Vakuový vypínač: konstrukce a princip práce + nuance výběru a připojení

Elektrické zařízení vakuový vypínač – je to zařízení určené k provozu v rámci elektrických vysokonapěťových sítí. Svůj název získal podle zvláštnosti konstrukce – vakuové komory, díky které je dosaženo okamžitého zhášení elektrického oblouku.

Přístroj se používá jako spínače určené k odpojování zařízení v případě havarijních situací nebo v rámci běžného provozu. Podívejme se podrobněji na to, co je vakuový spínač a k čemu je potřeba.

Jak funguje vysokonapěťový vakuový spínač?

Základem funkčnosti vakuových komor používaných v konstrukci vypínačů jsou fyzikální vlastnosti plynu ve zředěném stavu. Za těchto podmínek se vlastnost plynu, charakterizovaná jako elektrická pevnost, výrazně mění směrem ke zvýšení.

Tento efekt vysoce zředěného prostředí (rozsah od 10^-6  do 10^-8 N/cm²) se úspěšně využívá v konstrukcích vypínačů doplněných plynovými vakuovými komorami, kterými procházejí elektrické kontaktní skupiny.

Jeden z modelů vakuového vypínače – přístroje, který se používá při provozu silových elektrických sítí. Zařízení je považováno za modernější a spolehlivější ve srovnání s podobnými zařízeními, ale jiného typu provedení.

Proud procházející kontaktními skupinami (v okamžiku rozpojení kontaktu) vytváří elektrický výboj – oblouk. Hoření oblouku probíhá díky částečné ionizaci par kovu, které se nevyhnutelně tvoří vlivem vysoké teploty. Průchod proudu mezi kontakty přes vytvořené plazma je udržován až do okamžiku přechodu proudu na nulovou sběrnici.

Jakmile nastane okamžik přechodu přes nulu, elektrický oblouk zhasne. Doba celého procesu trvá nejvýše 7-10 mikrosekund.

Konstrukce vakuových vypínačů

Rozmanitost vakuových vypínačů s ohledem na jejich konstrukční provedení je poměrně velká. Proto je obtížné podat charakteristiku těchto přístrojů jako celku. Nicméně nezávisle na konstrukčních odlišnostech zůstává princip činnosti neměnný.

Strukturní schéma VV: 1 – horní vývod; 2 – vakuová komora; 3 – polymerový izolátor; 4 – dolní vývod; 5 – páskový kontakt; 6 – silová pružina; 7 – tažná tyč; 8 – vypínací pružina; 9 – převodová páka; 10 – hnací hřídel; 11 – spouštěč; 12 – skříň

Pro obecné seznámení se podívejme na třípólový vakuový vypínač vybavený pružinovým motorovým pohonem. Tento přístroj je určen pro vnitřní instalaci nebo pro instalaci na volném prostranství. V každém případě se jeho montáž provádí uvnitř speciálních rozvodných kovových skříní.

Přístroje mohou být provozovány v nejrůznějších oblastech národního hospodářství. Existují však určitá omezení.

Takže vakuové vypínače nejsou určeny pro instalaci a následný provoz v následujících podmínkách:

• prostory s požárně nebo výbušnou atmosférou;
• zařízení konstrukčně určená pro časté spínání;
• zařízení mobilního (přemístitelného) typu;
• energetické systémy námořních a říčních plavidel.

Vakuové vypínače obvykle mají dvě konstrukční provedení:

1. Pro stacionární instalaci.
2. Pro instalaci s přístrojovým vozíkem.

Bez ohledu na provedení obsahuje skříň přístroje tři póly vybavené zhášecími komorami.

Uvnitř vakuových komor pracují pohyblivé kontakty ovládané pružinovým motorovým mechanismem. Skříň přístroje je doplněna čelním panelem, který obsahuje indikační prvky a ovládací zařízení.

Vnější hlavní prvky vypínače: 1 – póly přístroje; 2 – blokovací mechanismus zapnutí; 3 – okno pro zvedání; 4 – rukojeť mechaniky blokující vnější obvody

Tři póly hlavního obvodu jsou provedeny ve tvaru sloupů. Póly jsou obvykle umístěny na zadní části podvozku pružinového motorového pohonu. Každý pól je doplněn zhášecí komorou, která je uzavřena uvnitř polymerového izolátoru. Pro zvýšení elektrické pevnosti má skříň izolátoru žebrovaný tvar.

Uvnitř každé vakuové komory je namontována kontaktní skupina dvou prvků – pohyblivého a pevného. Prvek pohyblivého kontaktu je přes tažný izolátor spojen s přepínacím mechanismem. Dále je spojení s dolním kontaktním vývodem. A pevný kontakt je prostřednictvím kuželového uložení spojen s horním kontaktním vývodem přístroje.

Jak funguje pohon vypínače?

Pohyblivé kontakty vakuových komor jsou mechanicky spojeny s hřídelem pružinového motorového pohonu. Díky silové pružině předem napnuté (nastavené do stavu natažení) lze pohon snadno uvést do činnosti pouhým stisknutím ovládacího tlačítka nebo jiným mechanismem.

Schéma vakuové komory: 1 – svorkovnice pevného kontaktu; 2 – pevný kontakt; 3 – pohyblivý kontakt; 4 – kovová clona; 5 – keramický (polymerový) izolátor; 6 – měch; 7 – svorkovnice pohyblivého kontaktu

Pružina (obvykle dvě pružiny) se napíná prostřednictvím řetězového převodu. Normální provoz zařízení předpokládá napínání pružiny pomocí elektromotoru vybaveného převodovkou. Současně je k dispozici páčka ručního napínání, která se používá v případě havárie nebo ztráty napájení.

Napnutá pružina je zajištěna spouštěcím mechanismem. Tento mechanismus je ovládán prostřednictvím elektromagnetického pohonu nebo tlačítka zapnutí. Jakmile je aktivován režim zapnutí, zajištění se uvolní, síla tahu pružiny uvede do činnosti vačkový mechanismus. Ten pak působí na hřídel, který je mechanicky spojen s přepínacím mechanismem pohyblivých kontaktů vakuových komor.

Operace vypnutí vakuového vypínače se provádí aktivací režimu „Vypnuto“ – elektromagnetem nebo tlačítkem. Sled úkonů je prakticky podobný jako v prvním režimu. I zde jsou zapojeny silové vypínací pružiny, jejichž stav nastavuje spouštěcí mechanismus vypnutí.

Ovládací panel a indikační prvky: 1 – režim „zapnuto“; 2 – režim „vypnuto“; 3 – napnutý stav pružiny; 4 – stav uvolněné pružiny

Pohodlnost obsluhy a kontrolu činnosti přístroje zajišťuje ovládací panel. Na čelní straně panelu jsou umístěny prvky: počítač počtu cyklů, indikátor stavu napínací pružiny, indikátor stavu vakuového vypínače.

Vlastnosti výsuvných konstrukcí

Zařízení ve výsuvném provedení je sestaveno na základě speciálního přístrojového vozíku. Pomocí tohoto příslušenství se vypínač zasouvá do skříně nebo se z ní vysouvá.

Přístrojový vozík neslouží pouze jako transportní prostředek přístroje, ale také plní funkci ovladače pro uvedení přístroje do testovacího nebo pracovního režimu, jakmile je vypínač zasunut do skříně.

Přístrojový vozík: 1 – kladka (4 ks); 2 – základna; 3, A – pohyblivá základna; 4 – rukojeť (2 ks); 5 – objímka pro páku; 6 – blokovací lišta; 7 – fixační prvek; 8 – konektor pro sekundární obvod; 9 – blokovací mechanika přístroje; 10 – blokovací kontakty; 11 – lišta pro fixaci šroubu; B – nepohyblivá část

Vakuový vypínač se upevňuje přímo k pohyblivé části vozíku. Upevnění se provádí šroubovými spoji. Mezitím má přístrojový vozík ještě nepohyblivou část, kde je upevněn pohon pohyblivé části. Pohyb pohyblivého modulu vůči nepohyblivému se provádí pomocí šroubu řídicí rukojeti vozíku.

Pohyblivá část – kovová základna na čtyřech kolech, opracovaná galvanickým pokovením. Je zde vnější mechanické blokování (přítlačná lišta) uzemňovače, blokování šroubu pohonu, pomocné kontakty, mechanismus blokování vypínače a další prvky, které zajišťují pohyb nebo fixaci.

Instalace a připojení přístroje

Než začnete instalovat vakuový vypínač, je nutné provést kontrolu všech zevně přístupných prvků, abyste se ujistili, že nejsou poškozeny nebo vadné. Poté se provedou očistění izolačních povrchů pólů suchým hadříkem nepouštějícím vlákna.

Není dovoleno zařízení instalovat do systému, pokud jsou na izolačních površích odštěpky, praskliny nebo deformované oblasti. Povinně je třeba zkontrolovat schéma sekundárních obvodů a také připojení kostřící sběrnice.

Kontrola instalovaného přístroje. Zde je důležité pečlivě zkontrolovat každou součást, každý upevňovací prvek. Vysokonapěťová zařízení neodpouštějí ani sebemenší chybu.

Před instalací je třeba ověřit funkčnost vypínače ručním zapnutím (naprázdno bez napájení) a ujistit se o správné poloze indikátorů na ovládacím panelu. Poté je třeba zkontrolovat přítomnost krytů pólů. Pokud se používá zařízení pro jmenovitý proud 1600A a vyšší, musí se před montáží ochranné kryty sejmout.

Připojení přímo do sítě

Je nutné očistit svorky kontaktních nástavců vodičů silových kabelů před připojením k vývodům vypínače.

Postup čištění se liší v závislosti na použitém materiálu svorek:

• Pro měděné a hliníkové svorky bez dodatečného povlaku se čištění provádí brusným papírem se zrnitostí M20 nebo nižší, s následným odmaštěním povrchu kovu.
• Pokud jsou měděné nebo hliníkové svorky pokryté vrstvou stříbra, stačí je očistit hadříkem nepouštějícím vlákna.

Není přípustné používat kabely, u nichž je stříbrný povlak svorek poškozen na ploše větší než 5 %. V takovém případě je nutné poškozený prvek vyměnit. Podrobnosti o svorkách pro připojení vodičů si můžete přečíst v tomto materiálu.

Vnější vodiče se přivádějí k vývodům vakuového vypínače tak, aby nevznikala mechanická namáhání na vývody přístroje ze strany vnějších vodičů. Spoje se provádějí pomocí šroubového spoje s použitím plochých pružných kovových podložek.

Jak se provádí uzemnění?

Přístroje stacionárního provedení se připojují k zemnící plošce pomocí šroubového spoje (M12) přímo v místě označeném značením „Uzemnění“.

Konstrukční prvky aparátního vozíku a šasi vypínače, přes které se provádí uzemnění zařízení. Zpravidla jsou tyto body označeny příslušnou značkou umístěnou vedle prvku.

Oblast kontaktního bodu „Uzemnění“ je před spojením nutné odmastit. Jako uzemňovací vodič je třeba zvolit přípojnici dostatečného průřezu (Pravidla pro zařízení elektrických instalací), ohebný vodič nebo vodič spletený do svazku. Před nasazením vodiče na kontaktní plochu namažte kontaktní povrch speciálním mazivem (CIATIM-203).

Konstrukce výsuvného typu se uzemňuje pomocí prvků aparátního vozíku. Uzemnění vakuového vypínače se provádí přes konstrukci aparátního vozíku, k čemuž jsou také k dispozici upevňovací prvky.

Uvedení zařízení do provozu

Uvedení zařízení do provozu se provádí po dodatečné kontrole instalovaného a připraveného zařízení. Zejména se kontroluje spolehlivost uzemnění, stav upevnění montážních komponentů, přístup chladicího média k potenciálně se zahřívajícím prvkům.

Povrchy proudových tyčí, které jsou v kontaktu s lamelami zásuvkových kontaktních skupin, je nutné ošetřit malým množstvím maziva CIATIM. Celkově je třeba provést všechny postupy stanovené PUE pro přejímací zkoušky a přesvědčit se, že hodnota provozního napětí odpovídá přípustným mezím.

Instalace vakuového vypínače. Montážní práce provádí pouze kvalifikovaný personál. Stejné požadavky jsou kladeny na personál, který je vybírán pro údržbu vysokonapěťového zařízení.

Obsluhovat vakuový vypínač smí personál, který má oprávnění k údržbě elektrických instalací pracujících pod napětím vyšším než 1000 voltů. Schválená skupina oprávnění pro obsluhující osoby musí být nejméně třetí. Před zahájením práce se zařízením personál absolvuje technické minimum za účelem prostudování zvláštností konkrétního modelu zařízení.

Jak vybrat vakuový vypínač?

Přístroj se vybírá s ohledem na jeho jmenovité parametry, které jsou posuzovány ve vztahu k parametrům stávající sítě v místě instalace. Volba se provádí podle kritéria maximálně zatížených provozních režimů předpokládaných pro provozní podmínky.

Jmenovité napětí vakuového vypínače může být rovno (nebo vyšší) vzhledem k jmenovitému napětí systému napájeného přes vypínač.

Parametr jmenovitého dlouhodobého proudu se volí vyšší než jmenovitá hodnota proudu napájené soustavy. Parametr jmenovitého vypínacího proudu se volí vyšší než maximální hodnota výpočtového proudu zkratu (zohledňuje se okamžik rozchodu kontaktů).

Štítek s technickými parametry je první věc, které si při výběru vypínače všimnete. Na základě hodnot parametrů již lze určit, zda je zařízení vhodné pro konkrétní instalaci či nikoliv.

Z hlediska možných podmínek zkratu se výběr provádí s ohledem na nejtěžší režimy.

Aperiodická složka veličiny se vypočítává s přihlédnutím k podmínkám zkratu s nulovým napětím v kterékoli z fázových linek. Přitom je třeba zohlednit parametr aperiodického proudu stanovený výrobcem zařízení.

Závěry a užitečné video k tématu

Další informace o konstrukci, principu činnosti a podmínkách montáže vakuového vypínače se dozvíte z následujícího videa:

Vakuové vypínače se od jiných typů zařízení liší relativně jednoduchou a spolehlivou konstrukcí. Proto tento typ zařízení slouží dlouhou dobu bez zvláštních výhrad. Životnost přirozeného opotřebení je určena počtem operací nejméně 20 000. Při včasném provádění technické údržby se tato životnost zvyšuje o 5–10 %. Technická údržba VV se přitom omezuje na malý počet jednoduchých úkonů.

Pokud se při seznamování s informacemi objevily dotazy k tématu článku nebo máte cenné informace, které byste se s našimi čtenáři chtěli podělit, zanechte prosím své komentáře, podělte se o své zkušenosti, pokládejte otázky v bloku pod článkem.