др. От тях се изисква не само да изключат веригата, но и да изгасят възникналата между контактите им електрическа дъга. Поради това всички прекъсвачи притежават дъгогасителни устройства, които са техен характерен елемент.
В зависимост от условията на средата, в която работят, прекъсвачите са нормално изпълнение или със специални конструкции – за работа в тропически, високопланински, северни, химично активни и други условия.
Прекъсвачите могат да бъдат еднофазни, двуфазни и трифазни. По принцип всяка фаза е самостоятелен елемент и връзката между тях се осъществява само посредством задвижващия механизъм. Според мястото на монтажа, прекъсвачите са за открит и закрит монтаж.
По начина на управление се делят на такива с ръчно (от място или дистанционно) или с автоматично управление (по подаден сигнал от устройствата за релейна защита и автоматика).
Съобразно с времето, за което изключват, ВП условно се разделят на:
- свръхбързодействащи – до 0,06 s;
- бързодействащи - от 0,06 до 0,08s;
- с ускорено действие – от 0,08 до 0,12 s;
- небързодействащи – над 0,12 s;
Бързодействието им се определя от задвижващия механизъм и скоростта на гасене на дъгата.
По възможността им за автоматично повторно включване (АПВ) се делят на обикновени (без АПВ) и такива, пригодени за АПВ.
Основната класификация на вакуумните прекъсвачи, обаче, се извършва на база способа на гасене на дъгата, който определя вида на дъгогасителното устройство. Конструкциите на дъгогасителните устройства могат да имат съществени различия в зависимост от вида на тока, стойностите на номиналния ток и номиналния ток на изключване и от номиналното напрежение, отнесено към един дъгогасящ разрив.
Основните методи за гасене на дъгите и свързаните с тях типове дъгогасителни устройства са:
- Гасене на открита дъга в масло – което се осъществява чрез прост разрив на контактните елементи в маслена среда. Този способ се прилага при сравнително малки токове на изключване и невисоки номинални напрежения.
- Интензивно охлаждане на дъговия стълб в поток от газопарова смес. Това става в дъгогасителните устройства с надлъжно или напречно (или комбинирано) автопродухване на маслените и маломаслените прекъсвачи.
- Интензивно охлаждане на дъговия стълб в надлъжен или напречен поток от сгъстен въздух в дъгогасителните системи на въздушните прекъсвачи.
- Охлаждане на дъговия стълб в елегазова среда, като се прилагат предимно два способа: надлъжно продухване на дъговия стълб от интензивен поток елегаз; интензивно движение на дъгата в елегазова среда под въздействието на магнитно поле.
- Разпадане на дъговия стълб при разтваряне на контактните елементи във вакуум при отсъствие или наличие на магнитно поле. Това става предимно в специални вакуумни дъгогасителни камери.
- Интензивно охлаждане на дъговия стълб в поток от газообразни продукти, получени в резултат на разлагане на твърди газогенериращи вещества. Използват се в прекъсвачите с автогазово продухване.
- Преместване на дъговия стълб от напречно магнитно поле и охлаждането му в тесни канали, което намира място в електромагнитните прекъсвачи.
Независимо от вида на дъгогасителното устройство, основната роля на дъгогасителната система е да осигури сигурното разпадане на плазмата в дъговия стълб за много кратък интервал от време преди преминаването на тока през нулевата му стойност и да възстанови достатъчна електрическа якост на дъговата междина в завършващата част на процеса на разпадане на стълба. Поради това, дъгогасителните устройства на прекъсвачите трябва да отговарят на следните изисквания:
- надеждно гасене на дъгите при различни режими, като се гарантира предписаният в стандартите и техническите условия комутационен ресурс;
- надеждно (без повторни запалвания) и без появата в изключвателните вериги на недопустими пренапрежения гасене на дъгата при изключване на индуктивни и капацитивни токове;
- механична здравина и електрическа износоустойчивост на елементите на конструкцията;
- надеждна работа на електрическата изолация на дъгогасителната система по време на изключването
- простота на конструкцията, технологичност в производството, ниска себестойност, удобство и безопасност при експлоатация.
За пресмятане и конструиране на дъгогасителни системи е необходимо да се знаят основните процеси, протичащи в тях, параметрите, които трябва да се осигурят, основните изходни данни и последователността на работа. При дъговото изключване вътре в дъгогасителното устройство протича сложен комплекс от взаимосвързани физически и химически процеси, свеждащи се основно до:
- изменение на междуконтактната междина, респективно дължината на дъгата в периода на горенето и гасенето й;
- горене на електрическата дъга до преминаване на променливия ток през нулева стойност в дадена среда;
- изменение на физико-химическия състав и състоянието на дъгогасителната среда в зоната на горене на дъгата;
- образуване на флуидни потоци в работните обеми на дъгогасителното устройство;
- изменение на налягането и температурата в камерата;
- разпадане на остатъчния стълб на дъгата и нарастване на електрическата якост на междуконтактната междина.
Съществуват множество теории и методи  за оразмеряване на дъгогасителни системи на различни типове прекъсвачи. Поради изключително сложния характер на явленията при дъгогасенето, не може само на база на изчисленията да се конструира едно дъгогасително устройство. Затова, при съвременните методи за решаване на такава задача се използват обосновани опростявания и много опитни данни от изследване на процеса на дъгогасенето, получени чрез физическо моделиране, изпитване на опитни образци и експлоатационни наблюдения.Особености на вакуумните прекъсвачи, свързани с начина на гасене на дъгата
Във вакуумните дъгогасителни камери (ВДК), топлопредаването от аксиално разположената тоководеща система към изолационната обвивка е затруднено поради изключително високите топлоизолиращи качества на вакуумния промеждутък. Поради това, цялата топлина, отделяща се в контактния преход и тоководещите пръти, трябва да се отвежда в аксиално направление практически само чрез топлопроводност и едва като стигне до фланците посредством прътите, започва да се разсейва в околната среда. Това означава, че тоководещите части трябва да са къси и със сравнително големи сечения, като се осигури равно топлопредаване в двете посоки. Контактите на ВДК най-често се конструират така, че отделящата се в тях топлина да е малка. Контактните повърхности са във вакуум и почти не променят качествата си. За повишаване на номиналния ток на ВДК се прилагат и охлаждащи радиатори, свързани с изводите.Принцип на действие и видове конструкции при гасене на дъгата във вакуум
На фиг. 1 е показан схематично разрез на съвременна ВДК. Вакуумът е затворен между двата метални фланеца 1 и 8, керамичните изолационни тела 5 и силфона 9. Неподвижният контактен елемент 3 е направен от специална мед с голяма чистота и е свързан с фланеца 1, към който се присъединява токовият извод на прекъсвача. Подвижният контактен елемент 6 се води в плъзгащи направляващи 10 и има токоотвеждащ конус 11, към който се свързва другият токов извод на прекъсвача. Главният метален екран 4 и помощните екрани 7 и 2 имат задача да не позволяват на металните пари, получени при комутирането, да кондензират по вътрешната повърхност на изолаторите 5 и да правят електрическото поле по-равномерно. Силфонът 9 е метална хармоника от неръждаема стомана с голяма механична якост и висока корозионна устойчивост. Той е запазен от металните пари чрез чашкообразен елемент 12. Вътрешният обем на силфона е свързан с атмосферата, поради което подвижният контактен елемент 6 натиска върху неподвижния 3 със сила, равна на произведението от площта на силфона Sc и атмосферното налягане. Ако допуснем, че Sc = 100 cm2, при нормално атмосферно налягане, силата на притискане е около 1000 N, което е достатъчно за пропускането на номинален ток. За по-големи номинални токове и за получаване на по-голяма динамична устойчивост се поставя допълнителна пружина, създаваща необходимата сила на притискане.
Във ВДК абсолютното налягане е в диапазона на 10-2 до 10-5 Ра. За разлика от другите дъгогасителни устройства (ДУ), горенето и гасенето на електрическата дъга във вакуум има някои особености. При разтваряне на контактните елементи в началния момент между тях се образува мост от разтопен метал, който се загрява от преминаващия през него ток до температура на кипене на метала и се изпарява. Терминът “дъга във вакуум” съдържа противоречие, защото нормално се счита, че електрическата дъга трябва да съдържа положителни йони от дъгогасителната среда. Обаче в действителност във вакуума, парите на метала, необходими за образуване на положителни йони, се генерират от повърхността на електродите непосредствено в процеса на горене на дъгата. В стълба на плазмената дъга се получава голямо налягане, което довежда до бърза дифузия на металните пари в заобикалящия дъгата вакуум. Докато токът нараства, се увеличава и количеството метални пари от повърхността на електродите. С наближаване на тока към нулева стойност се намалява отделянето на метални пари, докато се стигне до нищожно количество. При преминаване на тока през нулевата стойност, останалите пари между електродите се разпръскват много бързо във вакуума и се постига невъзможно за други ДУ рязко нарастване на електрическата якост на междината. Всичко това се извършва за време не по-голямо от 10 микросекунди. Бързото нарастване (възстановяване) на електрическата якост между електродите е най-голямото преимущество на вакуумните прекъсвачи.
На фиг.2. е показана схематично последователността на изключване на ВДК. В позиция 1 прекъсвачът е включен и е получил сигнал от релейната защита за изключване. След изминаване на собственото време за изключване tсоб, контактните елементи започват да се отварят и възниква дъга (позиция 2). Дъгата се разраства (позиция 3), но след преминаване на максималната стойност на изключвания ток Iизкл, металните пари започват да намаляват. По време на горенето на дъгата се поддържа дъговото напрежение Uдъг. На позиция 4 токът преминава през нулевата си стойност, дъгата изгасва и се възстановява напрежението Uв  към възвръщащото се напрежение на мрежата Uо.
Първите ВДК са били с две челно контактуващи цилиндрични контактни тела. Опитите са показали, че независимо от увеличаването на диаметъра им и варирането със скоростите и контактните материали, не може да се преодолее определена граница на комутационна възможност. Опростените контактни системи се прилагат най-често за токове на изключване не по-високи от 8 kА. За да се разбере причината за това, е необходимо по-задълбочено запознаване с механизмите за горене на дъгата във вакуум. Установено е, че тя може да съществува или като разсеяна (дифузна) дъга, или като концентрирана (сгъстена) дъга.
Първият тип дъга се проявява при токове до около 10 kА и стойностите, при които преминава към сгъстена дъга зависят от материала и формата на контактите и от скоростта на изменение на тока. За дъга, горяща във вакуум, е характерно прекъсване (срязване) на тока при приближаването му до нулева стойност. Токът на срязване зависи както от параметрите на изключваната верига, така и от свойствата на материала на контактната система. Волфрамът има устойчивост към заваряване, висока температура на топене и добра износоустойчивост. При волфрамовите контакти, обаче, големината на тока на срязване и полученото пренапрежение са много високи, тъй като парите на волфрама създават ниско налягане. Пренапрежението при медни контакти е 2,5 пъти по-ниско, но те по-лесно се поддават на заваряване и се износват по-бързо. Тези противоречия се отстраняват, ако част от контактната повърхност е изпълнена от дъгоустойчив метал (молибден), а другата част – от материал с високо налягане на парите (антимон). Добри резултати дава специалната металокерамика. Дъгата формира конус с интензивно светещо катодно петно на върха (фиг. 3.). Плътността на тока при катодното петно е приблизително 103 до 104  A/mm2 (за медни електроди) и токът на петното е не по-голям от 100 А. С нарастването на тока се образуват множество произволно движещи се катодни петна, които формират много успоредни дъгови стълбове. Катодните петна се отблъскват едно от друго и се стремят да заемат цялата повърхност на катода. Напрежението на дъгата при тези токове остава малко и почти постоянно.
До определени стойности на тока ефектът от отблъскване на катодните петна е по-значим от силите на електромагнитното въздействие върху паралелните дъги. На свойствата на катодните петна силно влияние оказват материалът и формата на електродите. Катодните процеси и механизмите на пробив на вакуумните междини все още не са изучени достатъчно. Съществуват различни и често противоречиви обяснения на тези явления.
При по-големи токове напрежението на дъгата бързо нараства, електрическото поле започва да оказва спиращо действие на йоните на дъгата и те вече не достигат до анода. Непосредствено пред анода се появява дефицит на положителни йони и се увеличава падът на напрежението. Електроните, ускорени от анодния пад, предизвикват ударна йонизация чрез бомбардиране на анода. Той се нагрява и отделя значително количество метални пари. Образуват се анодни петна на сгъстената дъга, която съдържа разтопен метал. След преминаването на тока през нулева стойност, анодното петно става катодно и се създават условия за по-трудно разсейване на остатъчните продукти на металната дъга.
Дифузната дъга има значително по-малка времеконстанта от сгъстената. Поради това, във вакуум гасенето на тази дъга става по-лесно. За успешното гасене на сгъстени дъги се вземат специални конструктивни мерки, осигуряващи въздействие на аксиално магнитно поле върху дъгата. Прилагането на аксиално магнитно поле принуждава електроните и йоните да извършват бързо винтово движение около магнитните силови линии, така че те не могат да излязат извън зоната на магнитното поле. Така дъгата остава дифузна и приема формата на еднородна колона.
За успешното гасене във ВДК на токове над 10 kА е необходимо формирането на аксиално магнитно поле. То може да се създаде чрез външно или вътрешно разположени бобини, но това е много скъпо. Съвременните контактни системи са така конструирани, че сами да създават необходимото магнитно поле. На фиг. 4 са показани 3 типа контактни системи на съвременни ВДК за големи токове на изключване. На фиг. 4а са показани контактни накрайници, оформени като спирални листа, на фиг. 4б – чашкообразна контактна система и на фиг. 4в – чашкообразни контактни елементи със спирални канали и контактен пръстен. Тези елементи формират радиално магнитно поле. При тези контактни системи, под въздействието на електродинамичните сили и силите от взаимодействието на тока на дъгата и радиалното магнитно поле, петите на дъгата се движат по повърхността на електродите, което допринася до ефективно дъгогасене.
Конструкцията на контактна система с аксиално магнитно поле е показана на фиг. 5. Токът се разклонява на 4 клона, като магнитното поле, създадено от всеки клон, се сумира с магнитното поле на насрещния контактен елемент със същата конструкция. При малкото разстояние между електродите по време на гасенето се получава сравнително равномерно аксиално поле, което облекчава дъгогасенето.

Предимства и недостатъци на вакуумните прекъсвачи.
Предимства:
- Отделената енергия на дъгата WД е по-малка от тази в аналогични елегазови прекъсвачи;
- Чувствително по-малък момент М за изключване на прекъсвача спрямо елегазовия;
- Простота на конструкцията;
- Надеждност;
- Висока комутационна износоустойчивост;
- Малки размери;
- Пожаро- и взривобезопасни;
- Отсъствие на шум при работа на прекъсвача;
- Не замърсяват околната среда при работа или изключване;
- Удобство при експлоатация;
- Ниски експлоатационни разходи.
Недостатъци:
- Комутират сравнително неголеми номинални токове и токове на изключване;
- Възможност за получаване на комутационни пренапрежения при изключване на малки индуктивни токове;
- Неголям ресурс на дъгогасителното устройство при изключване на токове на к. с.Технически и монтажни характеристики
Ход на контактите – зависи основно от номиналното напрежение на прекъсвача, респективно от ВДК. При Uном = 12 kV, той е 8 до 10 mm, а при напрежения до 40,5 kV може да достигне 35 mm. Регламентира се от необходимото изолационно разстояние при изключен прекъсвач. В резултат на челното електрическо износване, контактният разтвор се увеличава. Това води до деформация на силфона, който е един от слабите елементи на ВДК и ограничава механическата износоустойчивост. Въпреки това тя гарантира най-малко 5.104 цикъла включване-изключване.
Контактен натиск – определя се от изискванията за осигуряване на ниско преходно съпротивление при включени контактни елементи, за гарантиране надеждно включване при максимален ток на к. с. и за удържане на включена контактна система при токове на к. с. За осигуряване на електродинамична устойчивост при ударни токове от 40 до 100 kА, във ВДК трябва да се приложи контактен натиск от 1000 до 4000 N. Този натиск гарантира включване без вибрации.
Скорост на включване – избира се такава, че да е компромисна между две противоречиви изисквания. От една страна тя трябва да е малка, за да не товари елементите с удари. От друга страна е необходима по-голяма скорост на включване, за да се предпазим от предварителния пробив. Затова в някои прекъсвачи се поставят демпфери. В съвременните прекъсвачи скоростта на включване е 0,5 до 2 m/s.
Скорост на изключване - решаващо влияние върху нея оказват два фактора: надеждно гасене на дъгата при токове на к. с. и изключване на капацитивни токове без повторни пробиви. И при двата случая скоростта трябва да бъде такава, че да гарантира гасене на дъгата при първото преминаване на тока през нулевата стойност. В съвременните прекъсвачи с ВДК (в зависимост от параметрите им), скоростта на изключване е от 0,8 до 3,5 m/s.
Електрическа износоустойчивост (комутационен ресурс) - зависи от стойностите на изключваните токове. За токове на к. с. 31,5 kА са допустими 100 високоволтови изключвания, а при номинални токове до 2,5 kА - 5.104 високоволтови изключвания.
Едновременност на включване на фазите – ако един прекъсвач е трифазен, изпълнен с 3 броя ВДК и подава напрежение например към един електродвигател, от голямо значение е дали това ще стане едновременно. Тази настройка не може да се извърши “на око”. За целта се използва специализирана апаратура. Тя извършва пълен анализ на прекъсвачите (статично и динамично, под напрежение, като прекъсвачът е поставен в специална клетка). Благодарение на специализирания софтуер за анализ и връзката с компютър може да се проследят всички параметри на прекъсвача, съответно, да се пренастроят.
Масово използваните прекъсвачи с ВДК са основно за напрежение до 40,5 kV. При тях може да се постави само една ВДК на полюс. Те се изработват на модулен принцип с голяма унификация на елементите.
В последните години активно се работи за създаване на вакуумни прекъсвачи за високо напрежение (72,5 до 220 kV). Тези прекъсвачи са предназначени за използване вместо елегазовите в съответния клас за високи напрежения. Една от причините, поради която се търси алтернатива на елегазовите прекъсвачи, се явява високата способност на елегаза да създава парников ефект. В това отношение той е 22 200 пъти “по-ефективен” от СО2. Затова е желателно да се ограничава използването на елегазови прекъсвачи там, където е възможно. Освен екологичната безвредност, ВП имат по-голям ресурс от елегазовите, възможност за работа без подгрев при ниски температури и ниски експлоатационни загуби.
Понастоящем са разработени и пуснати в експлоатация различни ВП (колонкови и резервоарни) за напрежения 72,5 до 170 kV. Създадени са ВП за напрежение до 170 kV в колонково и резервоарно изпълнение с един разрив в полюс. В резервоарните прекъсвачи, в качеството на изолационна среда се използва сух въздух под налягане, което прави конструкцията екологично чиста. Работи се по създаване на ВП за 110 kV и по-високо напрежение с един или два разрива на полюс. На база на вакуумна камера за напрежение 110 kV се работи за създаването на двуразривен ВП за напрежение 220 kV.



Ключови думи: ВП, комутации



ЕКСКЛУЗИВНО

Top