Visokonaponski vakuumski prekidači — Dizajn i princip rada

Među suvremenom visokonaponskom opremom dizajniranom za prebacivanje električnih krugova u električnu energiju, posebno mjesto zauzimaju vakuumski prekidači. Naširoko se koriste u mrežama od 6 do 35 kV, a rjeđe u shemama od 110 ili 220 kV uključivo.

Njihova nazivna prekidna struja može biti od 20 do 40 kA, a elektrodinamički otpor im je oko 50 ÷ 100. Ukupno vrijeme okidanja takvog prekidača ili kvara je oko 45 milisekundi.

Svaka faza kruga pouzdano je odvojena izolatorima, a istovremeno je sva oprema strukturno sastavljena na jednom zajedničkom pogonu. Sabirnice trafostanice spojene su na ulazne stezaljke prekidača, a izlazni priključak na izlazne stezaljke.

Kontakti za napajanje rade unutar vakuumskog prekidača koji su pritisnuti zajedno kako bi osigurali minimalni kontaktni otpor i pouzdani prolaz struje opterećenja i struje u nuždi.

Gornji dio kontaktnog sustava je trajno fiksiran, a donji dio pod djelovanjem pogonske sile može se kretati strogo u aksijalnom smjeru.

Slika pokazuje da se kontaktne ploče nalaze u vakuumskoj komori i da ih pokreću šipke koje kontroliraju sile napetosti opruga i zavojnica elektromagneta. Cijela ova struktura nalazi se unutar sustava izolatora, isključujući pojavu struja curenja.

Zidovi vakuumske komore izrađeni su od pročišćenih metala, legura i posebnih keramičkih sastava koji osiguravaju hermetičnost radnog okruženja nekoliko desetljeća. Kako bi se isključio ulazak zraka tijekom kretanja pomičnog kontakta, ugrađen je uređaj s rukavcem.

Armatura istosmjernog elektromagneta može se pomaknuti kako bi zatvorila kontakte za napajanje ili ih slomila zbog promjene polariteta napona koji se primjenjuje na zavojnicu. Trajni kružni magnet ugrađen u strukturu pogona drži pokretni dio u bilo kojem aktiviranom položaju.

Sustav opruga osigurava stvaranje optimalnih brzina kretanja armature tijekom komutacija, isključivanje kontaktnog odbijanja i mogućnosti urušavanja zidne konstrukcije.

Kinematički i električni krugovi sa sinkronizacijskom osovinom i dodatnim pomoćnim kontaktima sastavljeni su unutar tijela sklopke, što omogućuje praćenje i kontrolu položaja sklopke u bilo kojem stanju.

Ugovoreni sastanak

U pogledu svojih funkcionalnih zadataka, vakuumski prekidač se ne razlikuje od ostalih analoga visokonaponske opreme. Pruža:

1.Pouzdan prolaz nazivne električne snage tijekom kontinuiranog rada;

2. mogućnost zajamčenog prebacivanja opreme od strane električnog osoblja u ručnom ili automatskom načinu rada tijekom operativnog prebacivanja radi promjene konfiguracije radnog kruga;

3. automatsko uklanjanje nastalih nezgoda u najkraćem mogućem vremenu.

Glavna razlika između vakuumskog prekidača je metoda gašenja električnog luka koji se javlja kada su kontakti isključeni tijekom isključivanja. Ako njegovi analozi stvaraju okruženje za komprimirani zrak, ulje ili SF6 plin, tada ovdje radi vakuum.

Princip gašenja luka u strujnom krugu

Obje kontaktne ploče rade u vakuumskom okruženju koje nastaje pumpanjem plinova iz posude s lučnim otvorom do 10-6÷10-8 N/cm2. Ovo stvara visoku dielektričnu čvrstoću koju karakteriziraju poboljšana dielektrična svojstva.

S početkom kretanja od pogona kontakata, između njih se pojavljuje razmak, koji odmah sadrži vakuum. Unutar njega počinje proces isparavanja zagrijanog metala s kontaktnih jastučića. Struja opterećenja nastavlja teći kroz te parove. Pokreće stvaranje dodatnih električnih pražnjenja, stvarajući luk u vakuumskom okruženju, koji se nastavlja razvijati zbog isparavanja i oslobađanja metalnih para.

Pod djelovanjem primijenjene razlike potencijala formirani ioni se kreću u određenom smjeru stvarajući plazmu.

U svom okruženju nastavlja se protok električne struje, dolazi do daljnje ionizacije.

Budući da sklopka radi na izmjeničnu struju, njezin smjer tijekom svakog poluciklusa je obrnut.Kad sinusni val prijeđe nulu, nema struje. Zbog toga se luk naglo gasi i prekida, a odbačeni metalni ioni prestaju se izdvajati i za 7-10 mikrosekundi potpuno se talože na najbližim kontaktnim površinama ili drugim dijelovima komore za gašenje luka.

U ovom trenutku, dielektrična čvrstoća razmaka između energetskih kontakata, ispunjenih vakuumom, vraća se gotovo odmah, što osigurava konačno isključivanje struje opterećenja. U sljedećem poluciklusu sinusnog vala, električni luk se više ne može pojaviti.

Dakle, za prekid djelovanja električnog luka u vakuumskom okruženju, kada se kontakti snage otvore, dovoljno je da izmjenična struja promijeni svoj smjer.

Tehnološke karakteristike različitih modela

Vakuumski prekidači su dizajnirani za kontinuirani rad na otvorenom ili u zatvorenim objektima. Vanjske montažne jedinice izrađene su s čvrstim stupovima izrađenim sa silikonskom izolacijom, a za unutarnje radove koriste se lijevane epoksidne mase.

Vakuumske komore se proizvode mobilne u tvornici, optimalno postavljene za ugradnju u lijevano kućište. Unutar njih već su postavljeni kontakti snage izrađeni od posebnih vrsta legiranih legura. Oni, zahvaljujući primijenjenom principu rada i dizajna, osiguravaju meko gašenje električnog luka, isključuju mogućnost prenapona u krugu.

Univerzalni elektromagnetski aktuator koristi se u svim izvedbama vakuumskih prekidača. Održava kontakte napajanja u zatvorenom ili isključenom stanju zahvaljujući energiji snažnih magneta.

Prebacivanje i fiksiranje kontaktnog sustava vrši se položajem «magnetskog zasuna», koji prebacuje lanac magneta za ponovno spajanje ili odvajanje pokretne armature. Ugrađeni opružni elementi omogućuju ručno uključivanje od strane elektrotehničara.

Za upravljanje radom vakuumskog prekidača, tipični relejni krugovi ili elektronički, mikroprocesorske jedinice, koji se mogu nalaziti izravno u kućištu pogona ili izraditi od udaljenih uređaja u zasebnim ormarićima, blokovima ili pločama.

Prednosti i nedostaci vakuumskih prekidača

Pogodnosti uključuju:

• relativna jednostavnost dizajna;

• smanjena potrošnja električne energije za proizvodnju sklopki;

• pogodnost popravka, koja se sastoji u mogućnosti zamjene bloka slomljenog lučnog otvora;

• sposobnost prekidača da radi u bilo kojoj orijentaciji u prostoru;

• visoka pouzdanost;

• povećana otpornost na sklopna opterećenja;

• ograničene veličine;

• otpornost na požar i eksploziju;

• tihi rad pri prebacivanju;

• visoka ekološka prihvatljivost, osim atmosferskog onečišćenja.

Nedostaci dizajna su:

• relativno niske dopuštene struje nominalnog i hitnog načina rada;

• pojava sklopnih prenapona tijekom prekida niskih induktivnih struja;

• smanjeni resurs lučnog uređaja u smislu eliminacije struja kratkog spoja.