Вакуумный прерыватель - Vacuum interrupter

Вакуумный выключатель с керамическим корпусом.

В электротехника, а вакуумный прерыватель это выключатель который использует электрические контакты в вакууме. Он является основным компонентом 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 коммунальном хозяйстве. передача энергии системы, выработка энергии единица и системы распределения электроэнергии за железнодорожные пути, дуговая печь приложения ипромышленные предприятия.

Поскольку дуга находится внутри прерывателя, распределительное устройство использование вакуумных прерывателей очень компактно по сравнению с распределительными устройствами, использующими воздух, SF6 или масло в качестве средства для подавления дуги. Вакуумные прерыватели могут использоваться для автоматических выключателей и переключателей нагрузки. Вакуумные выключатели автоматических выключателей используются в основном в энергетический сектор в подстанция и энергетического оборудования, а вакуумные выключатели с переключением нагрузки используются для Энергосистема конечные пользователи.

История

Использование вакуума для переключения электрических токов было мотивировано наблюдением, что зазор в один сантиметр в рентгеновской трубке может выдержать десятки тысяч вольт. Хотя некоторые устройства переключения вакуума были запатентованы в 19 веке, они не были коммерчески доступны. В 1926 году группа во главе с Роял Соренсен на Калифорнийский технологический институт исследовал вакуумное переключение и испытал несколько устройств; исследованы фундаментальные аспекты прерывания дуги в вакууме. Соренсон представил результаты на AIEE встречи в том году, и предсказал коммерческое использование коммутаторов. В 1927 г. General Electric купил патент прав и началась коммерческая разработка. В Великая депрессия а разработка маслонаполненных распределительных устройств заставила компанию сократить объемы разработок, и до 1950-х годов над вакуумными распределительными устройствами проводилось мало коммерчески важных работ.[1]

В 1956 году Х. Кросс произвел революцию в области вакуумного выключателя для высокочастотной цепи и выпустил вакуумный выключатель на 15 кВ при 200 А. Пять лет спустя Томас Х. Ли в General Electric выпустили первые вакуумные выключатели[2][3] номинальным напряжением 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.[4]

Классификация

см. подпись
Трехфазный вакуум среднего напряжения автоматический выключатель с тремя корпусами вакуумного прерывателя

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.

Применения и применения включают автоматические выключатели, выключатели генератора, переключатели нагрузки, контакторы двигателей и реклоузеры. Также производятся специальные вакуумные прерыватели, например, используемые в трансформатор переключатели ответвлений, или в электродуговая печь.

Автоматический выключатель генератора

Исследования и исследования в начале 1990-х годов позволяют использовать вакуумную коммутационную технологию для генераторов. Применения переключения генераторов хорошо известны из-за более высоких нагрузок на отключающие устройства, таких как высокий ток короткого замыкания с высокой асимметрией или высокое и крутое переходное напряжение восстановления; 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 можно квалифицировать как генераторные выключатели в соответствии с IEC / IEEE 62271-37-013. По сравнению с автоматическими выключателями, использующими другие гасящие средства (например, SF6, воздушные струи или минимальное количество масла), вакуумные выключатели обладают следующими преимуществами:

  • Высокая сила восстановления, устраняющая необходимость в конденсаторах для уменьшения крутизны переходное восстанавливающееся напряжение (как требуется в большинстве SF6 GCB );
  • Высокая механическая и электрическая стойкость при значительно большем количестве и частоте возможных переключений без обслуживания; и
  • Экологичность за счет отсутствия Фторсодержащий газ.

Вакуумные GCB подходят для частого переключения и для прерывания низкочастотных токов, как указано в гидроаккумулирующая электростанция.[5]

Структура

Вакуумный прерыватель обычно имеет один фиксированный и один подвижный контакт, гибкий сильфон, позволяющий перемещать этот контакт, и дугозащитные экраны, заключенные в герметично запечатан стеклянный, керамический или металлический корпус с высоким вакуум. 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 керамика. 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 испарение любого контактного материала во время дуга от конденсации внутри вакуумного конверта. 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 поглощать часть энергии, производимой в дуге, увеличивая тем самым прерывающий рейтинг.

Контакты

30-летний вакуумный прерыватель Siemens

Контакты пропускают ток цепи при замыкании, образуя выводы дуги при размыкании. Они изготавливаются из различных материалов, в зависимости от использования и конструкции вакуумного прерывателя, для обеспечения 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 пазы, выступы или канавки, чтобы улучшить их способность 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 камер 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:

  1. Высокая отключающая способность: отличная электропроводность, малая теплопроводность, больше теплоемкость и слабый горячий электронная эмиссия возможность;
  2. Высоко напряжение пробоя и сопротивление электрическая эрозия;
  3. Устойчивость к сварке;
  4. Низкое значение тока отсечки; и
  5. Низкое содержание газов (особенно меди).

В автоматических выключателях контактные материалы вакуумных прерывателей в основном состоят из меди 50-50.хром сплав. Они могут быть изготовлены путем приваривания листа из медно-хромового сплава к верхней и нижней контактным поверхностям поверх контактного гнезда из бескислородная медь. 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 прочность и уровень отключения 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. Его усталость на жизнь 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

Вакуумный прерыватель использует высокий вакуум для гашения дуги между парой контактов. 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 произойдет испарение электродного металла. В то же время электрическое поле очень высока при небольшом зазоре между контактами. При пробое зазора возникает вакуумная дуга. Поскольку переменный ток принудительно проходит через ноль из-за сопротивления дуги, и зазор между неподвижным и подвижным контактами увеличивается, проводящий плазма дуга 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, чтобы поддерживать низкое напряжение дуги и уменьшить эрозию контактов.

Производственный процесс

Компоненты вакуумного прерывателя должны быть тщательно очищены перед сборкой, поскольку загрязняющие вещества могут выделять газ в вакуумную оболочку. Для обеспечения высокого напряжения пробоя компоненты собраны в чистая комната где пыль строго контролируется.

После того, как поверхности были обработаны и очищены гальваническим покрытием и проведен оптический контроль консистенции поверхности всех отдельных деталей, прерыватель собирается. На стыки компонентов наносится припой в условиях высокого вакуума, детали выравниваются, а 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.

Первоначально были собраны узлы вакуумных прерывателей и припаянный вместе в печи с водородной атмосферой. Трубка, подключенная к внутренней части прерывателя, использовалась для откачки газа 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 печь для пайки в высоком вакууме комбинированным процессом пайки и вакуумирования. Десятки (или сотни) бутылок обрабатываются за одну партию с использованием высоковакуумной печи, которая нагревает их до температуры до 900 ° C и давления до 10 ° C.−6 мбар.[6] Таким образом, прерыватели соответствуют требованиям качества "запечатанный на всю жизнь ". Благодаря полностью автоматическому производственному процессу, высокое качество можно постоянно воспроизводить в любое время.

Затем оценка прерывателей с помощью рентгеновский снимок Процедура используется для проверки расположения, а также комплектности внутренних компонентов и качества точек пайки. Это обеспечивает высокое качество вакуумных камер.

Во время формовки окончательный внутренний 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.[7] Это позволяет избежать необходимости использования систем мониторинга или испытаний на герметичность, как указано в стандарте IEEE C37.100.1 в параграфе 6.8.3.[8]

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 время срабатывания прерывателя неблагоприятно по отношению к форме волны переменного напряжения (когда дуга гаснет, но контакты все еще движутся и ионизация еще не рассеялся в прерывателе), напряжение может превышать выдерживаемое напряжение промежутка. Это может повторно воспламенить дугу, вызывая резкие переходные токи. В любом случае, колебание вводится в систему, что может привести к значительным перенапряжение. Производители вакуумных прерывателей решают эти проблемы, выбирая материалы и конструкцию контактов, чтобы минимизировать прерывание тока. Для защиты оборудования от перенапряжения в вакуумные распределительные устройства обычно входят: ограничители перенапряжения.[9]

В настоящее время при отключении очень слабого тока вакуумные выключатели не вызывают перенапряжения, которое могло бы снизить изоляцию от окружающего оборудования.

Рекомендации

  1. ^ Аллан Гринвуд, Вакуумное распределительное устройство, ИЭПП, 1994 г. ISBN  0852968558, глава 1.
  2. ^ «Труды Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике». 10. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. 1982: 105. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  3. ^ "Документы с летних встреч". И. Э. Э. Энергетическое общество. 1976: 36. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  4. ^ https://www.meidensha.com/mas/products/prod_02/index.html
  5. ^ Портал, EEP-Электротехника (01.07.2019). «Защита гидроаккумулирующих электростанций с помощью вакуумного генераторного выключателя (VGCB) | EEP». EEP - Портал электротехники. Получено 2019-07-01.
  6. ^ Джозеф А. Эйхмайер, Манфред Тумм (редакторы), Вакуумная электроника: компоненты и устройства, Springer Science & Business Media, 2008 г. ISBN  3540719296, стр. 408
  7. ^ Р Ренц; D Gentsch; H Fink; P Slade; М. Шлауг (2007). «Вакуумный прерыватель - запечатан на всю жизнь» (PDF). ОБРУЧЕНО.
  8. ^ C37.100.1-2007 - Стандарт общих требований IEEE для высоковольтных распределительных устройств с номинальным напряжением выше 1000 В. IEEE. 12 октября 2007 г. Дои:10.1109 / IEEESTD.2007.4350337. ISBN  978-0-7381-5606-4.
  9. ^ Роберт В. Смитон, Уильям Х. Уберт, Справочник по распределительным устройствам и управлению, 3-е издание, McGraw Hill, 1998, страницы 14-29 и 14-30.