Краткий анализ вакуумного выключателя
Вакуумные выключатели эксплуатируются в Китае уже около 30 лет. Развитие высоковольтных разъединителей имеет два крупных технологических скачка. Первый был в 1970-х годах, когда появились вакуумные выключатели первого поколения в Китае. Он использует структуру контактов с архимедовой спиралью, а контактные материалы - медь-висмут-серебро и медь-висмут-алюминий. Из-за ограничений свойств материала отключающая способность может достигать только 20 кА. Другой раз был в начале 1980-х годов, когда на чашеобразных контактах были вырезаны канавки для создания поперечного магнитного поля при размыкании, что позволяло дуге вращаться на контактах, уменьшая выгорание контактов и увеличивая срок их службы. В то же время были разработаны материалы медь-висмут-сурьма, медь-висмут-алюминий и медь-хром для контактных материалов, что сделало большой скачок в электрической и механической жизни выключателя. В середине-конце 1980-х годов Пекинский завод выключателей представил немецкий Siemens 3AF, Гуанчжоуский завод электротехники Наньян представил японский Toshiba VK10J, бельгийский EIB VB5 и ABB VD4 и т. д., которые были представлены канавками, вырезанными на чашеобразных дисковых контактах для создания продольного магнитного поля при разрыве, что делает дугу диффузной и минимизирует выгорание. Все контактные материалы изготовлены из новых медно-хромовых (CuCr) материалов, которые имеют очень низкое значение отсечки, как правило, всего 3 ~ 5 А. Таким образом, рабочее перенапряжение может быть ограничено в индуктивной цепи, а сильный пробой емкостной нагрузки практически отсутствует, а выдерживаемое напряжение промышленной частоты после дуги в основном не снижается, что преодолевает три основных недостатка вакуумных выключателей 1970-х и начала 1980-х годов: ① выдерживаемое напряжение промышленной частоты особенно низкое после разрыва дуги замыкания; ② При отключении емкостной нагрузки часто происходит сильный пробой; ③ Рабочее перенапряжение особенно высоко в индуктивной цепи. Это вызвало лихорадку вакуумных выключателей в Китае. В настоящее время существует более 350 производителей, выпускающих вакуумные выключатели, и существует более 50 типов вакуумных выключателей, которые можно назвать первыми в мире.
1 Типы и различия отечественных вакуумных выключателей на данном этапе
1.1 Типы
Вакуумные выключатели, которые в настоящее время производятся в Китае, можно условно разделить на три категории:
Первый тип представляет собой раздельную конструкцию, которая разработана на основе оригинального маломасляного выключателя типа SN10. Он в основном предназначен для трансформации старых маломасляных выключателей распределительных устройств, а также устанавливается на новых распределительных устройствах, таких как ZN7-10X, ZN13-10X, ZN19-10X, ZN28-10A и т. д.; Второй тип представляет собой лоскутную конструкцию с независимыми модельными механизмами, которая состоит из механизмов CD10, CD17, CT8, CT17, CT19 и других, а также вакуумного прерывателя и вала, пружины и т. д., образующих выключатель, например, ZN7-10, ZN13-10X, ZN19-10X, ZN28-10A и т. д. -10, ZN19-10, ZN28-10 и т. д.; Третий тип представляет собой интегральную конструкцию, которая характеризуется отсутствием независимых механизмов и низкими потерями при передаче вакуумных выключателей. Этот тип выключателя в основном основан на импортных технологиях, таких как вакуумный выключатель ZN12-10, который является вакуумным выключателем Siemens 3AF, представленным Beijing Switch Factory, вакуумный выключатель ZN18-10, который является вакуумным выключателем Toshiba VK10J, представленным Guangzhou Nanyang Electric Factory, вакуумный выключатель VD4 компании Xiamen ABB Switch Co., Ltd., вакуумный выключатель с постоянными магнитами VM1 и вакуумный выключатель VS1, разработанный компанией Senyuan Company.
1.2 Разница между третьим типом и первым и вторым типами вакуумных выключателей
1) Выключатель интегральной структуры, как правило, представляет собой набор четырехзвенной системы передачи; в то время как разделенная структура и лоскутная структура представляют собой два набора четырехзвенных систем передачи или набор пятизвенной и набор четырехзвенной систем передачи.
2) Ход контактного сжатия выключателя интегральной структуры, как правило, составляет 3~4 мм; в то время как ход контактного сжатия выключателя разъемной конструкции и лоскутной конструкции обычно составляет 6~10 мм.
3) Выключатель интегральной конструкции проектируется в соответствии с общими требованиями к выключателю в цепи управления; в то время как выключатели разъемной конструкции и лоскутной конструкции проектируются имитационно (разрезной имитирует SN10-10) и самодельно (разрезной и рабочий механизм объединены).
2 Оптимизация конструкции вакуумных выключателей
2.1 Работа с надежностью выключателей
Надежность вакуумных выключателей представляет жизненный интерес для пользователей. С того дня, как появился вакуумный выключатель, его механический ресурс увеличился в 2-10 раз по сравнению с традиционными выключателями. За последние годы
ars, есть продукты с мощностью 20 000 и 30 000 раз. У Siemens есть продукты с мощностью 60 000 и 120 000 раз. 000 раз долговечных вакуумных выключателей, что в основном связано с непревзойденными характеристиками низковольтных дуг в вакуумном состоянии и увеличенным сроком службы. Поэтому механическая долговечность и надежность рабочего механизма, который взаимодействует с ним, становятся очень важным вопросом. Надежность продукта в основном гарантируется качеством изготовления и качеством проектирования. Первое требует от производителя наличия строгой системы обеспечения качества, которая включает в себя управление, качество и обучение персонала, внедрение нового оборудования и другие факторы. Поэтому в Китае, где качество персонала не очень высокое, чувство ответственности не очень сильное, управление относительно отсталое, а оборудование устаревшее, нереально слишком полагаться на надежность продукта. Надежность продукта ложится на плечи конструктора. Высоконадежная конструкция продукта должна иметь простую конструкцию, то есть использовать меньше деталей для достижения необходимых функций продукта. Кроме того, оптимизированная конструкция продукта должна производиться массово, что способствует повышению качества и снижению производственных затрат. Все иностранные вакуумные выключатели реализуют этот принцип, и надежность может быть улучшена с двух сторон.
2.1.1 Упрощенная конструкция системы шатунов
Как объяснялось выше, отечественные вакуумные выключатели обычно используют оригинальный механизм управления маломасляным выключателем CD10, CT8 и его улучшенные CD17, CT17, CT19 и т. д. Все они представляют собой системы с пятизвенной структурой, и их конструкционное намерение состоит в том, чтобы соответствовать функции свободного отключения, а структура является сложной. Некоторые из предельных соединительных стержней являются хрупкими. Например, соединительный стержень мертвой зоны CD10, структура полуоси CD17 и различные полуоси и пластины пряжки CT17 и CT19. «Свободное отключение» было предложено на определенном техническом историческом фоне. Он не только не может выполнять обычные операции по размыканию, но и может стать причиной несчастных случаев, связанных с личной безопасностью операторов. Для электромагнитных механизмов источник постоянного тока управляется старым контактором постоянного тока CZO-40C, и его «время размыкания» (время от отключения питания катушки управления до разъединения главных контактов) составляет около 150 ~ 200 мс. Если нет функции свободного отключения, автоматический выключатель, оснащенный электромагнитным механизмом, не может выполнять обычные операции по размыканию, даже если контактор постоянного тока CZO-40D, разработанный специально для автоматических выключателей (время срабатывания составляет около 70 мс), когда безмасляный выключатель замыкается или размыкается, высококачественный замыкающий железный сердечник не будет сброшен вовремя, что заблокирует путь движения подвижного токопроводящего стержня, снизит скорость размыкающего выключателя и повлияет на эффективность размыкания. Вакуумные автоматические выключатели не имеют таких проблем. Развитие технологий сделало неизбежным исчезновение определенных ограничений. Стандарт GB1984 и технические условия заказа Министерства электроэнергетики отменили ограничения на электромагнитные механизмы с вакуумными выключателями по свободному расцеплению. Поэтому недавно разработанный CD17 сохраняет функцию свободного расцепления, что показывает, что мышление конструктора недостаточно открыто. Свободное расцепление пружинных механизмов CT17 и CT19 является ничем иным, как излишним, вызывая ненужную сложность конструкции и снижая надежность. Также есть сообщения из зарубежных стран (например, Японии и Германии), что устройство свободного расцепления отменяется для повышения надежности.
2.1.2 Интегрированная конструкция
Идея использования блока вакуумного прерывателя с независимым рабочим механизмом (электромагнитным или пружинным) для формирования автоматического выключателя является концепцией, унаследованной от безмасляного выключателя. Поскольку этот метод вреден как для механических, так и для электрических характеристик в области вакуумных выключателей. Независимо от CD10, CD17, CT8, CT17 и CT19, они состоят из пятизвенной системы. Его выходной вал не является главным валом выключателя, а его выходной вал и главный вал выключателя должны образовывать другой набор из четырех звеньев для передачи замыкающего усилия, что делает конструкцию сложной и потери при передаче большими. Напротив, интегральный выключатель (такой как ZN12, ZN18, VD4, VM1, VS1, среди которых ZN12, ZN18, VD4, VS1 управляются пружиной; VM1 управляется постоянным магнитом) состоит из набора из четырех звеньев, одно из которых является главным валом выключателя. Он имеет простую конструкцию, низкие потери при передаче и значительно улучшенную надежность. Поэтому этот тип вакуумного выключателя должен активно разрабатываться.
2.2 Правильно управляйте процессом размыкания выключателя
Процесс размыкания вакуумного выключателя не так прост, как люди себе представляют. Как управлять этими процессами — это
важный показатель качества конструкции вакуумного выключателя.
2.2.1 Правильно управляйте начальной стадией открытия (стадией зажигания дуги)
Современная теория доказывает, что начальная стадия открытия (0~3 мм) вакуумного выключателя имеет решающее значение для эффективности отключения. Ток дуги вакуумного выключателя в начале открытия всегда меняется с концентрированного типа на рассеянный. Чем быстрее этот процесс меняется, тем лучше. В настоящее время все специалисты в этой области должны реализовать эту концепцию в конструкции.
Существует три меры для ускорения преобразования тока дуги из концентрированного типа в рассеянный тип в начале открытия.
① Уменьшение массы движущихся частей: в процессе разработки вакуумных выключателей проводящий зажим уменьшается для уменьшения массы движущихся частей. После сравнения получается, что начальная скорость открытия улучшается в разной степени.
② Увеличьте упругую силу пружины открытия и заставьте ее работать в начальном открытии (0~3 мм).
③ Ход сжатия контакта должен быть как можно меньше (2–3 мм), чтобы пружина размыкания могла участвовать в движении размыкания как можно скорее. Поскольку традиционный режим подвижного и статического контакта выключателя является втычным. При возникновении тока короткого замыкания электрическая сила заставляет пальцы контакта сливы крепко держать проводящий стержень, а составляющая сила в направлении движения движущегося проводящего стержня равна нулю. Режим подвижного и статического контакта вакуумного выключателя — это плоский контакт. При возникновении тока короткого замыкания его сильная электрическая сила является отталкивающей силой на движении контакта. Таким образом, разделение контактов не должно ждать освобождения пружины сжатия контакта, которая будет потянута пружиной размыкания. Нет задержки (или очень маленькой задержки) между ее разделением и временем движения главного вала. Если ход пружины сжатия очень мал, пружина размыкания может участвовать в движении как можно скорее. Для того, чтобы увеличить начальную скорость разделения. Поэтому сжатие пружины сжатия контактов вакуумного выключателя, разработанного в настоящее время, должно быть как можно меньше (2~3 мм), поскольку движущей силой начальной стадии разделения является сила отталкивания электродвижущей силы, диапазон движущейся массы, который должен быть уменьшен, — это все движущиеся части. Видно, что трансплантация разделенной структуры и лоскутной структуры в конструкцию вакуумного выключателя не способствует улучшению начальной скорости разделения вакуумного выключателя из-за длинных и слишком большого количества соединительных стержней.
2.2.2 Обработка второй стадии разделения (стадия гашения дуги 3~8 мм)
Когда контакты разнесены на 3~4 мм, преобразование дуги в диффузионный тип завершено, и это хорошее время для гашения дуги (большое количество испытаний подтвердило, что расстояние гашения дуги составляет 3~4 мм). Если ток в это время проходит через ноль, ограниченная плотность паров металла быстро спадает. Когда неравенство XL выполняется (X - свободное от столкновений перемещение металлических частиц; L - электрическое расстояние открытия), прочность изоляции между трещинами быстро восстанавливается, и разрыв происходит успешно. Чтобы сделать X больше L быстрее, какова скорость второго этапа подвижного контакта? (Исходная мощность скорости движения второго этапа в основном основана на открывающей пружине). В трехфазной системе, если дуга должна быть погашена в нулевой точке, это займет 3 мс (контакты разделены между двумя нулевыми точками, поэтому расстояние открытия в это время достаточно велико). Следовательно, дуга должна быть погашена на расстоянии открытия 3~4 мм. Средняя скорость открытия в течение этого периода должна составлять 0,8~1,1 м/с. Преобразованная в среднюю скорость открытия 6 мм, широко используемую сегодня, она составляет около 11,0~1,3 мс. Эти данные почти приняты вакуумными выключателями в стране и за рубежом. Однако это данные, измеренные для механической работы выключателя, когда он находится в режиме холостого хода. При разрыве большого тока скорость открытия значительно превысит это значение. Это связано с тем, что в движении участвует отталкивающая сила электродвижущей силы. Поэтому в то же время подвижный контакт будет проходить 6~8 мм, значение L слишком велико, X не может превышать L в большинстве случаев, и дуга будет гаснуть в течение 3,3 или 6,6 мм. Чтобы сократить время горения дуги, следует принять меры буферизации на втором этапе после открытия затвора, чтобы вовремя и значительно снизить скорость движения токопроводящего стержня. Ранний резиновый буфер (можно рассматривать только как поздний буфер) определенно не хорош, а масляный буфер (промежуточный буфер) слишком поздно действует, и эффект плохой. Недавно пневматический буфер (буфер полного цикла) компании Westinghouse в Соединенных Штатах
достаточная буферная сила на втором этапе. Поэтому существующие методы буферизации не могут соответствовать техническим требованиям современных вакуумных выключателей. Простой буфер, подходящий для этого требования, должен быть разработан как можно скорее. В настоящее время сила пружины размыкания многих типов вакуумных выключателей в Китае спроектирована очень большой (намного больше, чем у аналогичных зарубежных изделий). Размыкание контактов происходит быстро на этапе размыкания, и у него нет времени для участия. Второй этап медленный, но очень мощный, а время горения дуги увеличено, что затрудняет управление третьим этапом.
2.2.3 Управление третьим этапом открывания ворот (этап колебания 8~11 мм)
Поскольку вакуумный выключатель имеет небольшое расстояние размыкания и короткий процесс размыкания, быстро движущиеся контакты должны останавливаться за такое короткое время. Независимо от того, какой метод используется, конечная скорость изменения скорости все еще очень велика, и сильная вибрация неизбежна. Поэтому афтершоки, как правило, будут продолжаться в течение 30 мс. В настоящее время открытие вакуумных выключателей в стране и за рубежом обычно занимает около 10~12 мс для того, чтобы подвижные контакты разъединились и вошли в зону землетрясения, а время дуги в основном составляет 12~15 мс. Очевидно, что локальная поверхность контакта, расплавленная дугой, начинает охлаждаться и затвердевать после входа в зону землетрясения. Сильные афтершоки неизбежно приведут к тому, что жидкий металл будет летать неглубоко и образовывать острые предметы на поверхности контакта и взвешенные металлические частицы между контактами. Это один из внешних факторов, вызывающих тяжелые поломки. Однако этот недостаток конструкции часто не полностью отражается в ограниченных типовых испытаниях. Поэтому люди долгое время не понимали этого в полной мере.
Короче говоря, как проектировщик вакуумного выключателя, следует уделять внимание процессу открытия. Уменьшить массу подвижных частей и увеличить начальную скорость открытия. Своевременно уменьшить скорость открытия второй ступени, сократить время дуги и погасить дугу перед входом в зону землетрясения. Дать контактной поверхности определенное время охлаждения. В то же время также необходимо снизить интенсивность вибрации, чтобы весь процесс открытия соответствовал вышеуказанному механизму, что способствует улучшению механической и электрической долговечности.
2.3 Управление процессом закрытия вакуумного выключателя Процесс закрытия вакуумного выключателя намного проще, чем процесс открытия, и его расстояние пробоя очень мало (около 1 мм), и он не приведет к испарению и расширению среды после пробоя и зажигания дуги, как у масляных и элегазовых выключателей. Поэтому его скорость закрытия намного ниже, чем у других выключателей. Электромагнитный механизм составляет 0,35~0,50 м/с, а пружинный механизм — 0,8~1,0 м/с. Фактически, вакуумные выключатели не имеют строгих требований к скорости закрытия, пока они могут завершить действие закрытия (включая замыкающую способность). Говоря о процессе закрытия, мы должны говорить о проблеме отскока при закрытии, потому что контакты вакуумных выключателей являются плоскими контактами, и при столкновении будет отскок. Поэтому отскок должен контролироваться в определенном диапазоне. Определение «время отскока при закрытии» показано на рисунке 1 (диаграмма формы сигнала операции закрытия). Время отскока при закрытии T=T1+T2. Среди них T1 — это время застоя подвижного контакта и статического контакта перед отскоком, а T2 — это время, когда подвижный контакт отскакивает и летит. T1 во времени отскока при закрытии связано со скоростью закрытия. Чем выше скорость закрытия, тем меньше значение T1, и наоборот. Поэтому значение T пружинного механизма меньше, чем у электромагнитного механизма. Большое количество испытаний показало, что для тех, у кого только один отскок при закрытии, T=1,8~2,6 мс; для тех, у кого два отскока при закрытии, T>5 мс. Когда люди пытаются устранить отскок и стремятся уменьшить значение T до менее 2 мс, но игнорируют, что это всего лишь механическая операция, выполняемая при отсутствии нагрузки. При замыкании точки короткого замыкания и замыкании тока нагрузки ситуация совершенно иная.
При пересечении расстояния это вызывает пробой, создает сильное электрическое отталкивание и замедляет воздействие контакта. В это время будет ли измеряться отскок при отсутствии нагрузки? После ознакомления с формами волн, записанными осциллографом испытания тока короткого замыкания Сианьского научно-исследовательского института высоковольтного электрооборудования и Пекинского научно-исследовательского института электроэнергетики, нетрудно увидеть, что отскок не был обнаружен, что полностью доказывает, что электрическое отталкивание после пробоя является эффективным средством устранения отскока. Кроме того, добавление внешнего буфера для достижения отскока при отсутствии нагрузки является излишним, что также продлит время дугового пробоя и вызовет ненужное горение.
3 Выбор вакуумного прерывателя
В настоящее время ва
Качество вакуумных прерывателей в Китае не хуже, чем в зарубежных странах. Вакуумные прерыватели, использующие технологию продольного и поперечного магнитного поля, и вакуумные прерыватели, использующие технологию контакта центрального зажигания, а также эксплуатационные характеристики контактных материалов из сплава Cu-Cr достигли мирового уровня. Контакты из сплава Cu-Cr успешно прерывают 50 кА и 63 кА. Керамические трубки имеют абсолютное преимущество в материале оболочки вакуумного прерывателя. Однако стеклянные трубки по-прежнему сохраняют жизнеспособность из-за своей низкой цены, стабильной технологии герметизации и более низкой скорости утечки, чем керамические трубки. Однако керамические трубки обладают высокой устойчивостью к хрупкости и просты в массовом производстве. Китайский вакуумный прерыватель достиг относительно высокого уровня. Вакуумные выключатели могут использовать отечественные вакуумные прерыватели.
4 Типовые испытания и различные параметры вакуумных выключателей
Параметры и элементы типовых испытаний вакуумных выключателей часто отражают его уровень и ценность. Поэтому в условиях сегодняшней жесткой рыночной конкуренции различные производители вложили много денег, чтобы превзойти своих оппонентов в типовых испытаниях. Они взаимно улучшают содержание теста, но сам продукт редко улучшается, что приводит к неправильному руководству для некоторых пользователей, которые не знают правду. На самом деле, у него больше недостатков, чем преимуществ, и к нему следует относиться правильно.
4.1 Время отключения тока короткого замыкания полной мощности Это испытание, которое показывает электрический ресурс определенного типа вакуумного прерывателя при отключении номинального тока короткого замыкания в сотрудничестве с автоматическим выключателем определенного технического уровня и конструкции. Не считается, что автоматический выключатель с большим количеством раз отключения является хорошим автоматическим выключателем, поскольку, когда автоматический выключатель работает в электросети, невозможно, чтобы произошло так много коротких замыканий, а слишком большое количество раз отключения невыгодно для пользователей.
4.2 Испытание конденсаторной батареи
Вакуумный выключатель имеет высокую отключающую способность и подходит для частой эксплуатации и широко используется для резки конденсаторных батарей. Соответствующие стандарты предусматривают, что если перенапряжение, вызванное сильным пробоем, составляет менее 2,5, он считается квалифицированным.
4.3 Ход и ход сжатия контактной пружины
В настоящее время ход иностранных вакуумных выключателей составляет 8 мм, а ход отечественных — 11 мм; ход сжатия контактной пружины вакуумного выключателя следует выбирать в пределах 3–4 мм в соответствии с приведенным выше объяснением.
4.4 Скорость отключения
В настоящее время скорость отключения вакуумных выключателей в основном составляет 1,0–1,2 м/с. Из приведенного выше анализа следует, что начальная скорость размыкания должна строго контролироваться (0–3 мм).
4.5 Время отскока при замыкании Отскок при замыкании безвреден, но отскок обычно не превышает 2–3 мс.
4.6 Трехфазная синхронизация размыкания и замыкания
Что касается выключателей, то требование трехфазной синхронизации предлагается на основе традиционных выключателей, поскольку отключающая способность масляных выключателей и выключателей SF6 находится в определенном интервале после размыкания контактов. Отключающая способность ослабевает или исчезает за пределами этого интервала, поэтому трехфазная синхронизация должна быть выше. Вакуумный выключатель обладает сильной способностью самогашения и способен гасить дуги в любом интервале, поэтому синхронизация не важна. Даже если вакуумный выключатель имеет синхронизацию до 5 мм, когда переход тока через ноль совпадает с отстающей фазой, последствием будет всего 3,3 дополнительных дуги на фазу. мс, а когда переход тока через ноль в опережающей фазе, не будет никаких неблагоприятных последствий.
Различные фазы открытия и закрытия не оказывают отрицательного влияния на стабильность электросети, потому что время гашения дуги трехфазной системы всегда разное, а первая фаза открытия и вторая фаза открытия всегда находятся на расстоянии 5 мс друг от друга, поэтому разные фазы не оказывают влияния на электросеть.
Это касается открытия и закрытия, поэтому беспокоиться не о чем.
Короче говоря, различные фазы открытия и закрытия не наносят большого ущерба электросети и самому ее выключателю. Технические специалисты, которые проектируют вакуумные выключатели, должны обладать достаточным пониманием, чтобы понимать, что особенно важно, а что несущественно.
5 Заключение
Подводя итог, можно сказать, что после более чем 30 лет развития китайские вакуумные выключатели накопили богатый опыт проектирования и производства, а средства производства также быстро движутся в сторону модернизации и имеют значительные масштабы производства. Однако в конструкции и технологии все еще есть много слабых звеньев, и преодоление этих слабых мест является первоочередной задачей.
