Wyłącznik próżniowy: budowa i zasada działania + niuanse wyboru i podłączenia

Wyłącznik próżniowy to urządzenie przeznaczone do użytku w ramach wysokonapięciowych sieci elektrycznych. Swoją nazwę zawdzięcza cechom konstrukcji – komorze próżniowej, dzięki której uzyskuje się natychmiastowe gaszenie łuku elektrycznego.

Urządzenie jest używane jako łączniki, które mają za zadanie odłączać sprzęt w przypadku sytuacji awaryjnych lub w ramach bieżącej eksploatacji. Przyjrzyjmy się bliżej, czym jest łącznik próżniowy i do czego jest potrzebny.

Jak działa wysokonapięciowy łącznik próżniowy?

Podstawą funkcjonalności komór próżniowych stosowanych w konstrukcji wyłączników są fizyczne właściwości gazu w stanie rozrzedzonym. W tych warunkach właściwość gazu, określana jako wytrzymałość elektryczna, ulega znacznemu zwiększeniu.

Ten efekt silnie rozrzedzonego środowiska (zakres od 10^-6 do 10^-8 N/cm²) jest z powodzeniem wykorzystywany w konstrukcjach wyłączników wyposażonych w próżniowe komory gazowe, przez które przechodzą elektryczne grupy styków.

Jeden z modeli wyłącznika próżniowego – urządzenia używanego w eksploatacji sieci elektroenergetycznych. Urządzenie uważane jest za bardziej nowoczesne i niezawodne w porównaniu z podobnymi urządzeniami, ale innego typu wykonania.

Prąd płynący przez grupy styków (w momencie rozłączenia styku) tworzy wyładowanie elektryczne – łuk. Palenie się łuku następuje kosztem częściowej jonizacji par metalu, które nieuchronnie powstają pod wpływem wysokiej temperatury. Przepływ prądu między stykami przez powstałą plazmę jest utrzymywany aż do momentu przejścia prądu przez zero (do szyny zerowej).

Gdy tylko nastąpi moment przejścia przez zero, łuk elektryczny gaśnie. Cały proces trwa nie dłużej niż 7–10 mikrosekund.

Budowa wyłączników próżniowych

Różnorodność wyłączników próżniowych, biorąc pod uwagę ich konstrukcję, jest dość duża. Dlatego trudno jest podać ogólną charakterystykę tych urządzeń. Tymczasem, niezależnie od różnic konstrukcyjnych, zasada działania pozostaje niezmienna.

Schemat strukturalny WW: 1 – wyprowadzenie górne; 2 – komora próżniowa; 3 – izolator polimerowy; 4 – wyprowadzenie dolne; 5 – styk taśmowy; 6 – sprężyna napędowa; 7 – trzpień ciągnący; 8 – sprężyna wyłączająca; 9 – dźwignia przekładni; 10 – wał napędu; 11 – wyzwalacz; 12 – obudowa

Rozważmy ogólnie trójbiegunowy wyłącznik próżniowy wyposażony w napęd sprężynowo-silnikowy. To urządzenie jest przeznaczone do instalacji wewnętrznej lub instalacji na wolnym powietrzu. W każdym przypadku jego montaż odbywa się wewnątrz specjalnych rozdzielczych metalowych skrzyń.

Urządzenia mogą być eksploatowane w bardzo różnych sektorach gospodarki narodowej. Istnieją jednak pewne ograniczenia.

I tak, wyłączniki próżniowe nie są przeznaczone do instalacji i późniejszej eksploatacji w następujących warunkach:

• pomieszczenia, w których występuje atmosfera pożarowo-wybuchowa;
• instalacje konstrukcyjnie przewidujące częste przełączanie;
• instalacje typu mobilnego (przenośnego);
• systemy energetyczne statków morskich i rzecznych.

Wyłączniki typu próżniowego mają zazwyczaj dwa rodzaje wykonania konstrukcji:

1. Do instalacji stacjonarnej.
2. Do instalacji z wózkiem aparaturowym.

Niezależnie od wykonania, obszar obudowy urządzenia zawiera trzy bieguny wyposażone w komory gaszenia łuku.

Wewnątrz komór próżniowych pracują ruchome styczniki napędzane mechanizmem sprężynowo-silnikowym. Obudowa urządzenia uzupełniona jest panelem przednim, który zawiera elementy wskazujące i urządzenia sterujące.

Zewnętrzne główne elementy wyłącznika: 1 – bieguny urządzenia; 2 – mechanizm blokady załączania; 3 – okno do podnoszenia; 4 – uchwyt mechaniki blokującej obwody zewnętrzne

Trzy bieguny obwodu głównego wykonane są w formie kolumn. Ułożenie biegunów znajduje się zazwyczaj z tyłu podwozia napędu sprężynowo-silnikowego. Każdy biegun jest wyposażony w komorę gaszenia łuku zamkniętą wewnątrz izolatora polimerowego. W celu zwiększenia wytrzymałości elektrycznej obudowa izolatora ma kształt żebrowany.

Wewnątrz każdej komory próżniowej zamontowana jest grupa stykowa składająca się z dwóch elementów – ruchomego i nieruchomego. Element styku ruchomego jest połączony za pomocą izolatora ciągnącego z mechanizmem przełączania. Dalej połączenie z dolnym wyprowadzeniem stykowym. Natomiast styk nieruchomy łączy się przez osadzenie stożkowe z górnym wyprowadzeniem stykowym urządzenia.

Jak działa napęd wyłącznika?

Ruchome styki komór próżniowych są mechanicznie połączone z wałem napędu sprężynowo-silnikowego. Dzięki sprężynie napędowej wstępnie napiętej (ustawionej w stan rozciągnięcia), napęd można łatwo uruchomić prostym naciśnięciem przycisku sterowania lub innym mechanizmem.

Schemat strukturalny komory próżniowej: 1 – zacisk nieruchomego styku; 2 – nieruchomy styk; 3 – ruchomy styk; 4 – metalowy ekran; 5 – izolator ceramiczny (polimerowy); 6 – mieszek; 7 – zacisk ruchomego styku

Sprężyna (zazwyczaj dwie sprężyny) jest napinana za pomocą przekładni łańcuchowej. Normalny tryb pracy urządzenia przewiduje napinanie sprężyny za pomocą silnika elektrycznego wyposażonego w reduktor. Jednocześnie istnieje rękojeść napinania ręcznego, która jest używana w przypadku awarii lub utraty zasilania.

Napinana sprężyna jest blokowana przez mechanizm spustowy. Mechanizm ten jest sterowany za pomocą napędu elektromagnetycznego lub przycisku załączania. Po aktywowaniu trybu załączania blokada jest zwalniana, siła napięcia sprężyny uruchamia mechanizm krzywkowy. Ten z kolei oddziałuje na wał, który jest mechanicznie połączony z mechanizmem przełączania ruchomych styków komór próżniowych.

Operacja wyłączania wyłącznika próżniowego jest wykonywana przez aktywację trybu „Wyłączony” – elektromagnesem lub przyciskiem. Sekwencja działań jest praktycznie analogiczna do pierwszego trybu. Tutaj również biorą udział sprężyny wyłączające, których stan jest ustawiany przez mechanizm spustowy wyłączania.

Panel sterowania i elementy wskaźników: 1 – tryb „włączony”; 2 – tryb „wyłączony”; 3 – stan napiętej sprężyny; 4 – stan zwolnionej sprężyny

Wygodę obsługi i kontrolę pracy urządzenia zapewnia panel sterowania. Na przedniej stronie panelu znajdują się elementy: licznik cykli, wskaźnik stanu sprężyny napinającej, wskaźnik stanu wyłącznika próżniowego.

Cechy konstrukcji wysuwnych

Aparatura w wykonaniu wysuwnym jest zmontowana na bazie specjalnego wózka aparaturowego. Za pomocą tego akcesorium wyłącznik jest wprowadzany do wnętrza szafy lub wyprowadzany z niej.

Wózek aparaturowy pełni nie tylko funkcję transportu urządzenia, ale także funkcję kontrolera włączania urządzenia w tryb testowy lub roboczy, gdy tylko wyłącznik zostanie wsunięty do szafy.

Wózek aparaturowy: 1 – rolka (4 szt.); 2 – podstawa; 3, A – podstawa ruchoma; 4 – rękojeść (2 szt.); 5 – gniazdo pokrętła; 6 – listwa blokująca; 7 – element ustalający; 8 – złącze obwodu wtórnego; 9 – mechanika blokady urządzenia; 10 – styki blokady; 11 – listwa mocowania śruby; B – część nieruchoma

Wyłącznik próżniowy jest mocowany bezpośrednio do ruchomej części wózka. Mocowanie wykonuje się za pomocą połączeń śrubowych. Tymczasem wózek aparaturowy ma również część nieruchomą, na której zamocowany jest napęd części ruchomej. Ruch modułu ruchomego względem nieruchomego odbywa się za pomocą śruby rękojeści sterowania wózkiem.

Część ruchoma – metalowa podstawa na czterech kołach, pokryta galwanicznie. Znajduje się tu zewnętrzna blokada mechaniczna uziemiacza (listwa dociskowa), blokada śruby napędu, styki pomocnicze, mechanizm blokady wyłącznika oraz inne elementy zapewniające ruch lub unieruchomienie.

Montaż i podłączenie urządzenia

Przed rozpoczęciem instalacji wyłącznika próżniowego należy dokonać oględzin wszystkich zewnętrznie dostępnych elementów, aby upewnić się, że nie ma uszkodzeń ani defektów. Następnie należy oczyścić powierzchnie izolacyjne biegunów suchą, niestrzępiącą się szmatką.

Nie wolno instalować urządzenia w systemie, jeśli na powierzchniach izolacyjnych występują odpryski, pęknięcia lub odkształcone obszary. Należy koniecznie sprawdzić schemat obwodów wtórnych oraz podłączenie szyny ochronnej.

Sprawdzenie zainstalowanego urządzenia. Należy dokładnie sprawdzić każdy detal, każdy element mocujący. Aparaty wysokiego napięcia nie wybaczają nawet najmniejszych błędów.

Przed instalacją należy sprawdzić działanie wyłącznika poprzez ręczne włączenie (na sucho, bez zasilania) i upewnić się, że wskaźniki panelu sterowania są w prawidłowym położeniu. Następnie należy sprawdzić obecność pokryw biegunów. Jeśli stosowany jest sprzęt o wartości znamionowej 1600 A lub wyższej, przed montażem należy zdjąć pokrywy ochronne.

Podłączenie bezpośrednio do sieci

Przed podłączeniem do zacisków wyłącznika należy oczyścić końcówki stykowe przewodów kabli energetycznych.

Procedura czyszczenia różni się w zależności od materiału zacisków:

• W przypadku zacisków miedzianych i aluminiowych bez dodatkowej powłoki, czyszczenie wykonuje się papierem ściernym o ziarnistości M20 lub niższej, a następnie odtłuszcza się powierzchnię metalu.
• Jeśli zaciski miedziane lub aluminiowe są pokryte warstwą srebra, wystarczy wyczyścić je niestrzępiącą się szmatką.

Nie wolno stosować kabli, których srebrna powłoka zacisków jest uszkodzona na powierzchni większej niż 5%. W takim przypadku uszkodzony element należy wymienić. Więcej informacji na temat zacisków do łączenia przewodów można znaleźć w tym materiale.

Przewody zewnętrzne należy doprowadzić do zacisków wyłącznika próżniowego w taki sposób, aby nie powodowały one naprężeń mechanicznych na zaciskach urządzenia. Połączenia wykonuje się za pomocą złącza śrubowego z zastosowaniem płaskich, sprężystych podkładek metalowych.

Jak wykonuje się uziemienie?

Urządzenia w wersji stacjonarnej podłącza się do płyty uziemiającej za pomocą połączenia śrubowego (M12) bezpośrednio w punkcie oznaczonym napisem „Uziemienie”.

Elementy konstrukcji wózka aparaturowego i podwozia wyłącznika, za pomocą których wykonuje się uziemienie urządzenia. Zazwyczaj punkty te są oznaczone odpowiednim znakiem umieszczonym obok elementu.

Obszar punktu stykowego «Uziemienie» przed połączeniem należy odtłuścić. Jako przewód uziemiający należy wybrać szynę o odpowiednim przekroju (zgodnie z Przepisami Urządzeń Elektroenergetycznych – PUE), przewód giętki lub przewód spleciony w wiązkę. Przed nałożeniem przewodu na pole stykowe powierzchnię styku nasmarować specjalnym smarem (CIATIM-203).

Konstrukcja typu wysuwanego jest uziemiana za pomocą elementów wózka aparaturowego. Uziemienie wyłącznika próżniowego odbywa się przez konstrukcję wózka aparaturowego, do czego również przewidziano elementy mocujące.

Uruchomienie urządzenia

Uruchomienie urządzenia do eksploatacji następuje po dodatkowej kontroli zainstalowanego i przygotowanego sprzętu. W szczególności sprawdza się niezawodność uziemienia, stan mocowania elementów składowych oraz dostęp medium chłodzącego do potencjalnie nagrzewających się elementów.

Powierzchnie przewodzących prętów stykających się z lamelami gniazdowych grup stykowych należy pokryć niewielką ilością smaru CIATIM. Ogólnie rzecz biorąc, należy wykonać wszystkie procedury przewidziane w PUE na wypadek testów odbiorczych i upewnić się, że wartość napięcia roboczego mieści się w dopuszczalnych granicach.

Instalacja wyłącznika próżniowego. Prace montażowe może wykonywać tylko wykwalifikowany personel. Te same wymagania dotyczą personelu wyznaczonego do obsługi urządzeń wysokiego napięcia.

Obsługiwać wyłącznik próżniowy może personel posiadający zezwolenie na obsługę instalacji elektrycznych pracujących pod napięciem powyżej 1000 woltów. Zatwierdzona grupa dopuszczająca dla osób obsługujących musi być nie niższa niż trzecia. Przed rozpoczęciem pracy ze sprzętem personel przechodzi minimum techniczne w celu poznania szczegółów konkretnego modelu urządzenia.

Jak wybrać wyłącznik próżniowy?

Przyrząd wybiera się z uwzględnieniem jego parametrów znamionowych, które są rozpatrywane względem parametrów istniejącej sieci w miejscu instalacji. Wyboru dokonuje się według kryterium maksymalnie obciążonych trybów pracy przewidzianych dla warunków eksploatacji.

Napięcie znamionowe wyłącznika próżniowego może być równe (lub wyższe) w stosunku do napięcia znamionowego systemu zasilanego przez wyłącznik.

Parametr znamionowego prądu długotrwałego wybiera się wyższy niż wartość znamionowa prądu systemu zasilanego. Parametr znamionowego prądu odcięcia wybiera się wyższy niż maksymalna wartość obliczeniowego prądu zwarciowego (uwzględnia się moment rozchodzenia się styków).

Tabliczka z charakterystyką techniczną – pierwsza rzecz, na którą zwraca się uwagę przy wyborze wyłącznika. Opierając się na wartościach parametrów, można już określić, czy urządzenie pasuje do konkretnej instalacji, czy nie.

Z punktu widzenia możliwych warunków zwarcia, wybór dokonywany jest z uwzględnieniem najbardziej obciążających trybów.

Wielkość składowej aperiodycznej obliczana jest z uwzględnieniem warunków zwarcia przy zerowym napięciu w dowolnej z linii fazowych. Przy tym należy uwzględnić parametr prądu aperiodycznego określony przez producenta urządzenia.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Więcej materiałów na temat budowy, zasady działania i warunków montażu wyłącznika próżniowego można znaleźć w następującym filmie:

Wyłączniki próżniowe różnią się od innych typów urządzeń stosunkowo prostą i niezawodną strukturą. Dlatego ten typ sprzętu służy przez długi czas bez szczególnych zastrzeżeń. Zasób naturalnego zużycia określany jest liczbą operacji wynoszącą nie mniej niż 20000. Pod warunkiem terminowego przeprowadzania konserwacji, zasób ten wzrasta o 5-10%. Tymczasem konserwacja wyłączników próżniowych ogranicza się do niewielkiej liczby lekkich czynności.

Jeśli po zapoznaniu się z informacjami pojawią się pytania dotyczące tematu artykułu lub masz cenne informacje, którymi możesz podzielić się z naszymi czytelnikami, prosimy o pozostawienie komentarzy, dzielenie się doświadczeniem i zadawanie pytań w bloku pod artykułem.