1.    Принцип работы вакуумного выключателя

Вакуумный выключатель (ВВ) — это коммутационное устройство, предназначенное для оперативного включения и отключения электрических цепей под нагрузкой, а также для защиты электрооборудования от токов короткого замыкания (КЗ). Его ключевая особенность — использование вакуумной дугогасительной камеры (ВДК), в которой происходит гашение электрической дуги при размыкании контактов.

1.1. Основные элементы и их функции

Основу вакуумного выключателя составляют несколько ключевых компонентов.

Вакуумная дугогасительная камера (ВДК) представляет собой герметичную полость с крайне низким давлением (порядка 10⁻⁶...10⁻⁷ Па). Внутри неё расположены подвижный и неподвижный контакты. Вакуумная среда обеспечивает высокую электрическую прочность.

Приводной механизм отвечает за перемещение подвижного контакта. В зависимости от конструкции привод может быть пружинным, электромагнитным или электромеханическим.

Токоразъемные контакты изготавливаются из специальных материалов, таких как медно-хромовый сплав (CuCr), обеспечивающих устойчивость к эрозии и высоким температурам.

Изоляционная система служит для обеспечения необходимой диэлектрической прочности между токоведущими частями и корпусом выключателя.

1.2. Процесс отключения цепи

Отключение цепи вакуумным выключателем происходит в несколько этапов.

• Сначала инициируется размыкание — при поступлении сигнала от релейной защиты приводной механизм начинает движение подвижного контакта.

• Затем, в момент расхождения контактов, из-за ионизации паров металла возникает вакуумная дуга.

• Далее происходит гашение дуги — при переходе тока через ноль (в сети переменного тока) пары металла быстро конденсируются, что восстанавливает диэлектрическую прочность вакуума.

• Наконец, контакты полностью размыкаются, расходясь на безопасное расстояние, что исключает возможность повторного зажигания дуги.

1.3 Особенности цикла отключения-включения

Вакуумные выключатели обладают рядом характерных особенностей.

• Высокая скорость срабатывания — время отключения составляет всего несколько миллисекунд, что делает ВВ особенно эффективными при аварийных отключениях.

• Минимальный износ контактов — благодаря вакуумной среде и специальным материалам контактов ресурс вакуумных выключателей достигает десятков тысяч операций.

• Отсутствие выбросов в окружающую среду — в отличие от масляных или элегазовых выключателей, ВВ не используют экологически опасные среды, что делает их более экологичными.

Вакуумные выключатели получили широкое распространение в сетях среднего напряжения (6–35 кВ) благодаря своей надёжности, долговечности и низким эксплуатационным затратам. Понимание принципов их работы и особенностей цикла отключения-включения позволяет эффективно эксплуатировать это оборудование и минимизировать риски аварийных ситуаций.

1.4 Процесс включения цепи

Включение цепи вакуумным выключателем также представляет собой последовательность действий. Сначала подаётся управляющий сигнал и привод начинает перемещать подвижный контакт в направлении неподвижного. Затем происходит замыкание контактов — быстрое и надёжное соприкосновение контактных поверхностей. После этого контакты фиксируются в замкнутом положении и остаются в нём до следующего цикла отключения.

2.    Процессы в вакуумной камере при размыкании контактов

Во время размыкания контактов вакуумного выключателя внутри камеры дугогашения происходит сложный физический процесс.

2.1. Начальная стадия размыкания

В момент начала расхождения контактов между ними возникает металлический мостик из расплавленного материала контактных поверхностей (обычно CuCr-сплава). При дальнейшем движении подвижного контакта этот мостик разрывается, что приводит к:

•    Испарению металла с поверхности контактов
•    Образованию высокотемпературной плазмы (до 10 000–15 000 К)
•    Ионизации паров металла в вакуумном промежутке

2.2. Формирование вакуумной дуги

Образовавшаяся плазма создает проводящий канал – вакуумную дугу, которая существует благодаря:
•    Термоэлектронной эмиссии с катода (неподвижный контакт)
•    Испарению и ионизации материала анода (подвижный контакт)
•    Поддержанию высокой плотности тока (до 10⁸ А/м²)

Особенность вакуумной дуги:
•    Существует в виде множества микро-пятен на катоде
•    Имеет капельную структуру плазмы
•    Поддерживается только за счет испаренного материала контактов

2.3. Процесс гашения дуги

Критически важный этап происходит при естественном переходе тока через ноль (в сетях переменного тока):
1.    Прекращение испарения металла – при снижении тока уменьшается нагрев контактов
2.    Быстрая рекомбинация ионов – за 2–10 мкс
3.    Конденсация паров металла на поверхностях контактов и экранах камеры
4.    Восстановление диэлектрической прочности – вакуумный промежуток возвращает изоляционные свойства

2.4. Ключевые факторы успешного гашения

•    Давление в камере (<10⁻⁴ Па) – предотвращает повторную ионизацию
•    Материал контактов (CuCr) – обеспечивает:
-    Высокую термостойкость
-    Низкую склонность к свариванию
-    Минимальное газовыделение
•    Геометрия контактов – специальные профили (например, спиральные пазы) создают магнитное поле, растягивающее дугу

2.5. Постгасительные процессы

После успешного гашения дуги:
•    Контакты остаются разомкнутыми на расчетном расстоянии (8–12 мм для 10 кВ)
•    Поверхности контактов охлаждаются
•    Остаточные пары металла осаждаются на экранах камеры
•    Готовность к следующему циклу коммутации

Технический результат: Вакуумная среда обеспечивает самое быстрое восстановление электрической прочности среди всех типов дугогасительных сред – до 50 кВ/мкс, что гарантирует надежное отключение даже при высоких переходных перенапряжениях.

3.    Последовательность отключения нагрузки в вакуумных выключателях

3.1. Стандартный цикл отключения

Типовая последовательность операций для вакуумных выключателей среднего напряжения (6-35 кВ) выглядит следующим образом:

О - 0,3 с - ВО - 180 с - ВО, где:
•    О - первоначальное отключение
•    ВО - включение с последующим отключением (в быстром цикле)
•    Цифровые значения указывают временные интервалы между операциями

3.2. Детализация цикла

1)    Первое отключение (О):
•    Выключатель получает сигнал от защиты
•    Происходит размыкание контактов с гашением дуги
•    Цепь полностью разрывается за 20-50 мс

2)    Пауза 0,3 секунды:
•    Минимальный технологический перерыв
•    Обеспечивает рассеивание остаточной плазмы
•    Позволяет контактам частично остыть

3)    Дребезг контактов - кратковременные колебания и повторные зажигания дуги при размыкании. В выключателях подавляется за счет:

Механических факторов:
•    Упругие колебания контактной системы при резком размыкании,
•    Вибрации подвижных частей привода,
•    Ударные нагрузки при начальном разрыве контактов.

Электрических процессов:
•    Динамическое изменение сопротивления дугового промежутка,
•    Нестабильность плазменного столба при малых расстояниях между контактами,
•    Повторные пробои при расхождении контактов менее 2-3 мм.

4)   Быстрое повторное включение-отключение (ВО):
•    Автоматическое включение через 300 мс
•    Мгновенное отключение при сохранении КЗ
•    Общее время операции - не более 100 мс

5)    Длительная пауза 180 секунд:
•    Охлаждение контактов и камеры
•    Восстановление диэлектрической прочности
•    Подготовка к финальной попытке

6)    Финальное ВО:
•    Последняя попытка включения
•    Окончательное отключение при неуспехе
•    Переход в аварийный режим

3.3. Техническое обоснование временных параметров цикла

Выбранные временные интервалы в последовательности отключения имеют строгое техническое обоснование. Короткая пауза 0,3 секунды между операциями необходима для нескольких ключевых процессов. За это время успевают рассеяться металлические пары, образовавшиеся при гашении дуги, что предотвращает повторное зажигание. Также за этот промежуток происходит частичная деионизация межконтактного промежутка и стабилизация переходных процессов в сети.

Длительная пауза 180 секунд (3 минуты) предусмотрена для более серьезных восстановительных процессов. Такой интервал позволяет обеспечить полное тепловое восстановление контактов и вакуумной камеры. За это время температура критических элементов снижается до рабочих значений, что предотвращает термическое повреждение оборудования. Кроме того, такой перерыв гарантирует сохранение ресурса контактов при многократных операциях отключения токов короткого замыкания.

3.4. Особенности реализации циклов отключения

Реализация циклов отключения имеет свои особенности в зависимости от типа привода и характеристик сети. В выключателях с пружинными приводами необходимо учитывать время готовности к повторному включению (15-30 секунд), которое требуется для взвода пружинного механизма. Это может потребовать корректировки стандартных временных интервалов.

Современные микропроцессорные защиты позволяют гибко программировать временные параметры циклов отключения. Это дает возможность адаптировать алгоритм работы под конкретные параметры сети, учитывая такие факторы как величина предыдущего тока короткого замыкания, состояние оборудования и режим работы сети. Особенно важна такая адаптация при работе с генераторами, где требуются увеличенные временные интервалы и специальные алгоритмы синхронизации, включая контроль остаточного намагничивания.

3.5. Последствия нарушения регламентированных циклов

Нарушение установленных временных параметров цикла отключения может привести к серьезным негативным последствиям. Преждевременное повторное включение выключателя на неостывшие контакты вызывает их чрезмерный перегрев, что снижает отключающую способность оборудования. В экстремальных случаях это может привести к разрушению вакуумной камеры из-за тепловых перегрузок.

Кроме термических повреждений, нарушение циклов отключения провоцирует повышенные переходные перенапряжения в сети. Это создает дополнительные риски для изоляции всего подключенного оборудования. Также стоит отметить, что несоблюдение регламентированных временных интервалов сокращает ресурс выключателя и может стать причиной его преждевременного выхода из строя.

Важно: Указанный цикл соответствует требованиям ГОСТ Р 52565-2006 и обеспечивает до 100% номинальной отключающей способности при сохранении ресурса выключателя.

4.    Скорость размыкания и замыкания контактов вакуумного выключателя

4.1. Скоростные характеристики операций

Вакуумные выключатели отличаются исключительно высокими показателями быстродействия, что является одним из их ключевых преимуществ. Скорость коммутационных операций определяется несколькими параметрами:

•    Средняя скорость размыкания составляет 0,8-1,5 м/с
•    Средняя скорость замыкания достигает 0,6-1,2 м/с
•    Полное время отключения (от момента получения сигнала до полного размыкания) - 25-50 мс
•    Полное время включения - 30-60 мс

4.3 Факторы, влияющие на чистое время движения контактов в вакуумном выключателе с пружинно-моторным приводом

Чистое время движения контактов (от начала перемещения до полного размыкания) зависит от нескольких технических и эксплуатационных параметров:

1) Характеристики пружинного механизма

•    Жёсткость и предварительное натяжение пружины

Чем выше жёсткость, тем быстрее ускорение контактов. Оптимальное натяжение обеспечивает скорость 0,6–1,2 м/с.
Пример: Пружины с усилием 500 Н/м дают время движения ~15 мс при ходе 10 мм.

•    Кинематическая схема привода

Рычажные передачи и кулачковые механизмы могут увеличивать/уменьшать эффективную скорость за счёт передаточного отношения.

2) Масса подвижных частей

•    Вес контактной группы, изоляционных штанг и рычагов влияет на инерцию:

Пример: Уменьшение массы на 20% сокращает время движения на 10–15%.

3) Условия эксплуатации

•    Температура окружающей среды
При отрицательных температурах (< –20°C) вязкость смазки увеличивается, что может замедлить движение на 5–10%.

•    Износ механических компонентов
После 10 000 операций возможны:

•    Проседание пружин (увеличение времени на 3–5%).
•    Люфты в шарнирах (до +10% к времени срабатывания).

4) Внешние нагрузки

•    Ток отключения
При КЗ магнитное поле дуги ускоряет размыкание на 5–15% за счёт силы Лоренца.

•    Положение выключателя
Вертикальный монтаж может изменять нагрузку на пружины (±3% к скорости).

5) Конструктивные особенности

•    Демпфирующие устройства
Амортизаторы предотвращают удар при завершении хода, но добавляют 1–2 мс к времени движения.

•    Регулировка привода
Заводские настройки допускают коррекцию скорости в пределах ±20% через изменение предварительного сжатия пружин.

6) Сравнение с нормативами

Стандарты МЭК 62271-100 и ГОСТ Р 52565-2006 требуют, чтобы чистое время движения для ВВ 10 кВ не превышало 20 мс. Типовые значения для современных выключателей:

•    Пружинный привод: 12–18 мс
•    Электромагнитный: 8–12 мс

Рекомендации для поддержания скорости

•    Регулярная проверка усилия пружин (каждые 5 000 операций)
•    Замена смазки шарниров при температуре ниже –10°C
•    Контроль износа контактов (эрозия >3 мм увеличивает массу подвижных частей)

Вывод: Чистое время движения зависит от совокупности механических, электрических и эксплуатационных факторов. Для точного анализа конкретной модели необходимы данные производителя (например, испытательные осциллограммы).

4.4 Факторы, влияющие на скорость операций

На скоростные характеристики существенное влияние оказывают:
1)    Тип привода:
•    Пружинные приводы обеспечивают стабильную высокую скорость
•    Электромагнитные приводы имеют более высокое быстродействие

2)    Масса подвижных частей:
•    Облегченная конструкция контактной системы
•    Оптимизированная кинематическая схема

3)    Условия эксплуатации:
•    Температура окружающей среды
•    Частота операций включения/отключения
•    Состояние механических элементов

4.5 Значение высокого быстродействия

Высокие скоростные характеристики обеспечивают:
•    Эффективное гашение дуги за минимальное время
•    Снижение эрозии контактов благодаря сокращению времени горения дуги
•    Минимизацию термического воздействия на оборудование
•    Улучшение стабильности энергосистемы за счет быстрого устранения аварий

_______________________________________________________________________________________________

Предлагаем современные вакуумные выключатели BB-4Z с пружинно-моторным приводом, разработанные для надежной работы в высоковольтных распределительных устройствах 10-35 кВ.

Основные технические характеристики:
✔ Номинальное напряжение: 10 кВ, 20 кВ, 35 кВ
✔ Номинальный ток: 630 А, 1250 А, 1600 А, 2000 А, 2500 А, 3150 А
✔ Отключающая способность: до 40 кА (действующее значение)
✔ Пиковый стойкий ток КЗ: до 100 кА
✔ Тип привода: пружинно-моторный (автоматический взвод)
✔ Механический ресурс: 20 000–30 000 операций
✔ Климатическое исполнение: УХЛ2

Преимущества BB-4Z:
• Высокая отключающая способность – надежное гашение дуги даже при максимальных токах КЗ
• Долгий срок службы – износостойкие контакты CuCr с низкой эрозией
• Быстродействие – полное время отключения ≤ 50 мс
• Низкие эксплуатационные затраты – не требует замены дугогасящей среды
• Совместимость с КРУ – компактная конструкция для установки в ячейки КСО, КРУ, КРУН

Дополнительные опции:
♦ Встроенные датчики тока и напряжения
♦ Микропроцессорные защиты и автоматика
♦ Дистанционное управление и мониторинг (SCADA-совместимость)

Готовы обсудить индивидуальные условия!

📞 Контакты:
 +7 (922) 636-27-35 
 chelzeomarket@chelzeo.ru

BB-4Z – надежное решение для вашей энергосистемы!
________________________________________
Примечание: Технические параметры могут быть адаптированы под требования заказчика. Актуальные характеристики уточняйте у наших специалистов.