Вакуумные выключатели - история, технологии
Статья охватывает следующие темы:
1. Краткий экскурс в историю.
2. В чем заключалась проблема с технологией 1960-х годов?
3. Вакуумная дугогасительная камера и технологии распределительных устройств.
4. Трудности, возникающие при реализации отключения в вакууме на более высоких напряжениях.
5. Будущее и настоящее вакуумных выключателей.
Введение: итак, почему же все-таки, вакуум?Вакуум обладает уникальными свойствами, которые возможно использовать в процессе коммутации высоковольтных электрических цепей. Такой вывод сделали специалисты Калифорнийского технологического института в 20-х годах прошлого века.
Свойства вакуума:
- диэлектрическая прочность – 40кВ/мм (125kV/ l/8 дюйма)
- естественная отключающая способность – до 4 кА.
- расширенная отключающая способность – свыше 100кА
- в вакууме контакты выдерживают более 50000 срабатываний при номинальных значениях тока.
- отключение цепи возможно при значениях тока ниже 0,4 А
- минимум энергии, необходимой для выполнения коммутации. ( измеряется в Дж)
- вакуум безопасен для окружающей среды.
50-е годы.
История развития: как все начиналось…
Один из первых высоковольтных выключателей магистральной электросети. На фото изображен AEI на 132 кВ – вакуумный выключатель, работающий в Вест Хэме (Лондон) с 1967. Этот, как и большинство подобных ему устройств, эксплуатировался вплоть до 1990-х годов.
История развития: вакуумный выключатель VGL8 на 132кВ.
- результат совместной разработки CEGB (Центральный Совет Электростанций – основной поставщик электроэнергии в Англии) и General Electric Company.
- первые шесть устройств были введены в эксплуатацию в период 1967 - 1968 гг.
- напряжение распределяется с помощью параллельно подключенных конденсаторов и сложному подвижному механизму.
- каждая группа защищена фарфоровым изолятором и находится под давлением в элегазе.
Вакуумный выключатель конфигурации «Т» с четырьмя вакуумными дугогасительными камерами в каждой группе – соответственно, на каждую фазу подключается серия из 8 вакуумных дугогасительных камер.
История эксплуатации данного аппарата:
- бесперебойная эксплуатация в Лондоне течении 30 лет. В 1990-х годах был выведен из обслуживания за ненадобностью и демонтирован.
- вакуумные выключатели этого типа использовались до 1980-х годов на электростанции Tir John (Уэльс), после чего, в результате реконструкции сети, были демонтированы в графство Девон.
История развития: проблемы 60-х.
В тоже время, наряду с разработкой высоковольтных вакуумных выключателей, компании-производители меняли свои масляные и воздушные выключатели на элегазовые. Элегазовые коммутаторы были проще и дешевле в эксплуатации по следующим причинам:
- использование в высоковольтных вакуумных выключателях 8 вакуумных выключателей на фазу, требует наличия сложного механизма для обеспечения одновременной работы 24 контактов в группе.
- использование существующих масляных выключателей было экономически не целесообразно.
Вакуумный выключатель.
В вакуумных выключателях сначала использовались вакуумные дугогасительные камеры серии V3, а позже – серии V4.
Вакуумные дугогасительные камеры серии V3 изначально разрабатывались для использования в трехфазных распределительных сетях, напряжением 12 кВ. Тем не менее, успешно использовались в электрических цепях тяги электровозов и подключений в «полосе отчуждения» – в однофазных сетях, напряжением в 25 кВ.
Устройство вакуумного выключателя:
Вакуумный выключатель состоит из основной камеры, размером 7/8" (22.2mm), и дополнительного отсека, размером 3/8" (9,5 мм), для работы контактных пружин.Рекомендуемы рабочие характеристики:
- средняя скорость закрытия камеры – 1-2 м/сек.
- средняя скорость открытия камеры – 2-3 м/сек.
Так какие же вопросы решались производителями вакуумных высоковольтных выключателей в 60-х годах?
Во-первых, напряжение коммутации первых вакуумные выключателей ограничено 17,5 или 24 кВ.
Во-вторых, технологии того времени требовали наличия большого количества вакуумных дугогасительных камер в серии. Это, в свою очередь, повлекло за собой использования сложных механизмов.
Еще одна проблема состояла в том, что производство вакуумных дугогасителей того времени рассчитано на большие объемы продаж. Разработка узкоспециализированных устройств была экономически не целесообразна.
Технология вакуумных выключателей.
Главная горизонтальная линия покрытия в «чистой комнате». VIL, Финчли, 1978 год.
Изготовление вакуумных дугогасительных камер происходит в специальных установках, используя современные технологии – «чистая комната», вакуумные печи и т.п.
Цех по производству вакуумных выключателей в Южной Африке, 1990 г.
Изготовление вакуумной камеры является высокотехнологическим производственным процессом. После сборки, камеры выключателя помещают в вакуумную печь, где их герметично запаивают.
Четыре основных момента в производстве вакуумной дугогасительной камеры:
- полный вакуум
- детальный расчет электрических параметров.
- система управления дугой
- материал контактных групп
Четыре ключевых момента при производстве вакуумных выключателей:
1. идеальное общее качество сборки устройства.
2. точный расчет электромагнитных параметров устройства. При ошибках в проектировании устройства, возможныэлектромагнитные помехи между разъединителями.
3. механизм. Необходимо обеспечить короткий ход механизма и низкий уровень энергозатрат. Например, при коммутации на 38кВ, требуемый ход механизма составляет 1/2" и, при этом, расход энергии не превышает 150 Дж.
4. идеально герметичные сварочные швы.
Устройство классической вакуумной дугогасительной камеры.
дугогасительная камера V8 на 15 кВ (4 1/2" диам.). Начало 70-х годов.
На фото изображены основные узлы конструкции вакуумной дугогасительной камеры.
Управление электрической дугой: радиальное магнитное поле.
Кадр высокоскоростной съемки (5000 кадров в секунду).
контактная площадка прерывателя. диаметр 2”.
Радиальное магнитное поле
31,5kArms 12kVrms.
Данный процесс происходит благодаря самоиндукции радиального магнитного поля (вектор поля направлен вдоль радиального направления), которое создает движение дуги над электрическим контактом, снижая при этом, локальное нагревание контактной площадки. Материал контактов должен быть таким, что бы электрическая дуга свободно перемещалась по поверхности. Все это позволяет реализовать коммутацию токов до 63 кА.
Управление дугой: аксиальное магнитное поле.
Кадр высокоскоростной съемки (9000 кадров в секунду).
Изображение аксиального магнитного поля
40kArms 12kVrms
Процесс с использованием самоиндукции магнитного поля вдоль оси электрической дуги не позволяет дуге сжиматься и предохраняет от перегрева контактную площадку, отводя избыток энергии. В данном случае, материал контактной площадки не должен способствовать передвижению дуги вдоль поверхности контакта. Существует возможность в промышленных условиях выполнять коммутацию токов свыше 100кА.
Электрическая дуга в вакууме – материал контактных групп.
Кадр высокоскоростной съемки (5000 кадров в секунду).
Изображение контактной площадки диаметром в 35мм.
Радиальное магнитное поле.
20kArms 12kVrms
При размыкании контактов в вакууме, с поверхностей контактов испаряется металл, который и образует электрическую дугу. При этом свойства дуги меняются в зависимости от материала, из которого изготовлены контакты.
Рекомендуемые параметры контактных пластин:
| напряжение | изделие | Требования |
| 1,2-15 кВ | контактор | Минимальный порог срабатывания < 0,5 A Механическая износостойкость – 3000000 раз Бесшовный корпус |
| 15-40 кВ | коммутатор | высокая диэлектрическая прочность – (до 200кВ на 12 мм) высокая отключающая способность – (до 100кА) Бесшовный корпус |
| 132 кВ и выше | коммутатор | очень высокая диэлектрическая прочность – (до 800кВ на 50 мм) высокая отключающая способность – (до 63кА) Бесшовный корпус |
Материалы
Микрофотография.
Изначально, для изготовления контактных пластин использовался сплав из меди и хрома. Этот материал был разработан и запатентован компанией English Electric в 1960-х годах. На сегодня, это самый используемый металл при производстве вакуумных дугогасительных камер.
Принцип работы механизма.
Механизм вакуумных выключателей устроен таким образом, что количество затраченной на коммутацию энергии не играет никакой роли – происходит простое перемещение контактов. Типичному АПВ, для управления достаточно затратить энергию в 150-200 Джоулей, в отличие от элегазового магистрального коммутатора, которому необходимо 18000-24000 Джоулей для осуществления одного переключения. Этот факт позволил использовать в работе постоянные магниты.
Магнитный привод.
Принцип действия магнитного привода
Стадия покоя Стадия движения модель движения.
Какова ситуация на сегодняшний день?Полученные за последние сорок лет научные достижения, позволили объединить, при производстве вакуумного разъединителя, камеры для 38кВ и 72/84 кВ в одну. Максимально возможно напряжение на одном разъединителе сегодня достигает 145 кВ – таким образом, высокий уровень коммутируемого напряжения и низкое энергопотребление позволяют использовать надежные и недорогие устройства.
Прерыватель на фото слева рассчитан на работу под напряжением 95кВ, а на фото справа – на работу под напряжением 250 кВ. Длина обоих устройств одинакова. Такой прогресс стал возможным благодаря усовершенствованию материалов, из которых изготовлены электрические поверхности контактов.
Проблемы, которые появляются при использовании вакуумных выключателей на сетях с более высоким напряжением:
Для работы требуются физически большие размеры вакуумной камеры, что влечет за собой сокращение производительности и ухудшение качества обработки самих камер.
Увеличение физических размеров устройства повышает требования к обеспечению герметизации самого устройства и к контролю производственного процесса.
Длинный (длиннее 24 мм) промежуток между контактами влияет на возможность управления дугой радиальным и аксиальным магнитным полем, и снижает работоспособность устройства.
Используемые на сегодняшний день материалы для изготовления контактов, рассчитаны на средние значения напряжения. Для работы на столь больших промежутках между контактами, необходима разработка новых материалов.
Необходимо учитывать наличие рентгеновских лучей.
В связи с последним пунктом, нужно отметить еще несколько фактов:
При выключенном контакторе излучение рентгеновских лучей отсутствует.
При средних значениях напряжения (до 38кВ) рентгеновское излучение равно нулю или ничтожно мало. Как правило, в коммутаторах напряжения до 38кВ рентгеновское излучение появляется только при испытательных напряжениях.
Как только напряжение в системе поднимается до 145 кВ, мощность излучение рентгеновских лучей возрастает и тут уже необходимо решать проблемы безопасности.
Вопрос, который сейчас стоит перед разработчиками вакуумных прерывателей, насколько велико будет облучение окружающего пространства, и как это повлияет на полимеры и электронику, которые монтируются непосредственно на сам выключатель.
Сегодняшний день.
Вакуумный выключатель высокого напряжения, рассчитан на работу 145 кВ.
Современная вакуумная дугогасительная камера.
Производство вакуумной дугогасительной камеры, рассчитанной на работу в сетях 145 кВ, значительно упрощает производство вакуумного выключателя на 300 кВ. с двумя местами разрыва на фазу. Однако, такие высокие значения напряжения, вносят свои требования к материалу контактов и методам управления электрической дугой.
Выводы:
Технологически возможно промышленное производство и эксплуатация вакуумных выключателей на сетях напряжением до 145 кВ.
Используя только лишь известные сегодня технологии, возможна работа вакуумных прерывателей на сетях до 300-400 кВ.
На сегодняшний день, существуют серьезные технические проблемы, не позволяющие в ближайшем будущем использовать вакуумные прерыватели на сетях свыше 400 кВ. Однако, работа в этом направлении ведется, цель таких работ – производство вакуумных дугогасительных камер для работы на сетях до 750 кВольт.
На сегодняшний день не существует больших проблем при использовании вакуумных дугогасительных камер на магистральных линиях. Вакуумные выключатели, на протяжении 30 лет, успешно используются при передаче тока на сетях напряжением до 132 кВ.