Hochspannungs-Vakuum-Leistungsschalter – Aufbau und Funktionsprinzip

Unter den modernen Hochspannungsgeräten zum Schalten von Stromkreisen nehmen Vakuum-Leistungsschalter einen besonderen Platz ein. Sie werden häufig in Netzen von 6 bis 35 kV und seltener in Netzen von 110 oder 220 kV einschließlich eingesetzt.

Ihr Nennausschaltstrom kann zwischen 20 und 40 kA liegen und ihr elektrodynamischer Widerstand beträgt etwa 50 ÷ 100. Die Gesamtauslösezeit eines solchen Leistungsschalters oder Fehlers beträgt etwa 45 Millisekunden.

Jede Phase des Stromkreises ist durch Isolatoren zuverlässig getrennt und gleichzeitig sind alle Geräte strukturell auf einem gemeinsamen Antrieb montiert. Die Sammelschienen der Unterstation werden an die Eingangsklemmen des Schalters und der Ausgangsanschluss an die Ausgangsklemmen angeschlossen.

Im Vakuum-Leistungsschalter arbeiten Leistungskontakte, die zusammengepresst sind, um einen minimalen Kontaktwiderstand und einen zuverlässigen Durchgang von Last- und Notströmen zu gewährleisten.

Der obere Teil des Kontaktsystems ist dauerhaft fixiert und der untere Teil kann sich unter Einwirkung der Antriebskraft streng in axialer Richtung bewegen.

Das Bild zeigt, dass sich die Kontaktplatten in einer Vakuumkammer befinden und von Stangen angetrieben werden, die durch die Spannungskräfte der Federn und Spulen der Elektromagnete gesteuert werden. Diese gesamte Struktur befindet sich in einem Isolatorsystem, wodurch das Auftreten von Leckströmen ausgeschlossen ist.

Die Wände der Vakuumkammer bestehen aus gereinigten Metallen, Legierungen und speziellen Keramikzusammensetzungen, die die Hermetik der Arbeitsumgebung über mehrere Jahrzehnte hinweg gewährleisten. Um das Eindringen von Luft bei den Bewegungen des beweglichen Kontakts auszuschließen, ist eine Hülsenvorrichtung eingebaut.

Der Anker eines Gleichstrom-Elektromagneten kann sich bewegen, um die Stromkontakte zu schließen oder sie aufgrund einer Änderung der Polarität der an die Spule angelegten Spannung zu unterbrechen. Ein in die Antriebsstruktur eingebauter Permanent-Rundmagnet hält das bewegliche Teil in jeder betätigten Position.

Das Federsystem gewährleistet die Schaffung optimaler Bewegungsgeschwindigkeiten des Ankers während der Kommutierung, den Ausschluss von Kontaktprellen und die Möglichkeit von Einbrüchen in der Wandstruktur.

Die kinematischen und elektrischen Schaltkreise mit einer Synchronisierungswelle und zusätzlichen Hilfskontakten sind im Schaltergehäuse montiert und bieten die Möglichkeit, die Position des Schalters in jedem Zustand zu überwachen und zu steuern.

Termin

Hinsichtlich seiner funktionalen Aufgaben unterscheidet sich der Vakuumschalter nicht von anderen Analoga von Hochspannungsgeräten. Bietet:

1.Zuverlässiger Durchgang der elektrischen Nennleistung im Dauerbetrieb;

2. die Möglichkeit einer garantierten Geräteumschaltung durch Elektropersonal im manuellen oder automatischen Modus während der Betriebsumschaltung, um die Konfiguration des Arbeitskreises zu ändern;

3. Automatische Beseitigung auftretender Unfälle in kürzester Zeit.

Der Hauptunterschied zwischen Vakuum-Leistungsschaltern besteht in der Methode zum Löschen des Lichtbogens, der entsteht, wenn die Kontakte während des Abschaltens getrennt werden. Wenn seine Analoga eine Umgebung für Druckluft, Öl oder SF6-Gas schaffen, dann funktioniert hier ein Vakuum.

Das Prinzip der Lichtbogenlöschung im Stromkreis

Beide Kontaktplatten arbeiten in einer Vakuumumgebung, die durch das Pumpen von Gasen aus dem Lichtbogenkammergefäß auf 10-6÷10-8 N/cm2 entsteht. Dadurch entsteht eine hohe Spannungsfestigkeit, die sich durch verbesserte dielektrische Eigenschaften auszeichnet.

Mit Beginn der Bewegung durch den Antrieb der Kontakte entsteht zwischen ihnen ein Spalt, der sofort ein Vakuum enthält. Darin beginnt der Prozess der Verdampfung des erhitzten Metalls von den Kontaktpads. Durch diese Paare fließt weiterhin Laststrom. Es löst die Bildung zusätzlicher elektrischer Entladungen aus und erzeugt in einer Vakuumumgebung einen Lichtbogen, der sich durch die Verdampfung und Freisetzung von Metalldämpfen weiter entwickelt.

Unter der Wirkung der angelegten Potentialdifferenz bewegen sich die gebildeten Ionen in eine bestimmte Richtung und erzeugen ein Plasma.

In seiner Umgebung fließt der elektrische Strom weiter, es kommt zu weiterer Ionisierung.

Da der Schalter mit Wechselstrom betrieben wird, wird seine Richtung während jeder Halbwelle umgekehrt.Wenn die Sinuswelle den Nullpunkt überschreitet, gibt es keinen Strom. Dadurch wird der Lichtbogen abrupt gelöscht und unterbrochen, und die zurückgewiesenen Metallionen trennen sich nicht mehr und setzen sich innerhalb von 7–10 Mikrosekunden vollständig auf den nächstgelegenen Kontaktflächen oder anderen Teilen der Lichtbogenlöschkammer ab.

Zu diesem Zeitpunkt wird die Spannungsfestigkeit des mit Vakuum gefüllten Spalts zwischen den Leistungskontakten fast sofort wiederhergestellt, was die endgültige Abschaltung des Laststroms gewährleistet. In der nächsten Halbwelle der Sinuswelle kann der Lichtbogen nicht mehr entstehen.

Um die Wirkung eines Lichtbogens in einer Vakuumumgebung zu beenden, reicht es aus, wenn der Wechselstrom beim Öffnen der Leistungskontakte seine Richtung ändert.

Technologische Eigenschaften verschiedener Modelle

Vakuum-Leistungsschalter sind für den Dauerbetrieb im Freien oder in geschlossenen Bauwerken konzipiert. Die Außenmontageeinheiten bestehen aus massiven Pfosten mit Silikonisolierung und für die Innenmontage werden gegossene Epoxidharzverbindungen verwendet.

Die Vakuumkammern werden im Werk mobil gefertigt und sind optimal für den Einbau in ein Formgehäuse vorbereitet. In ihnen sind bereits Leistungskontakte aus speziellen legierten Legierungen untergebracht. Dank des angewandten Funktions- und Konstruktionsprinzips sorgen sie für eine sanfte Löschung des Lichtbogens und schließen die Möglichkeit einer Überspannung im Stromkreis aus.

In allen Konstruktionen von Vakuum-Leistungsschaltern wird ein universeller elektromagnetischer Aktuator verwendet. Es hält die Leistungskontakte aufgrund der Energie leistungsstarker Magnete im geschlossenen oder ausgeschalteten Zustand.

Das Schalten und Fixieren des Kontaktsystems erfolgt durch die Position des „Magnetverschlusses“, der die Magnetkette schaltet, um den mobilen Anker wieder anzuschließen oder zu trennen. Eingebaute Federelemente ermöglichen das manuelle Schalten durch Elektropersonal.

Um den Betrieb des Vakuumunterbrechers zu steuern, werden typische Relaisschaltungen oder elektronische, Mikroprozessoreinheiten, die sich direkt im Antriebsgehäuse befinden oder aus entfernten Geräten in separaten Schränken, Blöcken oder Panels bestehen können.

Vor- und Nachteile von Vakuum-Leistungsschaltern

Zu den Vorteilen gehören:

• relative Einfachheit des Designs;

• reduzierter Stromverbrauch für die Herstellung von Schaltern;

• Bequemlichkeit bei der Reparatur, die in der Möglichkeit des Blockaustauschs einer defekten Lichtbogenkammer besteht;

• die Fähigkeit des Schalters, in jeder Ausrichtung im Raum zu funktionieren;

• hohe Zuverlässigkeit;

• erhöhter Widerstand gegen Schaltlasten;

• begrenzte Größen;

• Feuer- und Explosionsbeständigkeit;

• leiser Betrieb beim Umschalten;

• hohe Umweltfreundlichkeit, mit Ausnahme der Luftverschmutzung.

Die Nachteile des Designs sind:

• relativ niedrige zulässige Ströme im Nenn- und Notbetrieb;

• das Auftreten von Schaltstößen bei Unterbrechungen geringer induktiver Ströme;

• reduzierte Ressourcen des Lichtbogengeräts im Hinblick auf die Beseitigung von Kurzschlussströmen.