Цель работы: изучение конструкций вакуумных выключателей.
Высоковольтный выключатель — это коммутационный аппарат, предназначенный для включения и отключения электрических цепей в нормальных и аварийных режимах работы электроустановки, с параметрами, не превосходящими нормированных значений для данного выключателя.
Вакуумные выключатели состоят из вакуумных дугогасительных камер (ВДК), приводов с приводными механизмами и схем управления.
Вакуумные дугогасительные камеры являются важнейшей частью выключателей, определяющей их технические характеристики.
Принцип действия вакуумных дугогасительных камер основан на гашении электрической дуги в вакууме при давлении остаточных газов 10-4 —10-8 Па. В вакуумных дугогасительных устройствах (ДУ) реализуются два очень важных свойства вакуумных промежутков: высокая электрическая прочность (выше, чем у трансформаторного масла) и высокая дугогасительная способность.
В глубоком вакууме дугогасительной камеры выключателя длина свободного пробега молекул и электронов составляет десятки и сотни метров, т. е. во много раз больше, чем расстояния между контактами выключателя. Ударная ионизация в вакуумном промежутке практически отсутствует, поэтому вакуумный промежуток не может служить источником заряженных частиц. Заряженные частицы могут появиться при определенных условиях с поверхностей контактов и других частей вакуумной камеры.
Процесс отключения происходит следующим образом. При размыкании контактов (рис. 16) количество контактных точек между ними уменьшается, а плотность тока, протекающего через контактные точки, растет. В результате этого на завершающей стадии размыкания происходит расплавление и испарение материала контактов. В парах металла возникает электрический разряд, переходящий в дуговую стадию. Вследствие низкого давления в камере происходит интенсивная диффузия (деионизация) дугового столба и дуга гаснет. Частицы испарившегося материала контактов оседают на поверхностях вакуумной камеры. При этом быстро, со скоростью 5-50 кВ/мкс, восстанавливается электрическая прочность между контактами. Скорость восстановления электрической прочности в вакуумных выключателях выше, чем у других типов выключателей. В процессе изготовления камеры, чтобы удалить газ с внутренних поверхностей вакуумной камеры, последняя подвергается длительной дегазации в вакууме при температуре несколько сотен градусов Цельсия и безмасляной вакуумной откачке. В течение всего срока службы выключателя должен быть обеспечен высокий уровень вакуума. Практически дугогасительная камера должна быть абсолютно герметичной, поэтому для соединений элементов камеры применяются только сварка или пайка твердым припоем. Герметичность камеры при перемещении подвижного контакта обеспечивается сильфоном, который вакуумно-плотно связан с токовводом 5 подвижного контакта и фланцем 6 камеры.
Применяются также тренирующие отключения тока. Поэтому поверхности камеры не выделяют газа в объем и, более того, отсасывают небольшие количества газа, образующиеся при горении дуги во время работы выключателя.
Материал контактов оказывает большое влияние на характеристики выключателя. В настоящее время применяют сплавы меди и хрома или меди с небольшими количествами висмута, железа и бора. Эти сплавы отличаются более высокой электро- и теплопроводностью по сравнению с ранее применявшимися тугоплавкими материалами, например вольфрамом.
Для увеличения отключаемого тока используются различные конструкции контакгов, такие, как спиральные лепестковые, «загнутый лепесток» и др. Конструкции контактов приведены на рис. 2 и 3.
Спиральные лепестковые контакты имеют обычно только три или четыре прорези вследствие высокой эффективности обеспечения движения дуги в нужной плоскости; их недостатки обусловлены высокой стоимостью изготовления и плохой локализацией дуги. Доказана возможность сочетания наилучших свойств различных геометрий, дающих новый тип контакта -«загнутый лепесток». Он имеет прорези, сделанные в стенках, которые по касательной продолжаются на основании контакта, при этом достигается продвижение дуги от основания (как в спиральном лепестковом контакте) и от стенок. Кроме того, в нем сбалансированы электромагнитные поля, чтобы добиться хорошего размещения дуги на кольце контакта.
Конструкция этого контакта обеспечивает адекватное перемещение дуги при наличии только трех или четырех прорезей и оказывается значительно более эффективной при отключении токов, чем все предшествующие. При использовании контакта с диаметром 35 мм имеется возможность отключать ток 20 кА. Такой контакт дешевле в изготовлении и позволил разработать ДУ, имеющие существенно меньшие габариты и стоимость.
Рисунок 2 – Форма контакта «загнутый лепесток»: 1 - вращение сжатой дуги; 2 - путь тока
Рисунок 3 – Распределение тока по контактам: а - диффузная дуга, ток менее 10 кА
Рисунок 4 – Фотография диффузной дуги
На рис. 5 представлена камера типа КДВ-10-1600-20 (камера дугога-сительная, вакуумная, с номинальным напряжением 10 кВ, номинальным током отключения 20 кА и номинальным током 1600 А).
Рабочие контакты 1 имеют вид полых усеченных конусов с радиальными прорезями. Такая форма при размыкании создает радиальное электродинамическое усилие, действующее на возникающую дугу и заставляющее перемещаться ее через зазоры 3 на дугогасительные контакты 2. Контакты представляют собой диски, разрезанные спиральными прорезями на три сектора, по которым движется дуга. Подвод тока к контактам осуществляется с помощью медных стержней 4 и 5. Подвижный контакт крепится к верхнему фланцу 6 с помощью сильфона 7 из нержавеющей стали. Металлические экраны 8 и 9 служат для выравнивания электрического поля и для защиты керамического корпуса 10 от напыления паров металла, образующихся при гашении дуги. Экран 8 крепится к корпусу с помощью кольца 11. Поступательное движение верхнему контакту обеспечивается корпусом 12, имеющим направляющую. Ход подвижного контакта 12 мм [3,4, 5].
Дугогасительные камеры других типов принципиально не отличаются от рассмотренной выше. В зависимости от номинальных параметров могут меняться величина хода подвижного контакта, размеры контактов и токовво-дов, форма и количество экранов, размеры корпуса камеры.
Включение выключателя происходит при подаче питания на катушку электромагнита включения или при повороте ручки ручного включения (после взвода пружины ручного включения до посадки на защелку).
Оперативное включение выключателя происходит при подаче питания на катушку электромагнита включения, при этом сердечник 1 (рис. 6), шток которого упирается в ролик 8, поворачивает рычаги 20 и 21 вокруг оси ролика 14, который упирается в отключающую защелку 18. Рычаг 13, соединенный с валом выключателя, поворачивает его, через изоляционные тяги и узел поджатия происходит замыкание главных контактов ВДК. При включении удерживающая защелка 11 под действием скользящих по ее контуру роликов 10 отводится вправо и в конце включения под действием пружины 9 заскакивает за эти ролики. При снятии питания с катушки включения 4 и возврате сердечника под действием пружины 3 выключатель остается во включенном положении. При повороте вала выключателя 14 (рис. 21) происходит деформация (растяжение) пружины 18 (рис. 21) механизма усиления, подготавливается операция отключения. В соединении рычагов 20 и 21 для снижения усилий на отключающую защелку устанавливается ролик 14 (рис. 3).
Ручное включение выключателя происходит при повороте оси 11 (рис. 21) против часовой стрелки при помощи ручки 20 (рис. 6), устало и ленной на оси, после предварительного взвода пружины включения 8. Взнод пружины включения происходит при повороте вала 2 с помощью втулки и оси (в комплекте ЗИП) против часовой стрелки при переходе кривошипа мс рез мертвую точку происходит установка на защелку включения 10. При повороте оси 11 против часовой стрелки, жестко связанной с защелкой включения, приводит к освобождению кривошипа 9, и под воздействием пружины включения 8 происходит вращение вала 2, при этом кулачок 3 через ролики 6 и 7 воздействует на сердечник 1 электромагнита включения.
Отключение выключателя происходит при воздействии электромагнита отключения 6 или токовых электромагнитов 8 или электромагнита отключения независимого питания 9 или кнопки ручного отключения 10 на релейный валик 4, который, поворачиваясь против часовой стрелки, освобождает находящуюся под натяжением пружину 3 и рычаг 2, который ударяет по рычагу 12 отключающей защелки 18.
Защелка, в свою очередь, освобождает ролик 14 и дает возможность повороту рычагам 20 и 21, а ролику 10 сойти с удерживающей защелки 11, после чего поворачивается вал выключателя (под действием пружин поджатая и отключения), и происходит отключение. Конечное положение вала выключателя в отключенном состоянии определяется демпфером 16.
Рисунок 7 – Полюс вакуумного выключателя ВБСК-10
Полюс выключателя (рис. 22) состоит из изоляционного каркаса 12, в который через шину 11 или контакт 15 устанавливается КДВ 10. На подвижный контакт 9 ВДК устанавливается гибкий токовывод 8 или 16 и механизм поджатия контактов, состоящий из пружины поджатая 4, колонки 2, стержня 14, направляющих втулок 3, 6, штифта 5, запорного кольца 7. В колонку 2 вкручивается изоляционная тяга 1, которая соединяет полюс с валом выключателя. Подвижный токовывод с помощью изоляционной планки 13 закреплен на полке изоляционного каркаса .
.