При разрыве электрической цепи может возникнуть дуга, повреждающая оборудование. Поэтому для коммутации в нормальных и аварийных режимах работы, используют высоковольтные выключатели, где для гашения дуги применяют масло, элегаз, сжатый воздух или, наоборот, вакуум.
Вакуумные выключатели — наиболее перспективные и по быстродействию, надёжности и сроку службы они превосходят все остальные типы высоковольтных выключателей. В статье будет подробно рассмотрена их сфера применения, конструктивные особенности, разновидности, а также отечественные производители, выпускающие вакуумные выключатели.
Трудности создания
Как уже понятно из названия, дугогасящей средой в таком выключателе является технический вакуум, то есть очень разреженный газ, плотностью от 10-6 до 10 -8 Н/см2. Так как электрическая прочность технического вакуума во много раз выше, чем у любого газа при атмосферном давлении, гашение дуги происходит сразу после прохождения электрического тока через ноль. При этом других, заметных отличий в конструкции такого коммутационного аппарата нет.
Однако несмотря на всю простоту конструкции, у инженеров долго не получалось создать мощные выключатели, ведь выявленные трудности по поддержанию вакуума в дугогасящей камере, требовали серьёзных изысканий. Только к концу 50-х годов ХХ века, после проведённых научных исследований удалось теоретически обосновать физические процессы, которые происходят при горении электрической дуги в вакууме.
Кроме этой работы, учёным во всём мире пришлось потратить ещё двадцать лет на решение проблем изготовления надёжных сильфонов, устранения загрязнения внутренних поверхностей, предотвращения перенапряжений при разрыве электрической цепи и многих других проблем.
Как уже говорилось, основное отличие вакуумного выключателя – это устройство камеры для гашения электрической дуги. В остальном, кардинальные отличия от других высоковольтных выключателей отсутствуют.
Сфера применения
Вакуумный выключатель, как и другие высоковольтные выключатели, предназначен для выполнения операций включения и отключения электрической цепи в нормальном и аварийном режиме работы, а также для обеспечения надёжного прохождения рабочих токов в течение длительного времени.
Использование вакуума как среды для гашения дуги позволяет обеспечить работу выключателя в любом положении, значительную износостойкость и надёжность, малые габариты и низкий уровень шума, пожаробезопасность и взрывобезопасность. Также простая конструкция позволяет проводить быстрый ремонт, при котором, вышедшая из строя дугогасящая камера, просто заменяется целиком.
Благодаря вышеописанным качествам вакуумные выключатели нашли широкое применение в сетях напряжением от 6 до 35 кВ. При этом выключатели на 6–10 кВ используются на подстанциях, от которых запитаны линии местного значения, идущие к КТП 6 (10)/0,4 кВ и на небольшие предприятия.
Выключатели 35 кВ устанавливают на распределительных устройствах подстанций, питающих линии районного значения. Для коммутации линий, обладающих значительной протяжённостью и питающих региональные сети, применяют выключатели 110 кВ.
Нужно отметить, что выключатели 110 кВ появились сравнительно недавно. В 2007 году ОАО «Контакт», находящееся в городе Саратов, приступило к разработке первого отечественного вакуумного выключателя на напряжение 110 кВ, а уже в 2010 году был освоен серийный выпуск.
Разновидности
Существующие вакуумные выключатели можно разделить на три группы:
- Выключатели 6–10 кВ (низкое напряжение);
- Выключатели 35 кВ (среднее напряжение);
- Выключатели 110 кВ (высокое напряжение).
Также выключатели разделяют по месту установки:
- Для открытых распределительных устройств, то есть для размещения на открытом воздухе;
- Для закрытых распределительных устройств или для установки внутри помещений.
Ещё высоковольтные выключатели можно разделить на стационарные и имеющие выкатные элементы. В последних, видимый разрыв создаётся переводом выкатного элемента в ремонтное положение.
Нужно отметить, что различные производители высоковольтных выключателей также разрабатывают для них и конструкцию распределительного устройства. Причём количество различных моделей распредустройств достаточно велико, поэтому не представляется возможным в рамках одной статьи рассмотреть все их особенности. Также отметим, что выпускаются вакуумные выключатели, предназначенные для замены устаревших коммутационных аппаратов, устанавливаемые в уже существующие распредустройства (ретрофит).
Принцип работы
По сравнению с другими элементами конструкции дугогасящая камера имеет небольшие габариты. Ведь для того, чтобы выполнить эффективное гашение дуги в вакууме, значительные объёмы просто не нужны.
Срок службы дугогасящей камеры составляет несколько десятков лет. Это достигается, в том числе применением особых сплавов и керамики в качестве материала для изготовления её стенок.
Рассмотрим конструкцию выключателя. Внутри располагаются электроды: верхний контакт (1), закреплённый неподвижно, и нижний, подвижный контакт (2). Для обеспечения надёжного прижатия контактов в конструкции присутствует прижимной механизм (4), ведь от силы прижатия контактов, напрямую зависит величина переходного сопротивления.
Важным элементом конструкции выключателя является сильфон (6), предотвращающий возможность попадания внутрь дугогасящей камеры воздуха и других посторонних веществ, при движении нижнего контакта. Для передачи движения к подвижному контакту применён специальный тяговый изолятор. В свою очередь, он приводится в движение электромагнитным приводом (3), оснащённым магнитной защёлкой (7).
Гашение дуги
Теперь рассмотрим более подробно, какие процессы происходят внутри дугогасящей камеры. Итак, когда выключатель включён, верхний контакт плотно прижат к нижнему контакту.
При размыкании контактов образуется электрическая дуга, однако, за счёт того, что в вакууме нет носителей зарядов, дуга быстро гаснет.
Однако некоторые могут усомниться в правильности слов, ведь электрическая дуга в вакууме не должна и возникать, так как отсутствуют носители электрических зарядов. На самом деле, всё немного сложнее, ведь дуга образуется при испарении металла с поверхностей контактов. После завершения процесса происходит конденсация испарившихся частиц металла на внутренних поверхностях камеры.
Особенности
Начнём, пожалуй, с той ложки дёгтя, которая, как известно, может испортить бочку мёда. Однако это выражение лишь частично верно по отношению к вакуумным выключателям. Ведь только в некоторых случаях, а именно, при коммутации индуктивно-ёмкостной нагрузки может возникать перенапряжение.
То есть, при отключении малых токов, например, тока холостого хода трансформатора, сила тока может резко снизиться, причём задолго до перехода через нулевое значение. Это может вызвать многократное повторное зажигание дуги, при котором возрастает напряжение и повышается амплитуда высокочастотных токов. В свою очередь, это вызывает перенапряжения на индуктивной нагрузке, которое вредно для изоляции. Следует отметить, что с таким явлением можно бороться и для защиты оборудования применяют ограничители перенапряжений и резисторно-ёмкостные цепочки.
Теперь рассмотрим преимущества вакуумных выключателей. Итак, несомненным достоинством является сравнительно простая и надёжная конструкция, возможность отключать большие токи, быстрота работы, высокая пожароустойчивость и взрывостойкость. Также нужно отметить простоту монтажа, ремонта и обслуживания, а также небольшие размеры.
Отечественные производители вакуумных выключателей
Нужно отметить, что в СССР был налажен промышленный выпуск вакуумных выключателей ещё с 80-х годов ХХ века. В Российской Федерации, в наше время не только остались предприятия, которые производили такое оборудование раньше, но и стали появляться новые производители. Разумеется, что охватить всех производителей не представляется возможным, поэтому остановимся только на некоторых из них.
Таврида Электрик
Именно эта компания первой начала серийно выпускать вакуумные выключатели. В 2024 году Таврида Электрик входит в число ведущих производителей, а выпускаемая компанией продукция служит эталоном по многим показателям.
Отдельно стоит отметить, что на продукцию марки BB\TEL компания предоставляет бессрочную (пожизненную) гарантию. Разумеется, что продукция этой и других марок, например, SMART, ELATON уже завоевала доверие у многих специалистов.
КЭАЗ
Курский электроаппаратный завод был основан в 1945 году, и с тех пор предприятие развивается, постоянно выпуская новые продукты. Общее число наименований электротехнической продукции достигло 32 тысяч, включая и вакуумные выключатели.
Компания выпускает вакуумные выключатели напряжением до 35 кВ под маркой OptiMat BB. Также предприятие производит большое количество аксессуаров для выключателей.
Электрощит Самара
Нужно отметить, что Электрощит Самара занимается производством не только вакуумных выключателей марки ВВУ-СЭЩ, но также сама выпускает и комплектные распределительные устройства.
Заключение
Думаю, что ведущие позиции в электроустановках разного напряжения и назначения через некоторое время будут занимать вакуумные выключатели. Ведь другие типы коммутационных аппаратов по некоторым параметрам значительно им уступают. Разумеется, что производители ведут разработки с целью улучшить их технические характеристики, а массовый выпуск приводит к снижению стоимости.
Автор статьи Илья Корчагин