Análise de princípios|Análise profunda de disjuntores a vácuo

1, características de isolamento do vácuo

O vácuo tem fortes propriedades de isolamento. Nos disjuntores a vácuo, o gás é muito fino e o deslocamento livre das moléculas de gás é relativamente grande, resultando em uma baixa probabilidade de colisão umas com as outras. Portanto, a dissociação por colisão não é a principal causa da verdadeira quebra do gap espacial, mas as partículas de metal precipitadas pelos eletrodos sob a ação de um campo elétrico de alta intensidade são os principais fatores que causam danos ao isolamento.

A resistência do isolamento em uma lacuna de vácuo não está apenas relacionada ao tamanho da lacuna e à uniformidade do campo elétrico, mas também é muito influenciada pelas propriedades e condições da superfície do material do eletrodo. A lacuna de vácuo tem características de isolamento mais altas do que o ar de alta pressão e o gás SF6 em pequenas lacunas de distância (2-3 milímetros), razão pela qual a distância de abertura do contato dos disjuntores a vácuo geralmente não é grande.

O impacto dos materiais do eletrodo na tensão de ruptura se manifesta principalmente na resistência mecânica (resistência à tração) do material e no ponto de fusão do material metálico. Quanto maior a resistência à tração e o ponto de fusão, maior a resistência do isolamento do eletrodo sob vácuo.

O experimento mostra que quanto maior o grau de vácuo, maior a tensão de ruptura do gap de gás, mas ela permanece basicamente inalterada acima de 10 a 4 torres. Portanto, para manter a resistência do isolamento da ampola a vácuo, seu grau de vácuo não deve ser inferior a 10 a 4 torres.

2, Formação e extinção de arcos elétricos no vácuo

Há uma diferença significativa entre o fenômeno do arco a vácuo e a descarga do arco de gás que aprendemos antes. A dissociação do gás não é o principal fator causador do arco, e a descarga do arco a vácuo é formada no vapor de metal evaporado do eletrodo de contato. Ao mesmo tempo, as características do desempenho do arco variam dependendo da magnitude da corrente de interrupção. Geralmente o classificamos em arco de vácuo de baixa corrente e arco de vácuo de alta corrente.

1. Arco de vácuo de baixa corrente

Quando o contato é desconectado no vácuo, um ponto catódico com alta concentração de corrente e energia é gerado e uma grande quantidade de vapor de metal é evaporada do ponto catódico. A densidade de átomos de metal e partículas carregadas no local é alta e o arco queima nele. Ao mesmo tempo, o vapor de metal e as partículas carregadas dentro da coluna do arco continuam a se difundir para fora, e o eletrodo também evapora continuamente novas partículas para complementar. Quando a corrente passa de zero, a energia do arco diminui, a temperatura do eletrodo diminui, o efeito de evaporação diminui e a densidade de partículas dentro da coluna do arco diminui. Finalmente, quando a corrente passa de zero, o ponto do cátodo desaparece e o arco se extingue.

Às vezes, a evaporação não consegue manter a velocidade de difusão da coluna do arco e o arco se extingue repentinamente, levando à ocorrência de interceptação do fluxo.

2. Arco de vácuo de alta corrente

Quando o contato desconecta uma grande corrente, a energia do arco aumenta, e o ânodo também gera forte calor, formando uma forte coluna de arco concentrado. Ao mesmo tempo, o papel da eletrodinâmica também é evidente, portanto, para arcos de vácuo de alta corrente, a distribuição do campo magnético entre os contatos tem um impacto decisivo na estabilidade e no desempenho de extinção do arco. Se a corrente for muito alta e exceder o limite de corrente de interrupção, isso causará falha de interrupção. Nesse ponto, o contato esquenta muito e, mesmo após a corrente passar de zero, ainda evapora, dificultando a recuperação do meio e impossibilitando o desligamento da corrente.

3, estrutura e princípio de funcionamento dos disjuntores

Existem muitos fabricantes e modelos de disjuntores a vácuo. De acordo com as condições de utilização, divide-se em dois tipos: interior (ZNx - * *) e exterior (ZWx - * *). Consiste principalmente em uma parte da estrutura, uma parte da câmara de extinção de arco (bolha de vácuo) e uma parte do mecanismo operacional.

O corpo do disjuntor é composto por um circuito condutivo, um sistema de isolação, vedações e um invólucro. A estrutura geral é um tipo de caixa comum trifásica. O circuito condutivo é formado conectando os pólos condutivos da linha de entrada e saída, os suportes de isolamento da linha de entrada e saída, clipes condutores e conexões macias à câmara de extinção de arco a vácuo.

O mecanismo é de armazenamento de energia elétrica, abertura e fechamento elétrico, e também tem função manual. Toda a estrutura é composta por molas de fechamento, sistemas de armazenamento de energia, disparadores de sobrecorrente, bobinas de abertura e fechamento, sistemas manuais de abertura e fechamento, chaves auxiliares, indicadores de armazenamento de energia e outros componentes.

princípio de trabalho

Quando um disjuntor a vácuo utiliza corrente de ar de alta fidelidade para fluir através do zero, o plasma rapidamente se difunde e extingue o arco, completando o objetivo de cortar a corrente.

princípio de ação

Processo de armazenamento de energia: Quando o motor de armazenamento de energia 14 é conectado à fonte de alimentação, o motor aciona a roda excêntrica para girar e o rolo 10 ao lado da roda excêntrica aciona o braço da manivela 9 e a placa de conexão 7 para girar, empurrando a energia lingueta de armazenamento 6 para girar, fazendo com que a catraca 11 gire. Quando o pino da catraca 11 está contra a placa da luva 32 do eixo acumulador de energia, os dois se movem juntos, fazendo com que a mola de fechamento 21 pendurada na luva 32 do eixo acumulador de energia se alongue. A luva de eixo de armazenamento de energia 32 é fixada por um pino de posicionamento 13 para manter o estado de armazenamento de energia. Ao mesmo tempo, o braço da manivela na luva do eixo de armazenamento de energia 32 empurra o interruptor de deslocamento 5 para cortar a fonte de alimentação do motor de armazenamento de energia 14, e a lingueta de armazenamento de energia é levantada para se soltar de forma confiável da roda de catraca.

Processo de operação de fechamento: quando o mecanismo recebe o sinal de fechamento (o interruptor está no estado de energia desconectado e armazenado), o núcleo de ferro do eletroímã de fechamento 15 é sugado para baixo e o componente de posicionamento 13 é puxado para girar no sentido anti-horário para liberar a energia manutenção de armazenamento. A mola de fechamento 21 aciona a luva do eixo de armazenamento de energia 32 para girar no sentido anti-horário e seu came pressiona a luva do eixo de transmissão 30 para acionar a placa de conexão 29 e o balancim 27 para se mover, fazendo com que o balancim 27 entorte no meio eixo 25, fazendo com que o mecanismo fique em um estado fechado. Neste ponto, o dispositivo de intertravamento 28 bloqueia o componente de posicionamento, impedindo que o touro de posicionamento gire no sentido anti-horário, alcançando o objetivo de ligação do mecanismo e garantindo que o mecanismo não possa ser fechado na posição fechada.

Processo de operação de abertura: Depois que o disjuntor é fechado, o eletroímã de abertura recebe um sinal, o núcleo de ferro puxa e a haste superior na liberação de abertura 19 se move para cima, fazendo com que o eixo de liberação 16 gire, levando a haste superior 18 para mova para cima, empurrando a placa de dobragem 26 e conduzindo o semi-eixo 25 para girar no sentido anti-horário.

O meio eixo 25 e o balancim 27 são liberados e, sob a ação da mola de abertura, o disjuntor completa a operação de abertura.

4, Depuração de disjuntores

A medição da distância de abertura e sobrecurso de um disjuntor pode ser baseada na Figura 3. A diferença entre o valor X medido no estado aberto e fechado é a distância de abertura do disjuntor, e a diferença entre o valor Y é o sobrecurso do disjuntor. O método de ajuste é alongar ou encurtar a haste de operação isolada 3 ou a biela entre o mecanismo e o fuso.

Ajuste do mecanismo de abertura e fechamento

1. A quantidade de conexão entre o balancim 27 e o meio eixo 25 é de 1,5-2,5 mm, o que pode ser alcançado ajustando o parafuso 24.

2. Quando a luva do eixo de transmissão 30 gira em seu ângulo máximo, deve haver uma folga de 1,5-2mm entre o balancim 27 e o meio-eixo para garantir que, quando a luva do eixo de transmissão cair de volta para a posição fechada posição, o balancim 27 pode dobrar automaticamente no meio eixo 25, que pode ser ajustado pelo parafuso 31.

3. A conversão do interruptor auxiliar 2 deve ser precisa e confiável, o que pode ser obtido ajustando a posição do braço da manivela 3 e o comprimento da alavanca 4 do interruptor auxiliar 2.

4. Durante o processo de armazenamento de energia, quando a lingueta atingir o ponto mais alto do último dente, deve-se garantir que o braço da manivela na luva do eixo do armazenamento de energia 32 possa alternar com segurança os contatos do interruptor de deslocamento, cortar a energia do motor alimentação e faça isso ajustando as posições para cima, para baixo, para frente e para trás do interruptor de deslocamento 5.

5. Ajuste o comprimento da pré-tensão da mola de abertura e fechamento para garantir a abertura e fechamento confiáveis ​​do disjuntor e certifique-se de que a velocidade de abertura e fechamento atinja o valor especificado.

5, circuito de controle do disjuntor

Na subestação padronizada de 35KV da rede elétrica rural da China, é adotado o princípio de separar o barramento de controle e o barramento de fechamento.

Conecte um par de contatos normalmente abertos da chave de viagem de armazenamento de energia do disjuntor em série no circuito de controle entre o contato auxiliar normalmente fechado do disjuntor e a bobina de fechamento. Desta forma, a operação de fechamento não pode ser realizada sem armazenamento de energia no disjuntor. Evita o fechamento sem armazenamento de energia no disjuntor, mantendo o circuito de fechamento e queimando a bobina de fechamento.

Enquanto isso, durante o processo de fiação, é importante garantir que a polaridade entre o barramento de fechamento e o barramento de controle nos contatos do interruptor de deslocamento do armazenamento de energia seja consistente, a fim de evitar que o arco no circuito de fechamento rompa o interruptor de deslocamento durante armazenamento de energia, causando a fusão do fusível de controle ou o disparo do interruptor de ar de controle.

Isso deve ser observado principalmente em subestações de automação integrada.

6, operação de manutenção e teste de reparo

Os disjuntores a vácuo têm curto tempo de arco, alta resistência de isolamento, alta vida elétrica, pequena distância de contato e curso e baixa energia operacional, portanto, sua vida mecânica também é alta. Na operação diária, a carga de trabalho de manutenção é muito pequena, principalmente verificando o desgaste das partes móveis do mecanismo, se os fixadores estão soltos, removendo a poeira da superfície de isolamento e injetando um pouco de graxa lubrificante nas partes móveis.

No teste preventivo de inspeção da mola, o teste de resistência CC do interruptor deve ser comparado com os dados históricos e os problemas devem ser prontamente tratados e substituídos. O teste de tensão suportável de frequência de energia da fratura é um método eficaz para verificar se a bolha de vácuo está vazando. (Os disjuntores a vácuo internos podem se referir à cor da luz intermitente dentro da bolha de vácuo quando a carga é desconectada para determinar preliminarmente o grau de vácuo da bolha de vácuo. Quando a cor é vermelho escuro, indica uma diminuição no grau de vácuo e quando a cor é azul claro, indica um bom grau de vácuo.) Ao verificar a proteção e instalação do disjuntor, um teste liga-desliga de baixa tensão é realizado para verificar se a chave opera de forma confiável quando a tensão cai durante uma falha de barramento estado.

Análise do Desenvolvimento e Desempenho de Disjuntores a Vácuo

1, disjuntor a vácuo dedicado

Diante de tarefas de interrupção extremamente diferentes, surgiram novos disjuntores especializados. Se o disjuntor a vácuo de grande capacidade (com uma corrente de interrupção de curto-circuito de 63-80kA ou superior) for usado para o disjuntor de proteção do gerador, o disjuntor a vácuo padrão (com uma corrente de interrupção de curto-circuito de {{ 3}}kA), o disjuntor a vácuo econômico (com uma corrente de interrupção de curto-circuito de 16-25kA), o disjuntor a vácuo frequente (com uma frequência operacional de 50.000 a 60.000 vezes) e o disjuntor ultrafrequente e disjuntor a vácuo complexo (com uma frequência operacional de 100.000 a 150.000 vezes). Por exemplo, os disjuntores da série 3AH da Siemens são divididos em cinco modelos com base em seu uso. Os modelos 3AH1 e 3AH3 são padrão com 10.000 operações, o modelo 3AHZ é frequente com 60.000 operações, o modelo 3AH4 faz overclock com 120.000 operações e o modelo 3AH5 é econômico com preços baixos.

2, disjuntor a vácuo tipo baixa sobretensão

Como é bem conhecido, os disjuntores a vácuo podem causar corte de tensão devido ao corte de corrente, especialmente ao interromper pequenas interrupções indutivas negativas, como motores elétricos. Em geral, os dispositivos de absorção de sobretensão, como Sic, circuito RC, pára-raios de ZnO, etc., são equipados para limitar a sobretensão em disjuntores a vácuo, o que torna a estrutura do disjuntor grande e complexa, e alguns limitam a sobretensão não ideal.

Várias empresas japonesas seguiram um caminho diferente e desenvolveram disjuntores a vácuo de baixa sobretensão. Não requer a adição de dispositivos de absorção de sobretensão e usa materiais de contato recém-desenvolvidos para limitar a sobretensão a um décimo do valor convencional. Material de contato de baixa sobretensão: Toshiba é AgWC, Hitachi é Co Ag Se e Mitsubishi é Cu Cr Bi -, Fuji é um CuCr mais material de alto vapor. Essas empresas geralmente atingem 20kA a 7,2kV, com apenas a Toshiba atingindo 40kA a 7,2kV.

3, disjuntor a vácuo multifuncional

Como é bem conhecido, os disjuntores a vácuo até agora concluíram as tarefas de fechamento e interrupção em duas posições I (isto é, fechamento e abertura). Agora os disjuntores a vácuo multifuncionais surgiram, dando-lhes múltiplas funções, como fechamento, abertura, isolamento, aterramento, etc. Siemens, Alstom e Hitachi têm esses produtos. O mais recente disjuntor a vácuo modular NXACT da Siemens tem múltiplas funções: integração de fabricação, interrupção, isolamento, aterramento e intertravamento. O disjuntor a vácuo equipado pela empresa Alstom com comutador VISAX está em três posições I (isolamento de abertura de fechamento). O disjuntor a vácuo de 24kV desenvolvido pela Hitachi em colaboração com a Tokyo Electric Power Company tem quatro posições I (fechamento, abertura, isolamento, aterramento).

Para tornar o produto multifuncional, existem dois métodos do ponto de vista dos produtos existentes: primeiro, a coluna de fase do disjuntor a vácuo se move ou gira após a abertura, formando isolamento e aterramento; A outra é a rotação dos contatos na câmara de extinção de arco a vácuo para completar o isolamento e o aterramento. Os produtos Siemens NXACT completam o isolamento e o aterramento movendo a coluna de fase após a desconexão, enquanto a Alstom completa a tarefa de isolamento girando a coluna de fase após a desconexão, e a Hitachi completa a tarefa de isolamento e aterramento girando o contato na câmara de extinção de arco.

4, disjuntor síncrono

Os disjuntores síncronos também são conhecidos como disjuntores a vácuo seletivos de fase ou disjuntores a vácuo controlados. O princípio básico é fazer com que o disjuntor a vácuo feche ou abra no momento mais favorável de tensão ou corrente.

Comparados com os disjuntores a vácuo comuns, os disjuntores síncronos têm as seguintes vantagens: 1. redução das cargas de sobretensão transitórias na rede elétrica; 2. Melhorou a qualidade do fornecimento de energia na rede elétrica; 3. Melhorou a vida elétrica e o desempenho do disjuntor; 4. Projeto de rede elétrica simplificado, reduzindo assim o custo geral do sistema.

A ABB desenvolveu disjuntores a vácuo síncronos usando dispositivos eletrônicos digitais e mecanismos de operação magnéticos, o que é um bom começo.

5, disjuntor a vácuo inteligente

A inteligência dos disjuntores a vácuo é baseada em tecnologia de detecção moderna e tecnologia de controle digital. Fabricantes estrangeiros tornaram seus produtos inteligentes, o que é necessário não apenas para a automação da distribuição, mas também para o controle e proteção dos próprios disjuntores. Por exemplo, o dispositivo de controle digital programável DCX da Alstom, o dispositivo de controle e proteção REF542 da ABB e o dispositivo de proteção digital de segunda geração da Siemens.

Pelo exposto, pode-se ver que os disjuntores a vácuo se desenvolveram rapidamente. Embora existam muitas razões para isso, há duas razões básicas: em primeiro lugar, o progresso da tecnologia de câmara de extinção de arco a vácuo; O segundo é o avanço da tecnologia do mecanismo operacional. A câmara de extinção de arco a vácuo é o coração de um disjuntor a vácuo. O progresso das câmaras de extinção de arco a vácuo se reflete na transformação do material de contato de CuBi para CuCr, o que melhora a capacidade de quebra e reduz o valor de corte. Ao mesmo tempo, o campo magnético muda de campos magnéticos transversais para longitudinais, melhorando a capacidade de quebra e reduzindo a perda de queima de contato. Em termos de tecnologia, a adoção de um processo de vedação única melhora muito o desempenho e a confiabilidade da câmara de extinção de arco.

O mecanismo operacional é chamado de sistema nervoso central do disjuntor a vácuo. Originalmente usando mecanismos eletromagnéticos, surgiram mecanismos de mola e o mais recente é o surgimento de mecanismos de ímã permanente. O mecanismo de mola possui uma estrutura complexa com um grande número de peças (até 200), requisitos de alta precisão de usinagem e as características de saída do mecanismo de mola não correspondem às características de carga do disjuntor a vácuo. Portanto, é necessário projetá-lo razoavelmente na curva de contorno do came e na estrutura da biela. A estrutura mecânica dos mecanismos de ímã permanente é particularmente simples, com menos componentes do que qualquer outro mecanismo, e o número de partes móveis pode ser reduzido a um, resultando em confiabilidade mecânica particularmente alta. Além disso, o desempenho de saída dos mecanismos de ímã permanente é compatível com as características de carga dos disjuntores a vácuo. O mecanismo de imã permanente usa travas de imã permanente, capacitores (ou fonte de alimentação de tela CC) para armazenamento de energia e é controlado eletronicamente. Mecanismos de ímã permanente são particularmente adequados para operações frequentes, como até 60.000 a 150.000 vezes

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