מתגי מתח גבוה: סיווג, מכשיר, עקרון הפעולה
הדרישות עבור המתגים הן כדלקמן:
1) אמינות בעבודה ובטיחות לאחרים;
2) תגובה מהירה - אולי זמן כיבוי קצר;
3) קלות תחזוקה;
4) קלות ההתקנה;
5) פעולה שקטה;
6) עלות נמוכה יחסית.
המפסקים הנמצאים בשימוש כיום עומדים בדרישות המפורטות במידה רבה או פחותה. עם זאת, מתכנני מפסקים שואפים להתאים טוב יותר את מאפייני המפסקים לדרישות לעיל.
מתגי שמן
ישנם שני סוגים של מתגי שמן - מאגר ושמן נמוך. שיטות דה-יוניזציה של מרחב קשת במפתחות אלו זהות. ההבדל היחיד הוא בבידוד מערכת המגע מבסיס הקרקע ובכמות השמן.
עד לאחרונה עבדו טנקים למיכלים מהסוגים הבאים: VM-35, S-35, וכן מתגים מסדרת U עם מתחים מ-35 עד 220 קילו-וולט. מתגי מיכל מיועדים להרכבה חיצונית, שאינם בייצור כרגע.
החסרונות העיקריים של מתגי טנקים: פיצוץ ואש; הצורך במעקב תקופתי אחר מצב ורמת השמן במיכל ובכניסות; נפח נפט גדול, מה שמוביל להשקעה רבה של זמן להחלפתו, צורך במאגרים גדולים של נפט; לא מתאים להתקנה פנימית.
מתגי שמן נמוך
מתגים דלי שמן (סוג סיר) נמצאים בשימוש נרחב במתג סגור ופתוח כל המתחים. השמן במתגים אלו משמש בעיקר כתווך קשתי ורק בחלקו כבידוד בין מגעים פתוחים.
בידוד חלקים חיים זה מזה וממבנים מקורקעים נעשה עם חרסינה או חומרי בידוד מוצקים אחרים. המגעים של המתגים להרכבה פנימית ממוקמים במיכל פלדה (סיר), ולכן השם של מתגי "סוג סיר" נשמר.
למפסקים דלי שמן במתח של 35 קילו וולט ומעלה יש גוף חרסינה. הנפוצים ביותר הם תליונים מסוג 6-10 קילו וולט (VMG-10, VMP-10). במפסקים אלו הגוף מקובע על מבודדי חרסינה למסגרת משותפת לשלושת הקטבים. לכל מוט יש שבר מגע אחד ומגלש קשת.
תוכניות עיצוב של מתגים נמוכים בשמן 1 - מגע נייד; 2 - מצנח קשת; 3 - מגע קבוע; 4 - אנשי קשר עובדים
בזרמים מדורגים גבוהים, קשה לפעול עם זוג מגעים אחד (שפועלים כמגעי הפעלה וקשתות), לכן מגעי ההפעלה מסופקים מחוץ למפסק ומגעי הקשת נמצאים במיכל מתכת. בזרמי שבירה גבוהים, ישנם שני הפסקות קשתות לכל מוט. על פי תכנית זו, מתגים מסדרות MGG ו-MG מיוצרים עבור מתחים עד וכולל 20 קילו וולט.מגעי הפעלה חיצוניים מאסיביים 4 מאפשרים לתכנן את המפסק לזרמים מדורגים גבוהים (עד 9500 A). למתחים של 35 קילו וולט ומעלה, גוף המתג עשוי פורצלן, סדרת VMK היא מתג עמודים עם שמן נמוך). במפסקים אוטומטיים 35, 110 קילו וולט, ניתנת הפרעה אחת לכל קוטב, במתח גבוה - שתי הפסקות או יותר.
חסרונות של מתגים דלי שמן: סכנת פיצוץ ואש, אם כי הרבה פחות מזה של מתגי טנקים; חוסר יכולת ליישם סגירה אוטומטית במהירות גבוהה; הצורך בשליטה תקופתית, מילוי, החלפת שמן תכופה יחסית במיכלי קשת; הקושי בהתקנת שנאי זרם מובנים; יכולת שבירה נמוכה יחסית.
תחום היישום של מפסקי זרם נמוכים בשמן הוא מתגים סגורים של תחנות כוח ותחנות משנה 6, 10, 20, 35 ו-110 קילו וולט, מתגים שלמים 6, 10 ו-35 קילו וולט ומתגים פתוחים 35 ו-110 קילו וולט.
ראה כאן לפרטים נוספים: סוגי מתגי שמן
מתגי אוויר
מפסקי אוויר עבור מתחים של 35 קילו וולט ומעלה נועדו לשבור זרמי קצר חשמלי גדולים. אוויר מופעל על מתח 15 קילו וולט משמש בתחנות כוח כגנרטור. היתרונות שלהם: תגובה מהירה, יכולת שבירה גבוהה, שריפת מגעים לא משמעותית, היעדר תותבים יקרים ולא אמינים מספיק, בטיחות אש, משקל נמוך יותר בהשוואה למתגי שמן במיכל. חסרונות: נוכחות של משק אוויר מסורבל, סכנת פיצוץ, היעדר שנאי זרם מובנים, מורכבות המכשיר והתפעול.
במתגי אוויר מכבים את הקשת באוויר דחוס בלחץ של 2-4 מגפ"ס, ובידוד חלקים חיים ומתקן לכיבוי קשת נעשה עם חרסינה או חומרי בידוד מוצקים אחרים. תוכניות התכנון של מתגי האוויר שונות ותלויות בדירוג המתח שלהם, בשיטה ליצירת פער בידוד בין המגעים במצב כבוי, ובשיטת אספקת אוויר דחוס למכשיר כיבוי הקשת.
למפסקים בעלי דירוג גבוה יש מעגל ראשי וקשת בדומה למפסקי MG ו-MGG עם שמן נמוך. החלק העיקרי של הזרם במצב סגור של המתג עובר דרך המגעים הראשיים 4, הממוקמים פתוחים. כשהמתג כבוי, המגעים הראשיים נפתחים תחילה, ואז כל הזרם עובר דרך מגעי הקשת הסגורים בתא 2. בזמן שהמגעים הללו נפתחים, אוויר דחוס ממיכל 1 מוזרם לתא, נוצר פיצוץ עוצמתי, המכבה את הקשת. נשיפה יכולה להיות אורכית או רוחבית.
מרווח הבידוד הדרוש בין המגעים במצב פתוח נוצר במנחת הקשת על ידי הפרדת המגעים במרחק מספיק. המתגים המיוצרים על פי הפרויקט עם מפריד פתוח מיוצרים להתקנה פנימית עבור מתחים 15 ו-20 קילוואט וזרמים עד 20,000 A (סדרת VVG). עם סוג זה של מתגים, לאחר ניתוק המפריד 5, אספקת האוויר הדחוס לחדרים מופסקת ומגעי הקשתות נסגרים.
דיאגרמות בנייה של מתגי אוויר 1 - טנק לאוויר דחוס; 2 - מצנח קשת; 3 - נגד shunting; 4 - אנשי קשר עיקריים; 5 - מפריד; 6 - מחלק מתח קיבולי עבור 110 קילו וולט - שני הפסקות לפאזה (ד)
במפסקי אוויר להתקנה פתוחה עבור מתח 35 קילו וולט (VV-35), מספיק שתהיה הפרעה אחת לכל שלב.
במתגים במתח של 110 קילו וולט ומעלה, לאחר כיבוי הקשת, המגעים של המפריד 5 נפתחים ותא המפריד נשאר מלא באוויר דחוס כל הזמן במצב כבוי. במקרה זה, אוויר דחוס אינו מסופק למנחת הקשת והמגעים בו סגורים.
מפסקי מעגלים מסדרת VV עבור מתחים של עד 500 קילו וולט נוצרים על פי ערכת עיצוב זו. ככל שהמתח הנקוב גבוה יותר וככל שההספק המגביל גבוה יותר, כך חייבות להיות יותר הפרעות במנחת הקשת ובמפריד.
מפסקי זרם מלאי אוויר מסדרת VVB מיוצרים על פי ערכת התכנון באיור, D. המתח של מודול VVB הוא 110 קילו וולט בלחץ אוויר דחוס בתא הכיבוי של 2 MPa. המתח הנקוב של מודול מפסק ה-VVBK (מודול גדול) הוא 220 קילו וולט ולחץ האוויר בתא הכיבוי הוא 4 MPa. למפסקים מסדרת VNV יש ערכת עיצוב דומה: מודול עם מתח של 220 קילו וולט בלחץ של 4 MPa.
עבור מפסקי זרם מסדרת VVB, מספר מצנחי הקשת (מודולים) תלוי במתח (110 קילו וולט - אחד; 220 קילו וולט - שניים; 330 קילו וולט - ארבע; 500 קילו וולט - שישה; 750 קילו וולט - שמונה), ולגדולים מודולי מפסק זרם (VVBK, VNV), מודולים עם מספרים פחות פי שניים, בהתאמה.
מפסקי חשמל SF6
גז SF6 (SF6 - גופרית הקספלואוריד) הוא גז אינרטי עם צפיפות גדולה פי 5 מזו של אוויר. החוזק החשמלי של גז SF6 גבוה פי 2-3 מחוזק האוויר; בלחץ של 0.2 MPa, החוזק הדיאלקטרי של גז SF6 דומה לזה של נפט.
בגז SF6 בלחץ אטמוספרי, ניתן לכבות קשת עם זרם הגבוה פי 100 מהזרם שנקטע באוויר באותם תנאים. היכולת יוצאת הדופן של גז SF6 לכבות את הקשת מוסברת בעובדה שהמולקולות שלו לוכדות את האלקטרונים של עמודת הקשת ויוצרות יונים שליליים חסרי תנועה יחסית. אובדן האלקטרונים הופך את הקשת לבלתי יציבה ולכיבוי בקלות. בזרימה של גז SF6, כלומר במהלך הזרקת גז, ספיגת האלקטרונים מעמודת הקשת היא אפילו יותר אינטנסיבית.
מפסקי SF6 משתמשים בהתקני כיבוי קשתים אוטומטיים פנאומטיים (דחיסה אוטומטית) שבהם גז נדחס על ידי התקן בוכנה במהלך מעידה ומופנה לאזור הקשתות. מפסק SF6 הוא מערכת סגורה ללא פליטת גזים כלפי חוץ.
נכון לעכשיו, מפסקי SF6 משמשים עבור כל מחלקות המתח (6-750 קילו וולט) בלחץ של 0.15 - 0.6 MPa. לחץ מוגבר משמש למתגים עם כיתות מתח גבוהות יותר. מפסקי SF6 של החברות הזרות הבאות הוכיחו את עצמם היטב: ALSTOM; SIEMENS; מרלין גרין ואחרים. הייצור של מפסקי SF6 מודרניים של PO «Uralelectrotyazmash» הוא מאסטר: מפסקי טנקים מסדרת VEB, VGB ומתגי עמודים מסדרת VGT, VGU.
כדוגמה, שקול את העיצוב של מפסק LF 6-10 קילו וולט של מרלין גרין.
דגם מפסק החשמל הבסיסי מורכב מהאלמנטים הבאים:
- גוף המפסק, שבו נמצאים כל שלושת הקטבים, המייצגים "מיכל לחץ", מלא בגז SF6 בלחץ עודף נמוך (0.15 MPa או 1.5 atm);
- כונן מכני מסוג RI;
- פאנל קדמי של מפעיל עם ידית טעינת קפיץ ידנית ומחווני מצב קפיץ ומפסק זרם;
- רפידות מגע לאספקת חשמל במתח גבוה;
- מחבר מרובה פינים לחיבור מעגלי מיתוג משניים.
מפסקי ואקום
החוזק הדיאלקטרי של ואקום גבוה משמעותית מזה של מדיה אחרת המשמשת במפסקים. זה מוסבר על ידי העלייה בנתיב החופשי הממוצע של אלקטרונים, אטומים, יונים ומולקולות עם ירידה בלחץ. בוואקום, הנתיב החופשי הממוצע של החלקיקים עולה על ממדי תא הוואקום.
חוזק דיאלקטרי לשחזור פער של 1/4 אינץ' לאחר ניתוק זרם של 1600 A בוואקום וגזים שונים בלחץ אטמוספרי
בתנאים אלה, פגיעות חלקיקים על קירות החדר מתרחשות הרבה יותר מאשר התנגשויות בין חלקיקים לחלקיקים. האיור מציג את התלות של מתח הפירוק של ואקום ואוויר במרחק בין אלקטרודות בקוטר של 3/8 « טונגסטן. עם חוזק דיאלקטרי כה גבוה, המרחק בין המגעים יכול להיות קטן מאוד (2 - 2.5 ס"מ), כך שגם ממדי החדר יכולים להיות קטנים יחסית...
תהליך החזרת החוזק החשמלי של הרווח בין המגעים כאשר הזרם כבוי מתרחש בוואקום הרבה יותר מהר מאשר בגזים.רמת הוואקום (לחץ גז שיורי) בתעלות קשת תעשייתיות מודרניות היא בדרך כלל Pa. בהתאם לתיאוריית החוזק החשמלי של גזים, תכונות הבידוד הנדרשות של פער הוואקום מושגות גם ברמות ואקום נמוכות יותר (מסדר גודל של Pa), אך עבור הרמה הנוכחית של טכנולוגיית הוואקום, יצירה ותחזוקה של רמת Pa לאורך חיי תא הוואקום אינה מהווה בעיה.זה מספק לתאי הוואקום עתודות של חוזק חשמלי לכל חיי השירות (20-30 שנים).
עיצוב טיפוסי של מפסק ואקום מוצג באיור.
דיאגרמת בלוקים של מפסק ואקום
עיצוב תא הוואקום מורכב מזוג מגעים (4; 5) שאחד מהם ניתן להזזה (5), סגור במעטפת אטומה לוואקום מרותכת על ידי מבודדי קרמיקה או זכוכית (3; 7), מתכת עליונה ותחתונה. כיסויים (2; 8) ) ומגן מתכת (6). תנועת המגע הנייד ביחס לזה הקבוע מובטחת באמצעות שרוול (9). כבלי המצלמה (1; 10) משמשים לחיבורה למעגל המתג הראשי.
יצוין כי רק מתכות מיוחדות עמידות ואקום, מטוהרות מגזים מומסים, נחושת וסגסוגות מיוחדות, כמו גם קרמיקה מיוחדת משמשות לייצור בית תא הוואקום. המגעים של תא הוואקום עשויים מהרכב מתכת-קרמי (ככלל, מדובר בנחושת-כרום ביחס של 50%-50% או 70%-30%), המספק יכולת שבירה גבוהה, עמידות בפני שחיקה ומונע הופעת נקודות ריתוך על משטח המגע. מבודדים קרמיים גליליים, יחד עם פער ואקום במגעים פתוחים, מספקים בידוד בין מסופי התאים כאשר המתג כבוי.
Tavrida-electric הוציאה מפסק ואקום עיצוב חדש עם נעילה מגנטית. העיצוב שלו מבוסס על העיקרון של יישור האלקטרומגנט המניע ומפסק הוואקום בכל קוטב של המפסק.
המתג נסגר ברצף הבא.
במצב ההתחלתי, המגעים של תא מפסק הוואקום פתוחים עקב פעולת קפיץ הסגירה 7 עליהם דרך מבודד המשיכה 5. כאשר מופעל מתח של קוטביות חיובית על סליל 9 של האלקטרומגנט, השטף המגנטי. מצטבר בפער של המערכת המגנטית.
ברגע שכוח הלחיצה של האבזור שנוצר על ידי השטף המגנטי עולה על כוח קפיץ העצירה 7, האבזור 11 של האלקטרומגנט, יחד עם מבודד המתיחה 5 והמגע הנייד 3 של תא הוואקום, מתחיל לנוע למעלה, דוחס את הקפיץ לעצירה. במקרה זה, מתרחשת מנוע-EMF בפיתול, אשר מונע עלייה נוספת בזרם ואף מקטין אותו במידה מסוימת.
בתהליך התנועה, האבזור צובר מהירות של כ-1 מ'/ש', מה שמונע נזק ראשוני בעת ההפעלה ומבטל את הקפצת מגעי ה-VDK. כאשר מגעי תא הוואקום סגורים, נותר מרווח דחיסה נוסף של 2 מ"מ במערכת המגנטית. מהירות האבזור יורדת בחדות, מכיוון שעליו להתגבר גם על כוח הקפיץ של העומס הקדום הנוסף של המגע 6. עם זאת, בהשפעת הכוח שנוצר על ידי השטף המגנטי ואינרציה, האבזור 11 ממשיך לנוע למעלה, דחיסת הקפיץ לעצירה 7 וקפיץ נוסף לטעינת מגעים 6 מראש.
ברגע של סגירת המערכת המגנטית, האבזור יוצר קשר עם המכסה העליון של הכונן 8 ונפסק. לאחר תהליך הסגירה, הזרם לסליל הכונן כבוי. המתג נשאר במצב סגור עקב האינדוקציה השיורית שנוצרה על ידי טבעת מגנט קבוע 10, המחזיק את האבזור 11 במצב משוך לכיסוי העליון 8 ללא אספקת זרם נוספת.
כדי לפתוח את המתג, יש להפעיל מתח שלילי על מסופי הסליל.
נכון לעכשיו, מפסקי ואקום הפכו למכשירים הדומיננטיים עבור רשתות חשמל עם מתח של 6-36 קילו וולט. כך, חלקם של מפסקי ואקום במספר הכולל של המכשירים המיוצרים באירופה ובארה"ב מגיע ל-70%, ביפן - 100%. ברוסיה, בשנים האחרונות, הייתה למניה זו מגמת עלייה מתמדת, ובשנת 1997 היא עברה את רף ה-50%. היתרונות העיקריים של חומרי נפץ (לעומת מתגי נפט וגז) הקובעים את הצמיחה של נתח השוק שלהם הם:
- אמינות גבוהה יותר;
- עלויות תחזוקה נמוכות יותר.
ראה גם: מפסקי ואקום במתח גבוה - עיצוב ועיקרון הפעולה