Что такое вакуумный выключатель (VCB) и как он работает?

Стандартный справочник: МЭК 62271-100, IEEE C37.04

1. Введение – Почему вакуумные выключатели важны в современных энергетических системах

В быстро развивающейся сфере распределения электроэнергии среднего напряжения (СН) философия “установил и забыл” стала золотым стандартом для коммутационного оборудования. По мере перехода энергосистем от централизованного производства электроэнергии к сложным децентрализованным сетям, интегрированным с возобновляемыми источниками энергии, требования к коммутационному оборудованию изменились. Больше не достаточно просто прерывать неисправность; современные выключатели должны выдерживать частые операции переключения, выдерживать суровые условия окружающей среды и минимизировать эксплуатационные расходы (OPEX).

В этом контексте вакуумный выключатель (VCB) решительно выиграла технологическую битву за уровни напряжения между 12 кВ и 40,5 кВ. Заменив несколько десятилетий назад масляные и минимальные масляные выключатели, VCB в настоящее время систематически заменяют технологию SF₆ (гексафторид серы), что обусловлено как превосходными техническими характеристиками, так и строгими экологическими требованиями в отношении парниковых газов.

Для инженеров-электриков, руководителей заводов и подрядчиков EPC поверхностного понимания VCB недостаточно. Для правильного подбора оборудования для сталелитейного завода с высоким рабочим циклом, критически важного центра обработки данных или удаленной подстанции на горнодобывающем предприятии необходимо глубокое понимание внутренней физики VCB, его теплового поведения и диэлектрических ограничений. В этом руководстве представлена информация инженерного уровня.

2. Что такое вакуумный выключатель?

Вакуумный выключатель — это средне- или высоковольтное коммутационное устройство, в котором основная функция — прерывание тока — осуществляется внутри герметично закрытой камеры, известной как Вакуумный выключатель (VI). Термин “вакуум” обычно относится к уровню давления ниже $10^{-4}$ Па ($10^{-6}$ мбар).

Чтобы действительно определить VCB с инженерной точки зрения, мы должны рассмотреть физика дуги. В других технологиях дуга представляет собой ионизированный газ (плазму), образующийся из окружающей среды (пары масла, воздух или SF₆). В вакуумном выключателе окружающего газа нет. Дуга представляет собой чисто плазма металлических паров, образующийся в результате испарения самого контактного материала в момент отделения.

Определение по техническому контрасту

Понимание того, что такое VCB является требует понимания того, что это не является. См. наше подробное сравнение на Вакуумный контактор против вакуумного выключателя для нюансов выбора панели, но в целом:

• vs. Масляные выключатели (OCB): OCB используют энергию дуги для испарения масла, создавая водородный пузырь для охлаждения дуги. Этот процесс происходит медленно, создает огромную опасность возгорания и оставляет обугленные остатки, что требует частой замены масла. VCB полностью устраняют эти риски.
• vs. Воздушные автоматические выключатели (ACB): ACB используют дуговые желоба для удлинения и охлаждения дуги в атмосферном воздухе. Для работы с напряжением 12 кВ ACB требуются большие зазоры и магнитные разрядные катушки, что делает их физически непригодными для современных компактных распределительных устройств.
• по сравнению с выключателями SF₆: SF₆ — это электроотрицательный газ, который улавливает свободные электроны для тушения дуги. Несмотря на свою эффективность, SF₆ является мощным парниковым газом (GWP ~23 500). Кроме того, продукты разложения SF₆ (порошки) токсичны, что затрудняет техническое обслуживание. VCB по своей сути являются “чистыми” и не требуют обращения с газом.

VCB использует Средняя длина свободного пробега Принцип: в условиях высокого вакуума электроны могут проходить через зазор между контактами, не сталкиваясь с молекулами газа. Без столкновений трудно инициировать лавину электронов (пробой), что придает вакуумным зазорам диэлектрическую прочность, значительно превосходящую прочность воздуха или SF₆ на небольших расстояниях.

3. Основные компоненты вакуумного выключателя

Вакуумный выключатель — это не просто “выключатель”, а высокоточная интегрированная система. Надежность зависит от взаимодействия вакуумного прерывателя, изоляции и механизма.

Вакуумный прерыватель (так называемая “бутылка”)

Сердцем VCB является вакуумный выключатель. Его целостность не подлежит обсуждению.

• Приложение: Изготовлен из высококачественной алюминиевой керамики, припаян к металлическим торцевым крышкам. Должен сохранять вакуум в течение 20-30 лет.
• Контакты (The Critical Metallurgy): Нельзя использовать контакты из чистой меди, так как они свариваются между собой. В современных VCB используются Медь-хром (CuCr) сплав (обычно 75% Cu / 25% Cr). Медь обеспечивает проводимость, а хром предотвращает сварку и способствует “геттерингу” (поглощению блуждающих молекул газа) для поддержания вакуума.
• Контактная геометрия (AMF против RMF): Это ключевая деталь спецификации.
  • RMF (радиальное магнитное поле): Использует спиральные пазы, чтобы заставить дугу вращаться вокруг контактного края, предотвращая локальное плавление.
  • AMF (осевое магнитное поле): Использует структуру катушки для создания магнитного поля, параллельного дуге. Это позволяет поддерживать дугу в “диффузном” режиме, равномерно распределяя ее по всей поверхности. AMF предпочтительна для высоких токов короткого замыкания (например, 40 кА, 50 кА) так как это сводит к минимуму контактную эрозию. (См. также: Как вакуумный контактор гасит дугу? для связанной физики дуги).

Мехи

Ахиллесова пята ранних конструкций, сильфон представляет собой трубку из нержавеющей стали, похожую на гармошку, которая позволяет подвижному контакту перемещаться, как правило, на 6–20 мм без нарушения вакуумного уплотнения. Современные гидроформованные сильфоны рассчитаны на Класс M2 выносливость (от 10 000 до 30 000 механических операций), что значительно превышает срок службы основной системы.

Механизм работы

Поскольку вакуумные прерыватели имеют очень короткий ход (расстояние) по сравнению с SF₆ или масляными выключателями, механизм должен обеспечивать высокую силу на коротком расстоянии с точным демпфированием.

• Энергия, накопленная пружиной: Промышленный стандарт. Двигатель заряжает пружину, которая фиксируется. При срабатывании пружина высвобождается. Конструкция прочная и чисто механическая.
• Магнитный привод: Упрощенная конструкция с использованием постоянного магнита для удержания контактов и соленоида для их переключения. Благодаря меньшему количеству движущихся частей она обеспечивает более высокую надежность, но требует сложных электронных конденсаторов для управления питанием.

Основные проводники и система изоляции

• Встроенные столбы: В усовершенствованных VCB, таких как Вакуумный выключатель VS1, Вакуумный прерыватель залит эпоксидной смолой. Эта технология “встроенного полюса” защищает керамическую бутылку от пыли, влажности и механических ударов, значительно увеличивая путь утечки тока и сокращая потребность в техническом обслуживании в загрязненных промышленных условиях.

Контрольные и вспомогательные цепи

Сюда входят реле защиты от накачки (предотвращающее циклическое открытие-закрытие-открытие выключателя при длительной неисправности), катушки отключения и вспомогательные контакты для обратной связи SCADA.

4. Как работает вакуумный выключатель?

Операция представляет собой гонку со временем, а точнее, гонку между Напряжение переходного процесса (TRV) поднимаясь по контактам и Диэлектрическое восстановление вакуумного зазора.

Нормальное закрытое состояние

Ток протекает через неподвижные и подвижные контакты. Сопротивление контактов чрезвычайно низкое (измеряется в микроомах, $\mu\Omega$). Внешний механизм оказывает огромное давление (усилие контактной пружины), чтобы предотвратить размыкание контактов под действием электродинамических сил во время короткого замыкания.

Обнаружение неисправностей и команда отключения

При получении сигнала от реле защиты защелка отпускается. Открывающиеся пружины тянут подвижный контакт вниз. Скорость разъединения имеет решающее значение: если она слишком мала, дуга горит слишком долго; если слишком велика, сильфон может разорваться.

Гasнение дуги: феномен “нулевого тока”

1. Генерация металлического пара: Когда контакты размыкаются, последняя микроскопическая точка контакта плавится и взрывается, создавая мост из плазмы металлического пара. Эта плазма проводит ток короткого замыкания.
2. Диффузный режим: В хорошо спроектированном прерывателе AMF эта дуга распределяется по всей поверхности контакта, предотвращая сильное плавление.
3. Текущий ноль: В системах переменного тока ток естественным образом проходит через нуль 100 раз в секунду (50 Гц). Когда ток приближается к нулю, подача энергии в плазму прекращается.
4. Быстрая конденсация: В момент, когда ток становится равным нулю, дуга гаснет. Пары металла конденсируются на внутренних экранах за микросекунды.
5. Диэлектрическое восстановление: Вакуумный зазор почти мгновенно восстанавливает свою изоляционную прочность. Если это восстановление происходит быстрее, чем подъем TRV из сети, прерывание проходит успешно. Если нет, то повторный удар происходит. Исключительно крутая кривая восстановления вакуума является причиной его высокой эффективности. Для более глубокого изучения физики дуги обратитесь к Закон Пашена необходимо для понимания пробивных напряжений.

5. Внутренняя конструкция вакуумного выключателя (разборная схема)

(Примечание: подробную разбивку компонентов см. на схеме в разделе 3. Для понимания механической связи очень важно рассмотреть разборную схему).

6. Вакуумный выключатель по сравнению с другими технологиями

В приведенной ниже сравнительной таблице показано, почему VCB является выбором для среднего напряжения, а SF₆ — для высокого и сверхвысокого напряжения.

7. Типичные области применения вакуумных выключателей

Подстанции и коммунальные услуги

Коммунальные предприятия используют VCB для распределительных фидеров (11 кВ до 33 кВ). Высокая надежность означает, что их можно устанавливать в удаленных беспилотных подстанциях.

Промышленные установки (переключение двигателей)

Это крепость VCB. Двигатели требуют частого запуска и остановки. VCB могут выдерживать тысячи циклов переключения без обслуживания контактов.

• Инженерное примечание: При переключении двигателей инженеры должны быть осторожны с виртуальная нарезка и многократные повторные зажигания. Стандартной практикой является установка RC-демпферы или оксидные разрядники наряду с VCB для защиты изоляции двигателя.
• Вакуумный выключатель VS1: Рабочая лошадка для металлических распределительных щитов для внутренней установки (типа KYN28).

Горнодобывающая промышленность и дуговые печи

Электродуговые печи (EAF) являются испытанием на прочность, требующим до 100 операций переключения. в день. Только VCB (часто с магнитными приводами) могут выдержать такой рабочий цикл. Герметично закрытые контакты также не подвержены воздействию проводящей угольной пыли и влажности, которые часто встречаются в шахтах.

RMU и кольцевые сети

Интеллектуальные сети требуют автоматического переключения на уровне распределения.

• ZW32 наружный вакуумный выключатель: Часто используется в качестве “автоматического реклоузера” на воздушных линиях для автоматического устранения переходных неисправностей (таких как удары молнии).
• Вакуумный выключатель ZW20 для монтажа на опоре: Пограничный выключатель, часто с газовой или твердой изоляцией для резервуара, но использующий вакуум для фактического размыкания, что обеспечивает нулевое техническое обслуживание на вершине столба.

8. Часто задаваемые вопросы: инженерные и технические сведения

1. Что такое явление “текущего рубания”? Поскольку вакуум является очень эффективным прерывателем, он иногда может погасить дугу. до естественный нулевой ток (например, 3 А или 4 А вместо 0 А), особенно при переключении небольших индуктивных токов (таких как трансформаторы без нагрузки). Этот внезапный “срез” удерживает магнитную энергию, создавая высокие переходные перенапряжения. Хотя современные контактные материалы CuCr сводят это явление к минимуму, для чувствительных нагрузок рекомендуется использовать устройства защиты от перенапряжений.

2. Как проверить вакуумный выключатель? Визуально проверить вакуум невозможно.

• Тест VIDAR (вакуумная герметичность): На разъединенные контакты подается высокое постоянное напряжение (например, 40 кВ постоянного тока для выключателя 12 кВ). Если вакуум не нарушен, ток не протекает. Если произошла утечка воздуха, то произойдет пробой.
• Испытание на контактное сопротивление (Ductor): Измеряет сопротивление основной цепи (в микроомах). Высокое значение указывает на износ контактов или ослабление соединений.

3. Почему VCB имеют двигатель с “пружинным зарядом”? Пружина закрытия требует значительного усилия для сжатия. Небольшой электродвигатель автоматически заряжает эту пружину после каждого цикла закрытия, обеспечивая постоянную готовность выключателя к немедленному выполнению цикла “Открыть-Закрыть-Открыть” (O-C-O) в случае возникновения неисправности.

4. Можно ли использовать VCB для постоянного тока? Как правило, нет. VCB используют нулевое значение переменного тока для гашения дуги. В цепи постоянного тока ток никогда не пересекает нулевое значение естественным образом. Для использования вакуумной технологии для размыкания цепи постоянного тока необходимы специальные схемы “противоточной инжекции”.

5. Что произойдет, если сильфон выйдет из строя? Если в сильфоне появляется микроскопическая трещина, вакуум теряется. Прерыватель не сможет устранить неисправность, что, вероятно, приведет к катастрофическому взрыву полюсного блока из-за неконтролируемой дуги. Именно поэтому механическая прочность (класс M2) является критически важной характеристикой.

6. Подходят ли VCB для переключения конденсаторных батарей? Да, они отлично подходят для этого (класс C2) благодаря высокой диэлектрической прочности. Однако для ограничения пусковых токов иногда используются точные переключатели с точечным переключением на волне или резисторы предварительного вставки.

9. Заключение + призыв к действию

Вакуумный выключатель прошел путь от нишевой технологии до основы современной инфраструктуры среднего напряжения. Его доминирующее положение не случайно — оно является результатом присущих ему физических преимуществ: дуга из металлического пара, которая гаснет при нулевом токе, скорость восстановления, превосходящая переходные процессы в сети, и герметичная конструкция, невосприимчивая к загрязненной среде.

Однако не все VCB одинаковы. Качество пайки, чистота сплава CuCr и точность рабочего механизма определяют, прослужит ли выключатель 5 или 30 лет.

Не идите на компромисс в вопросах надежности энергосистемы. Для реализации важных инфраструктурных проектов необходимо сотрудничество с опытным производителем. Компания XBRELE специализируется на высокотехнологичных вакуумных переключателях, разработанных специально для сложных промышленных и коммунальных применений.

Готовы определить свой следующий проект? Свяжитесь с инженерной командой XBRELE, чтобы обсудить выбор вакуумного выключателя, индивидуальную настройку OEM, или проконсультируйтесь с нашими производитель вакуумных выключателей страница для подробных технических характеристик.

Белая книга по горнодобывающей промышленности

Вакуумный контактор против воздушного контактора: быстрое повышение безопасности в горнодобывающей промышленности

Изучите важные преимущества вакуумных контакторов JCZ в опасных условиях горных работ. В этом руководстве рассматриваются вопросы подавления дуги в герметичных камерах, снижения риска возгорания и управления двигателями высокой частоты [ссылка: 11, 13, 97].

**Формат:** документ PDF **Автор:** Ханна Чжу

Скачать руководство по безопасности при добыче полезных ископаемых