Przerywacz próżni - Vacuum interrupter
W elektrotechnice , A próżniowy przerywacz jest przełącznik , który wykorzystuje styki elektryczne w próżni. Jest podstawowym elementem wyłączników średniego napięcia, wyłączników generatorowych i wyłączników wysokiego napięcia. Rozdzielenie styków elektrycznych powoduje powstanie łuku parowego metalu, który szybko gaśnie. Przerywacze próżniowe są szeroko stosowane w systemach przesyłu energii elektrycznej, jednostkach wytwarzania energii i systemach dystrybucji energii na kolei , w piecach łukowych i zakładach przemysłowych .
Ponieważ łuk jest zawarty w przerywaczu, rozdzielnice z wyłącznikami próżniowymi są bardzo kompaktowe w porównaniu z rozdzielnicami wykorzystującymi powietrze, SF 6 lub olej jako środek do gaszenia łuku. Przerywacze próżniowe mogą być stosowane do wyłączników i przełączników obciążenia. Wyłączniki próżniowe z wyłącznikami są stosowane głównie w energetyce w podstacjach i obiektach wytwarzania energii, a próżniowe wyłączniki z przełączaniem obciążenia są stosowane w końcowych odbiornikach sieci energetycznej .
Historia
Użycie próżni do przełączania prądu elektrycznego było motywowane obserwacją, że jednocentymetrowa szczelina w lampie rentgenowskiej może wytrzymać dziesiątki tysięcy woltów . Chociaż niektóre przełączniki próżniowe zostały opatentowane w XIX wieku, nie były one dostępne w handlu. W 1926 roku grupa kierowana przez Royal Sorensen z California Institute of Technology zbadała przełączniki próżniowe i przetestowała kilka urządzeń; zbadano podstawowe aspekty przerywania łuku w próżni. Sorenson przedstawił wyniki na spotkaniu AIEE w tym roku i przewidział komercyjne wykorzystanie przełączników. W 1927 roku General Electric zakupił prawa patentowe i rozpoczął komercyjny rozwój. Wielki Kryzys i rozwój rozdzielnicy wypełnionej olejem spowodowane firmę do zmniejszenia prac rozwojowych, a trochę komercyjnie ważna praca została wykonana na rozdzielni prądu próżnia aż do 1950 roku.
W 1956 roku H.Cross zrewolucjonizował wyłącznik próżniowy obwodu wysokiej częstotliwości i wyprodukował wyłącznik próżniowy o wartości znamionowej 15 kV przy 200 A. Pięć lat później Thomas H. Lee z General Electric wyprodukował pierwsze wyłączniki próżniowe o znamionowej wartości znamionowej napięcie 15 kV przy prądach wyłączalnych zwarciowych 12,5 kA. W 1966 roku opracowano urządzenia o napięciu znamionowym 15 kV i prądach wyłączalnych zwarciowych 25 i 31,5 kA. Po latach siedemdziesiątych przełączniki próżniowe zaczęły zastępować przełączniki z minimalną ilością oleju w rozdzielnicach średniego napięcia. we wczesnych latach osiemdziesiątych przełączniki i wyłączniki SF6 były również stopniowo zastępowane technologią próżniową w zastosowaniach średniego napięcia.
Od 2018 r. Wyłącznik próżniowy osiągnął 145 kV, a prąd wyłączalny osiągnął 200 kA.
Klasyfikacja
Przerywacze próżniowe można sklasyfikować według typu obudowy, zastosowania i klasy napięciowej.
Eksperymentalne, radiowe i wczesne wyłączniki próżniowe z przełączaniem zasilania miały szklane obudowy. Od niedawna przerywacze próżniowe do rozdzielnic mocy są wykonywane z obwiedniami ceramicznymi.
Zastosowania i zastosowania obejmują wyłączniki, wyłączniki generatorów, przełączniki obciążenia, styczniki silnikowe i reklozery . Produkowane są również specjalne wyłączniki próżniowe, takie jak stosowane w transformatorowych przełącznikach zaczepów lub w elektrycznym piecu łukowym .
Wyłącznik generatorowy
Badania i badania przeprowadzone na początku lat 90. XX wieku pozwalają na zastosowanie próżniowej technologii przełączania w zastosowaniach generatorów. Zastosowania do przełączania generatorów są dobrze znane z wyższych obciążeń urządzeń przerywających, takich jak wysoki prąd zwarciowy o dużej asymetrii lub wysokie i strome przejściowe napięcie przywracania; norma IEC / IEEE 62271-37-013 (poprzednia i nadal obowiązująca IEEE C37.013, 1997) została wprowadzona w celu spełnienia takich wymagań dotyczących wyłączników stosowanych w generatorach.
Wyłączniki próżniowe można zakwalifikować jako wyłączniki generatora zgodnie z normą IEC / IEEE 62271-37-013. W porównaniu z wyłącznikami wykorzystującymi inne media hartujące (takie jak SF6 , podmuch powietrza lub minimalna ilość oleju), wyłączniki próżniowe mają następujące zalety:
- Duża siła odzyskiwania, eliminująca potrzebę stosowania kondensatorów w celu zmniejszenia stromości przejściowego napięcia odzyskiwania (zgodnie z wymaganiami większości SF6 GCB );
- Wysoka wytrzymałość mechaniczna i elektryczna przy znacznie większej liczbie i częstotliwości możliwych operacji łączeniowych bez konserwacji; i
- Przyjazność dla środowiska dzięki nieużywaniu fluorowanych gazów cieplarnianych .
Próżniowe GCB nadają się do częstego przełączania i do przerywania prądów o niskiej częstotliwości, takich jak w elektrowni szczytowo-pompowej .
Struktura
Przerywacz próżniowy ma na ogół jeden stały i jeden ruchomy styk, elastyczny mieszek umożliwiający ruch tego styku oraz osłony łukowe zamknięte w hermetycznie zamkniętej szklanej, ceramicznej lub metalowej obudowie z wysoką próżnią . Styk ruchomy jest połączony elastycznym oplotem z obwodem zewnętrznym i jest poruszany mechanizmem, gdy urządzenie ma się otwierać lub zamykać. Ponieważ ciśnienie powietrza ma tendencję do zamykania styków, mechanizm napędowy musi utrzymywać styki otwarte, przeciwdziałając sile zamykania ciśnienia powietrza działającego na mieszki.
Hermetyczna obudowa
Obudowa przerywacza wykonana jest ze szkła lub ceramiki . Uszczelnienia hermetyczne zapewniają utrzymanie podciśnienia przerywacza przez cały okres eksploatacji urządzenia. Osłona musi być nieprzepuszczalna dla gazu i nie może wydzielać uwięzionego gazu. Mieszek ze stali nierdzewnej izoluje podciśnienie wewnątrz przerywacza od atmosfery zewnętrznej i przesuwa styk w określonym zakresie, otwierając i zamykając przełącznik.
Zastawianie
Przerywacz próżniowy ma osłony wokół styków i na końcach przerywacza, zapobiegające kondensacji jakiegokolwiek materiału stykowego odparowanego podczas łuku po wewnętrznej stronie bańki próżniowej. Zmniejszyłoby to wytrzymałość izolacji osłony, ostatecznie powodując wyładowanie łukowe przerywacza po otwarciu. Osłona pomaga również kontrolować kształt rozkładu pola elektrycznego wewnątrz przerywacza, przyczyniając się do wyższego znamionowego napięcia obwodu otwartego. Pomaga absorbować część energii wytwarzanej w łuku, zwiększając zdolność przerywania pracy urządzenia .
Łączność
Styki przenoszą prąd obwodu, gdy są zamknięte, tworząc zaciski łuku, gdy są otwarte. Wykonane są z różnych materiałów, w zależności od zastosowania i konstrukcji przerywacza próżniowego, co zapewnia długą żywotność styków, szybkie przywrócenie wartości znamionowej wytrzymałości na napięcie i kontrolę przepięć spowodowanych przerywaniem prądu.
Zewnętrzny mechanizm sterujący napędza styk ruchomy, który otwiera i zamyka podłączony obwód. Przerywacz próżni zawiera tuleję prowadzącą, która kontroluje ruchomy kontakt i chroni mieszek uszczelniający przed skręcaniem, co drastycznie skraca jego żywotność.
Chociaż niektóre konstrukcje wyłączników próżniowych mają proste styki czołowe, styki są zwykle ukształtowane ze szczelinami, grzbietami lub rowkami, aby poprawić ich zdolność do przerywania wysokich prądów. Prąd łuku przepływający przez ukształtowane styki generuje siły magnetyczne działające na kolumnę łuku, które powodują szybkie przemieszczanie się punktu styku łuku po powierzchni styku. Zmniejsza to zużycie styków spowodowane erozją przez łuk, który topi metal kontaktowy w miejscu styku.
Tylko nieliczni producenci przerywaczy próżniowych na całym świecie produkują sam materiał styków. Podstawowe surowce, miedź i chrom, są łączone w silny materiał kontaktowy za pomocą procedury topienia łuku. Powstałe surowe części są przetwarzane na tarcze stykowe RMF lub AMF, a szczelinowe tarcze AMF są na końcu gratowane. Materiały stykowe wymagają:
- Wysoka zdolność łamania: doskonała przewodność elektryczna, mała przewodność cieplna , większa pojemność cieplna i zdolność do niskiej emisji gorących elektronów ;
- Wysokie napięcie przebicia i odporność na erozję elektryczną ;
- Odporność na zgrzewanie;
- Niska wartość prądu odcięcia; i
- Niska zawartość gazu (zwłaszcza miedzi).
W wyłącznikach, materiały stykowe wyłączników próżniowych to przede wszystkim stop miedzi i chromu 50-50 . Można je wykonać poprzez przyspawanie blachy ze stopu miedzi z chromem na górnej i dolnej powierzchni styku na gnieździe stykowym wykonanym z miedzi beztlenowej . Inne materiały, takie jak srebro, wolfram i związki wolframu, są używane w innych konstrukcjach przerywaczy. Struktura styków przerywacza próżni ma duży wpływ na jego zdolność wyłączania, trwałość elektryczną i poziom przerywania prądu.
Miechy
Mieszek próżniowy przerywacza umożliwia obsługę styku ruchomego z zewnątrz obudowy wyłącznika i musi utrzymywać przez długi czas wysoką próżnię przez spodziewany okres eksploatacji wyłącznika. Mieszek wykonany jest ze stali nierdzewnej o grubości od 0,1 do 0,2 mm. Na jego trwałość zmęczeniową wpływa ciepło przewodzone z łuku.
Aby umożliwić im spełnienie wymagań dotyczących wysokiej wytrzymałości w praktyce, miechy są regularnie poddawane testom wytrzymałościowym co trzy miesiące. Badanie odbywa się w całkowicie automatycznej kabinie testowej z przesuwami dostosowanymi do danego typu.
Żywotność miechów to ponad 30 000 cykli pracy CO.
Operacja
Przerywacz próżniowy wykorzystuje wysoką próżnię do gaszenia łuku między parą styków. W miarę rozsuwania się styków prąd przepływa przez mniejszy obszar. Występuje gwałtowny wzrost rezystancji między stykami, a temperatura na powierzchni styku gwałtownie rośnie, aż do wystąpienia odparowania elektroda-metal. Jednocześnie pole elektryczne jest bardzo duże na małej szczelinie stykowej. Przełamanie szczeliny powoduje powstanie łuku próżniowego. Ponieważ prąd przemienny jest zmuszony do przejścia przez zero dzięki rezystancji łuku, a szczelina między stałymi i ruchomymi stykami rozszerza się, przewodząca plazma wytwarzana przez łuk odsuwa się od szczeliny i staje się nieprzewodząca. Prąd zostaje przerwany.
Styki AMF i RMF mają spiralne (lub promieniowe) rowki wycięte w czołach. Kształt styków wytwarza siły magnetyczne, które przesuwają plamkę łuku po powierzchni styków, dzięki czemu łuk nie pozostaje w jednym miejscu przez bardzo długi czas. Łuk jest równomiernie rozłożony na powierzchni styku, aby utrzymać niskie napięcie łuku i zmniejszyć erozję styków.
Proces produkcji
Elementy przerywacza próżni należy dokładnie wyczyścić przed montażem, ponieważ zanieczyszczenia mogą wydzielać gaz do bańki próżniowej. Aby zapewnić wysokie napięcie przebicia, komponenty są montowane w pomieszczeniu czystym, w którym pył jest ściśle kontrolowany.
Po wykończeniu i oczyszczeniu powierzchni metodą galwanizacji oraz wykonaniu optycznej kontroli spójności powierzchni wszystkich pojedynczych części montuje się przerywacz. Lutowanie w wysokiej próżni jest nakładane na połączenia komponentów, części są wyrównane, a przerywacze są zamocowane. Ponieważ czystość podczas montażu jest szczególnie ważna, wszystkie operacje wykonywane są w klimatyzowanych pomieszczeniach czystych. W ten sposób producent może zagwarantować stałą, wysoką jakość wyłączników i maksymalne możliwe wartości znamionowe do 100 kA zgodnie z IEC / IEEE 62271-37-013.
Podzespoły komór próżniowych były początkowo montowane i lutowane razem w piecu z atmosferą wodorową. Rurka podłączona do wnętrza przerywacza została wykorzystana do opróżnienia przerywacza za pomocą zewnętrznej pompy próżniowej, podczas gdy przerywacz był utrzymywany w temperaturze około 400 ° C (752 ° F). Od lat 70-tych XX wieku podzespoły przerywacza są montowane w wysokopróżniowym piecu do lutowania twardego w procesie połączonego lutowania i opróżniania. Dziesiątki (lub setki) butelek są przetwarzane w jednej partii przy użyciu pieca wysokopróżniowego, który podgrzewa je w temperaturze do 900 ° C i ciśnieniu 10–6 mbar. W ten sposób przerywacze spełniają wymóg jakości „ zapieczętowany na cały okres użytkowania ”. Dzięki w pełni zautomatyzowanemu procesowi produkcyjnemu, wysoką jakość można stale odtwarzać w dowolnym momencie
Następnie ocena stanu przerywaczy metodą rentgenowską służy do weryfikacji położenia i kompletności elementów wewnętrznych oraz jakości miejsc lutowania. Zapewnia wysoką jakość komór próżniowych.
Podczas formowania ostateczną wewnętrzną wytrzymałość dielektryczną przerywacza próżni ustala się przy stopniowo rosnącym napięciu, co jest weryfikowane przez następującą po tym próbę napięcia udarowego pioruna. Obie operacje są wykonywane z wyższymi wartościami niż określone w normach, jako dowód jakości komór próżniowych. Jest to warunek wstępny długiej trwałości i wysokiej dostępności.
Zapieczętowany na całe życie
Udowodniono, że ze względu na proces produkcyjny komory próżniowe są „uszczelnione na cały okres użytkowania”. Pozwala to uniknąć konieczności stosowania systemów monitorowania lub testów szczelności określonych w normie IEEE C37.100.1 w pkt 6.8.3.
Efekty przepięciowe
W pewnych okolicznościach wyłącznik próżniowy może zmusić prąd w obwodzie do zera przed naturalnym zerem (i odwróceniem prądu) w obwodzie prądu przemiennego. Jeżeli czas zadziałania przerywacza jest niekorzystny w stosunku do przebiegu napięcia przemiennego (gdy łuk gaśnie, ale styki nadal się poruszają, a jonizacja jeszcze nie rozproszyła się w przerywaczu), napięcie może przekroczyć napięcie wytrzymywane przerwy. Może to spowodować ponowne zajarzenie łuku, powodując nagłe prądy przejściowe. W każdym przypadku do systemu wprowadzane są oscylacje , które mogą spowodować znaczne przepięcie . Producenci przerywaczy próżni rozwiązują te problemy, wybierając materiały i konstrukcje styków, aby zminimalizować bieżące cięcie. Aby chronić sprzęt przed przepięciami, rozdzielnice próżniowe zwykle zawierają ograniczniki przepięć .
W dzisiejszych czasach, przy bardzo niskim przerywaniu prądu, wyłączniki próżniowe nie indukują przepięcia, które mogłoby zmniejszyć izolację od otaczającego sprzętu.