Каждый крупный электрический узел имеет в своем составе обязательный элемент защиты силовых линий – высоковольтный выключатель, являющийся важнейшим коммутационным устройством, осуществляющим включение и отключение электроцепей под напряжением.

Такие устройства должны удовлетворять требованиям:

• Максимальная надёжность при отключении номинальных и аварийных токов;
• Минимальное время отключения;
• Автоматизация процесса цикла включения;
• Простота проведения ревизий и технического обслуживания;
• Обеспечение пожарной и взрывной безопасности.

Особой популярностью в современных системах электроснабжения пользуются высоковольтные вакуумные выключатели. В настоящее время эти выключатели повсеместно используются в энергосистемах среднего напряжения (до 35 кВ), промышленных установках и распределительных сетях для защиты оборудования при перегрузках и коротких замыканиях. Основными преимуществами такого типа выключателей являются компактность, экологичность (отсутствие масла, элегаза) и максимальная скорость срабатывания.

Вакуумные выключатели обрели свою популярность благодаря своей компактности и высокой надежности. Они используют вакуум в качестве среды для гашения электрической дуги, что обеспечивает быстрое и эффективное отключение тока. Вакуумные выключатели не требуют частого обслуживания, так как в них отсутствуют горючие или токсичные материалы, что делает их экологически безопасными. Они идеально подходят для использования в закрытых распределительных устройствах (ЗРУ) и на промышленных объектах, где важны малые габариты и высокая отключающая способность.

О КОНСТРУКЦИИ

Вакуумный выключатель включает в себя несколько ключевых компонентов, каждый из которых выполняет определенную функцию:

• контактная группа, отвечающая за размыкание и замыкание цепи в процессе эксплуатации;
• литые полюса вакуумной камеры, предназначенная для эффективного гашения электрической дуги;
• пружинно-моторный привод, обеспечивающий движение контактов.

Контактная группа выключателя производится из меди и покрывается серебром. Эти материалы выбираются благодаря их высокой электропроводности, устойчивости к износу и способности сохранять стабильность при высоких температурах.

Литые полюса вакуумной камеры производятся из композитных материалов и покрыты специальным компаундом. Их конструкция включает в себя подвижный и неподвижный контакты, верхний и нижний выводы, дугогасительную камеру, изолированную тягу, а сама конструкция облачена в изоляционный корпус. Литые полюса вакуумной камеры предназначены для формирования вакуумной среды внутри выключателя. Такая конструкция исключает влияние внешних факторов на контакты, что способствует повышению надежности и стабильности работы устройства.

Внешний корпус выключателя изготавливается из изоляционных материалов, устойчивых к высоким напряжениям и механическим воздействиям. Дополнительно выключатель оснащается контрольными и сигнальными устройствами, такими как индикаторы положения контактов и датчики состояния.

КАК РАБОТАЕТ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВАКУУМНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ

Принцип работы вакуумного высоковольтного выключателя основан на гашении электрической дуги в вакуумной среде.
Но самой важной и основной конструктивной деталью высоковольтного вакуумного выключателя всё же является вакуумная дугогасительная камера. Она отвечает за гашение электрической дуги, которая возникает при размыкании контактов под нагрузкой. Внутри герметично закрытой камеры создается глубокий вакуум (10^-6 – 10^-7 Па), что обеспечивает высокую электрическую прочность и быстрое гашение дуги за счет отсутствия ионизированных частиц.

Вакуумная камера работает следующим образом:
Когда выключатель находится в замкнутом состоянии, контакты плотно соприкасаются, обеспечивая протекание тока. При соприкосновении контактов они сплавляются между собой по верхнему слою проводящего материала контактов, так как при замыкании возникает кратковременное повышение тока из-за переходного процесса, сопровождающееся повышением температуры на контактной поверхности.

При увеличении тока сверх установленного номинала (срабатывании релейной защиты) или возникновении аварийной ситуации (КЗ или перегрузка) или же отключении питания в рабочем режиме, контакты размыкаются, разрывая электрическую цепь. В момент размыкания механическая связь контактов разрывается благодаря усилию пружины, возникает электрическая дуга, вызванная прохождением тока по области высокой проводимости, образовавшейся из-за разрушения связи между контактами. Из-за дуги возникает повышение тока, которое может повредить оборудование, если дуга не будет быстро погашена. 

Благодаря глубокому вакууму внутри дугогасительной камеры, дуга быстро гаснет, так как в вакуумной среде отсутствуют ионизированные частицы, способные поддерживать ее горение. После гашения дуги пары металла конденсируются на внутренних стенках камеры, что восстанавливает электрическую прочность вакуума и готовит выключатель к следующему циклу работы.                    
Такой механизм работы предотвращает пробои и утечки тока, обеспечивает быстрое и надежное отключение цепи, а также сохраняет долговременную работоспособность прибора. Вакуумные выключатели оснащены встроенными в систему управления механизмами защиты, которые позволяют оперативно реагировать на короткие замыкания и перегрузки, минимизируя риск повреждения оборудования и повышая надежность электрической сети.

Вакуумная камера критически важна, так как от ее работы зависит безопасность и надежность работы выключателя. Быстродействие высоковольтного вакуумного выключателя обеспечивается совместной работой вакуумной камеры и приводного механизма. Вакуумная среда обеспечивает мгновенное гашение дуги, а приводной механизм гарантирует точное и своевременное выполнение операций с контактной группой.

Механизм работы привода заключается в следующем: после замыкания цепи, вручную с помощью рычага, либо с помощью электродвигателя, взводится пружина для накопления её механической энергии. При поступлении сигнала от системы управления (например, от релейной защиты) пружина освобождается, передавая энергию на подвижный контакт, что приводит к его перемещению и быстрому замыканию цепи. После срабатывания, электродвигатель автоматически снова взводит пружину (вручную с помощью рычага), готовя привод к следующему циклу. Такая конструкция обеспечивает высокую скорость срабатывания, надежность и минимальное время восстановления.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ИСПОЛНЕНИЯ И ИХ ОСОБЕННОСТИ

1. Стационарное исполнение
Выключатель жестко закрепляется на раме или в ячейке КРУ (комплектное распределительное устройство) и КСО (камера сборная одностороннего обслуживания). Все подключения (силовые и управляющие) выполняются напрямую.

Особенности:

• Простая и надежная конструкция,
• Минимальные затраты на установку и обслуживание,
• Требуется отключение питания для проведения ремонтных работ,
• Применяется в сетях с низкой частотой коммутаций.

2. Выкатное исполнение

Выключатель монтируется на выкатной тележке, которая позволяет перемещать его внутри ячейки КРУ. В рабочем положении тележка фиксируется, а силовые и управляющие соединения выполняются через разъемные контакты.

Особенности:

• Удобство обслуживания и ремонта: выключатель можно выкатить без отключения всей ячейки,
• Повышенная безопасность: работы можно проводить при отключенном выключателе,
• Более сложная конструкция и высокая стоимость,
• Широко используется в промышленных и энергетических сетях.

3. На моторизованной тележке

Усовершенствованный вариант выкатного исполнения, где тележка оснащена электродвигателем для автоматического перемещения выключателя.

Особенности:

• Максимальное удобство эксплуатации: перемещение выключателя осуществляется дистанционно,
• Максимальная точность позиционирования и фиксации,
• Высокий уровень безопасности благодаря минимальному контакту персонала с высоковольтным оборудованием в процессе отключения,
• Используется в современных комплектных распределительных устройствах (КРУ) и на объектах, где предъявляются повышенные требования к уровню автоматизации,
• Необходимы дополнительные расходы на монтаж и эксплуатацию моторизированной системы.

Сравнение исполнений

Выбор исполнения зависит от требований к удобству эксплуатации, частоты обслуживания и бюджета.

 Достоинства вакуумных выключателей:

• Простота конструкции – отсутствие сложных элементов, таких как клапаны, компрессоры или дополнительные устройства;
• Компактные размеры и малый вес по сравнению с другими типами выключателей высокого напряжения;
• Не используются сжатый воздух, трансформаторное масло и другие легковоспламеняющиеся материалы, что значительно повышает эксплуатационную безопасность, обеспечивает взрывобезопасность, а также устраняет необходимость замены диэлектрической среды;
• Короткое время срабатывания;
• Быстрое восстановление изоляционных свойств в дугогасительном промежутке;
• Отсутствие вредных выбросов в окружающую среду;
• Абсолютная герметичность конструкции дугогасительной камеры;
• Длительный срок службы – способность выполнять от 10 до 30 тысяч циклов коммутации при номинальном токе;
• Отсутствие ударных нагрузок на опорные конструкции, в отличие от масляных выключателей;
• Возможность создания компактных КРУ – благодаря вакуумным выключателям можно проектировать многоуровневые распределительные устройства с минимальными габаритами.

Недостатки вакуумных выключателей

• Срез тока вблизи нулевого значения, что может вызывать перенапряжения при отключении малых индуктивных токов;
• Необходимость использования дополнительных защитных устройств, таких как RC-цепочки, ограничители перенапряжений (ОПН) или выключатели с электромеханической системой подавления перенапряжений.

Отдельно стоит подчеркнуть, что важными свойствами вакуумных выключателей являются крайне высокая скорость срабатывания, долговечность (срок службы до 30 лет), низкие расходы на техническое обслуживание и экологичность. Долговечность и надежность, на которых основывалось проектирование конструкции вакуумных выключателей, позволяет уверенно сказать, что они являются хорошим выбором на долгосрочную перспективу. В сфере электроэнергетики они широко применяются в энергосистемах, промышленности и распределительных сетях для защиты оборудования от перегрузок и коротких замыканий.

Очевидно, что на столь массовый и ответственный элемент систем электроснабжения накладываются жёсткие требования, как со стороны потребителя, так и со стороны надзорных органов. Основными требованиями, предъявляемыми к силовым выключателям, можно выделить:

• Соответствие техническим параметрам электросети (рабочее напряжение, отключающая способность, и т.п.)
• Безопасность персонала при эксплуатации
• Высокий уровень надёжности
• Компактность
• Минимальная необходимость в обслуживании
• Энергоэффективность

Достичь всех этих качеств в одном аппарате позволяют современные высоковольтные вакуумные выключатели, которые в настоящее время заняли доминирующее положение в структуре распределительных сетей.