原理分析|真空遮断器の詳細分析

May 08, 2023

1、真空の断熱特性

真空には強い断熱性があります。真空遮断器では、ガスは非常に薄く、ガス分子の自由移動は比較的大きく、互いに衝突する可能性は低くなります。したがって、衝突解離は真のスペースギャップ破壊の主な原因ではありませんが、高強度電界の作用下で電極によって沈殿する金属粒子は、絶縁損傷を引き起こす主な要因です。

真空ギャップの絶縁強度は、ギャップの大きさや電界の均一性だけでなく、電極材料の特性や表面状態にも大きく影響されます。真空ギャップは、小さな距離のギャップ (2-3 mm) で高圧空気や SF6 ガスよりも高い絶縁特性を持っているため、真空遮断器の接点開放距離は一般的に大きくありません。

絶縁破壊電圧に対する電極材料の影響は、主に材料の機械的強度 (引張強度) と金属材料の融点に現れます。引張強度と融点が高いほど、真空下での電極の絶縁強度が高くなります。

実験では、真空度が高いほどガスギャップの破壊電圧が高くなることが示されていますが、10 ～ 4 トル以上では基本的に変化はありません。したがって、真空バルブの絶縁強度を保つためには、真空度を10～4torres以上にする必要があります。

2、真空中での電気アークの形成と消滅

これまでに学んだ真空アークとガスアーク放電の現象には大きな違いがあります。ガスの解離はアークの主要因ではなく、接触電極から蒸発した金属蒸気中で真空アーク放電が形成されます。同時に、アーク性能の特性は、遮断電流の大きさによって異なります。一般に、低電流真空アークと高電流真空アークに分類されます。

1. 低電流真空アーク

真空中で接点を切り離すと、電流とエネルギーが集中した陰極点が発生し、陰極点から大量の金属蒸気が蒸発します。スポット内の金属原子と荷電粒子の密度が高く、その中でアークが燃えます。同時に、アーク柱内の金属蒸気と荷電粒子が外側に拡散し続け、電極も新しい粒子を継続的に蒸発させて補います。電流がゼロを通過すると、アークのエネルギーが減少し、電極の温度が低下し、蒸発効果が減少し、アーク柱内の粒子密度が減少します。最後に、電流がゼロを通過すると、陰極点が消えてアークが消えます。

蒸発がアーク柱の拡散速度を維持できず、アークが突然消滅し、流れの遮断が発生する場合があります。

2. 大電流真空アーク

接点が大電流を切断すると、アークのエネルギーが増加し、陽極も激しい熱を発生し、強力な集中アーク柱を形成します。同時に、電気力学の役割も明らかであるため、大電流の真空アークでは、接点間の磁場分布がアークの安定性と消弧性能に決定的な影響を与えます。電流が大きすぎて限界遮断電流を超えると遮断不良の原因となります。この時点で、接点は非常に熱くなり、電流がゼロを過ぎても蒸発するため、媒体が回復するのが難しくなり、電流を切断できなくなります。

3、回路遮断器の構造と動作原理

真空遮断器には多くのメーカーとモデルがあります。使用条件により、屋内用（ZNx-※※）と屋外用（ZWx-※※）の2種類に分けられます。主にフレーム部、消弧室部（真空バブル）、作動機構部から構成されています。

サーキットブレーカ本体は、導電回路、絶縁システム、シール、およびシェルで構成されています。全体の構造は、三相共通ボックスタイプです。導電ループは、入力および出力ラインの導電極、入力および出力ラインの絶縁サポート、導電クリップ、およびソフト接続を真空アーク消弧室に接続することによって形成されます。

機構は電気エネルギー貯蔵、電動開閉で、手動機能も備えています。全体の構造は、閉鎖スプリング、エネルギー貯蔵システム、過電流リリース、開閉コイル、手動開閉システム、補助スイッチ、エネルギー貯蔵インジケータ、およびその他のコンポーネントで構成されています。

動作原理

真空遮断器が高忠実度の気流を利用してゼロを流れると、プラズマが急速に拡散してアークを消し、電流を遮断する目的を完了します。

行動原理

エネルギー貯蔵プロセス：エネルギー貯蔵モーター14が電源に接続されると、モーターが偏心ホイールを駆動して回転させ、偏心ホイールの隣のローラー10がクランクアーム9と接続プレート7を駆動してスイングし、エネルギーを押します収納爪６が揺動し、ラチェット１１が回転する。ラチェット１１のピンがエネルギー貯蔵シャフトスリーブ３２のプレートに当たると、２つが一緒に動き、エネルギー貯蔵シャフトスリーブ３２にぶら下がっている閉鎖ばね２１を伸ばす。エネルギー貯蔵シャフトスリーブ３２は、エネルギー貯蔵状態を維持するために位置決めピン１３によって固定される。同時に、蓄電軸スリーブ３２のクランクアームが走行スイッチ５を押して蓄電モータ１４の電源を遮断し、蓄電爪を持ち上げてラチェットホイールから確実に外す。

閉鎖操作プロセス：メカニズムが閉鎖信号を受信すると（スイッチは切断され、エネルギーが蓄積された状態にあります）、閉鎖電磁石15の鉄心が下に吸引され、位置決めコンポーネント13が引っ張られて反時計回りに回転し、エネルギーを解放します収納のメンテナンス。閉鎖ばね２１は、エネルギー貯蔵シャフトスリーブ３２を駆動して反時計回りに回転させ、そのカムが伝達シャフトスリーブ３０を押して、接続プレート２９およびロッカーアーム２７を動かし、ロッカーアーム２７をハーフシャフト２５に座屈させる。メカニズムを閉じた状態にします。この時点で、インターロック装置２８は位置決めコンポーネントをロックし、位置決めブルが反時計回りに回転するのを防止し、機構連結の目的を達成し、機構が閉位置で閉じることができないことを保証する。

開閉操作プロセス：遮断器が閉じられた後、開閉電磁石が信号を受信し、鉄心が引き込まれ、開閉リリース19のトップロッドが上向きに移動し、リリースシャフト16が回転し、トップロッド18が駆動されます曲げ板２６を押し上げ、半軸２５を駆動して反時計回りに回転させる。

半軸 25 とロッカーアーム 27 が解放され、開放ばねの作用により、遮断器は開放動作を完了します。

4、サーキットブレーカのデバッグ

サーキットブレーカの開放距離とオーバートラベルの測定は、図 3 に基づくことができます。開放状態と閉鎖状態で測定された X 値の差は、サーキットブレーカの開放距離であり、Y 値の差は、サーキットブレーカのオーバートラベル。調整方法は、絶縁された操作ロッド 3 または機構とスピンドルの間の接続ロッドを長くまたは短くすることです。

開閉機構の調整

1. ロッカーアーム 27 とハーフシャフト 25 の接続量は 1.5-2.5mm で、これは調整ねじ 24 によって達成できます。

2. トランスミッションシャフトスリーブ 30 が最大角度で回転するとき、ロッカーアーム 27 とハーフシャフトの間に 1.5-2 mm の隙間が必要です。位置に応じて、ロッカーアーム 27 は、ネジ 31 によって調整できるハーフシャフト 25 に自動的に座屈することができます。

3. 補助スイッチ 2 の変換は、正確で信頼できるものでなければなりません。これは、補助スイッチ 2 のクランクアーム 3 の位置とレバー 4 の長さを調整することによって達成できます。

4.エネルギー貯蔵プロセス中に、爪が最後の歯の最高点に到達すると、エネルギー貯蔵シャフトスリーブ32のクランクアームがトラベルスイッチの接点を確実に切り替え、モーターの電力を遮断できることを確認する必要がありますこれは、トラベルスイッチ 5 の上下左右の位置を調整することで実現します。

5.開閉スプリングのプレテンション長さを調整して、サーキットブレーカの確実な開閉を確保し、開閉速度が指定された値に達するようにします。

5、遮断器の制御回路

中国の地方電力網の 35KV 標準化された変電所では、制御バスバーと閉鎖バスバーを分離する原理が採用されています。

サーキットブレーカのエネルギーストレージトラベルスイッチの常開接点のペアを、サーキットブレーカの補助常閉接点と投入コイルの間の制御回路に直列に接続します。このように、回路遮断器にエネルギーを蓄えることなく、閉路動作を実行することはできません。サーキットブレーカにエネルギーを蓄えずに閉路するのを防ぎ、閉路回路を維持し、閉路コイルを焼損させます。

一方、配線プロセス中は、閉回路のアークが走行スイッチを突き破るのを防ぐために、エネルギー貯蔵走行スイッチ接点の閉母線と制御母線の間の極性が一致していることを確認することが重要です。制御ヒューズが溶断したり、制御空気スイッチがトリップしたりする原因となります。

これは、統合された自動化変電所では特に注意する必要があります。

6、運用保守及び修理試験

真空遮断器は、アーク時間が短く、絶縁強度が高く、電気的寿命が長く、接触距離とストロークが小さく、動作エネルギーが低いため、機械的寿命も長くなります。日常の運用では、メンテナンスの作業量は非常に少なく、主にメカニズムの可動部分の摩耗、留め具が緩んでいないかどうかのチェック、絶縁面からのほこりの除去、可動部分への潤滑グリースの注入などがあります。

スプリング検査の予防テストでは、スイッチの DC 抵抗テストを過去のデータと比較し、問題を迅速に処理して交換する必要があります。真空気泡の漏れの有無を確認するには、フラクチャの商用周波耐電圧試験が有効な方法です。（室内用真空遮断器は、負荷を切り離したときの真空バブル内の点滅灯の色を参考にして、真空バブルの真空度を予備的に判断することができます。色が濃い赤色の場合は、真空度の低下を示し、色が水色の場合は真空度が良好であることを示します。）遮断器の保護と設置を確認する際に、母線障害時に電圧が低下したときにスイッチが確実に動作するかどうかを確認するために、低電圧オンオフテストが行われます。州。

真空遮断器の開発と性能の分析

1、専用真空遮断器

非常に異なる遮断タスクに直面して、新しい特殊なサーキットブレーカーが登場しました。発電機保護用遮断器に超大容量真空遮断器（短絡遮断電流63-80kA以上）を使用する場合、標準真空遮断器（短絡遮断電流{{ 3}}kA)、経済的な真空遮断器 (短絡遮断電流 16-25kA)、高頻度真空遮断器 (動作頻度 50000 ～ 60000 回)、超高頻度真空遮断器複雑な真空遮断器（操作頻度は10万回から15万回）。たとえば、Siemens の 3AH シリーズサーキットブレーカは、用途に基づいて 5 つのモデルに分類されます。 3AH1と3AH3モデルは10000回の動作で標準、3AHZモデルは60000回の動作で頻繁、3AH4モデルは120000回の動作でオーバークロック、3AH5モデルは低価格で経済的です。

2、低過電圧型真空遮断器

よく知られているように、真空遮断器は、特に電気モーターなどの小さな誘導性の負の遮断を遮断する場合に、電流遮断により電圧遮断を引き起こす可能性があります。一般に、Sic、RC回路、ZnO避雷器などの過電圧吸収装置は、真空遮断器の過電圧を制限するために装備されているため、遮断器の構造が大きく複雑になり、いくつかの制限過電圧は理想的ではありません。

いくつかの日本企業は別の道を歩み、低過電圧真空遮断器を開発しました。過電圧吸収装置を追加する必要がなく、新開発の接点材料により過電圧を従来の10分の1に抑えます。低過電圧接点材料: 東芝は AgWC、日立は Co Ag Se、三菱は Cu Cr Bi - 、富士は CuCr プラス高蒸気材料です。これらの企業は一般に 7.2kV で 20kA を達成しており、東芝だけが 7.2kV で 40kA を達成しています。

3、多機能真空遮断器

よく知られているように、真空遮断器はこれまで、2 つの I 位置 (つまり、投入と開放) で投入と遮断のタスクを完了しています。現在、多機能の真空遮断器が登場しており、開口部の絶縁接地を閉じるなどの複数の機能を備えています。シーメンス、アルストム、および日立はすべてそのような製品を持っています. Siemens の最新の NXACT モジュラー真空遮断器は、複数の機能を備えています。統合、遮断、絶縁、接地、インターロックです。アルストム社が VISAX 開閉装置を装備した真空遮断器は、3 つの I 位置にあります (閉鎖開放絶縁)。日立が東京電力株式会社と共同で開発した 24kV 真空遮断器には、4 つの I 位置 (閉口絶縁接地) があります。

製品を多機能にするために、既存の製品の観点から2つの方法があります。1つ目は、真空遮断器の位相列が開いた後に移動または回転し、絶縁と接地を形成します。もう 1 つは、真空消弧チャンバー内の接点を回転させて、絶縁と接地を完了することです。シーメンスの NXACT 製品は、切断後にフェーズカラムを移動することで絶縁と接地を完了しますが、アルストムは、切断後にフェーズカラムを回転させることで絶縁タスクを完了し、日立は、アーク消弧チャンバー内の接点を回転させることで絶縁と接地タスクを完了します。

4、同期遮断器

同期遮断器は、位相選択真空遮断器または制御真空遮断器としても知られています。基本原理は、電圧または電流の最も有利な瞬間に真空遮断器を開閉することです。

通常の真空遮断器と比較して、同期遮断器には次の利点があります。1.電力網の過渡過電圧負荷を軽減します。 2.電力網の電力供給の質を改善しました。 3.サーキットブレーカの電気的寿命と性能を改善しました。 4. 簡素化された電力網設計により、システム全体のコストが削減されます。

ABB は、デジタル電子デバイスと磁気操作メカニズムを使用した同期式真空遮断器を開発しました。これは良いスタートです。

5、インテリジェント真空遮断器

真空遮断器のインテリジェンスは、最新のセンシング技術とデジタル制御技術に基づいています。外国の製造会社は自社製品をインテリジェント化しており、これは配電の自動化だけでなく、サーキットブレーカー自体の制御と保護にも必要です。たとえば、Alstom の DCX プログラマブルデジタル制御デバイス、ABB の REF542 制御および保護デバイス、Siemens の第 2 世代デジタル保護デバイスなどです。

以上のことから、真空遮断器の急速な発展が見て取れます。これには多くの理由がありますが、基本的な理由が 2 つあります。まず、真空消弧室技術の進歩。 2つ目は、作動機構技術の進化です。真空消弧室は、真空遮断器の心臓部です。真空消弧室の進歩は、CuBi から CuCr への接点材料の変化に反映され、遮断能力が向上し、カットオフ値が低下します。同時に、磁場が横磁場から縦磁場にシフトし、遮断能力が向上し、接点焼損が減少します。技術面では、ワンタイムシールプロセスの採用により、消弧室の性能と信頼性が大幅に向上します。

動作メカニズムは、真空遮断器の中枢神経系と呼ばれます。元々は電磁機構を使っていましたが、バネ機構が登場し、最新のものは永久磁石機構の登場です。スプリング機構は複雑な構造で、部品点数が多く (最大 200 点)、高い加工精度が要求され、スプリング機構の出力特性は真空遮断器の負荷特性と一致しません。そのため、カムの輪郭曲線やコンロッド構造を合理的に設計する必要があります。特に永久磁石機構は機械構造がシンプルで、他のどの機構よりも部品点数が少なく、可動部を1つに抑えることができるため、機械的信頼性が特に高くなります。さらに、永久磁石機構の出力性能は、真空遮断器の負荷特性とよく一致しています。永久磁石メカニズムは、永久磁石ロック、コンデンサ (または DC スクリーン電源) を使用してエネルギーを蓄え、電子的に制御されます。永久磁石機構は、最大 60000 ～ 150000 回などの頻繁な操作に特に適しています。

製品写真

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