Hoogspanningsvacuümstroomonderbrekers — Ontwerp en werkingsprincipe

Onder moderne hoogspanningsapparatuur die is ontworpen voor het schakelen van elektrische circuits in elektriciteit, wordt een speciale plaats toegewezen aan vacuümstroomonderbrekers. Ze worden veel gebruikt in netwerken van 6 tot 35 kV en minder vaak in schema's van 110 of 220 kV.

Hun nominale uitschakelstroom kan van 20 tot 40 kA zijn en hun elektrodynamische weerstand is ongeveer 50 ÷ 100. De totale uitschakeltijd van een dergelijke stroomonderbreker of storing is ongeveer 45 milliseconden.

Elke fase van het circuit is op betrouwbare wijze gescheiden door isolatoren en tegelijkertijd is alle apparatuur structureel gemonteerd op één gemeenschappelijke aandrijving. De rails van het onderstation zijn verbonden met de ingangsklemmen van de schakelaar en de uitgangsaansluiting met de uitgangsklemmen.

Binnen de vacuümstroomonderbreker werken vermogenscontacten die tegen elkaar worden gedrukt om minimale contactweerstand en betrouwbare doorgang van zowel belasting als noodstromen te bieden.

Het bovenste deel van het contactsysteem is permanent gefixeerd en het onderste deel kan onder invloed van de drijvende kracht strikt in axiale richting bewegen.

De afbeelding laat zien dat de contactplaten zich in een vacuümkamer bevinden en worden aangedreven door stangen die worden aangestuurd door de spankrachten van de veren en spoelen van de elektromagneten. Deze hele structuur bevindt zich binnen een systeem van isolatoren, waardoor lekstromen uitgesloten zijn.

De wanden van de vacuümkamer zijn gemaakt van gezuiverde metalen, legeringen en speciale keramische samenstellingen die gedurende tientallen jaren de hermeticiteit van de werkomgeving garanderen. Om het binnendringen van lucht tijdens de bewegingen van het beweegbare contact uit te sluiten, is een mouwapparaat geïnstalleerd.

Het anker van een DC-elektromagneet kan bewegen om de vermogenscontacten te sluiten of te verbreken als gevolg van een verandering in de polariteit van de spanning die op de spoel wordt toegepast. Een permanente ronde magneet die in de aandrijfstructuur is ingebouwd, houdt het bewegende deel in elke geactiveerde positie.

Het systeem van veren zorgt voor het creëren van optimale bewegingssnelheden van het anker tijdens commutaties, uitsluiting van contactterugslag en de mogelijkheid van instortingen in de wandstructuur.

De kinematische en elektrische circuits met een synchronisatie-as en extra hulpcontacten zijn gemonteerd in het schakelaarlichaam, waardoor de positie van de schakelaar in elke toestand kan worden gecontroleerd en geregeld.

Afspraak

Qua functionele taken verschilt de vacuümonderbreker niet van andere analogen van hoogspanningsapparatuur. Biedt:

1.Betrouwbare doorgang van het nominale elektrische vermogen tijdens continu gebruik;

2. de mogelijkheid van gegarandeerd schakelen van apparatuur door elektrisch personeel in handmatige of automatische modus tijdens operationeel schakelen om de configuratie van het werkcircuit te wijzigen;

3. automatische verwijdering van opkomende ongevallen in de kortst mogelijke tijd.

Het belangrijkste verschil tussen de vacuümstroomonderbreker is de methode voor het doven van de elektrische boog die optreedt wanneer de contacten tijdens het uitschakelen worden losgekoppeld. Als zijn analogen een omgeving creëren voor perslucht, olie of SF6-gas, dan werkt een vacuüm hier.

Het principe van boogdoving in het stroomcircuit

Beide contactplaten werken in een vacuümomgeving die wordt gevormd door gassen uit het vlamboogvat naar 10-6÷10-8 N/cm2 te pompen. Dit creëert een hoge diëlektrische sterkte gekenmerkt door verbeterde diëlektrische eigenschappen.

Met het begin van de beweging van de aandrijving van de contacten, ontstaat er een opening tussen hen, die onmiddellijk een vacuüm bevat. Binnenin begint het proces van verdamping van het verwarmde metaal van de contactvlakken. De belastingsstroom blijft door deze paren stromen. Het initieert de vorming van extra elektrische ontladingen, waardoor een boog ontstaat in een vacuümomgeving, die zich blijft ontwikkelen door de verdamping en het vrijkomen van metaaldampen.

Onder invloed van het toegepaste potentiaalverschil bewegen de gevormde ionen in een bepaalde richting, waardoor een plasma ontstaat.

In zijn omgeving gaat de stroom van elektrische stroom door, verdere ionisatie vindt plaats.

Omdat de schakelaar op wisselstroom werkt, is de richting tijdens elke halve cyclus omgekeerd.Wanneer de sinusgolf nul passeert, is er geen stroom. Hierdoor wordt de boog abrupt gedoofd en verbroken, en houden de afgewezen metaalionen op met scheiden en bezinken ze binnen 7-10 microseconden volledig op de dichtstbijzijnde contactoppervlakken of andere delen van de boogdovende kamer.

Op dit punt wordt de diëlektrische sterkte van de opening tussen de vermogenscontacten, gevuld met vacuüm, vrijwel onmiddellijk hersteld, wat zorgt voor de definitieve uitschakeling van de belastingsstroom. In de volgende halve cyclus van de sinusgolf kan de elektrische boog niet meer optreden.

Dus om de actie van een elektrische boog in een vacuümomgeving te beëindigen, wanneer de vermogenscontacten worden geopend, volstaat het dat de wisselstroom van richting verandert.

Technologische kenmerken van verschillende modellen

Vacuümstroomonderbrekers zijn ontworpen voor continu gebruik buitenshuis of in gesloten constructies. Externe montage-eenheden zijn gemaakt met solide palen gemaakt met siliconenisolatie en voor intern werk worden gegoten epoxyverbindingen gebruikt.

De vacuümkamers worden in de fabriek mobiel vervaardigd, optimaal opgesteld voor inbouw in een gegoten behuizing. Vermogenscontacten gemaakt van speciale soorten gelegeerde legeringen zijn er al in geplaatst. Ze zorgen, dankzij het toegepaste werkings- en ontwerpprincipe, voor een zachte doving van de elektrische boog en sluiten de mogelijkheid van overspanning in het circuit uit.

Een universele elektromagnetische actuator wordt gebruikt in alle ontwerpen van vacuümstroomonderbrekers. Het houdt de vermogenscontacten in gesloten of uitgeschakelde toestand dankzij de energie van krachtige magneten.

Het schakelen en fixeren van het contactsysteem wordt uitgevoerd door de positie van de "magnetische vergrendeling", die de ketting van magneten schakelt om het mobiele anker opnieuw te verbinden of los te koppelen. Ingebouwde veerelementen maken handmatig schakelen door elektrisch personeel mogelijk.

Om de werking van de vacuümonderbreker te regelen, typische relaiscircuits of elektronische, microprocessor eenheden, die direct in de behuizing van de omvormer kunnen worden geplaatst of kunnen worden gemaakt van externe apparaten in afzonderlijke kasten, blokken of panelen.

Voor- en nadelen van vacuümstroomonderbrekers

Voordelen zijn onder andere:

• relatieve eenvoud van ontwerp;

• verminderd elektriciteitsverbruik voor de productie van schakelaars;

• gemak bij de reparatie, die bestaat uit de mogelijkheid van blokvervanging van een kapotte booggoot;

• het vermogen van de schakelaar om in elke richting in de ruimte te werken;

• hoge betrouwbaarheid;

• verhoogde weerstand tegen schakelende belastingen;

• beperkte maten;

• weerstand tegen brand en explosie;

• stille werking bij het schakelen;

• hoge milieuvriendelijkheid, behalve luchtverontreiniging.

De nadelen van het ontwerp zijn:

• relatief lage toegestane stromen van nominale en noodmodi;

• het optreden van schakelpieken tijdens onderbrekingen van lage inductieve stromen;

• verminderde hulpbron van het boogapparaat in termen van eliminatie van kortsluitstromen.