Министерство науки и высшего образования РФ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Политехнический институт Тепловые электрические станции кафедра ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №6 по Электрооборудование энергетических предприятий наименование дисциплины Изучение вакуумных выключателей тема Преподаватель А.В. Бобров подпись, дата Студент ФЭ20-01Б, №072049459 номер группы, зачетной книжки инициалы, фамилия С.Н. Невьянцев подпись, дата Красноярск 2023 инициалы, фамилия Цель работы: Изучение конструкций вакуумных выключателей Теоретические сведения Высоковольтный выключатель – это коммутационный аппарат, предназначенный для включения и отключения электрических цепей в нормальных и аварийных режимах работы электроустановки, с параметрами, не превосходящими нормированных значений для данного выключателя Вакуумные выключатели состоят из вакуумных дугогасительных камер (ВДК), приводов с приводными механизмами и схем управления. Вакуумные дугогасительные камеры являются важнейшей частью вы ключателей, определяющей их технические характеристики. Принцип действия вакуумных дугогасительных камер основан на гашении электрической дуги в вакууме при давлении остаточных газов 10-4–10-8 Па. В вакуумных дугогасительных устройствах (ДУ) реализуются два очень важных свойства вакуумных промежутков: высокая электрическая прочность (выше, чем у трансформаторного масла) и высокая дугогасительная способность. В глубоком вакууме дугогасительной камеры выключателя длина свободного пробега молекул и электронов составляет десятки и сотни метров, т.е. во много раз больше, чем расстояния между контактами выключателя. Ударная ионизация в вакуумном промежутке практически отсутствует, поэтому вакуумный промежуток не может служить источником заряженных частиц. Заряженные частицы могут появиться при определенных условиях с поверхностей контактов и других частей вакуумной камеры. Процесс отключения происходит следующим образом. При размыкании контактов (рис. 21) количество контактных точек между ними уменьшается, а плотность тока, протекающего через контактные точки, растет. В результате этого на завершающей стадии размыкания происходит расплавление и испарение материала контактов. В парах металла возникает электрический разряд, переходящий в дуговую стадию. Вследствие низкого давления в камере происходит интенсивная диффузия (деионизация) дугового столба и дуга гаснет. Частицы испарившегося материала контактов оседают на поверхностях вакуумной камеры. При этом быстро, со скоростью 5–50 кВ/мкс, восстанавливается электрическая прочность между контактами. Скорость восстановления электрической прочности в вакуумных выключателях выше, чем у других типов выключателей. В процессе изготовления камеры, чтобы удалить газ с внутренних поверхностей вакуумной камеры, последняя подвергается длительной дегазации в вакууме при температуре несколько сотен градусов Цельсия и безмасляной вакуумной откачке. В течение всего срока службы выключателя должен быть обеспечен высокий уровень вакуума. Практически дугогасительная камера должна быть абсолютно герметичной. Поэтому для соединений элементов камеры применяются только сварка или пайка твердым припоем. Герметичность камеры при перемещении подвижного контакта обеспечивается сильфоном, который вакуумно плотно связан с токовводом 5 подвижного контакта и фланцем 6 камеры. Применяются также тренирующие отключения тока. Поэтому поверхности камеры не выделяют газа в объем и, более того, отсасывают небольшие количества газа, образующиеся при горении дуги во время работы выключателя. Рисунок 1 – Упрощенное схематическое изображение частичного сечения вакуумной дугогасительной камеры, АВВ 1 – изолятор; 2 – неподвижный контакт; 3 – подвижный контакт; 4 – металлическая гармоникообразная мембрана (сильфон); 5 – экран; 6 – фидер; 7 – кожух дугогасительной камеры выключателя. Материал контактов оказывает большое влияние на характеристики выключателя. В настоящее время применяют сплавы меди и хрома или меди с небольшими количествами висмута, железа и бора. Эти сплавы отличаются более высокой электро- и теплопроводностью по сравнению с ранее применявшимися тугоплавкими материалами, например вольфрамом. При использовании тугоплавких материалов для контактов в газообразное состояние переходит меньшее количество вещества, поэтому дуговой столб распадается быстрее. Однако в этом случае, при отключении малых токов, погашение дуги возможно при токе до момента перехода тока через нуль. Происходит "срез" тока, что вызывает перенапряжение на оборудовании и может привести к нежелательным последствиям. Для предотвращения перенапряжений в отключаемой цепи в качестве материала контактов применяют сплавы меди. Для защиты изоляционных поверхностей камеры от загрязнения продуктами эрозии контактов устанавливают специальные экраны 5 (см. рис.1). Так как контакты находятся в глубоком вакууме, они не окисляются, из-за чего достигается высокая износостойкость контактов. Они работают без обслуживания в течение всего срока службы камеры. Благодаря высокой электрической прочности вакуумных промежутков ход подвижных контактов невелик, в пределах 10–20 мм. Ход контактов у маломасляных выключателей с теми же параметрами, что и у вакуумных выключателей, примерно в 10 раз больше (около 200 мм у выключателя типа ВМП–10). Ресурс вакуумных выключателей определяется работой контактной системы. При коммутациях происходит эрозия контактных поверхностей. Она тем больше, чем больше отключаемый ток, длительность горения дуги, ниже температура плавления материала контактов и хуже теплоотвод. Чтобы быстрее погасить дугу, необходима высокая скорость движения подвижного контакта при отключении и включении. Такая необходимость при включении вызвана тем, что при сближении контактов перед замыканием происходит пробой межконтактного промежутка с переходом в дугу так же, как и при отключении. При медленном сближении контактов тепловыделение увеличивается, может возникнуть оплавление контактов. По этой же причине нежелательна вибрация контактов после замыкания, так называемый дребезг контактов. Достаточно большое сжатие контактов в замкнутом состоянии устраняет дребезг и способствует уменьшению переходного электрического сопротивления. Для увеличения отключаемого тока используются различные конструкции контактов, такие, как спиральные лепестковые, "загнутый лепесток" и др. Конструкции контактов приведены на рис. 22 и 23. Спиральные лепестковые контакты имеют обычно только три или четыре прорези вследствие высокой эффективности обеспечения движения дуги в нужной плоскости; их недостатки обусловлены высокой стоимостью изготовления и плохой локализацией дуги. Доказана возможность сочетания наилучших свойств различных геометрий, дающих новый тип контакта – "загнутый лепесток". Он имеет прорези, сделанные в стенках, которые по касательной продолжаются на основании контакта, при этом достигается продвижение дуги от основания (как в спиральном лепестковом контакте) и от стенок. Кроме того, в нем сбалансированы электромагнитные поля, чтобы добиться хорошего размещения дуги на кольце контакта. Конструкция этого контакта обеспечивает адекватное перемещение дуги при наличии только трех или четырех прорезей и оказывается значительно более эффективной при отключении токов, чем все предшествующие. При использовании контакта с диаметром 35 мм имеется возможность отключать ток 20 кА. Такой контакт дешевле в изготовлении и позволил разработать ДУ, имеющие существенно меньшие габариты и стоимость Рисунок 2 – Форма контакта “загнутый лепесток” 1 – вращение сжатой дуги; 2 – путь тока На рис. 3 представлена камера типа КДВ-10-1600-20 (камера дугогасительная, вакуумная, с номинальным напряжением 10 кВ, номинальным током отключения 20 кА и номинальным током 1600А) Рисунок 3 – КДВ-0-1600-20 Рабочие контакты 1 имеют вид полых усеченных конусов с радиальными прорезями. Такая форма при размыкании создает радиальное электродинамическое усилие, действующее на возникающую дугу и заставляющее перемещаться ее через зазоры 3 на дугогасительные контакты 2. Контакты представляют собой диски, разрезанные спиральными прорезями на три сектора, по которым движется дуга. Подвод тока к контактам осуществляется с помощью медных стержней 4 и 5. Подвижный контакт крепится к верхнему фланцу 6 с помощью сильфона 7 из нержавеющей стали. Металлические экраны 8 и 9 служат для выравнивания электрического поля и для защиты керамического корпуса 10 от напыления паров металла, образующихся при гашении дуги. Экран 8 крепится к корпусу с помощью кольца 11. Поступательное движение верхнему контакту обеспечивается корпусом 12, имеющим направляющую. Ход подвижного контакта 12 мм. Дугогасительные камеры других типов принципиально не отличаются от рассмотренной выше. В зависимости от номинальных параметров могут меняться величина хода подвижного контакта, размеры контактов и токовводов, форма и количество экранов, размеры корпуса камеры. Вывод: Изучили конструкцию вакуумных выключателей
