Vysokonapěťové vakuové jističe — Konstrukce a princip činnosti

Mezi moderními vysokonapěťovými zařízeními určenými pro spínání elektrických obvodů v elektřině je zvláštní místo přiděleno vakuovým vypínačům. Jsou široce používány v sítích od 6 do 35 kV a méně často ve schématech od 110 nebo 220 kV včetně.

Jejich jmenovitý vypínací proud může být od 20 do 40 kA a jejich elektrodynamický odpor je asi 50 ÷ 100. Celková doba vypnutí takového jističe nebo poruchy je asi 45 milisekund.

Každá fáze obvodu je spolehlivě oddělena izolátory a zároveň je všechna zařízení konstrukčně sestavena na jeden společný pohon. Přípojnice rozvodny jsou připojeny ke vstupním svorkám spínače a výstupní připojení k výstupním svorkám.

Uvnitř vakuového vypínače fungují silové kontakty, které jsou stlačeny k sobě, aby zajistily minimální přechodový odpor a spolehlivý průchod zátěže i nouzových proudů.

Horní část kontaktního systému je trvale pevná a spodní část se pod působením hnací síly může pohybovat přísně v axiálním směru.

Na obrázku je vidět, že kontaktní desky jsou umístěny ve vakuové komoře a jsou poháněny tyčemi ovládanými tažnými silami pružin a cívek elektromagnetů. Celá tato konstrukce je umístěna uvnitř systému izolátorů, s vyloučením výskytu svodových proudů.

Stěny vakuové komory jsou vyrobeny z čištěných kovů, slitin a speciálních keramických kompozic, které zajišťují hermetičnost pracovního prostředí na několik desetiletí. Aby se vyloučilo vnikání vzduchu během pohybů pohyblivého kontaktu, je instalováno objímkové zařízení.

Kotva stejnosměrného elektromagnetu se může pohybovat, aby uzavřela napájecí kontakty nebo je přerušila v důsledku změny polarity napětí aplikovaného na cívku. Permanentní kruhový magnet zabudovaný do konstrukce pohonu drží pohyblivou část v jakékoli aktivované poloze.

Systém pružin zajišťuje vytvoření optimálních rychlostí pohybu kotvy při komutacích, vyloučení kontaktního odskoku a možnosti kolapsů ve stěnové konstrukci.

Kinematické a elektrické obvody se synchronizační hřídelí a přídavnými pomocnými kontakty jsou namontovány uvnitř těla spínače, což umožňuje sledovat a ovládat polohu spínače v jakémkoli stavu.

Jmenování

Z hlediska funkčních úkolů se vakuový vypínač neliší od jiných analogů vysokonapěťových zařízení. Poskytuje:

1.Spolehlivý průchod jmenovitého elektrického výkonu při nepřetržitém provozu;

2. možnost garantovaného přepínání zařízení elektrotechnikem v ručním nebo automatickém režimu při provozním přepínání pro změnu konfigurace pracovního okruhu;

3. automatické odstraňování vznikajících havárií v co nejkratším čase.

Hlavním rozdílem mezi vakuovým vypínačem je způsob zhášení elektrického oblouku, ke kterému dochází při rozpojení kontaktů během vypínání. Pokud jeho analogy vytvářejí prostředí pro stlačený vzduch, olej nebo plyn SF6, pak zde funguje vakuum.

Princip zhášení oblouku v silovém obvodu

Obě kontaktní desky pracují ve vakuovém prostředí tvořeném čerpáním plynů z nádoby zhášecí komory na 10-6÷10-8 N / cm2. To vytváří vysokou dielektrickou pevnost charakterizovanou zlepšenými dielektrickými vlastnostmi.

Se začátkem pohybu z pohonu kontaktů se mezi nimi objeví mezera, která okamžitě obsahuje vakuum. Uvnitř začíná proces odpařování zahřátého kovu z kontaktních podložek. Těmito páry dále protéká zátěžový proud. Iniciuje vznik dalších elektrických výbojů, vytvářejících ve vakuovém prostředí oblouk, který se dále vyvíjí v důsledku odpařování a uvolňování kovových par.

Působením aplikovaného rozdílu potenciálu se vytvořené ionty pohybují v určitém směru a vytvářejí plazma.

V jeho prostředí pokračuje tok elektrického proudu, dochází k další ionizaci.

Protože spínač pracuje na střídavý proud, jeho směr se během každé půlcyklu obrátí.Když sinusová vlna překročí nulu, neprotéká žádný proud. Díky tomu dojde k náhlému zhasnutí a přerušení oblouku a vyřazené kovové ionty se přestanou oddělovat a během 7-10 mikrosekund se zcela usadí na nejbližších kontaktních plochách nebo jiných částech zhášecí komory oblouku.

V tomto okamžiku se téměř okamžitě obnoví dielektrická pevnost mezery mezi silovými kontakty, vyplněné vakuem, což zajistí konečné vypnutí zatěžovacího proudu. V dalším půlcyklu sinusovky již nemůže dojít k elektrickému oblouku.

K ukončení působení elektrického oblouku ve vakuovém prostředí tedy při rozepnutí silových kontaktů stačí, aby střídavý proud změnil svůj směr.

Technologické charakteristiky různých modelů

Vakuové vypínače jsou určeny pro nepřetržitý provoz venku nebo v uzavřených konstrukcích. Vnější montážní jednotky jsou vyrobeny z pevných sloupků vyrobených se silikonovou izolací a pro vnitřní práce se používají lité epoxidové směsi.

Vakuové komory jsou vyráběny mobilní v továrně, optimálně nastavené pro instalaci do lisovaného pouzdra. Uvnitř jsou již umístěny silové kontakty ze speciálních typů legovaných slitin. Díky použitému principu činnosti a konstrukce zajišťují měkké zhášení elektrického oblouku, vylučují možnost přepětí v obvodu.

U všech provedení vakuových vypínačů je použit univerzální elektromagnetický pohon. Udržuje silové kontakty v sepnutém nebo vypnutém stavu díky energii silných magnetů.

Spínání a upevnění kontaktního systému se provádí polohou «magnetické západky», která přepíná řetězec magnetů pro opětovné připojení nebo odpojení pohyblivé kotvy. Vestavěné pružinové prvky umožňují ruční spínání elektrotechnickým personálem.

Pro ovládání činnosti vakuového zhášedla, typických reléových obvodů nebo elektroniky, mikroprocesorové jednotky, které mohou být umístěny přímo v krytu měniče nebo vyrobené ze vzdálených zařízení v samostatných skříních, blocích nebo panelech.

Výhody a nevýhody vakuových vypínačů

Mezi výhody patří:

• relativní jednoduchost designu;

• snížená spotřeba elektřiny na výrobu spínačů;

• pohodlí při opravě, která spočívá v možnosti výměny bloku zlomeného obloukového žlabu;

• schopnost spínače pracovat v libovolné orientaci v prostoru;

• vysoká spolehlivost;

• zvýšená odolnost vůči spínací zátěži;

• omezené velikosti;

• odolnost proti ohni a výbuchu;

• tichý chod při přepínání;

• vysoká šetrnost k životnímu prostředí, s výjimkou znečištění ovzduší.

Nevýhody designu jsou:

• relativně nízké přípustné proudy jmenovitých a nouzových režimů;

• výskyt spínacích rázů při přerušeních nízkých indukčních proudů;

• snížený zdroj obloukového zařízení z hlediska eliminace zkratových proudů.