Công tắc điện áp cao: phân loại, thiết bị, nguyên lý hoạt động
Các yêu cầu đối với các công tắc như sau:
1) độ tin cậy trong công việc và an toàn cho người khác;
2) phản ứng nhanh — có thể là thời gian tắt máy ngắn;
3) dễ bảo trì;
4) dễ cài đặt;
5) hoạt động im lặng;
6) chi phí tương đối thấp.
Các bộ ngắt mạch hiện đang được sử dụng đáp ứng các yêu cầu được liệt kê ở mức độ lớn hơn hoặc thấp hơn. Tuy nhiên, các nhà thiết kế bộ ngắt mạch cố gắng kết hợp tốt hơn các đặc tính của bộ ngắt mạch với các yêu cầu trên.
Công tắc dầu
Có hai loại công tắc dầu - dầu dự trữ và dầu thấp. Các phương pháp khử ion không gian vòng cung trong các phím này là như nhau. Sự khác biệt duy nhất là ở lớp cách nhiệt của hệ thống tiếp xúc với đế và lượng dầu.
Cho đến gần đây, xe tăng cho các loại xe tăng sau đây đã hoạt động: VM-35, S-35, cũng như các công tắc dòng U có điện áp từ 35 đến 220 kV. Công tắc xe tăng được thiết kế để gắn bên ngoài, hiện không được sản xuất.
Những nhược điểm chính của công tắc xe tăng: nổ và cháy; sự cần thiết phải theo dõi định kỳ tình trạng và mức dầu trong bể và đầu vào; một khối lượng dầu lớn, dẫn đến đầu tư nhiều thời gian để thay thế, cần có trữ lượng dầu lớn; không thích hợp để lắp đặt trong nhà.
Công tắc dầu thấp
Công tắc ít dầu (loại nồi) được sử dụng rộng rãi trong thiết bị đóng cắt và mở tất cả các điện áp. Dầu trong các công tắc này chủ yếu dùng làm môi trường phóng điện hồ quang và chỉ một phần làm chất cách điện giữa các tiếp điểm hở.
Việc cách ly các bộ phận mang điện với nhau và với các kết cấu nối đất được thực hiện bằng sứ hoặc vật liệu cách điện rắn khác. Các tiếp điểm của công tắc để gắn bên trong được đặt trong một thùng thép (nồi), đó là lý do tại sao tên của công tắc "loại nồi" vẫn được giữ lại.
Máy cắt ít dầu điện áp 35 kV trở lên có thân bằng sứ. Được sử dụng rộng rãi nhất là các mặt dây chuyền loại 6-10 kV (VMG-10, VMP-10). Trong các bộ ngắt mạch này, phần thân được cố định trên chất cách điện bằng sứ vào một khung chung cho ba cực. Mỗi cực có một điểm ngắt tiếp điểm và một máng hồ quang.
Sơ đồ thiết kế của công tắc ít dầu 1 — tiếp điểm di động; 2 — máng vòng cung; 3 — tiếp điểm cố định; 4 — tiếp điểm làm việc
Ở dòng định mức cao, rất khó để vận hành với một cặp tiếp điểm (đóng vai trò là tiếp điểm vận hành và tiếp điểm hồ quang), do đó, các tiếp điểm vận hành được cung cấp bên ngoài cầu dao và các tiếp điểm hồ quang nằm trong thùng kim loại. Ở dòng điện đánh thủng cao, có hai lần ngắt hồ quang cho mỗi cực. Theo sơ đồ này, các công tắc của sê-ri MGG và MG được chế tạo cho điện áp lên đến và bao gồm 20 kV.Các tiếp điểm vận hành lớn bên ngoài 4 cho phép bộ ngắt mạch được thiết kế cho dòng điện định mức cao (lên đến 9500 A). Đối với điện áp từ 35 kV trở lên, thân công tắc được làm bằng sứ, dòng VMK là công tắc cột ít dầu). Trong các bộ ngắt mạch tự động 35, 110 kV, một lần ngắt trên mỗi cực được cung cấp, ở điện áp cao - hai hoặc nhiều lần ngắt.
Nhược điểm của công tắc ít dầu: nguy cơ cháy nổ, mặc dù ít hơn nhiều so với công tắc thùng; không có khả năng thực hiện đóng cửa tự động tốc độ cao; nhu cầu kiểm soát định kỳ, đổ đầy, thay dầu tương đối thường xuyên trong bể hồ quang; khó khăn trong việc lắp đặt máy biến dòng tích hợp; khả năng phá vỡ tương đối thấp.
Lĩnh vực ứng dụng của máy cắt ít dầu là thiết bị đóng cắt của các nhà máy điện và trạm biến áp 6, 10, 20, 35 và 110 kV, thiết bị đóng cắt hoàn chỉnh 6, 10 và 35 kV và thiết bị đóng cắt hở 35 và 110 kV.
Xem tại đây để biết thêm chi tiết: Các loại công tắc dầu
công tắc không khí
Máy cắt không khí cho điện áp từ 35 kV trở lên được thiết kế để ngắt dòng điện ngắn mạch lớn. Không khí được bật điện áp 15 kV được sử dụng trong các nhà máy điện làm máy phát điện. Ưu điểm của chúng: phản ứng nhanh, khả năng ngắt cao, tiếp điểm bị cháy không đáng kể, thiếu ống lót đắt tiền và không đủ tin cậy, an toàn cháy nổ, trọng lượng nhẹ hơn so với công tắc dầu trong thùng. Nhược điểm: sự hiện diện của nền kinh tế không khí cồng kềnh, nguy cơ nổ, thiếu máy biến dòng tích hợp, sự phức tạp của thiết bị và hoạt động.
Trong công tắc không khí, hồ quang được dập tắt bằng khí nén ở áp suất 2-4 MPa, và lớp cách điện của các bộ phận mang điện và thiết bị dập hồ quang được làm bằng sứ hoặc vật liệu cách điện rắn khác. Các sơ đồ thiết kế của công tắc khí là khác nhau và phụ thuộc vào định mức điện áp của chúng, phương pháp tạo khoảng cách cách điện giữa các tiếp điểm ở vị trí tắt và phương pháp cung cấp khí nén cho thiết bị dập hồ quang.
Bộ ngắt mạch được đánh giá cao có mạch chính và mạch hồ quang tương tự như bộ ngắt mạch MG và MGG ít dầu. Phần chính của dòng điện ở vị trí đóng của công tắc đi qua các tiếp điểm chính 4, được đặt ở vị trí mở. Khi tắt công tắc, đầu tiên các tiếp điểm chính mở ra, sau đó toàn bộ dòng điện đi qua các tiếp điểm hồ quang đóng trong buồng 2. Trong khi các tiếp điểm này mở, khí nén từ bình 1 được đưa vào buồng, tạo ra một vụ nổ mạnh, dập tắt Vòng cung. Thổi có thể là dọc hoặc ngang.
Khe hở cách điện cần thiết giữa các tiếp điểm ở vị trí mở được tạo ra trong máng hồ quang bằng cách tách các tiếp điểm ra một khoảng vừa đủ. Công tắc được chế tạo theo dự án với dải phân cách hở được sản xuất để lắp đặt trong nhà cho điện áp 15 và 20 kV và dòng điện lên đến 20.000 A (sê-ri VVG). Với loại công tắc này, sau khi ngắt kết nối dải phân cách 5, việc cung cấp khí nén cho các buồng bị dừng và các tiếp điểm hồ quang được đóng lại.
Sơ đồ cấu tạo của công tắc khí 1 — bình chứa khí nén; 2 — máng vòng cung; 3 — điện trở shunt; 4 — danh bạ chính; 5 — dải phân cách; 6 - bộ phân áp điện dung cho 110 kV - hai lần ngắt trên mỗi pha (d)
Trong các máy cắt không khí để lắp đặt mở cho điện áp 35 kV (VV-35), chỉ cần ngắt một pha trên mỗi pha là đủ.
Trong các công tắc có điện áp từ 110 kV trở lên, sau khi dập tắt hồ quang, các tiếp điểm của bộ tách 5 mở ra và buồng tách luôn chứa đầy khí nén ở vị trí tắt. Trong trường hợp này, khí nén không được cung cấp cho máng hồ quang và các tiếp điểm trong đó được đóng lại.
Bộ ngắt mạch của sê-ri VV cho điện áp lên đến 500 kV được tạo ra theo sơ đồ thiết kế này. Điện áp định mức càng cao và công suất giới hạn càng cao thì càng phải có nhiều lần gián đoạn trong máng hồ quang và trong bộ phân tách.
Bộ ngắt mạch chứa đầy không khí của sê-ri VVB được chế tạo theo sơ đồ thiết kế trong Hình D. Điện áp của mô-đun VVB là 110 kV ở áp suất khí nén trong buồng chữa cháy là 2 MPa. Điện áp định mức của mô-đun bộ ngắt mạch VVBK (mô-đun lớn) là 220 kV và áp suất không khí trong buồng chữa cháy là 4 MPa. Bộ ngắt mạch của sê-ri VNV có sơ đồ thiết kế tương tự: mô-đun có điện áp 220 kV ở áp suất 4 MPa.
Đối với bộ ngắt mạch của sê-ri VVB, số lượng máng hồ quang (mô-đun) phụ thuộc vào điện áp (110 kV - một; 220 kV - hai; 330 kV - bốn; 500 kV - sáu; 750 kV - tám) và lớn các mô-đun bộ ngắt mạch (VVBK, VNV), các mô-đun có số lượng ít hơn hai lần tương ứng.
Cầu dao SF6
Khí SF6 (SF6—sulfur hexafluoride) là khí trơ có tỷ trọng lớn gấp 5 lần tỷ trọng của không khí. Độ bền điện của khí SF6 cao gấp 2-3 lần độ bền của không khí; ở áp suất 0,2 MPa, độ bền điện môi của khí SF6 tương đương với dầu mỏ.
Trong khí SF6 ở áp suất khí quyển có thể dập tắt hồ quang với dòng điện lớn gấp 100 lần dòng điện ngắt trong không khí ở cùng điều kiện. Khả năng đặc biệt của khí SF6 để dập tắt hồ quang được giải thích là do các phân tử của nó thu giữ các electron của cột hồ quang và tạo thành các ion âm tương đối bất động. Sự mất điện tử làm cho hồ quang không ổn định và dễ bị dập tắt. Trong dòng khí SF6, nghĩa là trong quá trình phun khí, sự hấp thụ các electron từ cột hồ quang thậm chí còn mạnh hơn.
Bộ ngắt mạch SF6 sử dụng các thiết bị dập hồ quang tự động bằng khí nén (tự động nén) trong đó khí được nén bởi một thiết bị pít-tông trong quá trình ngắt và hướng vào khu vực hồ quang. Cầu dao SF6 là một hệ thống kín, không thải khí ra bên ngoài.
Hiện tại, bộ ngắt mạch SF6 được sử dụng cho tất cả các loại điện áp (6-750 kV) ở áp suất 0,15 — 0,6 MPa. Áp suất tăng được sử dụng cho các công tắc có cấp điện áp cao hơn. Bộ ngắt mạch SF6 của các công ty nước ngoài sau đây đã chứng tỏ khả năng của mình: ALSTOM; SIEMENS; Merlin Guerin và những người khác. Việc sản xuất các bộ ngắt mạch SF6 hiện đại của PO «Uralelectrotyazmash» đã được làm chủ: bộ ngắt mạch xe tăng thuộc sê-ri VEB, VGB và công tắc cột thuộc sê-ri VGT, VGU.
Ví dụ, hãy xem xét thiết kế máy cắt LF 6-10 kV của Merlin Gerin.
Mô hình bộ ngắt mạch cơ bản bao gồm các phần tử sau:
- thân của áptômát, trong đó có cả ba cực, đại diện cho một "bình chịu áp lực", chứa đầy khí SF6 ở áp suất dư thấp (0,15 MPa hoặc 1,5 atm);
- truyền động cơ khí kiểu RI;
- bảng điều khiển phía trước của bộ truyền động với tay cầm tải lò xo bằng tay và các chỉ báo trạng thái lò xo và bộ ngắt mạch;
- miếng đệm tiếp xúc để cung cấp điện áp cao;
- đầu nối nhiều chân để kết nối các mạch chuyển mạch thứ cấp.
Bộ ngắt mạch chân không
Độ bền điện môi của chân không cao hơn đáng kể so với các phương tiện khác được sử dụng trong bộ ngắt mạch. Điều này được giải thích là do sự gia tăng quãng đường tự do trung bình của các electron, nguyên tử, ion và phân tử khi áp suất giảm. Trong chân không, đường đi tự do trung bình của các hạt vượt quá kích thước của buồng chân không.
Độ bền điện môi phục hồi khe hở 1/4" sau 1600 Dòng điện bị cắt trong chân không và các loại khí khác nhau ở áp suất khí quyển
Trong những điều kiện này, các tác động của hạt lên thành buồng xảy ra thường xuyên hơn nhiều so với va chạm giữa các hạt. Hình vẽ cho thấy sự phụ thuộc của điện áp đánh thủng của chân không và không khí vào khoảng cách giữa các điện cực có đường kính 3/8 « vonfram. Với cường độ điện môi cao như vậy, khoảng cách giữa các tiếp điểm có thể rất nhỏ (2 - 2,5 cm ), do đó kích thước buồng cũng có thể tương đối nhỏ...
Quá trình khôi phục độ bền điện của khe hở giữa các tiếp điểm khi ngắt dòng điện xảy ra trong chân không nhanh hơn nhiều so với trong khí Mức chân không (áp suất khí dư) trong ống dẫn hồ quang công nghiệp hiện đại thường là Pa. Theo lý thuyết về độ bền điện của khí, các đặc tính cách điện cần thiết của khe hở chân không cũng đạt được ở mức chân không thấp hơn (theo thứ tự Pa), nhưng đối với trình độ công nghệ chân không hiện tại, việc tạo ra và duy trì Mức Pa trong suốt vòng đời của buồng chân không không phải là vấn đề.Điều này cung cấp cho các buồng chân không dự trữ cường độ điện cho toàn bộ thời gian sử dụng (20-30 năm).
Một thiết kế bộ ngắt mạch chân không điển hình được thể hiện trong hình.
Sơ đồ khối của máy cắt chân không
Thiết kế của buồng chân không bao gồm một cặp tiếp điểm (4; 5), một trong số đó có thể di chuyển được (5), được bao bọc trong lớp vỏ kín chân không được hàn bằng chất cách điện bằng gốm hoặc thủy tinh (3; 7), kim loại trên và dưới nắp (2; 8) ) và tấm chắn kim loại (6). Chuyển động của tiếp điểm di động so với tiếp điểm cố định được đảm bảo bằng ống lót (9). Cáp camera (1; 10) được sử dụng để kết nối nó với mạch công tắc chính.
Cần lưu ý rằng chỉ các kim loại chịu chân không đặc biệt được tinh chế từ khí hòa tan, đồng và hợp kim đặc biệt, cũng như gốm đặc biệt mới được sử dụng để sản xuất vỏ buồng chân không. Các điểm tiếp xúc của buồng chân không được làm bằng hợp chất kim loại-gốm (theo quy định, đó là đồng-crôm theo tỷ lệ 50% -50% hoặc 70% -30%), mang lại khả năng phá vỡ cao, khả năng chống mài mòn và ngăn chặn sự xuất hiện của các điểm hàn trên bề mặt tiếp xúc. Chất cách điện gốm hình trụ, cùng với khe hở chân không ở các tiếp điểm hở, giúp cách ly giữa các đầu cuối của buồng khi tắt công tắc.
Tavrida-electric đã cho ra mắt thiết bị ngắt mạch chân không thiết kế mới với khóa từ. Thiết kế của nó dựa trên nguyên tắc căn chỉnh nam châm điện dẫn động và bộ ngắt chân không ở mỗi cực của bộ ngắt.
Công tắc đóng theo trình tự sau.
Ở trạng thái ban đầu, các tiếp điểm của buồng ngắt chân không được mở do tác động của lò xo đóng 7 lên chúng thông qua chất cách điện kéo 5. Khi đặt một điện áp có cực dương vào cuộn dây 9 của nam châm điện, từ thông sẽ xuất hiện. tích tụ trong khe hở của hệ thống từ tính.
Tại thời điểm lực nén của phần ứng do từ thông tạo ra vượt quá lực của lò xo dừng 7, phần ứng 11 của nam châm điện, cùng với chất cách điện kéo 5 và tiếp điểm động 3 của buồng chân không, bắt đầu chuyển động lên, nén lò xo để dừng lại. Trong trường hợp này, một EMF động cơ xảy ra trong cuộn dây, điều này ngăn cản sự gia tăng thêm dòng điện và thậm chí làm giảm phần nào dòng điện.
Trong quá trình chuyển động, phần ứng tăng tốc độ khoảng 1 m / s, giúp tránh hư hỏng sơ bộ khi bật và loại bỏ hiện tượng nảy của các tiếp điểm VDK. Khi các tiếp điểm của buồng chân không được đóng lại, một khe hở nén bổ sung là 2 mm vẫn còn trong hệ thống từ tính. Tốc độ của phần ứng giảm mạnh do nó còn phải thắng lực lò xo của tải trước bổ sung của tiếp điểm 6. Tuy nhiên, dưới tác dụng của lực do từ thông và quán tính tạo ra, phần ứng 11 tiếp tục chuyển động lên, nén lò xo cho điểm dừng 7 và một lò xo bổ sung cho tiếp điểm tải trước 6.
Tại thời điểm đóng hệ thống từ, phần ứng tiếp xúc với nắp trên của ổ 8 và dừng lại. Sau quá trình đóng, dòng điện đến cuộn dây truyền động bị tắt. Công tắc vẫn ở vị trí đóng do cảm ứng dư được tạo ra bởi vòng nam châm vĩnh cửu 10, giữ phần ứng 11 ở vị trí kéo lên nắp trên 8 mà không cần cung cấp thêm dòng điện.
Để mở công tắc, phải đặt một điện áp âm vào các cực của cuộn dây.
Hiện nay, máy cắt chân không đã trở thành thiết bị thống trị mạng điện có điện áp 6-36 kV. Do đó, tỷ lệ máy cắt chân không trong tổng số thiết bị được sản xuất ở Châu Âu và Hoa Kỳ đạt 70%, ở Nhật Bản - 100%. Ở Nga, trong những năm gần đây, tỷ lệ này có xu hướng tăng liên tục và vào năm 1997, nó đã vượt mốc 50%. Những ưu điểm chính của chất nổ (so với công tắc dầu khí) quyết định sự tăng trưởng thị phần của chúng là:
- độ tin cậy cao hơn;
- chi phí bảo trì thấp hơn.
Xem thêm: Cầu dao chân không điện áp cao — Thiết kế và nguyên lý hoạt động