Vacuümschakelaar: werking en principe + nuances van keuze en aansluiting

Het elektrische apparaat vacuümschakelaar – is een apparaat dat bestemd is voor gebruik in elektrische hoogspanningsnetwerken. Zijn naam dankt het aan de bijzonderheid van de constructie – de vacuümkamer, waardoor een momentane blussing van de elektrische boog wordt bereikt.

Het apparaat wordt gebruikt als schakelaar, bedoeld om apparatuur uit te schakelen bij noodgevallen of tijdens normaal bedrijf. Laten we in detail bekijken wat een vacuümschakelaar is en waarvoor hij dient.

Hoe werkt een hoogspanningsvacuümschakelaar?

De basis van de functionaliteit van de vacuümkamers die in de schakelaarconstructie worden gebruikt, zijn de fysische eigenschappen van gas in een ijle toestand. Onder dergelijke omstandigheden verandert de eigenschap van het gas, die als elektrische sterkte wordt gekarakteriseerd, aanzienlijk in de richting van toename.

Dit effect van een sterk ijle omgeving (bereik van 10^-6 tot 10^-8 N/cm²) wordt succesvol gebruikt in schakelaarconstructies die zijn uitgerust met gasvacuümkamers, waar elektrische contactgroepen doorheen lopen.

Een van de modellen van de vacuümschakelaar – een apparaat dat wordt gebruikt bij de exploitatie van elektrische stroomnetwerken. Het apparaat wordt beschouwd als moderner en betrouwbaarder in vergelijking met soortgelijke apparaten, maar van een ander type uitvoering.

De stroom die door de contactgroepen vloeit (op het moment van contactopenbreking) vormt een elektrische ontlading – een boog. Het branden van de boog verloopt door gedeeltelijke ionisatie van metaaldampen, die onvermijdelijk ontstaan door de hoge temperatuur. De stroomdoorgang tussen de contacten door het gevormde plasma wordt in stand gehouden tot het moment dat de stroom naar de nulleider gaat.

Zodra het moment van de nuldoorgang aanbreekt, dooft de elektrische boog. De totale duur van het proces duurt niet langer dan 7-10 microseconden.

Constructie van vacuümschakelaars

De verscheidenheid aan vacuümschakelaars, gezien hun constructieve uitvoering, is vrij groot. Daarom is het moeilijk om een algemene karakteristiek van deze apparaten te geven. Desondanks blijft het werkingsprincipe ongewijzigd, ongeacht de constructieve verschillen.

Structuurschema VV: 1 – bovenste aansluiting; 2 – vacuümkamer; 3 – polymeerisolator; 4 – onderste aansluiting; 5 – lintcontact; 6 – krachtveer; 7 – trekstang; 8 – uitschakelveer; 9 – overbrengingshendel; 10 – aandrijfas; 11 – uitschakelmechanisme; 12 – behuizing

Laten we ter algemene kennismaking de driepolige vacuümschakelaar bekijken, uitgerust met een veermotor-aandrijving. Dit apparaat is ontworpen voor installatie binnen of voor installatie in de open lucht. In elk geval wordt de montage uitgevoerd in speciale metalen verdeelkasten.

De apparaten kunnen in de meest uiteenlopende sectoren van de nationale economie worden gebruikt. Er zijn echter enkele beperkingen.

Zo zijn vacuümschakelaars niet bedoeld voor installatie en daaropvolgend gebruik onder de volgende omstandigheden:

• ruimten met een brand- en explosiegevaarlijke atmosfeer;
• installaties die constructief frequente schakelingen vereisen;
• installaties van het mobiele (verrijdbare) type;
• energiesystemen van zee- en binnenschepen.

Vacuümschakelaars hebben doorgaans twee uitvoeringsvormen:

1. Voor stationaire installatie.
2. Voor installatie met een apparaatwagen.

Ongeacht de uitvoering bevat het behuizingsgebied van het apparaat drie polen, voorzien van boogdovende kamers.

In de vacuümkamers werken beweegbare contactgevers, aangedreven door een veermotorisch mechanisme. De behuizing van het apparaat wordt aangevuld met een frontpaneel waarop indicator- en bedieningselementen zijn aangebracht.

Externe hoofdelementen van de schakelaar: 1 – polen van het apparaat; 2 – inschakelblokkeermechanisme; 3 – hijsvenster; 4 – handgreep van de mechaniek die externe circuits blokkeert

De drie polen van het hoofdcircuit zijn uitgevoerd in kolomvorm. De polen bevinden zich doorgaans aan de achterzijde van het chassis van de veermotor-aandrijving. Elke pool is voorzien van een boogdovende kamer die is omsloten door een polymeerisolator. Om de elektrische sterkte te vergroten heeft de isolatorbehuizing een ribbelvorm.

In elke vacuümkamer is een contactgroep van twee elementen gemonteerd – een beweegbaar en een vast. Het beweegbare contactelement is via een trekisolator verbonden met het schakelmechanisme. Vervolgens is er een verbinding met de onderste contactaansluiting. Het vaste contact is via een conische passing verbonden met de bovenste contactaansluiting van het apparaat.

Hoe werkt de aandrijving van de schakelaar?

De beweegbare contacten van de vacuümkamers zijn mechanisch verbonden met de as van de veermotor-aandrijving. Dankzij de krachtveer, die vooraf is gespannen (in een uitgerekte toestand), kan de aandrijving eenvoudig worden geactiveerd door een simpele druk op de bedieningsknop of een ander mechanisme.

Structuurschema van de vacuümkamer: 1 – aansluitklem van het vaste contact; 2 – vast contact; 3 – bewegend contact; 4 – metalen afscherming; 5 – keramische (polymere) isolator; 6 – balg; 7 – aansluitklem van het bewegende contact.

De veer (meestal twee veren) wordt gespannen via een kettingaandrijving. De normale werking van de apparatuur voorziet in het spannen van de veer met behulp van een elektromotor die is voorzien van een reductiemotor. Daarnaast is er een handgreep voor handmatig spannen, die wordt gebruikt bij storingen of stroomuitval.

De gespannen veer wordt vastgezet door een vergrendelingsmechanisme. Dit mechanisme wordt bediend via een elektromagnetische aandrijving of een inschakelknop. Zodra de inschakelmodus is geactiveerd, wordt de vergrendeling opgeheven en brengt de veerkracht een nokmechanisme in werking. Dit werkt op zijn beurt in op een as die mechanisch is verbonden met het schakelmechanisme van de bewegende contacten van de vacuümkamers.

De uitschakeling van de vacuümschakelaar wordt uitgevoerd door activering van de modus 'Uitgeschakeld' – via een elektromagneet of een knop. De volgorde van handelingen is vrijwel identiek aan de eerste modus. Ook hier worden de uitschakelveren gebruikt, waarvan de toestand wordt bepaald door het uitschakelmechanisme.

Bedieningspaneel en indicatie-elementen: 1 – modus 'ingeschakeld'; 2 – modus 'uitgeschakeld'; 3 – gespannen veer; 4 – ontspannen veer

Het bedieningsgemak en de bewaking van het apparaat worden verzorgd door het bedieningspaneel. Op de voorzijde van het paneel bevinden zich elementen: een cycleteller, een indicator voor de veertoestand, een indicator voor de toestand van de vacuümschakelaar.

Kenmerken van uittrekbare constructies

Apparatuur in uitschuifbare uitvoering is samengesteld op een speciaal apparaatwagen. Met behulp van dit accessoire wordt de schakelaar in de kast geschoven of eruit gehaald.

De apparaatwagen fungeert niet alleen als transportmiddel voor het apparaat, maar ook als regelaar voor het inschakelen van het apparaat in de test- of werkmodus zodra de schakelaar in de kast is geschoven.

Apparaatwagen: 1 – rol (4 stuks); 2 – basis; 3, A – beweegbare basis; 4 – handgreep (2 stuks); 5 – zwengelopname; 6 – vergrendelingsplaat; 7 – fixeerelement; 8 – connector voor het secundaire circuit; 9 – mechanisme voor vergrendeling van het apparaat; 10 – vergrendelingscontacten; 11 – plaat voor fixatie van de schroef; B – vast deel

De vacuümschakelaar wordt direct aan het beweegbare deel van de wagen bevestigd. De bevestiging gebeurt met boutverbindingen. Daarnaast heeft de apparaatwagen ook een vast deel, waaraan de aandrijving van het beweegbare deel is bevestigd. De beweging van de beweegbare module ten opzichte van het vaste deel wordt uitgevoerd door middel van de schroef van de bedieningshendel van de wagen.

Het beweegbare deel – een metalen onderstel op vier wielen, behandeld met een galvanische coating. Hier bevinden zich de externe mechanische vergrendeling (drukstang) van de aardingsschakelaar, de vergrendeling van de aandrijfschroef, hulpcontacten, het vergrendelingsmechanisme van de schakelaar en andere elementen waarmee de beweging of fixatie wordt gewaarborgd.

Installatie en aansluiting van het apparaat

Voordat u begint met het installeren van de vacuümschakelaar, moet u alle van buitenaf toegankelijke onderdelen inspecteren om er zeker van te zijn dat er geen beschadigingen of defecten zijn. Vervolgens worden de isolatieoppervlakken van de polen gereinigd met een droge, pluisvrije doek.

Het is niet toegestaan de apparatuur in het systeem te integreren indien de isolatieoppervlakken spanen, scheuren of vervormde plekken vertonen. De bedrading van de secundaire circuits en de aansluiting van de aardingsrail moeten verplicht worden gecontroleerd.

Controle van het geïnstalleerde apparaat. Het is belangrijk om elk onderdeel en elk bevestigingselement zorgvuldig te controleren. Hoogspanningsapparaten vergeven zelfs de kleinste fout niet.

Voor de installatie moet de werking van de schakelaar worden gecontroleerd door middel van handmatige inschakeling (in nullast zonder spanning) en moet de juiste positie van de indicatoren op het bedieningspaneel worden geverifieerd. Vervolgens moet de aanwezigheid van de poolkappen worden gecontroleerd. Indien apparatuur wordt gebruikt voor een nominale stroom van 1600 A of hoger, moeten de beschermingskappen vóór de montage worden verwijderd.

Directe aansluiting op het net

De aansluitklemmen van de contactpunten van de stroomkabels moeten worden gereinigd voordat ze op de aansluitingen van de schakelaar worden aangesloten.

De reinigingsprocedure verschilt afhankelijk van het gebruikte materiaal van de klemmen:

• Voor koperen en aluminium klemmen zonder extra coating wordt schoongemaakt met schuurpapier met korrelgrootte M20 of fijner, gevolgd door ontvetting van het metaaloppervlak.
• Indien de klemmen van koper of aluminium zijn bedekt met een zilverlaag, volstaat het om ze schoon te maken met een pluisvrije doek.

Het is niet toegestaan kabels te gebruiken waarvan de zilverlaag van de klemmen beschadigd is op meer dan 5% van het oppervlak. In dat geval moet het beschadigde onderdeel worden vervangen. Meer informatie over klemmen voor draadverbindingen kunt u lezen in dit artikel.

De externe geleiders worden zodanig naar de aansluitingen van de vacuümschakelaar geleid dat er geen mechanische krachten op de aansluitingen van het apparaat worden uitgeoefend door de externe geleiders. De verbindingen worden gemaakt door middel van boutverbindingen met vlakke, veerkrachtige metalen ringen.

Hoe wordt de aarding uitgevoerd?

Apparaten in vaste uitvoering worden aangesloten op de aardingsvoorziening via een boutverbinding (M12) direct op het punt gemarkeerd met 'Aarding'.

Onderdelen van de constructie van de apparatuurwagen en het chassis van de schakelaar waarmee de aarding van het apparaat wordt uitgevoerd. In de regel worden deze punten gemarkeerd met een passend teken dat naast het onderdeel is aangebracht.

Het contactpunt 'Aarding' moet voor de verbinding worden ontvet. Als aardgeleider moet een bus van voldoende doorsnede (Regels voor elektrische installaties), een soepele draad of een tot bundel gevlochten geleider worden gekozen. Voordat de geleider op het contactvlak wordt gelegd, moeten de contactoppervlakken worden ingesmeerd met speciaal smeermiddel (Tsiatim-203).

De constructie van het uitschuifbare type wordt geaard met behulp van onderdelen van de apparatuurwagen. De aarding van de vacuümschakelaar vindt plaats via de constructie van de apparatuurwagen, waarvoor ook bevestigingselementen aanwezig zijn.

Ingebruikname van het apparaat

De inbedrijfstelling van het apparaat vindt plaats na een extra controle van de geïnstalleerde en voorbereide apparatuur. In het bijzonder worden de betrouwbaarheid van de aarding, de staat van de bevestiging van de montagecomponenten en de toegang van het koelmedium tot potentieel opwarmende onderdelen gecontroleerd.

De oppervlakken van de stroomvoerende staven die in contact komen met de lamellen van de contactgroepen van het stopcontact, moeten worden behandeld met een kleine hoeveelheid Tsiatim-smeermiddel. Over het algemeen moeten alle procedures worden uitgevoerd die zijn voorzien in de PUE voor het geval van acceptatietests, en moet worden gecontroleerd of de bedrijfsspanning binnen de toegestane grenzen valt.

Installatie van de vacuümschakelaar. Montagewerkzaamheden worden alleen uitgevoerd door gekwalificeerd personeel. Dezelfde eisen worden gesteld aan het personeel dat wordt geselecteerd voor onderhoud van hoogspanningsapparatuur.

Het bedienen van de vacuümschakelaar is toegestaan voor personeel dat toestemming heeft voor onderhoud van elektrische installaties die onder spanning staan boven 1000 volt. De goedgekeurde toelatingsgroep voor onderhoudspersoneel moet ten minste de derde zijn. Voordat met de werkzaamheden aan de apparatuur wordt begonnen, volgt het personeel een technische minimumtraining om de fijne kneepjes van het specifieke model te bestuderen.

Hoe kiest u een vacuümschakelaar?

Het apparaat wordt gekozen op basis van zijn nominale parameters, die worden beschouwd in relatie tot de parameters van het bestaande netwerk op de installatieplaats. De keuze wordt gemaakt op basis van de meest belaste bedrijfsomstandigheden die worden verwacht voor de gebruiksomstandigheden.

De nominale spanning van de vacuümschakelaar mag gelijk zijn aan (of hoger dan) de nominale spanning van het systeem dat via de schakelaar wordt gevoed.

De parameter van de nominale langdurige stroom wordt gekozen boven de nominale waarde van de stroom van het gevoede systeem. De parameter van de nominale uitschakelstroom wordt gekozen boven de maximale waarde van de berekende stroom van de kortsluiting (rekening houdend met het moment van contactscheiding).

Het typeplaatje met technische specificaties is het eerste waarop u let bij het kiezen van een schakelaar. Op basis van de parameterwaarden kunt u al bepalen of het apparaat geschikt is voor een specifieke installatie of niet.

Wat betreft mogelijke kortsluitingsomstandigheden wordt de keuze gemaakt met inachtneming van de zwaarste omstandigheden.

De aperiodische component wordt berekend met het oog op kortsluitingsomstandigheden met nulspanning in een van de faselijnen. Hierbij dient rekening te worden gehouden met de aperiodische stroomparameter die door de fabrikant van de apparatuur is vastgesteld.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

Nog meer informatie over de constructie, het werkingsprincipe en de montageomstandigheden van de vacuümschakelaar kunt u vinden in de volgende video:

Vacuümschakelaars onderscheiden zich van andere soorten apparaten door een relatief eenvoudige en betrouwbare structuur. Daarom dient dit type apparatuur lange tijd zonder noemenswaardige problemen. De levensduur van natuurlijke slijtage wordt bepaald door het aantal schakelhandelingen, dat minimaal 20.000 bedraagt. Bij tijdig onderhoud neemt deze levensduur met 5-10% toe. Ondertussen blijft het onderhoud van vacuümschakelaars beperkt tot een klein aantal eenvoudige handelingen.

Als u bij het lezen van de informatie vragen heeft over het onderwerp van het artikel of waardevolle informatie hebt die u met onze lezers kunt delen, laat dan uw opmerkingen achter, deel uw ervaringen en stel uw vragen in het blok onder het artikel.