Введення запитали: То чому ж все-таки, вакуум?
Вакуум володіє унікальними властивостями, які можливо використовувати в процесі комутації високовольтних електричних ланцюгів. Такий висновок зробили фахівці Каліфорнійського технологічного інституту в 20-х роках минулого століття.
- діелектрична міцність - 40кВ / мм (125kV / l / 8 дюйма)
- природна відключає здатність - до 4 кА.
- розширена відключає здатність - понад 100ка
- в вакуумі контакти витримують більше 50000 спрацьовувань при номінальних значеннях струму.
- відключення ланцюга можливо при значеннях струму нижче 0,4 А
- мінімум енергії, необхідної для виконання комутації. (Вимірюється в Дж)
- вакуум безпечний для навколишнього середовища.
Історія вакуумних вимикачів
Історія розвитку: вакуумний вимикач VGL8 на 132кВ.
- результат спільної розробки CEGB (Центральна Рада Електростанцій - основний постачальник електроенергії в Англії) і General Electric Company.
- перші шість пристроїв були введені в експлуатацію в період 1967 - 1968 рр.
- напруга розподіляється за допомогою паралельно підключених конденсаторів і складного рухомого механізму.
- кожна група захищена порцеляновим ізолятором і знаходиться під тиском в елегазі.
Вакуумний вимикач конфігурації «Т» з чотирма вакуумними дугогасильними камерами в кожній групі - відповідно, на кожну фазу підключається серія з 8 вакуумних дугогасильних камер.
Історія розвитку: проблеми 60-х.
У той же час, поряд з розробкою високовольтних вакуумних вимикачів, компанії-виробники міняли свої масляні і повітряні вимикачі на елегазові. Елегазові комутатори були простіше і дешевше в експлуатації з наступних причин:
- використання у високовольтних вакуумних вимикачах 8 вакуумних вимикачів на фазу, вимагає наявності складного механізму для забезпечення одночасної роботи 24 контактів в групі.
- використання існуючих масляних вимикачів було економічно недоцільно.
У вакуумних вимикачах спочатку використовувалися вакуумні дугогасильні камери серії V3, а пізніше - серії V4.
Вакуумні дугогасильні камери серії V3 спочатку розроблялися для використання в трифазних розподільних мережах, напругою 12 кВ. Проте, успішно використовувалися в електричних ланцюгах тяги електровозів і підключень в «смузі відчуження» - в однофазних мережах, напругою в 25 кВ.
Пристрій вакуумного вимикача:
Вакуумний вимикач складається з основної камери, розміром 7/8 "(22.2mm), і додаткового відсіку, розміром 3/8" (9,5 мм), для роботи контактних пружін.Рекомендуеми робочі характеристики:
- середня швидкість закриття камери - 1-2 м / сек.
- середня швидкість відкриття камери - 2-3 м / сек.
Так які ж питання вирішувалися виробниками вакуумних високовольтних вимикачів в 60-х роках?
По-перше, напруга комутації перших вакуумні вимикачів обмежена 17,5 або 24 кВ.
По-друге, технології того часу вимагали наявності великої кількості вакуумних дугогасильних камер в серії. Це, в свою чергу, спричинило за собою використання складних механізмів.
Ще одна проблема полягала в тому, що виробництво вакуумних дугогасітелей того часу розраховано на великі обсяги продажів. Розробка вузькоспеціалізованих пристроїв була економічно недоцільна.
Технологія вакуумних вимикачів.
Головна горизонтальна лінія покриття в «чистій кімнаті». VIL, Фінчлі, 1978 рік.
Виготовлення вакуумних дугогасильних камер відбувається в спеціальних установках, використовуючи сучасні технології - «чиста кімната», вакуумні печі і т.п.
Виготовлення вакуумної камери є високотехнологічним виробничим процесом. Після складання, камери вимикача поміщають у вакуумну піч, де їх герметично запаюють.
Чотири основні моменти у виробництві вакуумної дугогасильні камери:
- повний вакуум
- детальний розрахунок електричних параметрів.
- система управління дугою
- матеріал контактних груп
Чотири ключові моменти при виробництві вакуумних вимикачів:
1. ідеальне загальну якість збірки пристрою.
2. точний розрахунок електромагнітних параметрів пристрою. При помилках у проектуванні пристрою, возможниелектромагнітние перешкоди між роз'єднувачами.
3. механізм. Необхідно забезпечити короткий хід механізму і низький рівень енерговитрат. Наприклад, при комутації на 38кв, необхідний хід механізму становить 1/2 "і, при цьому, витрата енергії не перевищує 150 Дж.
4. ідеально герметичні зварювальні шви.
Пристрій класичної вакуумної дугогасильні камери.
дугогасильні камери V8 на 15 кВ (4 1/2 "діам.). Початок 70-х років.
На фото зображені основні вузли конструкції вакуумної дугогасильні камери.
Управління електричною дугою: радіальне магнітне поле.
Управління дугою: аксіальне магнітне поле.
Кадр високошвидкісної зйомки (9000 кадрів в секунду).
Зображення аксіального магнітного поля
40kArms 12kVrms
Процес з використанням самоіндукції магнітного поля уздовж осі електричної дуги не дозволяє дузі стискатися і оберігає від перегріву контактну площадку, відводячи надлишок енергії. В даному випадку, матеріал контактної площадки не повинен сприяти пересуванню дуги уздовж поверхні контакту. Існує можливість в промислових умовах виконувати комутацію струмів понад 100ка.
Електрична дуга в вакуумі - матеріал контактних груп.
Кадр високошвидкісної зйомки (5000 кадрів в секунду).
Зображення контактної площадки діаметром в 35мм.
Радіальне магнітне поле.
20kArms 12kVrms
При розмиканні контактів в вакуумі, з поверхонь контактів випаровується метал, який і утворює електричну дугу. При цьому властивості дуги змінюються в залежності від матеріалу, з якого виготовлені контакти.
Рекомендовані параметри контактних пластин:
Спочатку, для виготовлення контактних пластин використовувався сплав з міді і хрому. Цей матеріал був розроблений і запатентований компанією English Electric в 1960-х роках. На сьогодні, це самий використовуваний метал при виробництві вакуумних дугогасильних камер.
Принцип роботи механізму.
Механізм вакуумних вимикачів влаштований таким чином, що кількість витраченої на комутацію енергії не має ніякого значення - відбувається просте переміщення контактів. Типового АПВ, для управління досить затратити енергію в 150-200 джоулів, на відміну від елегазового магістрального комутатора, до якого необхідно 18000-24000 джоулів для здійснення одного перемикання. Цей факт дозволив використовувати в роботі постійні магніти.
Принцип дії магнітного приводу
Стадія спокою стадія руху модель руху.
Яка ситуація на сьогоднішній день?
Отримані за останні сорок років наукові досягнення, дозволили об'єднати, при виробництві вакуумного роз'єднувача, камери для 38кв і 72/84 кВ в одну. Максимально можливе напруга на одному роз'єднувачі сьогодні досягає 145 кВ - таким чином, високий рівень комутованого напруги і низьке енергоспоживання дозволяють використовувати надійні і недорогі пристрої.
Переривник на фото зліва розрахований на роботу під напругою 95кв, а на фото праворуч - на роботу під напругою 250 кВ. Довжина обох пристроїв однакова. Такий прогрес став можливим завдяки вдосконаленню матеріалів, з яких виготовлені електричні поверхні контактів.
Проблеми, які виникають під час використання вакуумних вимикачів на мережах з більш високою напругою:
Для роботи потрібні фізично великі розміри вакуумної камери, що тягне за собою скорочення продуктивності і погіршення якості обробки самих камер.
Збільшення фізичних розмірів пристрою підвищує вимоги до забезпечення герметизації самого пристрою і до контролю виробничого процесу.
Довгий (довше 24 мм) проміжок між контактами впливає на можливість керування дугою радіальним і осьовим магнітним полем, і знижує працездатність пристрою.
Використовувані на сьогоднішній день матеріали для виготовлення контактів, розраховані на середні значення напруги. Для роботи на таких великих проміжках між контактами, необхідна розробка нових матеріалів.
Необхідно враховувати наявність рентгенівських променів.
У зв'язку з останнім пунктом, потрібно відзначити ще кілька фактів:
При вимкненому контакторі випромінювання рентгенівських променів відсутня.
При середніх значеннях напруги (до 38кв) рентгенівське випромінювання дорівнює нулю або мізерно мало. Як правило, в комутаторах напруги до 38кв рентгенівське випромінювання з'являється тільки при випробувальних напругах.
Як тільки напруга в системі піднімається до 145 кВ, потужність випромінювання рентгенівських променів зростає і тут вже необхідно вирішувати проблеми безпеки.
Питання, яке зараз стоїть перед розробниками вакуумних переривників, наскільки великим буде опромінення навколишнього простору, і як це вплине на полімери і електроніку, які монтуються безпосередньо на сам вимикач.
Сьогоднішній день.
Вакуумний вимикач високої напруги, розрахований на роботу 145 кВ.
Сучасна вакуумна дугогасильні камери.
Виробництво вакуумної дугогасильні камери, розрахованої на роботу в мережах 145 кВ, значно спрощує виробництво вакуумного вимикача на 300 кВ. з двома місцями розриву на фазу. Однак, такі високі значення напруги, вносять свої вимоги до матеріалу контактів і методам управління електричною дугою.
висновки:
Технологічно можливо промислове виробництво та експлуатація вакуумних вимикачів на мережах напругою до 145 кВ.
Використовуючи тільки лише відомі сьогодні технології, можлива робота вакуумних переривників на мережах до 300-400 кВ.
На сьогоднішній день, існують серйозні технічні проблеми, що не дозволяють в найближчому майбутньому використовувати вакуумні переривники на мережах понад 400 кВ. Однак, робота в цьому напрямку ведеться, мета таких робіт - виробництво вакуумних дугогасильних камер для роботи на мережах до 750 кВольт.
На сьогоднішній день не існує великих проблем при використанні вакуумних дугогасильних камер на магістральних лініях. Вакуумні вимикачі, протягом 30 років, успішно використовуються при передачі струму на мережах напругою до 132 кВ.