Vacuum circuit breakers

Prezentace na téma: "Vacuum circuit breakers"— Transkript prezentace:

1 Vacuum circuit breakers
K nejpoužívanějším vypínačům v oblasti vysokých napětí, patří v dnešní době vakuové vypínače. Pracují na principu zhášení oblouku ve vakuu, jenž je ze všech současných způsobů nejhospodárnější. Oblíbenost si vakuové vypínače získali hlavně pro své vynikající vlastnosti a výhody při vakuovém zhášení.

2 Characteristics of vacuum circuits brakers:
Up to switching operation does not need maitenace High longevity and operational safety Non-burnable Without gas and flames emission Silent operation Low wear out Low hub of contacts Very low arc voltage and extinguishing energy Do spínacích operací nevyžadují údržbu, mají dlouhou životnost a zajišťují vysokou bezpečnost, jsou nehořlavá, nevyfukují ionizované plyny nebo plameny, při funkci jsou tichá, mají minimální opotřebení, malý potřebný zdvih a o jeden až dva řády nižší obloukové napětí, a tím i zhášecí energii. More at And :

3 Application areas: Short circuits currents disconnecting
Cables and out-door lines switching Transformers switching Generators switching Motors switching Switching of arc furnaces Switching of trolley lines Transformer substation Transformátorová stanice Arc furnace Oblouková pec Vypínače mohou být použity pro všechny spínací funkce na úrovni vysokých napětí k Vypínání zkratových proudů, Spínání kabelů a venkovních vedení, Spínání transformátorů, Spínání generátorů, Spínání motorů, Spínání obloukových pecí, Spínání trolejového vedení, Spínání všech ohmických, induktivních a kapacitních proudů Trolley line And subsstation Podružná trakční stanice

4 Principles of vacuum extinguishing chamber
Extinguishing of electric arc in vacuum At contacts disconnecting arise electric arc created by metallic vapours separated from contact material. Arc in vacuum has cone shape with top on cathode. Anode contact shape of the arc is big and enable temperature good spreading without overheating of anode surface. anode arc Magnetic pressure cathode Vakuové vypínače pracují na principu zhášení oblouku ve vakuu. Pochody na oddalujících se kontaktech jsou příčinou vzniku oblouku, který ve vakuu hoří v kovových párách emitovaných z katodové skvrny s vysokou teplotou. Mezní proud, který je přenášen jednou katodovou skvrnou, závisí na materiálu elektrod a pohybuje se v rozmezí 100 – 200 A.Se zvětšujícím se proudem se zvyšuje i počet katodových skvrn, a tím se také zvětšuje počet nosičů náboje. Z katodové skvrny difundují páry kovu směrem k chladným stěnám (zejména k anodě), na kterých kondenzují . Při zmenšení proudu k nule ubývá i počet katodových skvrn, zmenšuje se množství par a možných nosičů nábojů a oblouk se stává nestabilním a zhasíná. Cathode spot Cone shape of arc in vacuum

5 Under nominal current diffusion type of arc is established over all shape of electric contact.
When disconnecting current arises over nominal current, arc is by magnetic forces contracted on anode and cathode. Pro svůj difúzní charakter se takto hořící oblouk ve vakuu nazývá vakuový oblouk. Je charakterizován malým napětím oblouku a pozitivní VA charakteristikou. Při zvětšení proudu nad jmenovitou hodnotu dojde k transformaci elektrického oblouku z difůsního na kontraktní typ. Oblouk se začíná na anodě zužovat. Roste obloukové napětí, roste iontový proud, který dopadá na kovové stíněni zhášecího prostoru. Anoda se začíná více zahřívat a vzniká anodová skvrna. Zvětšuje se eroze kontaktů. V anodové části se zvětšuje spád napětí, zvětšuje se koncentrace částic plazmatu. Obloukový sloupec se vlivem silnějšího magnetického pole stahuje, tím se vlastně přestoupila vypínací schopnost zhášedla, a nedojde tedy k vypnuti oblouku v nule proudu. Difussion arc Contaction on anode Contaction on anode and cathode Diagram of arc crossing from difussion to contractor type in vacuum chamber

6 To increase breaker disconnecting ability anode spot must be eliminated.
It is possible by means: Contact material property Contacts shape arrangement By means of electro-dynamic forces rotate the arc bottom round the anode Contact dimensions increasing External magnetic field excitation Electrodynamic force Pro zvětšováni vypínací schopnosti je proto nutné zamezit vzniku anodové skvrny. To můžeme uskutečnit vhodnou volbou materiálu kontaktů, úpravou tvaru kontaktů, zajištěním pohybu paty oblouku po anodě, zvětšením rozměru kontaktů, použitím pomocného vnějšího magnetického pole. Pro vytvoření vnějšího magnetického pole se využívá zvláštní konstrukce kontaktů; podle směru působení na oblouk může být pole buď radiální, nebo axiální. Contact with rotating arc

7 Contacts with radial magnetic field
Na obrázku vidíme konstrukci kontaktu s radiálním magnetickým polem. Kontakt je řešen buď jako šroubovicový, nebo se zářezy. Vzájemnou interakcí vnějšího magnetického pole vytvářeného proudem procházejícím kontakty a magnetického pole oblouku vznikají elektrodynamické síly, které uvedou oblouk do pohybu po kontaktech. Pohybem oblouku na poměrně chladné anodě se zabraňuje vzniku anodové skvrny. Spiral petal contacts

8 To restrict over-voltage at low inductive currents disconnecting, chopped current must be minimised.
Low arc voltage, short time of arc relates to minimum arc energy and small contacts erosion => extinguishing system is maintenance free. Short circuit current Arc voltage Mains voltage Instant of current disconnection Utržení proudu před jeho přirozenou nulou je nejzávažnějším problémem vakuových zhášedel. K udržení obloukového výboje v kovových parách je nutný určitý minimální proud. Pokud proud klesne pod tuto hodnotu, neodpaří se dostatek kovu katody a oblouk přestane být stabilní a dojde k rychlému zániku proudu na nulu – došlo k přerušení před přirozeným průchodem nulou. Toto proběhne v době řádu 10-8 s a způsobí velké přepětí . Aby se při spínání v induktivních proudových obvodech zabránilo vzniku nepřípustných spínacích přepětí, musí být proud utržení oblouku co nejmenší. U moderních vakuových vypínačů je hodnota proudu utržení díky použití speciálního kontaktního materiálu pouze 2 až 3 A. Plazma vytvářené kovovými parami má vysokou vodivost. Výsledkem je mimořádně malé napětí na výboji dosahující pouze 20 až 200 V. Z tohoto důvodu, a v důsledku krátké doby hoření oblouku, se ve vypínací dráze vyvíjí velmi malá energie. Vzhledem k tomuto relativně malému namáhání nevyžaduje zhášecí systém údržbu. S ohledem na velmi nízké tlaky ve spínací komoře (méně než 10-9 bar) jsou pro dosažení vysoké dielektrické pevnosti nutné vzdálenosti kontaktů jen 6 až 20 mm. Contacts separation Time Restore voltage HF Transient recovery voltage Voltage and current time curve during one phase disconnection in vacuum chamber

9 Vacuum extinguishing chamber
Contacting ring Insulator valve Fixed contact Moving contact Shilding valve Myšlenka použití vakua a jeho vynikajících izolačních vlastností v konstrukci spínacích přístrojů je velmi stará. Nedostatečná úroveň technologie však způsobila, že výhodných vlastností vakua pro konstrukci spínacích přístrojů bylo využito až s rozvojem technologických možností a schopností získat čisté odplyněné kontaktní materiály a možností realizovat vakuovou těsnost spojováním kovů a izolantů. Corrugated sheet Linear bearing Electrical input and mechanical drive of movabvle contact

10 Musíme vytvořit za a) optimální kontakt:
- zásobující oblouk dostatečným množstvím kovových par tak, aby oblouk předčasně nezhasínal a v obvodu zhášedla nevytvářel přepětí; - s malým opalem se zřetelem k požadovanému dlouhému životu; - se značnou svarovou odolnosti, při malém proudovém přetíženi; - s odolností proti difúznímu svaření ve styčných místech kontaktů, které po bezproudém vzdálení kontaktů zmenšuje elektrickou pevnost vypínací dráhy zhášedla. A za b) Zachovat vysokou úroveň a čistotu vakua po celý život zhášedla, a to i při vypínacích pochodech zhášedla, kdy mezi kontakty hoři oblouk v parách kontaktního kovu.

11 Operational principle of vacuum circuit breaker driving mechanism
Input terminal Vacuum chamber Output terminal Electric drive Insulating rod Musíme vytvořit za a) optimální kontakt: - zásobující oblouk dostatečným množstvím kovových par tak, aby oblouk předčasně nezhasínal a v obvodu zhášedla nevytvářel přepětí; - s malým opalem se zřetelem k požadovanému dlouhému životu; - se značnou svarovou odolnosti, při malém proudovém přetíženi; - s odolností proti difúznímu svaření ve styčných místech kontaktů, které po bezproudém vzdálení kontaktů zmenšuje elektrickou pevnost vypínací dráhy zhášedla. A za b) Zachovat vysokou úroveň a čistotu vakua po celý život zhášedla, a to i při vypínacích pochodech zhášedla, kdy mezi kontakty hoři oblouk v parách kontaktního kovu. lever Operational principle of vacuum circuit breaker driving mechanism

12 Construction of modern vacuum contactors
Terminals of fix contact Vakuové zhášedlo tvoří základ konstrukce vakuového vypínače, která má oproti klasickým typům podstatně menší rozměry. Příklady provedení moderních vakuových vypínačů si ukážeme na vakuových vypínačích řady 3AH od firmy Siemens a řady VD4 od firmy ABB. Drive of moving contacts Terminal of moving contacts

13 Vacuum circuit breaker Siemens 3AH 1
Type 3AH1 maintenance fre Durability: switching operations Applicaton area: from 7,2 kV up to 24 kV. První typ 3AH1 pokrývá oblast vn od 7,2 kV do 24 kV při životnosti spínacích operací ….pracuje s

14 Typ 3AH1 – with lever drive of moving contacts
Pracuje s variantou pohonu 1, kdy pohyb při spínání se přenáší přes spínací táhlo(16), páku (15) a vypínací pružinu, příp. pružinu kontaktu (9) na třmen (11) připevněný k pohonnému dříku (5). Pohyb při spínání se přenáší přes spínací táhlo (16), páku (15) a vypínací pružinu, příp. pružinu kontaktu (9) na třmen (11) připevněný k pohonnému dříku (5). Legend: 1) Upper holder of extinguishing chamber 2) Upper lead, 3) External brace 4) Vacuum switching chamber 5) Movable contact of switching chamber 6) Flexible conductor 7) Down holder of vacuum switching chamber 8) Down lead 9) Disconnecting spring 10) Pushing spring of contact 11) Třmen-Stirrup 12) Upper 13) Internal brace-Vnitřní vzpěra 14) Down supporting insulator - podpěrný izolátor 15) Páka –lever 16) Switching rod -Spínací táhlo

15 Type 3AH3 – Circuit breaker for high power applications
Maintenance-free, powerful circuits breaker, ability switching operations. Type 3AH3 usable up to 63 kA of short circuit currents and voltage 36 kV. With respect to high efficiency is determined for generator switching and industrial application Nevyžaduje údržbu, je extrémně výkonný a je schopen zvládnout až 10 000 spínacích operací. Typ 3AH3 se používá při velkých zkratových proudech do 63 kA a pro jmenovitá napětí do 36 kV. Vzhledem k vysoké výkonnosti je to ideální vypínač pro generátory a pro použití v průmyslu. Třetí typ je vypínač pro velký pro velké vypínací výkony,používá se při velkých zkratových proudech do 63 kA a pro jmenovitá napětí do 36 kV. Vzhledem k velké výkonnosti je ideální pro generátory….pracuje…

16 Drives of vacuum circuit breakers
Switching by means of spring energy accumulator Spínací funkce vypínače závisí na druhu pohonu. Pro synchronizaci a rychlé přepínání se používá střádačový pohon. K normálnímu zapínání a vypínání se používá mžikový pohon kompletní mechanismus pohonu se spouštěmi, pomocnými spínači, indikačními a ovládacími prvky je umístěn ve skříni pohonu

17 Vacuum switch ABB VD4 VD4 type switching poll creates complete fix maintenance-free switching unit Extinguishing chamber is immersed into the peroxides-resin. All system is pollution and dust resistant 1- Top terminal 2- Vacuum extinguishing chamber 3- Insulation cover 4- Moving contact pin 5- Bottom terminal 6- Flexible outlet 7- Moving contact compression spring 8- Insulating pull-rod 9- Fixing pole hole with thread 10- Connecting rod with hole for contact drive Tyto vakuové vypínače jsou syntézou nové technologie při návrhu a konstrukci vakuových zhášedel. Speciálně vyvinutou licí technikou je vakuové zhášedlo přímo zalito do epoxidové pryskyřice, čímž se vytvoří kompletní pól. Toto řešení, které značně zvyšuje pevnost pólu vypínače a chrání zhášedlo proti poškození a omezení dielektrické pevnosti následkem usazování prachu a vlhkosti.

18 Typ 3AH3 – varianta pohonu 3 driving mechanism No 3
Pohyb při spínání se přenáší přes spínací tyč (16) a páku (15) na pohonný dřík. Movement tranmission to the contacts over switching rod (16) and swipe (15) on driving shaft Upper holder of switching chamber Upper terminal External spur Vacuum switching chamber Driving shaft of vacuum chamber Flexible conductor Lower terminal Disconnectin spring Contact pressure spring Lug Upper insulator Internal spur Lower insulator Swipe Switching rod Pracuje s variantou pohonu 3, kdy se pohyb při spínání přenáší přes spínací tyč (16) a páku (15) na pohonný dřík. Legenda k obrázku: 1) Horní držák spínací komory, 2) Horní přívod, 3) Vnější vzpěra 4) Vakuová spínací komora 5) Dřík pohonu vakuové spínací komory 6) Pružný vodič 7) Dolní držák spínací komory 8) Dolní přívod 9) Vypínací pružina,příp. přítlačná pružina kontaktu 10) Přítlačná pružina kontaktu 11) Třmen 12) Horní podpěrný izolátor 13) Vnitřní vzpěra 14) Dolní podpěrný izolátor 15) Páka 16) Spínací táhlo

19 Vacuum Circuit Breakers
Table 1. Characteristics of the SF6 and vacuum current interrupting technologies. SF6 Circuit Breakers Vacuum Circuit Breakers Criteria Puffer Circuit Breaker Self-pressuring circuit-breaker Contact material-Chrome-Copper Operating energy requirements Operating Energy requirements are high, because the mechanism must supply the energy needed to compress the gas. Operating Energy requirements are low, because the mechanism must move only relatively small masses at moderate speed, over short distances. The mechanism does not have to provide the energy to create the gas flow Operating energy requirements are low, because the mechanism must move only relatively small masses at moderate speed, over very short distances. Arc Energy Because of the high conductivity of the arc in the SF6 gas, the arc energy is low. (arc voltage is between 150 and 200V.) Because of the very low voltage across the metal vapour arc, energy is very low. (Arc voltage is between 50 and 100V.) Contact Erosion Due to the low energy the contact erosion is small. Due to the very low arc energy, the rapid movement of the arc root over the contact and to the fact that most of the metal vapour re-condenses on the contact, contact erosion is extremely small. Arc extinguishing media The gaseous medium SF6 possesses excellent dielectric and arc quenching properties. After arc extinction, the dissociated gas molecules recombine almost completely to reform SF6. This means that practically no loss/consumption of the quenching medium occurs. The gas pressure can be very simply and permanently supervised. This function is not needed where the interrupters are sealed for life. No additional extinguishing medium is required. A vacuum at a pressure of 10-7 bar or less is an almost ideal extinguishing medium. The interrupters are ‘sealed for life’ so that supervision of the vacuum is not required. K nejpoužívanějším vypínačům v oblasti vysokých napětí, patří v dnešní době vakuové vypínače. Pracují na principu zhášení oblouku ve vakuu, jenž je ze všech současných způsobů nejhospodárnější. Oblíbenost si vakuové vypínače získali hlavně pro své vynikající vlastnosti a výhody při vakuovém zhášení.

20 Switching behavior in relation to current chopping
The pressure build-up and therefore the flow of gas is independent of the value of the current. Large or small currents are cooled with the same intensity. Only small values of high frequency, transient currents, if any, will be interrupted. The de-ionization of the contact gap proceeds very rapidly, due to the electro-negative characteristic of the SF6 gas and the arc products. The pressure build-up and therefore the flow of gas is dependent upon the value of the current to be interrupted. Large currents are cooled intensely, small currents gently. High frequency transient currents will not, in general, be interrupted. The de-ionization of the contact gap proceeds very rapidly due to the electro-negative characteristic of the SF6 gas and the products. No flow of an ‘extinguishing’ medium needed to extinguish the vacuum arc. An extremely rapid de-ionization of the contact gap, ensures the interruption of all currents whether large or small. High frequency transient currents can be interrupted. The value of the chopped current is determined by the type of contact material used. The presence of chrome in the contact alloy with vacuum also. No. of short-circuit operation 10—50 30—100 No. full load operation 5000—10000 10000—20000 No. of mechanical operation 5000—20000 10000—30000 K nejpoužívanějším vypínačům v oblasti vysokých napětí, patří v dnešní době vakuové vypínače. Pracují na principu zhášení oblouku ve vakuu, jenž je ze všech současných způsobů nejhospodárnější. Oblíbenost si vakuové vypínače získali hlavně pro své vynikající vlastnosti a výhody při vakuovém zhášení.

21 K nejpoužívanějším vypínačům v oblasti vysokých napětí, patří v dnešní době vakuové vypínače. Pracují na principu zhášení oblouku ve vakuu, jenž je ze všech současných způsobů nejhospodárnější. Oblíbenost si vakuové vypínače získali hlavně pro své vynikající vlastnosti a výhody při vakuovém zhášení.