Ročníkový projekt 2008 KATEDRA VÝKONOVÝCH ELEKTROTECHNICKÝCH SYSTÉMOV VÁKUOVÉ VYPÍNAČE VN

Ročníkový projekt 2008 KATEDRA VÝKONOVÝCH ELEKTROTECHNICKÝCH SYSTÉMOV –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

VÁKUOVÉ VYPÍNAČE VN MEDIUM VOLTAGE CIRCUIT BREAKER Končír, J. Internáty Veľký Diel, izba F324 [email protected]

Abstrakt: Článok sa zaoberá základnými vlastnosťami vákua ako média používaného vo vypínačoch (v zhášacích komorách), najmä jeho elektrickou pevnosťou, ďalej oblúkom vo vákuu (dôvod jeho vzniku, tvar a možnosti jeho zhášania). Ďalej sú spomenuté bežné parametre vyrábaných vypínačov s vákuovými zhášacími komorami a ich základná vnútorná schéma. Na konci článku je ešte rozobratý priebeh zapínacej a vypínacej sekvencie. Kľúčové slová: Vákuový vypínač, oblúk vo vákuu.

1. ÚVOD Zásobovanie energiou, priemyselné alebo energetické aplikácie elektrických staníc a všetky vysokonapäťové rozvádzače majú špecifické požiadavky na prevádzku. Sú nimi najmä vysoká spoľahlivosť, osobná bezpečnosť a nízke nároky na priestor. Súčasné vypínače sú využívané pre široké spektrum aplikácií: môžu spínať transformátory, vzdušné vedenia, káble, kondenzátory, cievky, tlmivky, motory, filtrovacie obvody a oblúkové pece. Preto musia byť dostatočne vhodné pre dlhé obdobia nečinnosti ako aj pre extrémny vysoký počet pracovných cyklov. Nízke hodnoty skratov v distribučných sieťach sa striedajú s vysokými vypínacími prúdmi v priemyselnom prostredí. Vákuum je najefektívnejšie zhášacie médium pre vypínače.

2. VÁKUOVÉ VYPÍNAČE Vákuové vypínače sa čoraz viac používajú pre svoje veľké výhody: sú nehorľavé, tiché, nevyfukujú ionizované plyny ani plamene, majú o jeden až dva rády nižšie oblúkové napätie a tým aj nižšiu zhášaciu energiu, majú minimálne opotrebovanie a malý potrebný zdvih [1].

Obr. 1. Závislosť elektrickej pevnosti vákua od tlaku a vzdialenosti 1


3. IZOLAČNÉ VLASTNOSTI VÁKUA Pri znížení tlaku plynu pod úroveň zodpovedajúcej minimu Paschenovho zákona a danej vzdialenosti medzi kontaktmi napätie pri ktorom príde k prierazu prudko vzrastá. Obvykle pri tlaku nižšom než 10-3 Pa je stredná voľná dráha elektrónov v zbytkovom plyne značne dlhšia než vzdialenosť kontaktov a preto po priložení napätia ku kontaktom nemôže dôjsť k nárazovej ionizácii volnými elektrónmi a samovoľný elektrický výboj nenastane. Elektrická pevnosť medzikontaktného priestoru vo vákuu je oveľa väčšia než pevnosť tohto priestoru pri atmosférickom tlaku [1].

4. OBLÚK A ZHÁŠANIE OBLÚKA Pri vypínacom prechode najskôr zaniká kontaktná sila, tým sa zmenšuje počet stykových bodov a prúd sa presúva do posledného miesta dotyku kontaktov. Toto miesto sa Jouleovým teplom značne zahrieva až dôjde k vypareniu časti kontaktného kovu. Medzi kontaktmi sa tak objaví mrak kovových pár a dochádza k ich ionizácii a k prenosu prúdu vzniknutou plazmou. Tvar vákuového oblúku je viditeľný na obrázku. Je to vlastne kužeľ s vrcholom na katóde. Styková plocha oblúku s anódou je veľká, čo zaručuje že na anóde sa neobjaví prehriate miesto. Pri horení oblúku unikajú z jeho trupu do okolitého priestoru jednotlivé ionizované častice. Pri nedostatočnom prísune kovových pár preto oblúk stráca stabilitu a vypínač odsekáva prúd ešte pred jeho priechodom nulou. Tento stav je nežiaduci, pretože v obvode vznikajú veľké prepätia. Aby sme zabránili predčasnému odtrhnutiu oblúku pridáme do základného materiálu materiál s vyššou tenziou pár, ktorý zaistí dostatočné množstvo kovových pár aj pri nižšej teplote katódovej škvrny. Kontakty preto vyrábame najčastejšie z dokonale odplyneného a dezoxidovaného porézneho wolfrámu nasýteného meďou [1].

Obr. 2. Tvar oblúku Najväčší problém vákuového vypínania spočíva v konštrukcii mechanicky pevnej a pritom vákuovo tesnej nádoby a vo voľbe a technologickom spracovaní kontaktných materiálov. Ako je zrejmé z obrázku 3 vákuové zhášacie komory sú celkom jednoduché. Jedná sa vždy o dva masívne kontakty (1,7) a (2,8) umiestnené čelne oproti sebe vo vákuovej nádobe (4). Nádoba je zo skla alebo vákuovej keramiky s kovovými viečkami (3). Jeden z kontaktov je 2


pevne pripojený k veku a druhý má možnosť osového pohybu niekoľko milimetrov pri zachovaní dokonalej tesnosti pružného člena – pružiny (5). Pružina sa väčšinou vyrába z titánovej oceli a určuje mechanickú životnosť zhášacej komory (tá je asi 106 cyklov). Aby nedochádzalo k naparovaniu kovových pár na vnútornej strane vákuovej nádoby, je okolo kontaktov kovové tienenie (6). Po oddialení kontaktov teda dôjde za pomoci kovových pár k zapáleniu oblúku. Oblúk horí po skoro celej ploche kontaktu a ak majú kontakty vylisované drážky v tvare z jednej strany sa zužujúceho polmesiaca tak sa oblúk vplyvom dynamických síl roztočí. Množstvo pár musí byť také, aby došlo k uhaseniu oblúku presne v nule prúdu a aby sa v obvode zhášacej komory nevytváralo prepätie [1].

Obr. 3. Zhášacia komora

5. Výhody vákuových zhášadiel Medzi výhody vákuových zhášadiel patrí to, že majú malé oblúkové napätie, a tým aj malý stratový výkon. Malý zdvih kontaktov umožňuje použiť jednoduchý mechanizmus. Zhášacia komora je celkom uzavretá a preto môže pracovať v akomkoľvek prostredí. Vyžaduje minimálnu údržbu a má dlhý bezhrdzavejúci chod. Pracuje nehlučne a je celkom bezpečné z hľadiska ohrozenia obsluhy. Najväčšími výrobcami na trhu sú ABB, Siemens a Moeller Electric. Bežné parametre vákuových vypínačov sú: - rozsah napätia od 7,2kV do 36 kV, - rozsah menovitých prúdov do 4 kA, - rozsah zapínacích skratových prúdov do 285 kA, - rozsah vypínacích skratových prúdov do 80 kA, - počet cyklov do 100 000, - frekvencie od 16,3 Hz do 60 Hz.

3


6. Uzatváranie kontaktu (zopínanie vypínača) Privedením napätia na nabíjací motor sa začne nabíjať uzatváracia pružina až pokiaľ limitný vypínač motora neodpojí motor od napätia. Uzatváracia pružina sa dá nabiť aj manuálne pomocou nabíjacej kľuky. Uzatvárací spúšťač je nastavený oproti polohriadeľu. Mechanickým alebo elektrickým signálom na uzatvorenie vypínača (jeho zopnutie) polohriadeľ zarotuje vplyvom uzatváracej cievky a uvoľní uzatvárací spúšťač. Ten uvoľní uzatváraciu pružinu a tá pootočí hlavný hriadeľ o 270°, na ktorom umiestnený krivkový kotúč (vačka) uvedie do pohybu vahadlo pre každý pól. Tie sú spojené izolovanou spojnicou priamo s kontaktom a uzavrú kontakt v zhášacej komore. Po uzatvorení kontaktu motor opäť nabije uzatváraciu pružinu 2].

Obr. 4. Fázy uzatvárania (spínania) a otvárania (rozpínania) sa vákuového vypínača

7. Otváranie kontaktu (rozopínanie vypínača) Pri rozopínaní kontaktu uvoľní otvárací polohriadeľ (zarotuje pomocou otváracej cievky) otvárací spúšťač a ten spustí vybitie pružiny kontaktu a otváracej pružiny pomocou pootočenia hlavného hriadeľa o 90°. Pružina začne otváranie kontaktu posunutím izolovanej spojnice a do úplného otvorenia kontakt privedie vahadlo hnané otváracou pružinou. Otváracia aj kontaktová pružina sa nabíjajú vybitím zatváracej pružiny [2]. 4


8. Základná schéma vypínača

1a/1b- zásuvky kábla 2- vákuová zhášacia komora 2a- pevný kontakt 3- pohyblivý kontakt 4- vypínacia pružina kontaktu 5- izolovaná spojnica 6- otváracia pružina 7- vahadlo ( prevodová páka ) 8- puzdro z epoxidovej živice 9- valcový kontakt 10- zatvárací polohriadeľ (prierez v tvare polkruhu) 11- plášť ovládacieho mechanizmu 12- otvárací polohriadeľ 13- tlačidlo vypnutia 14- otvárací spúšťač 15- zatvárací spúšťač 16- spúšťací mechanizmus 17- hlavný hriadeľ

Obr. 4. Schéma vákuového vypínača

9. ZÁVER Vákuové vypínače majú veľmi dobré prevádzkové vlastnosti, sú prakticky bezúdržbové a veľmi spoľahlivé. Nevýhodou je najmä ich kúpna cena. Vyrábajú sa v mnohých prevedeniach a sú teda vhodné na všetky druhy aplikácií, od nenáročných až po tie najnáročnejšie.

10. POUŽITÁ LITERATÚRA [1] Vavřiňák, P.: Elektrické stroje a přístroje, http://www.sse-najizdarne.cz/projekt/es.pdf [2] Príručka pre inštaláciu a údržbu vákuových vypínačov typu ADVAC 03, www.abb.sk

5

Ročníkový projekt 2008 KATEDRA VÝKONOVÝCH ELEKTROTECHNICKÝCH SYSTÉMOV VÁKUOVÉ VYPÍNAČE VN

Recommend Documents