高電圧スイッチ：分類、デバイス、動作原理
スイッチの要件は次のとおりです。
1) 職場での信頼性と他人の安全。
2) 迅速な応答 - おそらくシャットダウン時間が短い。
3) メンテナンスが容易。
4）設置が簡単。
5) 静かな動作。
6) 比較的低コスト。
現在使用されている回路ブレーカーは、多かれ少なかれ、リストされた要件を満たしています。ただし、サーキット ブレーカーの設計者は、サーキット ブレーカーの特性を上記の要件にさらに適合させるよう努めています。
オイルスイッチ
オイルスイッチにはリザーバースイッチとローオイルスイッチの 2 種類があります。これらのキーのアーク空間脱イオン方法は同じです。唯一の違いは、接地ベースからの接触システムの絶縁とオイルの量です。
最近まで、次のタイプのタンクが機能していました：VM-35、S-35、および電圧35〜220 kVのUシリーズのスイッチ。タンク スイッチは外部取り付け用に設計されており、現在は生産されていません。
タンクスイッチの主な欠点は、爆発と火災です。タンクと注入口内のオイルの状態とレベルを定期的に監視する必要性。大量の石油があり、その交換に多大な時間がかかり、大量の石油備蓄が必要となる。屋内設置には適していません。
ローオイルスイッチ
低オイルスイッチ（ポット型）が多く採用されています 閉開閉器と開開閉器で すべての電圧。これらのスイッチ内のオイルは主にアーク媒体として機能し、開いた接点間の絶縁としては部分的にのみ機能します。
充電部相互の絶縁、および接地構造からの絶縁は、磁器またはその他の固体絶縁材料を使用して行われます。内装用スイッチの接点が鋼製タンク（ポット）の中にあるため、「ポット型」スイッチと呼ばれています。
電圧 35 kV 以上の低油遮断器は磁器本体を備えています。最も広く使用されているのは、6 ～ 10 kV タイプのペンダント (VMG-10、VMP-10) です。これらの回路ブレーカーでは、本体が磁器絶縁体上で 3 極の共通フレームに固定されています。各極には 1 つのコンタクト ブレークとアーク シュートがあります。
低オイルスイッチの設計スキーム 1 — 可動接点。 2 - アークシュート。 3 — 固定接点。 4 — 作動接点
高い定格電流では、1 対の接点 (動作接点とアーク接点として機能する) で動作することが難しいため、動作接点はブレーカーの外部に設けられ、アーク接点は金属タンク内に配置されます。遮断電流が高い場合、各極に 2 つのアーク遮断が発生します。この方式によれば、MGG および MG シリーズのスイッチは 20 kV 以下の電圧に対応して作られています。大規模な外部操作接点 4 により、回路ブレーカーを高定格電流 (最大 9500 A) 向けに設計できます。電圧35kV以上ではスイッチ本体は磁器製、VMKシリーズは低油カラムスイッチです。自動回路ブレーカー 35、110 kV では、高電圧で極ごとに 1 つの遮断が提供されます (2 つ以上の遮断)。
低オイルスイッチの欠点: 爆発や火災の危険性はありますが、タンクスイッチよりもはるかに低いです。高速自動閉鎖を実装できない。定期的な制御、補充、アークタンク内の比較的頻繁なオイル交換の必要性。内蔵変流器の設置の難しさ。遮断能力が比較的低い。
低油遮断器の応用分野は、発電所および変電所の閉開閉装置 6、10、20、35、および 110 kV、完全開閉装置 6、10、および 35 kV、および開開閉装置 35 および 110 kV です。
詳細については、ここを参照してください。 オイルスイッチの種類
エアスイッチ
35 kV 以上の電圧用の空中遮断器は、大きな短絡電流を遮断するように設計されています。空気がオンになる電圧は 15 kV で、発電所では発電機として使用されます。それらの利点は、迅速な応答、高い遮断容量、接点のわずかな焼損、高価で信頼性が不十分なブッシングの欠如、火災安全性、タンク内のオイルスイッチと比較して軽量であることです。短所：面倒な航空経済の存在、爆発の危険性、内蔵変圧器の欠如、装置と操作の複雑さ。
エアスイッチでは、2～4MPaの圧力の圧縮空気によってアークが消弧され、充電部や消弧装置の絶縁には磁器などの固体絶縁材料が使用されています。エアスイッチの設計スキームは異なり、電圧定格、オフ位置の接点間に絶縁ギャップを作成する方法、消弧装置に圧縮空気を供給する方法によって異なります。
高定格サーキットブレーカーには、低オイル MG および MGG サーキットブレーカーと同様のメイン回路とアーク放電回路があります。スイッチの閉位置にある電流の主要部分は、開いた状態にある主接点 4 を通過します。スイッチがオフになると、メイン接点が最初に開き、次にすべての電流がチャンバー 2 で閉じているアーク接点を通過します。これらの接点が開いている間、タンク 1 から圧縮空気がチャンバーに供給され、強力な爆発が発生して消火します。弧。吹き込みは縦方向または横方向に行うことができます。
開位置にある接点間に必要な絶縁ギャップは、接点を十分な距離だけ離すことによってアーク シュート内に作成されます。オープンセパレータを備えたプロジェクトに従って製造されたスイッチは、電圧 15 および 20 kV、最大電流 20,000 A (VVG シリーズ) の屋内設置用に製造されています。このタイプのスイッチでは、セパレータ 5 を切り離した後、チャンバーへの圧縮空気の供給が停止され、アーク接点が閉じます。
エアスイッチの構造図 1 — 圧縮空気用タンク。 2 - アークシュート。 3 — シャント抵抗器。 4 — 主な連絡先。 5 - セパレータ。 6 — 110 kV 用の容量性分圧器 — 相ごとに 2 つのブレーク (d)
電圧 35 kV (VV-35) の開放設置用の気中遮断器では、相ごとに 1 回の遮断で十分です。
電圧が 110 kV 以上のスイッチでは、アークが消えた後、セパレータ 5 の接点が開き、セパレータ チャンバはオフ位置で常に圧縮空気で満たされたままになります。この場合、圧縮空気はアークシュートに供給されず、アークシュート内の接点は閉じられます。
最大 500 kV の電圧に対応する VV シリーズのサーキットブレーカーは、この設計スキームに従って作成されます。定格電圧が高く、制限電力が高くなるほど、アークシュートとセパレーターでの中断が多くなります。
VVB シリーズの空気封入サーキットブレーカーは、図 D の設計スキームに従って作られています。VVB モジュールの電圧は、消火室内の圧縮空気の圧力 2 MPa で 110 kV です。 VVBK遮断器モジュール（大型モジュール）の定格電圧は220kV、消火室内の空気圧は4MPaです。 VNV シリーズのサーキットブレーカーも同様の設計スキームを備えており、圧力 4 MPa で電圧 220 kV のモジュールです。
VVB シリーズのサーキット ブレーカーの場合、アーク シュート (モジュール) の数は電圧 (110 kV — 1 つ、220 kV — 2 つ、330 kV — 4 つ、500 kV — 6 つ、750 kV — 8 つ) によって異なります。サーキット ブレーカー モジュール (VVBK、VNV)、番号がそれぞれ 2 倍少ないモジュール。
サーキットブレーカー SF6
SF6 ガス (SF6 - 六フッ化硫黄) は、空気の 5 倍の密度を持つ不活性ガスです。 SF6 ガスの電気的強度は空気の 2 ～ 3 倍です。 0.2 MPa の圧力では、SF6 ガスの絶縁耐力は石油に匹敵します。
大気圧の SF6 ガス中では、同じ条件下で空気中で遮断される電流よりも 100 倍高い電流でアークを消すことができます。 SF6 ガスのアークを消す優れた能力は、SF6 ガスの分子がアーク柱の電子を捕捉し、比較的移動しにくいマイナスイオンを形成するという事実によって説明されます。電子が失われるとアークが不安定になり、簡単に消えてしまいます。 SF6 ガスの流れ中、つまりガス噴射中は、アーク柱からの電子の吸収がさらに強くなります。
SF6 サーキットブレーカーは自動空気圧 (自動圧縮) アーク消火装置を使用しており、トリップ中にガスがピストン装置によって圧縮されてアーク領域に送られます。 SF6サーキットブレーカーは、外部にガスを排出しない密閉システムです。
現在、SF6 サーキットブレーカは、0.15 ～ 0.6 MPa の圧力ですべての電圧クラス (6 ～ 750 kV) に使用されています。より高い電圧クラスのスイッチには、増加した圧力が使用されます。次の外国企業の SF6 サーキットブレーカーは、十分な実績を誇っています。シーメンス;マーリン・ゲリンなど。 PO «Uralelectrotyazmash» の最新の SF6 サーキットブレーカー、VEB、VGB シリーズのタンクサーキットブレーカー、および VGT、VGU シリーズのコラムスイッチの生産がマスターされています。
例として、Merlin Gerin による 6 ～ 10 kV LF サーキット ブレーカーの設計を考えてみましょう。
基本的なサーキット ブレーカー モデルは次の要素で構成されます。
— 回路遮断器の本体には 3 つの極がすべて配置されており、低過剰圧力 (0.15 MPa または 1.5 atm) の SF6 ガスが充填された「圧力容器」を表します。
— メカニカルドライブタイプ RI;
— 手動スプリングローディングハンドル、スプリングおよびサーキットブレーカーのステータスインジケーターを備えたアクチュエータのフロントパネル。
— 高電圧電源用の接触パッド;
— 二次スイッチング回路を接続するためのマルチピンコネクタ。
真空遮断器
真空の絶縁耐力は、回路ブレーカーで使用される他の媒体の絶縁耐力よりも大幅に高くなります。これは、圧力の低下に伴う電子、原子、イオン、分子の平均自由行程の増加によって説明されます。真空中では、粒子の平均自由行程は真空チャンバーの寸法を超えます。
真空および大気圧でのさまざまなガス中での 1600 A 電流遮断後の 1/4 インチのギャップ回復絶縁耐力
このような条件下では、チャンバー壁への粒子の衝突は、粒子間の衝突よりもはるかに頻繁に発生します。この図は、直径 3/8 « タングステンの電極間の距離に対する真空と空気の破壊電圧の依存性を示しています。このような高い絶縁耐力により、接点間の距離を非常に小さくすることができるため (2 ～ 2.5 cm )、チャンバーの寸法も比較的小さくすることができます。
電流がオフになったときに接点間のギャップの耐電力を回復するプロセスは、真空中ではガス中よりもはるかに速く発生します。現代の工業用アーク ダクト内の真空レベル (残留ガス圧力) は通常 Pa です。ガスの電気的強度の理論によれば、真空ギャップに必要な絶縁特性は、より低い真空レベル（Pa 程度）でも達成されますが、現在の真空技術レベルでは、真空ギャップの作成と維持は困難です。真空チャンバーの寿命を通じてPaレベルは問題ありません。これにより、真空チャンバーは全耐用年数 (20 ～ 30 年) にわたって電力強度を確保できます。
典型的な真空遮断器の設計を図に示します。
バキュームブレーカーのブロック図
真空チャンバーの設計は、一対の接点 (4; 5) で構成されており、そのうちの 1 つは可動式 (5) であり、セラミックまたはガラスの絶縁体 (3; 7) で溶接された真空気密シェルに囲まれており、上部と下部の金属が付いています。カバー (2; 8) ) および金属シールド (6)。固定接点に対する可動接点の動きは、スリーブ (9) によって確保されます。カメラケーブル (1; 10) は、カメラをメインスイッチ回路に接続するために使用されます。
真空チャンバーハウジングの製造には、溶存ガスから精製された特殊な耐真空性金属、銅および特殊合金、および特殊なセラミックのみが使用されることに注意してください。真空チャンバーの接点は金属セラミック組成物（通常、50%-50%または70%-30%の比率の銅-クロム）で作られており、高い遮断容量と耐摩耗性を備えています。接触面に溶接点が現れるのを防ぎます。円筒形のセラミック絶縁体は、開いた接点の真空ギャップとともに、スイッチがオフのときにチャンバーの端子間を絶縁します。
Tavrida-electric は、磁気ロックを備えた新しい設計の真空サーキットブレーカーをリリースしました。その設計は、ブレーカーの各極で駆動電磁石と真空ブレーカーを位置合わせする原理に基づいています。
スイッチは以下の順序で閉じます。
初期状態では、真空遮断器チャンバーの接点は、引込み絶縁体 5 を介した閉路ばね 7 の作用により開いています。 正極の電圧が電磁石のコイル 9 に印加されると、磁束が発生します。磁気システムのギャップに蓄積します。
磁束によって生じたアーマチュアの圧縮力がストップスプリング７の力を超えた瞬間に、電磁石のアーマチュア１１がトラクションインシュレータ５および真空チャンバの可動接点３とともに動き始める。上に上げ、スプリングを圧縮して停止します。この場合、巻線にモータ起電力が発生し、電流のさらなる増加が妨げられ、電流が若干減少することもあります。
移動の過程で、アーマチュアの速度は約 1 m / 秒になります。これにより、スイッチオン時の予備的な損傷が回避され、VDK 接点の跳ね返りがなくなります。真空チャンバーの接点が閉じると、さらに 2 mm の圧縮ギャップが磁気システム内に残ります。アーマチュアの速度は急激に低下します。これは、アーマチュアがコンタクト 6 の追加の予荷重によるバネ力にも打ち勝つ必要があるためです。ただし、磁束と慣性によって生成される力の影響で、アーマチュア 11 は上昇し続けます。ストップ 7 のスプリングと、コンタクト 6 に予圧をかける追加のスプリングを圧縮します。
磁気システムを閉じる瞬間、アーマチュアはドライブ 8 の上部カバーに接触して停止します。投入プロセス後、駆動コイルへの電流がオフになります。スイッチは、残留誘導により閉位置に留まります。 リング永久磁石 この機構は、追加の電流供給なしにアーマチュア１１を上部カバー８に対して引張られた位置に保持する。
スイッチを開くには、コイル端子に負の電圧を印加する必要があります。
現在、真空遮断器は、電圧 6 ～ 36 kV の電気ネットワークの主要なデバイスとなっています。したがって、製造された装置の総数に占める真空遮断器のシェアは、ヨーロッパと米国では 70%、日本では 100% に達しています。ロシアでは近年この割合が上昇傾向にあり、1997年には50％を超えた。市場シェアの成長を決定する爆発物の主な利点（石油およびガススイッチと比較した場合）は次のとおりです。
— より高い信頼性。
— メンテナンスコストの削減。
以下も参照してください。 高電圧真空遮断器 — 設計と動作原理