Вакуумный выключатель: устройство и принцип работы + нюансы выбора и подключения

Электроприбор вакуумный выключатель — это устройство, предназначенное для эксплуатации в составе электрических высоковольтных сетей. Своё название он получил от особенности конструкции – вакуумной камеры, благодаря которой достигается моментное гашение электрической дуги.

Прибор используется в качестве коммутаторов, призванных выполнять отключение оборудования на случай аварийных ситуаций или в рамках текущей эксплуатации. Давайте подробнее рассмотрим, что собой представляет вакуумный коммутатор и для чего он нужен.

Как действует высоковольтный вакуумный коммутатор?

Основой функциональности вакуумных камер, применяемых в конструкции выключателей, являются физические свойства газа, находящегося в разряженном состоянии. При таких условиях свойство газа, характеризуемое как электрическая прочность, существенно изменяется в сторону увеличения.

Этот эффект высокой разряженной среды (диапазон от 10^-6  до 10^-8 Н/см²) успешно используется в конструкциях выключателей, дополненных газовыми вакуумными камерами, сквозь которые проходят электрические контактные группы.

Одна из моделей вакуумного выключателя – прибора, который используется при эксплуатации силовых электрических сетей. Устройство считается более современным и надёжным в сравнении с аналогичными устройствами, но другого типа исполнения

Текущий через контактные группы ток (в момент разъёма контакта) формирует электрический разряд – дугу. Горение дуги проходит за счёт частичной ионизации паров металла, неизбежно образующихся от высокой температуры. Прохождение тока между контактами через образованную плазму поддерживается до момента перехода тока к нулевой шине.

Как только наступает момент перехода через «ноль», электрическая дуга гаснет. Время общего процесса занимает не более 7-10 микросекунд.

Устройство выключателей вакуумного исполнения

Разнообразие вакуумных выключателей, с учётом их конструктивного исполнения, достаточно велико. Поэтому сложно выдавать характеристику этих приборов в целом. Между тем, независимо от конструктивных различий, принцип действия остаётся неизменным.

Структурная схема ВВ: 1 – верхний вывод; 2 – вакуумная камера; 3 – полимерный изолятор; 4 – нижний вывод; 5 – ленточный контакт; 6 – силовая пружина; 7 – тяговый шток; 8 – пружина отключения; 9 – рычаг передачи; 10 – вал привода; 11 – расцепитель; 12 — корпус

Рассмотрим для общего ознакомления трёхполюсный вакуумный выключатель, оснащённый пружинно-моторным приводом. Этот прибор рассчитан под внутреннюю установку или под инсталляцию на открытом воздухе. В любом случае, его монтаж выполняется внутри специальных распределительных металлических коробов.

Эксплуатироваться приборы могут в самых разных сферах народного хозяйства. Однако есть некоторые ограничения.

Так, вакуумные выключатели не предназначены для установки с последующей эксплуатацией в следующих условиях:

• помещения, где пожаро-, взрывоопасная атмосфера;
• установки, конструктивно предусматривающие частую коммутацию;
• установки мобильного (передвижного) типа;
• энергетические системы морских и речных судов.

Выключателям вакуумного типа обычно присущи два типа исполнения конструкции:

1. Под стационарную инсталляцию.
2. Под инсталляцию с аппаратной тележкой.

Независимо от исполнения, корпусная область прибора содержит три полюса, оснащённых дугогасительными камерами.

Внутри вакуумных камер работают подвижные контакторы, приводимые в действие пружинно-моторным механизмом. Корпус прибора дополняется фронтальной панелью, где содержатся элементы индикации и управляющие устройства.

Внешние главные элементы выключателя: 1 – полюса прибора; 2 – механизм блокировки включения; 3 – окно для подъёма; 4 – рукоятка механики, блокирующей внешние цепи

Три полюса главной цепи выполнены в форме колонн. Расположение полюсов, как правило, на задней части шасси пружинно-моторного привода. Каждый полюс дополнен камерой гашения дуги, которая заключена внутри полимерного изолятора. С целью усиления электрической прочности корпус изолятора имеет ребристую форму.

Внутри каждой вакуумной камеры смонтирована контактная группа из двух элементов —  подвижного, неподвижного. Элемент подвижного контакта через тяговый изолятор связан с механизмом переключения. Далее связь с нижним контактным выводом. А неподвижный контакт через конусную посадку соединяется с верхним контактным выводом прибора.

Как работает привод выключателя?

Подвижные контакты вакуумных камер механическим способом соединены с валом пружинно-моторного привода. За счёт силовой пружины, предварительно взведённой (установленной в состояние растяжения), привод легко привести в действие простым нажатием кнопки управления или иным механизмом.

Структурная схема вакуумной камеры: 1 – клеммник неподвижного контакта; 2 – неподвижный контакт; 3 – подвижный контакт; 4 – металлический экран; 5 – изолятор керамический (полимерный); 6 – сильфон; 7 – клеммник подвижного контакта

Пружина (обычно две пружины) взводится посредством цепной передачи. Нормальный режим работы оборудования предусматривает взвод пружины при помощи электродвигателя, оснащённого редуктором. Вместе с тем, есть рукоятка ручного взвода, которой пользуются на случай аварий или потери питания.

Взведённая пружина фиксируется спусковым механизмом. Этот механизм управляется через электромагнитный привод или через кнопку включения. Как только активирован режим включения, фиксация снимается, сила растяжения пружины приводит в действие кулачковый механизм. Тот, в свою очередь воздействует на вал, который механически соединён с механизмом переключения подвижных контактов вакуумных камер.

Операция на отключение вакуумного выключателя выполняется активацией режима «Отключено» — электромагнитом или кнопкой. Последовательность действий практически аналогична первому режиму. Здесь также задействованы силовые пружины отключения, состояние которых устанавливает спусковой механизм отключения.

Панель управления и элементы индикации: 1 – режим «включено»; 2 – режим «отключено»; 3 – взведённое состояние пружины; 4 — состояние освобождённой пружины

Удобство эксплуатации и контроль работы прибора обеспечивает панель управления. По фронту панели располагаются элементы: счётчик числа циклов, индикатор состояния пружины взвода, индикатор состояния вакуумного выключателя.

Особенности выкатных конструкций

Аппаратура выкатного исполнения собрана на базе специальной аппаратной тележки. При помощи этого аксессуара выключатель вводится внутрь шкафа или выводится из него.

Аппаратная тележка действует не только как транспорт прибора, но также выполняет функцию контроллера включения прибора в режим теста или в рабочий режим, как только выключатель задвинут в шкаф.

Аппаратная тележка: 1 – каток (4 шт.); 2 – основание; 3, А – основание подвижное; 4 – рукоятка (2 шт.); 5 – гнездо воротка; 6 – планка блокировки; 7 – фиксирующий элемент; 8 – разъём для вторичной цепи; 9 – механика блокировки прибора; 10 – блокировочные контакты; 11 – планка фиксации винта; Б – неподвижная часть

Вакуумный выключатель закрепляется непосредственно к подвижной части тележки. Крепёж выполняется болтовыми соединениями. Между тем, аппаратная тележка имеет ещё и неподвижную часть, где закреплён привод подвижной части. Движение подвижного модуля относительно неподвижного выполняется за счёт винта рукоятки управления тележкой.

Подвижная часть – металлическое основание на четырёх колёсах, обработанное гальваническим покрытием. Здесь присутствует внешняя механическая блокировка (нажимная планка) заземлителя, блокировка винта привода, блок-контакты, механизм блокировки выключателя и прочие элементы, коими обеспечивается движение или фиксация.

Установка и подключение прибора

Прежде чем начинать устанавливать вакуумный выключатель, необходимо провести осмотр всех внешне доступных элементов, дабы убедиться в отсутствии повреждений и дефектов. Затем производится чистка изоляционных поверхностей полюсов с помощью сухой безворсовой ветоши.

Не допускается внедрение оборудования в систему, если на изоляционных поверхностях присутствуют сколы, трещины, деформированные участки. Обязательно подлежит проверке схема вторичных цепей, а также подключение корпусной шины.

Проверка установленного прибора. Здесь важно тщательно проверить каждую деталь, каждый элемент крепежа. Высоковольтные аппараты не прощают даже малейшей ошибки

Перед установкой работоспособность выключателя следует проверить методом ручного включения (вхолостую без питания) и убедиться в правильности положения индикаторов панели управления. Затем нужно проверить наличие крышек полюсов. Если применяется аппаратура под номинал 1600А и выше, крышки защиты перед монтажом требуется снять.

Подключение непосредственно в сеть

Клеммы контактных наконечников проводников силовых кабелей перед присоединением к выводам выключателя необходимо зачистить.

Процедура зачистки отличается в зависимости от применяемого материала клемм:

• Для медных и алюминиевых клемм без дополнительного покрытия зачистка осуществляется наждачной бумагой зернистостью М20 или ниже, с последующим обезжириванием поверхности металла.
• Если клеммы медные или алюминиевые покрыты слоем серебра, их достаточно очистить безворсовой тканью.

Недопустимо применять кабели, серебряное покрытие клемм которых повреждено на площади более 5%. В этом случае повреждённый элемент требуется заменить. Подробнее о клеммах для соединения проводов можно прочесть в этом материале.

Внешние проводники подводятся к выводам вакуумного выключателя с таким расчётом, чтобы не создавались механические усилия на выводы прибора со стороны внешних проводников. Соединения производятся посредством болтовой сцепки с применением плоских упругих металлических шайб.

Как производится заземление?

Приборы стационарного исполнения подключаются к «земляной» площадке посредством болтового соединения (М12) непосредственно в точке, обозначенной маркировкой «Заземление».

Элементы конструкции аппаратной тележки и шасси выключателя, через которые выполняется заземление устройства. Как правило, эти точки отмечаются соответствующим знаком, нанесённым рядом с элементом

Область контактной точки «Заземление» перед соединением требуется обезжирить. Заземляющим проводником следует выбирать шину достаточного сечения (Правила устройства электроустановок), гибкий провод или проводник сплетённый жгутом. До накладки проводника на контактную площадку поверхности контакта смазать специальной смазкой (ЦИАТИМ-203).

Конструкция выкатного типа заземляется при помощи элементов аппаратной тележки. Заземление вакуумного выключателя осуществляется через конструкцию аппаратной тележки, для чего также имеются элементы крепежа.

Ввод устройства в эксплуатацию

Запуск устройства в эксплуатацию производится после дополнительной проверки установленного и подготовленного оборудования. В частности, проверяется надёжность заземления, состояние крепежа сборочных компонентов, доступ охлаждающей среды к потенциально нагревающимся элементам.

Поверхности токоведущих стержней, контактирующих с ламелями розеточных контактных групп, необходимо обработать небольшим объёмом смазки ЦИАТИМ. В целом, необходимо выполнить все процедуры, предусмотренные ПЭУ на случай приёмо-сдаточных испытаний, и убедиться в соответствии величины оперативного напряжения допустимым пределам.

Установка вакуумного выключателя. Монтажные работы проводит только квалифицированный персонал. Те же требования предъявляются к персоналу, который подбирается на обслуживание высоковольтного оборудования

Управлять вакуумным выключателем допускается персонал, имеющий разрешение на обслуживание электроустановок, функционирующих под напряжением выше 1000 вольт. Утверждённая группа допуска для обслуживающих лиц должна быть не ниже третьей. Перед началом работы с оборудованием, персонал проходит техминимум с целью изучения тонкостей конкретной модели оборудования.

Как выбрать вакуумный выключатель?

Прибор выбирают с учётом его номинальных параметров, которые рассматриваются относительно параметров действующей сети по месту установки. Выбор делается по критерию максимально нагруженных режимов работы, предполагаемых для условий эксплуатации.

Номинальное напряжение вакуумного выключателя допускается равным (либо увеличенным) по отношению к номинальному напряжению системы, запитанной через выключатель.

Параметр номинального долговременного тока выбирают выше номинального значения тока питаемой системы. Параметр номинального тока отсечки выбирается выше максимального значения расчетного тока КЗ (учитывается момент расхождения контактов).

Табличка с технической характеристикой – первое, на что обращается внимание при выборе выключателя. Опираясь на значения параметров, уже можно определить, подходит прибор под конкретную установку или нет

С точки зрения возможных условий КЗ выбор делается с учётом наиболее тяжелых режимов.

Апериодическая слагающая величина рассчитывается с оглядкой на условия КЗ с нулевым напряжением в любой из фазных линий. При этом следует учитывать параметр апериодического тока, установленный изготовителем оборудования.

Выводы и полезное видео по теме

Еще больше материала об устройстве, принципе работы и условиях монтажа вакуумного выключателя вы можете узнать из следующего видеоролика:

Вакуумные выключатели от других видов устройств отличаются относительно простой и надёжной структурой. Поэтому этот вид оборудования служит длительное время без особых нареканий. Ресурс естественного износа определяется числом операций, равным не менее 20000. При условии своевременного производства технического обслуживания этот ресурс возрастает на 5-10%. Между тем, техническое обслуживание ВВ ограничивается небольшим количеством лёгких операций.

Если при ознакомлении с информацией появились вопросы по теме статьи или есть ценная информация, которой вы можете поделиться с нашими читателями, пожалуйста, оставляйте свои комментарии, делитесь опытом, задавайте вопросы в блоке под статьей.