Вакуумні вимикачі серії ВВПП

Олександр Ломов, керівник конструкторсько-технологічного відділу ВАТ «ПО Елтехніка»

Комутаційні апарати ВАТ "ПО Елтехніка" виробляє вже шість років. Перші апарати компанії — вимикачі навантаження та роз'єднувачі з повітряною ізоляцією відрізнялися від інших, представлених на вітчизняному ринку, абсолютно новими для України конструктивними рішеннями: трипозиційним принципом роботи та поперечним розташуванням полюсів щодо системи збірних шин.

Трипозиційний принцип роботи вимикача значно спростив конструкцію розподільчого пристрою. Лінійний апарат отримав функції заземлювального апарату, зникли складні конструкції взаємні блокування.

Розташування апарата в комірці поперечно щодо системи збірних шин дозволило зменшити габарити розподільчого пристрою не лише за шириною, а й за висотою. Так, у комірці висотою трохи більше двох метрів, залежно від схеми головних ланцюгів, можна розмістити до трьох апаратів та систему закритих магістральних збірних шин, суттєво підвищуючи рівень безпеки. Але найголовніша перевага полягала в тому, що вдалося суттєво підвищити надійність та впросити конструкцію приводу апарату, оскільки при поперечному розташуванні вал апарату поєднаний з валом приводу.

Осередком КСВ, де вперше почали встановлювати ці апарати, став добре відомий на ринку «Аврора». Досвід експлуатації, накопичений за ці роки, свідчить про високий рівень надійності та безпеки наших вимикачів.

Наступний крок у виробництві комутаційної техніки ми зробили у 2007 р. Аналіз світового досвіду та тенденцій розвитку комутаційної техніки переконав нас у необхідностіосвоїти ще один клас комутаційних апаратів - з еле-газової ізоляцією.

Розробляючи конструкцію нового виробу, ми зберегли принципи трипозиційної побудови та поперечного розташування його полюсів щодо збірних шин комірки. При цьому діелектричні властивості елегазу, які значно перевищують властивості повітря, дозволили оснащувати апарати з такою ізоляцією приводом менш енергоємним за рахунок меншого ходу рухомих контактів.

Конструктори нашої компанії спроектували кілька варіантів приводів, які забезпечують не тільки ручне оперування із незалежною від дій оператора швидкістю переміщення контактів, але й дистанційне за допомогою мотор-редуктора, а також з можливістю швидкого відключення.

До уваги споживачів перші комутаційні апарати власного виробництва з елегазовою ізоляцією наша компанія представила у складі нової серії осередків КСВ «Онега».

Освоївши ринок вимикачів навантаження та роз'єднувачів, компанія поставила перед собою ще одне завдання: розробити та освоїти серійний випуск набагато складнішого апарату – силового вимикача. І її було виконано. 2009 року лінійка комутаційних апаратів компанії поповнилася ще одним продуктом — вакуумним вимикачем ВВПП.

Вакуум як дугогасне середовище

В Україні початок експлуатації вакуумних вимикачів припав на вісімдесяті роки минулого століття. Перший досвід впровадження виявився абсолютно невдалим: кратність перенапруг українських вимикачів досягала 8,5 о.о., що завдавало великої експлуатаційної шкоди при комутації електроустаткування з низьким рівнем ізоляції, наприклад, електродвигунів. Ця обставина викликала стійку недовіру українських споживачів до вакуумних вимикачів загалом.

Однак у країнах західної Європи, як і в усьому світі, склалася зовсім інша думка щодо вакуумних апаратів, оскільки проблеми перенапруг були вирішені за рахунок конструктивних рішень самих апаратів та застосування додаткових пристроїв. Так, універсальним засобом, який протистоїть перенапруженням при відключенні електродвигунів, ненавантажених трансформаторів і т.д., є ГНН, застосування яких при встановленні вакуумних вимикачів в окремих випадках просто необхідне.

Загальносвітовий попит на вакуумні вимикачі становить нині близько 80% всього ринку комутаційних апаратів. Сьогодні і в Україні безперервно зростає кількість споживачів, які розуміють експлуатаційну надійність вакуумних вимикачів та економічну вигоду їх використання у складі розподільчих пристроїв.

Безперечною перевагою вакуумних вимикачів є їхня здатність забезпечувати умови гасіння дуги. Якщо розглядати залежність між імпульсною напругою, що витримується, і величиною міжконтактного проміжку, то в умовах вакуумного середовища при відстані між контактами 10 мм значення витримуваної напруги в 4 рази перевищують аналогічні для елегазового середовища і в 20 разів — для повітря. Тому, безумовні переваги вакууму конструкції комутаційних апаратів визначаються його діелектричною міцністю і швидкістю її відновлення.

Беручи до уваги унікальні властивості вакууму та можливості зменшити рівень перенапруг за допомогою допоміжних пристроїв та конструктивних рішень, ми розпочали власну розробку вакуумного вимикача. Нашою метою було запропонувати ринку надійний апарат із поперечним розташуванням полюсів щодо збірних шин, який можна було б встановлювати нетільки в нові комірки, а й застосовувати його адаптовану версію для заміни вимикачів, що відпрацювали свій термін, в комірках старого зразка, з фронтальним розташуванням апарату щодо системи збірних шин.

Основними елементами вакуумного вимикача, які визначають його надійність, функціональність та низький рівень експлуатаційних витрат є вакуумні камери та привід.

Вакуумні камери

«ПО Елтехніка» не виготовляє вакуумні камери самостійно, але ці елементи вимикача спроектовані за участю наших фахівців, за нашим технічним завданням та виготовляються під нашим контролем на всіх виробничих етапах.

Особливу увагу при розробці ми приділили контактній системі, оскільки саме вона прямо впливає на рівень комутаційних перенапруг. Властивості матеріалу головних контактів визначають такі характеристики, як відключаюча здатність та відновлення діелектричної міцності проміжку між контактами, стійкість до ерозії, струм зрізу при переході через нуль, перехідний опір і зусилля на підтиснення контактів. Аналізуючи різні матеріали, ми вибрали сплав CuCr (мідь-хром), який найповніше відповідає заданим параметрам.

Вакуумні камери встановлюються в корпус, виготовлений з епоксидного матеріалу. У сукупності з верхніми та нижніми висновками, а також з механізмом підтискання контактів, вони формують полюс апарату. Хід рухомого контакту у вакуумній камері не перевищує 6 мм. Важливим є збільшене значення пробивної напруги вакуумної камери, це досягається тим, що в корпусі вимикача полюса камера додатково занурюється до складу спеціального ізоляційного матеріалу.

Протягом усього термін експлуатації, тобто. протягом 30 років,камера не потребує обслуговування і не вимагає будь-якого регулювання механічних частин.

Привід вимикача

Існує багато суперечок про те, що досконаліше: пружинний або електромагнітний привід. Ми зробили свій вибір на користь пружинного приводу та готові цей вибір обґрунтувати.

Очевидно, що споживачеві важливим є необхідний рівень експлуатаційної надійності всієї мережі. Багаторічний досвід експлуатації сформував основні вимоги, яким має відповідати привід сучасних комутаційних апаратів, ми виконали ці вимоги:

швидкодія;
можливість ручного та дистанційного управління;
мала енергоємність;
можливість включення/відключення апарата за відсутності оперативного струму;
висока надійність;
низький рівень експлуатаційних витрат за обслуговування.

Розглянемо деякі з цих вимог. У частині швидкодії вакуумні апарати, обладнані зазначеними типами приводів, мають ідентичні характеристики (повний час відключення ВВП 0,06 с). Однак на відміну від електромагнітного приводу пружинний привід з функцією дистанційного керування має на порядок меншу енергоємність (величина оперативного струму вимикача ВВПП — не більше 2 А). Крім того, пружинний привід дозволяє виконувати увімкнення/відключення без оперативного струму та без застосування спеціальних засобів.

Багато в чому рівень надійності електромагнітного та пружинного приводу ідентичний. У частині експлуатаційних витрат електромагнітний привід можна назвати необслуговуваним, проте пружинні приводи, розроблені останніми роками, не вимагають до себе особливої уваги в процесі експлуатації. Висока надійність приводу апарату ВВПП забезпечена конструкцією його механічних частин таоптимальною кінематичною схемою.

Слід зазначити ще один тип приводу, — електромагнітний привід, що діє за принципом «магнітної клямки». Він виглядає найбільш привабливим з погляду швидкодії та ресурсу. Відсутність більшості механічних частин пружинного приводу дозволяє втричі скоротити повний час відключення і стільки ж підвищити механічний ресурс апарату. Однак є і очевидні недоліки подібних конструкцій - немає можливості ручного оперування, включення / відключення при відсутності оперативного струму можливе тільки при використанні спеціальних засобів, необхідно забезпечити додаткову перешкоду установки.

Технічні характеристики

Не так просто запропонувати принципово нові рішення щодо конструкції приводу або влаштування вакуумних камер. Сьогодні навіть компанії зі світовим ім'ям не пропонують нових розробок у цій галузі. Більшість ідей щодо вдосконалення вакуумної комутаційної техніки пов'язані з підвищенням її споживчих якостей, зі зменшенням її габаритів, підвищенням функціональності тощо.

Створюючи свій вакуумний вимикач, ми, як конструктори, прагнули досягти оптимального поєднання функціональності та технічних характеристик. Не торкаючись принципових речей, про які вже сказано, слід зазначити, що апарат ВВПП має весь необхідний набір компонентів для надійної та безпечної експлуатації:

механічні індикатори поточного положення апарату та стану пружини;
мікроперемикачі покажчиків взводу пружини та положення блокування;
блок контакти стану апарату для підключення вторинних ланцюгів;
клемну колодку для підключення ланцюгів керування та сигналізації;
механічну (вбудованим замком)блокування операції "включення";
механічний лічильник кількості відпрацьованих циклів включення/відключення;
пускові електромагніти увімкнення/відключення;
мотор-редуктор взводу пружини.

Для оптимального використання вільного простору комірки конструкцією вимикача передбачена можливість встановлення як вгору, так і вниз полюсами. Для більш гнучкого визначення конфігурації вимикача частина елементів (мотор-редуктор взводу пружини, пускові електромагніти і т.д.) переведені в розряд опцій і поставляються за запитом.

Насамкінець хотілося б відповісти на запитання, яке ми часто чуємо від замовників і колег: «Чому «ПО Елтехніка», відомий в Україні виробник осередків, сьогодні прагне зайняти на електротехнічному ринку позицію апаратобудівника?».

Все дуже просто. У конструкції обладнання для розподільчих мереж середньої напруги, на ринку якого працює наша компанія, ключовим є «серце» осередку, тобто комутаційний апарат. Наша компанія бачить перспективу свого розвитку у тому, щоб основні зусилля та інвестиції спрямувати на створення цих інтелектуальних, наукомістких продуктів. Спираючись на досвід експлуатації, поєднати дослідницьку роботу, інженерну думку та сучасні технології.