Mezi moderními vysokonapěťovými zařízeními určenými pro spínání elektrických obvodů v energetice mají zvláštní místo vakuové vypínače. Jsou široce používány v sítích od 6 do 35 kV a méně často v obvodech 110 nebo 220 kV včetně.
Jejich jmenovitý vypínací proud může být od 20 do 40 kA a elektrodynamický odpor je asi 50÷100. Celková doba vypnutí takového zátěžového nebo poruchového spínače je asi 45 milisekund.
Každá fáze obvodu je spolehlivě oddělena izolátory a zároveň je všechna zařízení konstrukčně sestavena na jeden společný pohon. Sběrnice rozvodny jsou připojeny ke vstupním svorkám spínače a odchozí připojení – k výstupním.
Uvnitř vakuové zhášecí komory pracují silové kontakty, stlačené k sobě tak, aby byl zajištěn minimální přechodový odpor a spolehlivý průchod zátěžových i havarijních proudů.
Horní část kontaktního systému je trvale pevná a spodní část se pod působením hnací síly může pohybovat přísně v axiálním směru.
Na obrázku je vidět, že kontaktní desky jsou umístěny ve vakuové komoře a jsou poháněny tyčemi ovládanými tažnými silami pružin a cívek elektromagnetů. Celá konstrukce je umístěna uvnitř systému izolátorů, které vylučují výskyt svodových proudů.
Stěny vakuové komory jsou vyrobeny z ušlechtilých kovů, slitin a speciálních keramických kompozic, které zajišťují těsnost pracovního prostředí po několik desetiletí. Aby se zabránilo vniknutí vzduchu při pohybu pohyblivého kontaktu, je instalováno měchové zařízení.
Kotva stejnosměrného elektromagnetu je schopna se pohybovat, aby uzavřela silové kontakty nebo je přerušila v důsledku změny polarity napětí aplikovaného na vinutí. Permanentní kruhový magnet zabudovaný do konstrukce pohonu drží pohyblivou část v jakékoli aktivované poloze.
Pružinový systém zajišťuje vytvoření optimálních rychlostí pohybu kotvy při spínání, eliminaci odskoků kontaktů a možnosti poruch ve struktuře stěny.
Uvnitř skříně jističe je sestaven kinematický a elektrický obvod se synchronizační hřídelí a přídavnými pomocnými kontakty poskytující možnost sledování a ovládání polohy jističe v libovolném stavu.
Z hlediska funkčních úkolů se vakuový vypínač neliší od jiných analogů vysokonapěťových zařízení. Poskytuje:
1. spolehlivý průchod jmenovitého elektrického výkonu při dlouhodobém provozu;
2. možnost garantovaného spínání zařízení elektrotechnickým personálem v ručním nebo automatickém režimu při provozním spínání pro změnu konfigurace proudového obvodu;
3. automatické odstraňování vznikajících havárií v co nejkratším čase.
Zásadním rozdílem mezi vakuovým vypínačem je způsob zhášení elektrického oblouku, ke kterému dochází při rozpojení kontaktů během vypnutí. Pokud k tomu jeho protějšky vytvoří prostředí stlačeného vzduchu, oleje nebo SFXNUMX, pak zde funguje vakuum.
Princip zhášení oblouku v silovém obvodu
Obě kontaktní desky pracují ve vakuovém prostředí tvořeném čerpáním plynů z nádoby zhášecí komory až do 10 -6 ÷10 -8 N/cm2. To vytváří vysokou elektrickou pevnost, která se vyznačuje zlepšenými dielektrickými vlastnostmi.
Se začátkem pohybu kontaktního pohonu k odpojení se mezi nimi objeví mezera, která okamžitě obsahuje vakuum. Uvnitř začíná proces odpařování zahřátého kovu kontaktních podložek. Těmito páry dále protéká zátěžový proud. Iniciuje vznik dalších elektrických výbojů, které ve vakuovém prostředí vytvářejí oblouk, který se dále vyvíjí v důsledku odpařování a odlučování kovových par.
Působením aplikovaného rozdílu potenciálu se vytvořené ionty pohybují v určitém směru a vytvářejí plazma.
V jeho prostředí pokračuje tok elektrického proudu, probíhá další ionizace.
Vzhledem k tomu, že spínač pracuje se střídavým elektrickým proudem, jeho směr se během každého půlcyklu obrátí. Když sinusoida prochází nulou, neprotéká žádný proud. Díky tomu oblouk náhle zhasne a přeruší se a vyřazené kovové ionty přestanou být emitovány a během 7÷10 mikrosekund se zcela usadí na nejbližších kontaktních plochách nebo jiných částech zhášecí komory.
V tomto okamžiku se téměř okamžitě obnoví elektrická pevnost mezery mezi silovými kontakty naplněné vakuem, což zajišťuje konečné odpojení zátěžového proudu. V dalším půlcyklu sinusoidy již nemůže dojít k elektrickému oblouku.
K zastavení působení elektrického oblouku ve vakuovém prostředí tedy při rozepnutí silových kontaktů stačí, aby střídavý proud změnil svůj směr.
Technologické vlastnosti různých modelů
Návrhy vakuových vypínačů jsou vytvořeny pro dlouhodobý provoz na volném prostranství nebo v uzavřených konstrukcích. Zařízení pro venkovní instalaci jsou vyrobena z masivních odlitků vyrobených s izolací z organokřemičitých materiálů, pro vnitřní provoz jsou použity lité epoxidové směsi.
Vakuové komory jsou z výroby odnímatelné, optimálně konfigurované pro instalaci do lisovaného pouzdra. Uvnitř jsou již umístěny silové kontakty ze speciálních druhů legovaných slitin. Díky použitému principu činnosti a konstrukce zajišťují měkké zhášení elektrického oblouku, vylučují možnost přepětí v obvodu.
Univerzální elektromagnetický pohon se používá ve všech provedeních vakuových vypínačů. Udržuje silové kontakty v sepnutém nebo rozpojeném stavu díky energii silných magnetů.
Spínání a fixace kontaktního systému se provádí polohou „magnetické západky“, která spíná obvod magnetu pro opětovné připojení nebo vypnutí pohyblivé kotvy. Vestavěné pružinové prvky umožňují ruční spínání elektrotechnickým personálem.
Pro ovládání činnosti vakuového vypínače se používají standardní reléové obvody nebo elektronické, mikroprocesorové jednotky, které mohou být umístěny přímo v pouzdře pohonu nebo vyrobené vzdálenými zařízeními v samostatných skříních, blocích nebo panelech.
Výhody a nevýhody vakuových vypínačů
Mezi výhody patří:
relativní jednoduchost designu;
snížená spotřeba energie pro spínací operace;
snadná oprava, která spočívá v možnosti výměny bloku vadné zhášecí komory;
schopnost spínače pracovat v jakékoli orientaci v prostoru;
zvýšená odolnost vůči spínací zátěži;
odolnost proti ohni a výbuchům;
tichý chod při přepínání;
vysoká šetrnost k životnímu prostředí, s výjimkou znečištění ovzduší.
Nevýhody návrhů jsou:
relativně nízké přípustné proudy jmenovitých a nouzových režimů;
výskyt spínacích rázů při výpadcích nízkého indukčního proudu;
snížený zdroj zhášecího zařízení oblouku ve vztahu k eliminaci zkratových proudů.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!
Moderní energetika pracuje s obrovskými energetickými toky přenášenými přes vysokonapěťové elektrické vedení. Energie transportovaná v provozním režimu dráty venkovního vedení 330 kV, znázorněného na obrázku vlevo, je počítána na výkon několika gigawattů. (1GW=1000MW=109 wattů).
Výkon moderní dieselové lokomotivy táhnoucí vlak na pravém obrázku je asi 6 tisíc koňských sil neboli 4,4 megawattu, což je 1000krát méně než hodnota elektřiny přenášené nadzemním elektrickým vedením.
V praxi poměrně často nastávají situace, kdy je nutné oba tyto procesy zastavit: vypnout tok elektřiny nebo náhle zastavit vlak. To je docela obtížné. Pohybovou energii jedoucího vlaku bude potřeba uhasit přibrzděním všech kol na kolejích nebo vytvořením silné překážky na trati, například v podobě protijedoucího vlaku.
Jinými slovy, k rychlému zastavení lokomotivy budete muset vypnout její motor a použít výkon namířený proti setrvačnému pohybu, ale ekvivalentní co do velikosti.
Podobné procesy probíhají v energetickém sektoru. Pouze při přenosu elektřiny se pohybují nabité částice – elektrony, které přenášejí energii po proudových vodičích: drátech elektrického vedení. Pro zastavení toku elektrického proudu se v elektrickém obvodu vytvoří přerušení. Zároveň ale nadále působí mocné setrvačné síly, jejichž energii je třeba vzdorovat.
Faktem je, že není možné okamžitě vypnout elektrický obvod a odstranit jeho kontakty do bezpečné vzdálenosti, a to ani během silné exploze. Ve chvíli, kdy se okruh otevře, proud elektronů se dále pohybuje setrvačností, stejně jako vlak.
Elektrické procesy probíhající ve spínači
Speciální technické konstrukce, nazývané zátěžové spínače, jsou navrženy tak, aby zastavily setrvačné síly elektrického pole, omezily a odstranily tok proudu. Zjednodušené fáze provozu takového spínače jsou znázorněny na obrázku.
Když je spínač zapnutý (obrázek 1), protéká jím proud.
Jakmile se kontakty začnou oddělovat (obrázek 2), objeví se mezi nimi elektrický oblouk. Důvody jeho vzniku nesouvisejí pouze se setrvačnými silami, ale také s uvolňováním značného množství tepla, ke kterému dochází při přerušení obvodu v důsledku prudkého zvýšení odporu vypínací sekce. Zvýšená teplota aktivuje pohyb elektronů a usnadňuje jejich průchod výslednou mezerou.
Elektrony urychlené v elektrickém poli kovu padají do přicházejících atomů vzduchu a předávají jim svou kinetickou energii. V tomto případě dochází k rozdělení neutrálních atomů vzduchu na kladné a záporné ionty, které se pod vlivem potenciálu aplikovaného na síť začnou pohybovat a tvoří ionizační kanál.
Tímto způsobem se vytvoří obloukový válec a molekuly vzduchu přejdou do stavu zahřátého plazmatu, který vede proud.
Se zvětšující se vzdáleností na oddělených kontaktech (obr. 3) se oblouk natahuje a jeho teplota vlivem odvodu tepla do okolí a začátku zpětných deionizačních procesů klesá.
V konečné poloze přepínače (obrázek 4) se elektrický oblouk přeruší a proud se zastaví.
Uvedené příklady pouze přibližně vysvětlují principy a provozní fáze spínače zátěže. Ve skutečnosti procesy v něm popisují složitější technologie.
K uhašení oblouku vysokonapěťového výboje se nejčastěji používá jeho umístění do inertního prostředí, které má izolační vlastnosti. Tím se prudce omezí nárůst ionizační vrstvy a zabrání se intenzitě tvorby oblouku. Jako izolační látky se používají:
fluorid sírový (plyn SFXNUMX).
Takové konstrukce se nacházejí ve vysokonapěťových zařízeních do 220 kV včetně, ačkoli existují modely určené pro vyšší napětí.
Jejich silové kontakty pracují ve speciálním médiu oleje s dielektrickými vlastnostmi. Když se okruh otevře, výsledný oblouk vytvoří intenzivní odpařování oleje, čímž se kolem výboje vytvoří bublina plynu (uvolněný vodík a olejové páry).
V pracovní oblasti začíná proces rychlého pronikání a míchání studených a horkých plynů do hřídele elektrického oblouku, což vyvolává proces deionizace výsledné mezery.
Rychlé uvolnění plynu vede ke zvýšení tlaku uvnitř pracovní oblasti nádrže s kontakty, což také působí proti rozvoji oblouku a snižuje jeho intenzitu.
Pro zvýšení účinnosti eliminace oblouku se používají zhášecí komory, fungující na principech:
nucené zvýšení tlaku;
vystavení silovému magnetickému poli.
Pracují v obvodech vysokonapěťových zařízení 110 kV a více a jsou klasifikovány jako zařízení životního prostředí.
Stlačený vzduch produkovaný kompresorovými stanicemi v místě instalace jističů je přiváděn potrubím do jejich vzdušníků, jejichž tlak je neustále monitorován.
Oblouk, který vzniká při odstávkách, je eliminován působením vysokého tlaku v pracovní dutině a sražením v důsledku foukání. Stlačený vzduch u těchto typů spínačů se navíc používá k ovládání pohonů.
Konstrukce vzduchových jističů jsou vytvořeny s různými:
způsoby vytváření mezikontaktního izolačního intervalu ve vypnuté poloze;
zařízení pro vhánění vzduchu do kanálů pro zhášení oblouku;
množství bočníkových prvků.
V energetice pracují vysavače ve vysokonapěťových zařízeních do 110 kV včetně.
Princip zhášení oblouku je založen na využití dielektrických vlastností vysoce zředěného plynu, čerpaného z pracovních dutin vypínače pomocí speciálních konstrukcí vakuových instalací. Jakmile se silové kontakty začnou oddělovat, vakuum okamžitě vyplní prostor mezi nimi. Jakmile první harmonická sinusoidy proudu projde nulovou polohou, oblouk ustane a zátěžový spínač zcela zastaví tok elektřiny.
Vakuové konstrukce jsou stále oblíbenější díky spolehlivosti jejich provozu.
Tato zařízení fungují na principech vzduchových jističů, avšak s náhradou stlačeného vzduchu plynem SFXNUMX, který má lepší izolační vlastnosti a elektrickou pevnost. Jsou široce používány pro téměř celou napěťovou třídu vysokonapěťových zařízení.
Doba provozu jističe závisí na konstrukci jeho pohonu a druhu energie použité k vypínání.
Spínače mohou využívat energii:
tlak stlačeného plynu nebo vzduchu;
nebo jejich kombinace.
Moderní spínače se zcela vypnou (odstraní napětí z obvodu) asi za 0,04 sekundy od okamžiku, kdy dostanou povel do pohonu.
Způsoby ovládání odpínače zátěže
Výše popsané konstrukce energetických zařízení přepínají výkonné toky elektřiny, ale nemohou nezávisle určovat časový okamžik a pořadí přepínacích operací. K těmto účelům slouží speciální automatizační zařízení, která mají:
měřicí prvky elektrických parametrů řízené sítě;
logická zařízení, která zpracovávají informace, které přijímají z měřicích orgánů;
manuální a automatické ovládání z lokálních konzolí nebo na dálku.
Měřicí transformátory proudu s třídou přesnosti 0,5 a vyšší neustále sledují velikost a úhel vektoru proudu v každé fázi obvodu.
Regulace napětí se provádí měřením VT se stejnými charakteristikami metrologické přesnosti.
CT a VT převádějí primární veličiny na sekundární vektory s hodnotami jmenovitého proudu 1 nebo 5 ampér a napětím 100 voltů pro lineární veličiny (u fázových jsou redukovány 1,73krát).
Tyto proudové a napěťové vektory jsou přenášeny do měřicích přístrojů (ampérmetry, voltmetry, wattmetry, měřiče, kleště, zapisovače, zapisovače atd.) a do obvodů ochran vedení a spínačů ke sledování stavu parametrů procházející elektřiny.
Výkonový vysokonapěťový spínač zátěže, který je připojen k automatizaci s řídicími, ochrannými a blokovacími obvody, se nazývá jistič.
Elektrikáři jej mohou ovládat z místních konzol umístěných v blízkosti spínače a na dálku různými způsoby.
Místní ovládání je určeno pro nastavování pracovních částí, kontrolu fungování systémů při nastavování a pravidelnou údržbu opravárenským personálem na zařízení, které je mimo provoz.
Spínání vysokonapěťového jističe pod napětím provádí obsluha pouze dálkově.
Následující mohou fungovat jako ochrany pro jistič a jeho vedení, odvádějící napětí z chráněného prostoru v případě nouzových procesů v něm:
diferenciální fázová ochrana, která má vysokou rychlost a reaguje na všechny typy poškození bez časového zpoždění;
přerušení proudu reagující na mezifázové poruchy bez časových zpoždění;
vzdálená vícestupňová ochrana, která reaguje na mezifázové poruchy;
směrová vícestupňová netočivá proudová ochrana, reagující na dvoufázové a jednofázové zemní poruchy;
celková ochrana proti režimu otevřené fáze;
individuální ochrana proti nepřepínání fází;
automatické zrychlení ochrany při přivedení napětí na vedení;
provozní zrychlení záložních ochran a mnoha dalších zařízení.
Automatizační prostředky působící na vysokonapěťový jistič mohou zahrnovat:
Zařízení OAPV – jednofázový automatický restart, který samostatně detekuje poškozenou fázi a na nastavenou dobu ji vypne a poté znovu zapne, řídí obnovení parametrů linky. V případě neúspěšné aktivace poškozené fáze je vyslán povel k ovládání třífázového automatického opětovného uzavření;
Zařízení TAVR uvedena do provozu při třífázové odstávce.
Stav vysokonapěťového spínače je neustále monitorován poplašným obvodem, který je připojen k přídavným blokovým kontaktům KSA, které prostřednictvím pákového systému opakují činnosti silových kontaktů. Rozsvěcují výstražná světla a světelné displeje, aby poskytovaly informace provozním pracovníkům.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!
