Întrerupătoare de vid - istorie, progres, tehnologie, prezent și viitor

Introducere: De ce, de fapt, este vidul?

Vacuumul are proprietăți unice care pot fi utilizate în procesul de comutare a circuitelor electrice de înaltă tensiune. Această concluzie a fost făcută de specialiști de la Institutul de Tehnologie din California în anii 1920.

1. rezistență dielectrică - 40 kV / mm (125 kV / l / 8 țoli)
2. capacitate de rupere naturală - până la 4 kA.
3. Capacitate de rupere extinsă - peste 100kA
4. în contacte de vid rezistă mai mult de 50.000 de operațiuni la valori nominale de curent.
5. circuitul poate fi oprit la valori curente sub 0,4 A
6. Energia minimă necesară pentru efectuarea comutării. (măsurată în J)
7. vidul este sigur pentru mediu.

Istoricul întrerupătoarelor de vid

Istoric al dezvoltării: comutator de vid VGL8 la 132kV.

Poziționarea conectorului de tensiune "T" cu patru ștuțuri cu arc de vid în fiecare grup - respectiv, pentru fiecare fază este conectată o serie de 8 ștuțuri cu arc de vid.

Istoria dezvoltării: problemele anilor '60.

În același timp, odată cu dezvoltarea unor întrerupătoare de vid de înaltă tensiune, companiile de producție și-au schimbat întreruptoarele de ulei și aer cu întrerupătoarele SF6. Comutatoarele de gaz au fost mai simple și mai ieftine de operat din următoarele motive:
- utilizarea a 8 întreruptoare de vid pe fază în întreruptoarele de vid de înaltă tensiune necesită un mecanism complex pentru a asigura funcționarea simultană a 24 de contacte într-un grup.
- utilizarea întreruptoarelor de ulei existente nu a fost fezabilă din punct de vedere economic.

În întreruptoarele de vid, au fost utilizate mai întâi chutele cu arc cu vid din seria V3, iar mai târziu seria V4.
Camerele cu arc de evacuare din seria V3 au fost inițial dezvoltate pentru a fi utilizate în rețele de distribuție trifazate cu o tensiune de 12 kV. Cu toate acestea, locomotive electrice de locomotive electrice și conexiuni în "bandă de excludere" au fost utilizate cu succes în lanțuri electrice - în rețele monofazate cu o tensiune de 25 kV.

Dispozitivul comutatorului de vid:

Întrerupătorul de vid constă dintr-o cameră principală de dimensiuni de 7/8 "(22,2 mm) și un compartiment suplimentar de dimensiuni de 3/8" (9,5 mm) pentru funcționarea arcurilor de contact Performanță recomandată:
- viteza medie de închidere a camerei este de 1-2 m / sec.
- viteza medie de deschidere a camerei este de 2-3 m / sec.

Deci, ce probleme au fost rezolvate de către producătorii de întrerupătoare de vid înaltă în anii '60?

În primul rând, tensiunea de comutare a primelor întreruptoare de vid este limitată la 17,5 sau 24 kV.
În al doilea rând, tehnologiile din acea perioadă au necesitat prezența unui număr mare de jgheaburi cu arc în vid în serie. Aceasta, la rândul său, a implicat utilizarea unor mecanisme complexe.
O altă problemă a fost că producția de jgheaburi cu arc de vid în acel moment a fost proiectată pentru volume mari de vânzări. Dezvoltarea dispozitivelor de înaltă specializare nu a fost fezabilă din punct de vedere economic.

Tehnologia întrerupătoarelor de vid.

Producția de jgheaburi cu arc cu vid are loc în instalații speciale care utilizează tehnologii moderne - "cameră curată", cuptoare cu vid, etc.

Fabricarea unei camere de vid este un proces de producție extrem de tehnologic. După montaj, camera de comutare este plasată într-un cuptor cu vid în care este sigilată.

Patru puncte principale în producerea jgheaburilor cu arc de vid:

1. vid complet
2. calcularea detaliată a parametrilor electrici.
3. sistem de control al arcului
4. materialul grupurilor de contact

Patru puncte cheie în fabricarea întreruptoarelor de vid:

1. Calitatea generală ideală a ansamblului dispozitivului.
2. Calculul exact al parametrilor electromagnetici ai dispozitivului. Dacă există erori în proiectarea dispozitivului, interferența electromagnetică între deconectare este posibilă.
3. Mecanismul. Este necesar să se asigure un curs scurt al mecanismului și un nivel scăzut al consumului de energie. De exemplu, atunci când treceți la 38kV, cursa dorită a mecanismului este de 1/2 "și, în același timp, consumul de energie nu depășește 150 de jouli.
4. cusături sudate perfect sigilate.

Dispozitivul camerei clasice de arc cu jgheab.

Fotografia prezintă componentele principale ale jgheabului cu arc de vid.

Controlul arcului: un câmp magnetic radial.

Controlul arcului: câmp magnetic axial.

Procesul prin utilizarea autoinducției câmpului magnetic de-a lungul axei arcului electric nu permite arcului să se contracte și protejează tamponul de contact de supraîncălzire, redind excesul de energie. În acest caz, materialul plăcii de contact nu ar trebui să faciliteze mișcarea arcului de-a lungul suprafeței de contact. În condiții industriale este posibilă realizarea de curenți de comutare de peste 100kA.

Arcul electric în vid este materialul grupurilor de contact.

Când contactele sunt deschise într-un vid, metalul se evaporă de pe suprafețele de contact care formează un arc electric. În acest caz, proprietățile arcului variază în funcție de materialul de contact.

Parametrii recomandați ai plăcuțelor de contact:

Inițial, un aliaj de cupru și crom a fost utilizat pentru a face plăcile de contact. Acest material a fost dezvoltat și patentat de către Electric Electric în anii 1960. Pentru ziua de azi, acesta este cel mai folosit metal în producția de jgheaburi cu arc cu vid.

Principiul mecanismului.

Mecanismul întreruptoarelor de vid este proiectat astfel încât cantitatea de energie consumată pentru comutare să nu joace nici un rol - există o mișcare simplă a contactelor. O reînchidere automată tipică, pentru management, este suficient să cheltuiți energia în 150-200 Joule, spre deosebire de comutatorul principal SF6, care are nevoie de 18000-24000 Jouli pentru a implementa o comutare. Acest fapt a permis utilizarea magneților permanenți.

Principiul unității magnetice

Stadiul de odihnă Stadiul mișcării este modelul de mișcare.

Care este situația de astăzi?

Primit în ultimii patruzeci de ani de realizări științifice, a fost posibilă combinarea, pentru fabricarea unui deconectat vid, a camerelor de 38 kV și 72/84 kV într-una. Pe cât posibil, tensiunea pe un singur deconectat atinge astăzi 145 kV - astfel, un nivel ridicat de tensiune comutată și consum redus de energie permit utilizarea unor dispozitive fiabile și ieftine.

Întrerupătorul din fotografia din stânga este proiectat pentru funcționarea sub tensiune de 95kV și în fotografia din dreapta - pentru lucrul la o tensiune de 250 kV. Lungimea ambelor dispozitive este aceeași. Acest progres a fost posibil prin îmbunătățirea materialelor de la care sunt realizate suprafețele electrice ale contactelor.

Probleme care apar atunci când se folosesc întreruptoare de vid în rețele cu tensiuni mai mari:
Pentru muncă, sunt necesare dimensiuni fizice mari ale camerei de vid, ceea ce implică o reducere a productivității și o deteriorare a calității procesării camerelor.
Creșterea dimensiunilor fizice ale dispozitivului mărește cerințele pentru asigurarea etanșeității dispozitivului însuși și pentru monitorizarea procesului de producție.
Distanța lungă (mai mare de 24 mm) dintre contacte afectează posibilitatea controlului arcului printr-un câmp magnetic radial și axial și reduce funcționarea dispozitivului.
Materialele folosite pentru a face contacte pentru ziua de azi sunt proiectate pentru valori de medie tensiune. Pentru a lucra la astfel de intervale mari între contacte, este necesar să se dezvolte materiale noi.
Este necesar să se țină seama de prezența razele X.

În legătură cu ultimul punct, este necesar să notăm câteva fapte:

Când contactorul este oprit, nu există radiații cu raze X.
La valori medii de tensiune (până la 38 kV), radiația cu raze X este zero sau neglijabilă. De regulă, în tensiuni de până la 38 kV, radiația cu raze X apare numai la tensiunile de testare.
De îndată ce tensiunea din sistem crește până la 145 kV, puterea radiației X crește și există deja nevoia de a rezolva problemele de siguranță.
Întrebarea care stă acum în fața dezvoltatorilor de întrerupătoare de vid, cât de mare va fi iradierea spațiului înconjurător și cum va afecta acest lucru polimerii și electronica care sunt montate direct pe întrerupătorul propriu-zis.

Ziua zilei.

Intreruptor vid vid.

Producerea unui jgheab cu arc de vid conceput pentru a funcționa în rețele de 145 kV simplifică foarte mult producția unui comutator de vid de 300 kV. cu două puncte de rupere pe fază. Cu toate acestea, astfel de valori de înaltă tensiune, fac cerințele lor la materialul de contacte și metodele de control al arcului electric.

concluzii:
Este posibilă din punct de vedere tehnologic fabricarea și funcționarea întreruptoarelor de vid pe rețelele de până la 145 kV.
Folosind doar numai tehnologiile cunoscute de astăzi, este posibil să se întrerupă întreruptoarele de vid în rețele de până la 300-400 kV.
Până în prezent, există probleme tehnice grave care nu permit folosirea întreruptoarelor de vid în rețele de peste 400 kV în viitorul apropiat. Cu toate acestea, lucrările în această direcție sunt în curs de desfășurare, scopul acestor lucrări este producerea de jgheaburi cu arc cu vid pentru funcționarea pe rețele de până la 750 kV.
Până în prezent, nu există probleme majore atunci când se utilizează jgheaburi cu arc de vid pe liniile de trunchi. Întrerupătoarele de vid, de 30 de ani, sunt utilizate cu succes pentru transmisia curentă pe rețele de până la 132 kV.