Вакуумні проти повітряних вимикачів: Основні відмінності

Низковольтні повітряні автоматичні вимикачі проти вакуумних вимикачів: структура, характеристики та застосування

Низковольтні повітряні автоматичні вимикачі, також відомі як універсальні або формовані рамні автоматичні вимикачі (MCCBs), призначені для працювання з напругою AC 380/690V та DC до 1500V, з номінальними струмами від 400A до 6300A або навіть 7500A. Ці вимикачі використовують повітря як середовище для гасіння дуги. Дуга гаситься через розтягування, розщеплення та охолодження дуговою камерою (дуговим каналом). Такі вимикачі можуть переривати струми короткого замикання 50kA, 80kA, 100kA або навіть 150kA.

Основні компоненти та функціональність

• Механізм управління: розташований на передній частині вимикача, забезпечує необхідну швидкість для розділення та замикання контактів. Швидкий рух контактів допомагає розтягувати та охолоджувати дугу, що сприяє її гасінню.

• Інтелектуальний блок відключення: монтується поруч з механізмом управління, це "мозок" низковольтного автоматичного вимикача. Він отримує сигнали струму та напруги через датчики, обчислює електричні параметри та порівнює їх з попередньо заданими налаштуваннями захисту LSIG:

• L: довготермінова затримка (захист від перевантаження)

• S: короткотермінова затримка (захист від короткого замикання)

• I: моментальне (миттєве відключення)

• G: захист від заземлення
  На основі цих налаштувань, блок відключення сигналізує механізму про відкриття вимикача при перевантаженні або короткому замиканні, забезпечуючи комплексний захист.

• Дугова камера та клеми: розташовані на задній частині, дугова камера містить контакти та дуговий канал. Нижні трифазні виходні клеми оснащені:

• Електронні датчики струму (для введення сигналів до блоку відключення)

• Електромагнітні трансформатори струму (CTs) (для забезпечення робочої енергії блоку відключення)

Механізм управління, як правило, має механічний ресурс менше 10 000 операцій.

Еволюція від повітряного до вакуумного переривання

Історично, існували середньовольтні повітряні вимикачі, але вони були громіздкими, мали обмежений розривний струм і викликали значну дугову світку (ненульова дуга), що робило їх небезпечними та непрактичними.

Замін, вакуумні вимикачі (VCBs) мають схожу загальну структуру: механізм управління на передній частині, а переривач на задній. Однак, переривач використовує вакуумний переривач (або "вакуумна колба"), який конструктивно схожий на лампу накалу — герметична скляна або керамічна оболонка, з якої відкачано повітря до високого вакууму.

У вакуумі:

• Потрібна лише невелика відстань між контактами, щоб задовольнити вимоги ізоляції та стійкості до напруги.

• Дуга швидко гаситься завдяки відсутності іонізованого середовища та ефективному розсіянню металевого пару.

Застосування вакуумних вимикачів

Вакуумні вимикачі швидко розвиваються і тепер широко використовуються в системах низької, середньої та високої напруги:

• Низковольтні VCB: як правило, номіналом 1.14kV, з номінальними струмами до 6300A та розривним струмом короткого замикання до 100kA.

• Середньовольтні VCB: найпоширеніші в діапазоні 3.6–40.5kV, з струмами до 6300A та розривним струмом до 63kA. Більше 95% середньовольтного комутаційного обладнання тепер використовує вакуумне переривання.

• Високовольтні VCB: однополюсні переривачі досягли 252kV, а 550kV вакуумні вимикачі були досягнуті через послідовне з'єднання переривачів.

Основні відмінності в конструкторському виконанні

На відміну від повітряних вимикачів, які використовують пружини контактів, вакуумні вимикачі вимагають від механізму управління:

• Забезпечити достатню швидкість відкриття та замикання

• Забезпечити достатній тиск контактів

Цей тиск контактів повинен бути достатнім навіть після зношення контактів до 3 мм, щоб надійно проводити номінальний струм та витримувати піковий короткочасний струм при аваріях.

Переваги вакуумних вимикачів

• Висока надійність та безпека

• Стійкість до навколишніх умов (пил, вологість, висота)

• Відсутність дугової світки (немає зовнішнього дугового випалювання)

• Компактні розміри та довгі інтервали технічного обслуговування

Ці переваги роблять вакуумні вимикачі ідеальними для використання в небезпечних середовищах, таких як хімічні заводи, вугільні шахти, нафтові та газові об'єкти, де важливі ризики вибухів та пожежна безпека.

Реальний випадок: порівняння продуктивності вакуумних та повітряних вимикачів при аварії

На великому хімічному заводі було встановлено два вимикача — один повітряний вимикач і один вакуумний вимикач — в однакових електричних колах і піддані одним і тим же аварійним умовам.

Електричне коло було виконано в конфігурації зв'язку, де джерела живлення по обох сторонах вимикача були несинхронізовані. Це призвело до тимчасової напруги на контактному зазорі, яка наближалася до подвоєної номінальної напруги, що призвело до відмови вимикача.

Результати:

• Повітряний вимикач:
  Постраждав повну руйнацію. Корпус вимикача розрився, а сусіднє комутаційне обладнання з обох боків було сильно пошкоджене. Потрібна була масштабна реконструкція та заміна.

• Вакуумний вимикач:
  Помилка була значно менш насильницькою. Після заміни вакуумного переривача та очищення від продуктів дугового випалювання (сажі) вимикача та відділу, комутаційне обладнання було швидко повернено до роботи.

Висновок

Вакуумні вимикачі демонструють вищу здатність до зберігання аварій, безпеку та надійність по відношенню до повітряних вимикачів, особливо при сильних тимчасових перенапругах. Їхні герметичні вакуумні переривачі запобігають розповсюдженню дуги, мінімізуючи пошкодження та простої.

У вибухонебезпечних або пожежонебезпечних середовищах, таких як хімічні заводи та вугільні шахти, бездугова робота та надійна продуктивність вакуумних вимикачів надають чітку технологічну та безпечною перевагу.