Vakuumbrytare: konstruktion och funktionsprincip + nyanser vid val och anslutning

En vakuumbrytare – är en elektrisk apparat avsedd för användning i elektriska högspänningsnät. Den har fått sitt namn från konstruktionens särdrag – vakuumkammaren, som möjliggör momentant släckning av den elektriska ljusbågen.

Apparaten används som kopplingsdon avsedda att utföra frånkoppling av utrustning vid nödsituationer eller under normal drift. Låt oss titta närmare på vad en vakuumbrytare är och vad den används till.

Hur fungerar en högspänningsvakuumbrytare?

Grunden för funktionaliteten hos vakuumkammare som används i brytarkonstruktioner är de fysikaliska egenskaperna hos gas i ett förtunnat tillstånd. Under sådana förhållanden förändras gasens egenskap, som kallas elektrisk hållfasthet, avsevärt i riktning mot ökning.

Denna effekt av den starkt förtunnade miljön (område från 10^-6 till 10^-8 N/cm²) används framgångsrikt i konstruktioner av brytare som är försedda med gasvakuumkammare, genom vilka elektriska kontaktgrupper passerar.

En av modellerna av vakuumbrytare – en apparat som används vid drift av elektriska kraftnät. Enheten anses vara mer modern och pålitlig jämfört med liknande enheter men av en annan utförandetyp.

Strömmen som går genom kontaktgrupperna (vid kontaktöppningsögonblicket) bildar en elektrisk urladdning – en ljusbåge. Ljusbågens brinning sker genom partiell jonisering av metalldamp, som oundvikligen bildas av den höga temperaturen. Strömgenomgången mellan kontakterna via den bildade plasman upprätthålls tills strömmen övergår till nollbussen.

Så snart ögonblicket för passage genom noll inträffar, släcks ljusbågen. Den totala processtiden är högst 7-10 mikrosekunder.

Konstruktion av vakuumbrytare

Mångfalden av vakuumbrytare, med hänsyn till deras konstruktionsutförande, är ganska stor. Därför är det svårt att ge en karakteristik av dessa apparater som helhet. Samtidigt, oavsett konstruktionsskillnader, förblir funktionsprincipen oförändrad.

Strukturschema för VV: 1 – övre uttag; 2 – vakuumkammare; 3 – polymerisolator; 4 – nedre uttag; 5 – bandkontakt; 6 – kraftfjäder; 7 – dragstång; 8 – frånslagsfjäder; 9 – överföringsspak; 10 – drivaxel; 11 – fränskiljare; 12 – hölje

För allmän kännedom, låt oss betrakta en trepolig vakuumbrytare utrustad med en fjädermotordrivning. Denna apparat är avsedd för inomhusinstallation eller utomhusinstallation. Oavsett fall utförs dess montering inuti särskilda fördelningsboxar av metall.

Apparaterna kan användas inom många olika områden av den nationella ekonomin. Det finns dock vissa begränsningar.

Så, vakuumbrytare är inte avsedda för installation med efterföljande drift under följande förhållanden:

• utrymmen där brand- eller explosionsfarlig atmosfär råder;
• installationer som konstruktionsmässigt förutsätter frekvent koppling;
• installationer av mobil (rörlig) typ;
• energisystem för havs- och flodfartyg.

Vakuumbrytare har vanligtvis två typer av konstruktion:

1. För stationär installation.
2. För installation med apparatvagn.

Oavsett utförande innehåller apparatens hölje tre poler utrustade med ljusbågssläckningskammare.

Inuti vakuumkamrarna arbetar rörliga kontaktorerna som drivs av en fjädermotormekanism. Apparatens hölje kompletteras med en frontpanel som innehåller indikeringselement och styrenheter.

Externa huvudelement på brytaren: 1 – apparatens poler; 2 – tillslagsspärr; 3 – fönster för lyft; 4 – handtag för mekanik som blockerar externa kretsar

De tre huvudkretsens poler är utförda i pelarform. Polerna är vanligtvis placerade på den bakre delen av fjädermotordrivningens chassi. Varje pol är utrustad med en ljusbågssläckningskammare som är innesluten i en polymerisolator. För att öka den elektriska hållfastheten har isolatorhöljet en ribbad form.

Inuti varje vakuumkammare är en kontaktgrupp med två element monterad – rörligt och fast. Det rörliga kontaktelementet är anslutet till kopplingsmekanismen via en dragisolator. Vidare anslutning till nedre kontaktuttag. Den fasta kontakten ansluts via en konisk passning till apparatens övre kontaktuttag.

Hur fungerar brytarens manöverdon?

De rörliga kontakterna i vakuumkamrarna är mekaniskt anslutna till axeln på fjädermotordrivningen. Tack vare kraftfjädern, som är förspänd (inställd i sträckt tillstånd), är drivningen lätt att aktivera med ett enkelt tryck på manöverknappen eller annan mekanism.

Strukturschema för vakuumkammaren: 1 – anslutningsplint för fast kontakt; 2 – fast kontakt; 3 – rörlig kontakt; 4 – metallskärm; 5 – keramisk (polymer) isolator; 6 – bälg; 7 – anslutningsplint för rörlig kontakt

Fjädern (vanligtvis två fjädrar) spänns med hjälp av en kedjeöverföring. Normal drift av utrustningen innebär att fjädern spänns med hjälp av en elmotor med växellåda. Det finns dock ett manuellt spänningshandtag som används vid olyckor eller strömavbrott.

Den spända fjädern hålls av en utlösningsmekanism. Denna mekanism styrs via en elektromagnetisk drivning eller via en inkopplingsknapp. Så snart inkopplingsläget aktiveras frigörs spärren, fjäderns dragkraft sätter igång en kamaxel. Denna i sin tur påverkar en axel som är mekaniskt kopplad till omkopplingsmekanismen för de rörliga kontakterna i vakuumkamrarna.

Frånkopplingsoperationen för vakuumbrytaren utförs genom att aktivera läget 'Frånkopplad' – via elektromagnet eller knapp. Förloppet är praktiskt taget identiskt med det första läget. Även här används frånkopplingsfjädrar, vars läge bestäms av frånkopplingens utlösningsmekanism.

Kontrollpanel och indikeringar: 1 – läget 'tillkopplad'; 2 – läget 'frånkopplad'; 3 – spänd fjäder; 4 – avspänd fjäder

Enkel användning och övervakning av enheten säkerställs av kontrollpanelen. På panelens framsida finns: räknare för antal cykler, indikator för spänningsfjäderns status, indikator för vakuumbrytarens status.

Egenskaper hos utrullningsbara konstruktioner

Utrustning i utdragbart utförande är monterad på en speciell apparatvagn. Med hjälp av denna tillbehör förs brytaren in i skåpet eller ut ur det.

Apparatvagnen fungerar inte bara som transport för enheten, utan också som en styrenhet för att koppla enheten till testläge eller driftläge så snart brytaren skjutits in i skåpet.

Apparatvagn: 1 – rullar (4 st.); 2 – bas; 3, A – rörlig bas; 4 – handtag (2 st.); 5 – hylsa för spak; 6 – låsplatta; 7 – fixeringselement; 8 – sekundärkretskontakt; 9 – blockermekanism för enheten; 10 – blockeringskontakter; 11 – skruvfästplatta; B – fast del

Vakuumbrytaren fästs direkt på vagnens rörliga del. Fästningen görs med bultförband. Apparatvagnen har dessutom en fast del där drivningen för den rörliga delen är monterad. Den rörliga modulens rörelse i förhållande till den fasta sker med hjälp av skruven på vagnens manöverhandtag.

Den rörliga delen – en metallbas på fyra hjul, behandlad med galvanisk beläggning. Här finns en extern mekanisk spärr (tryckplatta) för jordaren, spärr för drivskruven, hjälpkontakter, mekanism för brytarens spärr och andra element som möjliggör rörelse eller fixering.

Installation och anslutning av apparaten

Innan du börjar installera vakuumbrytaren måste du inspektera alla utifrån tillgängliga delar för att försäkra dig om att det inte finns skador eller defekter. Därefter rengörs isolationsytorna på polerna med en torr luddfri trasa.

Det är inte tillåtet att installera utrustningen i systemet om det finns spån, sprickor eller deformationsområden på isolationsytorna. Kretsen för sekundärkretsarna samt anslutningen av jordningsskenan måste kontrolleras.

Kontroll av den installerade apparaten. Det är viktigt att noggrant kontrollera varje detalj, varje fästelement. Högspänningsapparater förlåter inte ens det minsta misstag.

Före installationen ska brytarens funktionsduglighet kontrolleras genom manuell inkoppling (tomgång utan ström) och kontrollera att indikatorerna på kontrollpanelen är i rätt läge. Därefter måste man kontrollera att polskydden finns. Om utrustning för märkström 1600A och högre används, måste skyddskåporna tas bort före montering.

Anslutning direkt till nätet

Klämmorna på kontaktändarna för kraftkablarnas ledare måste rengöras före anslutning till brytarens anslutningar.

Rengöringsproceduren varierar beroende på klämmornas material:

• För koppar- och aluminiumklämmor utan extra beläggning utförs rengöring med sandpapper med kornstorlek M20 eller lägre, följt av avfettning av metallytan.
• Om koppar- eller aluminiumklämmorna är belagda med ett silverlager räcker det att rengöra dem med en luddfri trasa.

Det är inte tillåtet att använda kablar vars silverbeläggning på klämmorna är skadad på mer än 5 % av ytan. I så fall måste det skadade elementet bytas ut. Mer information om klämmor för anslutning av ledningar kan läsas i detta material.

De yttre ledarna ansluts till vakuumbrytarens anslutningar på så sätt att inga mekaniska krafter utövas på apparatens anslutningar från de yttre ledarnas sida. Anslutningarna görs med bultförband med plana elastiska metallbrickor.

Hur utförs jordning?

Apparater i fast utförande ansluts till jordningsplattan med en bultförbindelse (M12) direkt vid den punkt som är märkt med beteckningen 'Jordning'.

Delarna i apparatvagnens konstruktion och brytarens chassi som används för jordning av enheten. Vanligtvis markeras dessa punkter med en motsvarande symbol bredvid elementet.

Kontaktpunkten 'Jordning' måste avfettas före anslutning. Som jordledare ska en skena med tillräcklig area (enligt ellagstiftning), flexibel ledare eller en flätad ledare väljas. Innan ledaren läggs på kontaktplattan, smörj kontaktytorna med specialfett (TsIATIM-203).

Utdragbar konstruktion jordas med hjälp av apparatvagnens delar. Jordning av vakuumbrytaren sker genom apparatvagnens konstruktion, för vilket det även finns fästelement.

Idrifttagning av enheten

Idrifttagning av enheten sker efter ytterligare kontroll av installerad och förberedd utrustning. Särskilt kontrolleras jordningens tillförlitlighet, fästelementens skick för monteringskomponenter, och tillgång till kylmedium för potentiellt uppvärmande delar.

Ytorna på strömförande stänger som är i kontakt med lamellerna i uttagskontaktgrupper måste behandlas med en liten mängd TsIATIM-fett. I allmänhet måste alla procedurer som föreskrivs i PEU för acceptanstester utföras, och man måste kontrollera att driftspänningen ligger inom tillåtna gränser.

Installation av vakuumbrytare. Montering utförs endast av kvalificerad personal. Samma krav gäller för personal som väljs ut för service av högspänningsutrustning.

Endast personal med tillstånd att serva elinstallationer som fungerar under spänning över 1000 volt får hantera vakuumbrytaren. Godkänd behörighetsgrupp för servicearbetare måste vara minst nivå tre. Innan arbetet påbörjas genomgår personalen ett tekniskt minimum för att lära sig detaljerna i den specifika utrustningsmodellen.

Hur du väljer en vakuumbrytare?

Apparaten väljs med hänsyn till dess nominella parametrar, som betraktas i förhållande till parametrarna för det befintliga nätverket på installationsplatsen. Valet görs enligt kriteriet för de mest belastade driftlägen som förväntas för driftsförhållandena.

Vakuumbrytarens nominella spänning får vara lika med (eller högre än) den nominella spänningen i systemet som matas via brytaren.

Parametern för nominell långtidsström väljs högre än det nominella strömvärdet för det matade systemet. Parametern för nominell brytström väljs högre än det maximala värdet på beräkningsströmmen för kortslutning (med hänsyn till kontaktens separationsögonblick).

Typskylten med tekniska data är det första man lägger märke till när man väljer en brytare. Utifrån parametervärdena kan man redan avgöra om enheten är lämplig för en specifik installation eller inte.

Ur synvinkel av möjliga kortslutningsförhållanden görs valet med hänsyn till de svåraste driftsförhållandena.

Den aperiodiska komponenten beräknas med hänsyn till kortslutningsförhållanden med nollspänning i någon av fasledningarna. Samtidigt bör man ta hänsyn till parametern för aperiodisk ström som fastställts av utrustningstillverkaren.

Slutsatser och användbar video om ämnet

Du kan lära dig mer om vakuumbrytarens konstruktion, funktionsprincip och installationsförhållanden från följande videoklipp:

Vakuumbrytare skiljer sig från andra typer av enheter genom en relativt enkel och pålitlig konstruktion. Därför håller denna utrustning länge utan större anmärkningar. Den naturliga slitagelivslängden bestäms av antalet operationer, vilket är minst 20 000. Med regelbundet underhåll ökar denna livslängd med 5–10 %. Samtidigt begränsas underhållet av vakuumbrytare till ett fåtal enkla åtgärder.

Om du har frågor om ämnet i artikeln efter att ha tagit del av informationen, eller har värdefull information som du vill dela med våra läsare, lämna gärna dina kommentarer, dela med dig av erfarenheter, ställ frågor i blocket under artikeln.