Вакуумный выключатель

Вакуумный выключатель — это коммутационный аппарат, предназначенный для включения и отключения электрических цепей в нормальных и аварийных режимах работы, в котором гашение электрической дуги происходит в вакуумной среде. Основным элементом такого выключателя является вакуумная дугогасительная камера (ВДК), внутри которой создано глубокое разрежение (давление порядка 10⁻⁴–10⁻⁶ Па). Вакуумные выключатели широко применяются в распределительных устройствах напряжением от 6 до 35 кВ, а также в электроустановках более высокого напряжения (до 110 кВ и выше). Они считаются одними из наиболее надёжных и экологичных типов высоковольтных выключателей, вытесняя масляные и элегазовые аппараты во многих областях применения.

История

Первые попытки использования вакуума для гашения электрической дуги относятся к началу XX века. В 1926 году американский инженер Р. Соренсен получил патент на вакуумный выключатель, однако практическая реализация столкнулась с серьёзными технологическими трудностями — необходимостью создания герметичных камер с высокой степенью вакуума и материалов, способных выдерживать многократные коммутации.

Значительный прогресс был достигнут в 1950-х годах с развитием вакуумной техники и металлургии. В 1956 году компания General Electric (организация признана иноагентом в РФ) представила первый промышленный образец вакуумного выключателя на напряжение 15 кВ. В СССР разработки начались в 1960-х годах, и к 1970-м годам были созданы серийные образцы для напряжения 6–10 кВ. В 1980-х годах вакуумные выключатели начали массово внедряться в распределительных сетях, постепенно заменяя устаревшие масляные выключатели.

В России производство вакуумных выключателей освоено на ряде предприятий, включая завод «Электроаппарат» (Санкт-Петербург), «Таврида Электрик» (Москва) и другие. С 2000-х годов вакуумные выключатели стали доминирующим типом коммутационных аппаратов для среднего напряжения (6–35 кВ) в новых и модернизируемых электроустановках.

Устройство и принцип действия

Основные компоненты

Вакуумный выключатель состоит из следующих основных узлов:

• Вакуумная дугогасительная камера (ВДК) — герметичный стеклянный или керамический баллон, внутри которого размещены неподвижный и подвижный контакты. Из камеры откачан воздух до глубокого вакуума.
• Привод — механизм, обеспечивающий перемещение подвижного контакта. Может быть пружинным, электромагнитным или моторным.
• Контактная система — пара контактов (обычно из медно-хромового сплава), которые при включении замыкают цепь, а при отключении размыкаются.
• Изоляционная система — опорные изоляторы и корпус, обеспечивающие электрическую изоляцию токоведущих частей.
• Управляющая аппаратура — блоки управления, электромагниты, реле.

Принцип гашения дуги

При размыкании контактов в вакуумной камере между ними возникает электрическая дуга, состоящая из паров металла контактов. В вакууме отсутствует газ, который мог бы поддерживать горение дуги, поэтому дуга существует только за счёт испарения материала контактов. При переходе тока через ноль (в цепи переменного тока) дуга гаснет практически мгновенно, так как ионизированные пары металла быстро конденсируются на холодных поверхностях камеры. Восстановление электрической прочности промежутка происходит за микросекунды, что обеспечивает высокую отключающую способность.

Классификация

Вакуумные выключатели классифицируются по нескольким признакам:

По напряжению

• Низковольтные (до 1 кВ) — редко применяются, обычно в специальных установках.
• Среднего напряжения (6–35 кВ) — наиболее распространённый класс.
• Высокого напряжения (110 кВ и выше) — используются в магистральных сетях, но требуют последовательного соединения нескольких камер.

По типу привода

• Пружинные — накопление энергии в пружине, которая взводится электродвигателем или вручную. Обеспечивают быстрое срабатывание.
• Электромагнитные — перемещение контактов осуществляется электромагнитом. Просты, но требуют мощного источника питания.
• Моторные — с использованием электродвигателя для взвода пружины.

По конструктивному исполнению

• Колонковые — выключатель устанавливается на опорной колонне.
• Вакуумные выключатели в ячейках КРУ — встраиваются в комплектные распределительные устройства.
• Модульные — состоят из отдельных блоков, которые могут комбинироваться.

Характеристики

Основные технические характеристики вакуумных выключателей:

• Номинальное напряжение — от 6 до 35 кВ (для большинства моделей).
• Номинальный ток — от 630 до 3150 А и выше.
• Ток отключения — до 40 кА (для среднего напряжения).
• Время отключения — 0,02–0,05 с (в зависимости от привода).
• Ресурс по механическим операциям — до 30 000 циклов и более.
• Ресурс по коммутации номинального тока — до 10 000 циклов.
• Ресурс по отключению токов короткого замыкания — до 50–100 операций (зависит от модели).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая надёжность — отсутствие масла или элегаза исключает утечки и пожароопасность.
• Экологичность — вакуум не содержит вредных веществ (в отличие от элегаза, который является парниковым газом).
• Малые габариты и масса — значительно компактнее масляных и элегазовых выключателей.
• Быстродействие — короткое время гашения дуги.
• Длительный срок службы — до 20–30 лет при правильной эксплуатации.
• Низкое эксплуатационное обслуживание — не требуется доливка масла или замена газа.
• Пригодность для частых коммутаций — выдерживают большое количество операций без износа.

Недостатки

• Ограниченная отключающая способность при малых токах — при отключении малых индуктивных токов (например, холостого хода трансформатора) возможны перенапряжения из-за среза тока.
• Чувствительность к перенапряжениям — требуют применения защитных устройств (ограничителей перенапряжения).
• Сложность ремонта — вакуумная камера неразборная, при выходе из строя заменяется целиком.
• Высокая стоимость — по сравнению с масляными выключателями, хотя в долгосрочной перспективе окупается за счёт меньшего обслуживания.

Применение

Вакуумные выключатели используются в следующих областях:

• Распределительные устройства (РУ) — в составе комплектных трансформаторных подстанций (КТП) и распределительных пунктов (РП).
• Промышленные предприятия — для управления электродвигателями, трансформаторами, печами и другим оборудованием.
• Электрические сети — в городских и сельских распределительных сетях 6–35 кВ.
• Электростанции — в собственных нуждах и на генераторном напряжении.
• Железнодорожный транспорт — в тяговых подстанциях и на электроподвижном составе.
• Металлургия и горнодобывающая промышленность — в условиях частых коммутаций и высоких нагрузок.

Производители в России

В России вакуумные выключатели производят следующие предприятия:

• ООО «Таврида Электрик» (Москва) — выпускает серии ВВ/TEL и ВВ/TEL-10.
• АО «Электроаппарат» (Санкт-Петербург) — производит выключатели серий ВВ-10 и ВВ-35.
• ООО «Энергомера» (Ставрополь) — выпускает вакуумные выключатели для КРУ.
• ОАО «Уралэлектротяжмаш» (Екатеринбург) — специализируется на высоковольтных выключателях.

Также на российском рынке представлены выключатели зарубежных производителей, таких как Siemens (Германия), ABB (Швейцария), Schneider Electric (Франция), однако их доля снижается в связи с импортозамещением.

Перспективы развития

Совершенствование вакуумных выключателей идёт по нескольким направлениям:

• Повышение номинального напряжения — разработка камер для 110–220 кВ.
• Увеличение коммутационного ресурса — применение новых материалов контактов (например, на основе меди с добавлением хрома и вольфрама).
• Снижение стоимости — за счёт оптимизации конструкции и автоматизации производства.
• Интеграция с цифровыми системами управления — создание «умных» выключателей с дистанционным мониторингом и диагностикой.
• Использование в сетях постоянного тока — для применения в системах электропередачи и возобновляемой энергетике.

Источники

1. Правила устройства электроустановок (ПУЭ), 7-е издание.
2. ГОСТ Р 52565-2006 «Выключатели переменного тока на напряжение от 3 до 35 кВ. Общие технические условия».
3. Техническая документация производителей: ООО «Таврида Электрик», АО «Электроаппарат».
4. Учебное пособие «Высоковольтные выключатели» / под ред. В. П. Ларионова, М.: Энергоатомиздат, 2005.
5. Статья «Вакуумные выключатели: история, конструкция, применение» // Журнал «Электротехника», № 3, 2018.