Analyse de principe|Analyse approfondie des disjoncteurs à vide

1, caractéristiques d'isolation du vide

Le vide a de fortes propriétés isolantes. Dans les disjoncteurs à vide, le gaz est très fin et le libre déplacement des molécules de gaz est relativement important, ce qui entraîne une faible probabilité de collision les unes avec les autres. Par conséquent, la dissociation par collision n'est pas la cause principale de la véritable rupture de l'écart spatial, mais les particules métalliques précipitées par les électrodes sous l'action d'un champ électrique à haute intensité sont les principaux facteurs provoquant des dommages à l'isolation.

La force d'isolation dans un espace vide n'est pas seulement liée à la taille de l'espace et à l'uniformité du champ électrique, mais également fortement influencée par les propriétés et les conditions de surface du matériau d'électrode. L'espace sous vide a des caractéristiques d'isolation plus élevées que l'air haute pression et le gaz SF6 à de petites distances (2-3 millimètres), c'est pourquoi la distance d'ouverture des contacts des disjoncteurs sous vide n'est généralement pas grande.

L'impact des matériaux d'électrode sur la tension de claquage se manifeste principalement dans la résistance mécanique (résistance à la traction) du matériau et le point de fusion du matériau métallique. Plus la résistance à la traction et le point de fusion sont élevés, plus la résistance d'isolation de l'électrode sous vide est élevée.

L'expérience montre que plus le degré de vide est élevé, plus la tension de claquage de l'entrefer est élevée, mais elle reste fondamentalement inchangée au-delà de 10 à 4 torres. Par conséquent, pour maintenir la force d'isolation de l'ampoule à vide, son degré de vide ne doit pas être inférieur à 10 à 4 torres.

2, Formation et extinction des arcs électriques dans le vide

Il existe une différence significative entre le phénomène d'arc sous vide et de décharge d'arc de gaz que nous avons appris auparavant. La dissociation du gaz n'est pas le principal facteur provoquant l'arc, et une décharge d'arc sous vide se forme dans la vapeur métallique évaporée de l'électrode de contact. Dans le même temps, les caractéristiques des performances de l'arc varient en fonction de l'amplitude du courant de coupure. Nous le classons généralement en arc sous vide à faible courant et arc sous vide à courant élevé.

1. Arc sous vide à faible courant

Lorsque le contact est déconnecté dans le vide, un spot cathodique avec une concentration élevée de courant et d'énergie est généré, et une grande quantité de vapeur métallique s'évapore du spot cathodique. La densité d'atomes métalliques et de particules chargées dans le spot est élevée et l'arc y brûle. Dans le même temps, la vapeur métallique et les particules chargées à l'intérieur de la colonne d'arc continuent de se diffuser vers l'extérieur, et l'électrode évapore également en continu de nouvelles particules pour compléter. Lorsque le courant passe à zéro, l'énergie de l'arc diminue, la température de l'électrode diminue, l'effet d'évaporation diminue et la densité de particules à l'intérieur de la colonne d'arc diminue. Enfin, lorsque le courant passe à zéro, la tache cathodique disparaît et l'arc s'éteint.

Parfois, l'évaporation ne peut pas maintenir la vitesse de diffusion de la colonne d'arc et l'arc s'éteint soudainement, entraînant l'apparition d'une interception du flux.

2. Arc sous vide à courant élevé

Lorsque le contact déconnecte un courant important, l'énergie de l'arc augmente et l'anode génère également une chaleur intense, formant une forte colonne d'arc concentrée. Dans le même temps, le rôle de l'électrodynamique est également évident, par conséquent, pour les arcs sous vide à courant élevé, la répartition du champ magnétique entre les contacts a un impact décisif sur la stabilité et les performances d'extinction de l'arc de l'arc. Si le courant est trop élevé et dépasse le courant de coupure limite, cela entraînera une défaillance de coupure. À ce stade, le contact chauffe fortement, et même après que le courant passe à zéro, il s'évapore toujours, ce qui rend difficile la récupération du support et l'impossibilité de déconnecter le courant.

3, structure et principe de fonctionnement des disjoncteurs

Il existe de nombreux fabricants et modèles de disjoncteurs à vide. Selon les conditions d'utilisation, il est divisé en deux types : intérieur (ZNx - * *) et extérieur (ZWx - * *). Il se compose principalement d'une partie cadre, d'une partie chambre d'extinction d'arc (bulle de vide) et d'une partie mécanisme de commande.

Le corps du disjoncteur est composé d'un circuit conducteur, d'un système d'isolation, de joints et d'une enveloppe. La structure globale est un type de boîte commune triphasée. La boucle conductrice est formée en connectant les pôles conducteurs de la ligne entrante et sortante, les supports d'isolation de la ligne entrante et sortante, les pinces conductrices et les connexions souples à la chambre d'extinction d'arc sous vide.

Le mécanisme est un stockage d'énergie électrique, une ouverture et une fermeture électriques, et a également une fonction manuelle. L'ensemble de la structure est composé de ressorts de fermeture, de systèmes de stockage d'énergie, de déclencheurs à maximum de courant, de bobines d'ouverture et de fermeture, de systèmes manuels d'ouverture et de fermeture, d'interrupteurs auxiliaires, d'indicateurs de stockage d'énergie et d'autres composants.

principe de fonctionnement

Lorsqu'un disjoncteur à vide utilise un courant d'air haute fidélité pour passer par zéro, le plasma diffuse rapidement et éteint l'arc, complétant ainsi l'objectif de couper le courant.

Principe d'action

Processus de stockage d'énergie : lorsque le moteur de stockage d'énergie 14 est connecté à l'alimentation électrique, le moteur entraîne la roue excentrique pour tourner, et le rouleau 10 à côté de la roue excentrique entraîne le bras de manivelle 9 et la plaque de connexion 7 pour balancer, poussant l'énergie le cliquet de rangement 6 bascule, provoquant la rotation du rochet 11. Lorsque la goupille sur le rochet 11 est contre la plaque du manchon d'arbre de stockage d'énergie 32, les deux se déplacent ensemble, provoquant l'allongement du ressort de fermeture 21 suspendu au manchon d'arbre de stockage d'énergie 32. Le manchon d'arbre de stockage d'énergie 32 est fixé par une broche de positionnement 13 pour maintenir l'état de stockage d'énergie. En même temps, la manivelle sur le manchon d'arbre de stockage d'énergie 32 pousse l'interrupteur de déplacement 5 pour couper l'alimentation électrique du moteur de stockage d'énergie 14, et le cliquet de stockage d'énergie est levé pour se détacher de manière fiable de la roue à rochet.

Processus de fermeture : lorsque le mécanisme reçoit le signal de fermeture (le commutateur est dans l'état d'énergie déconnecté et stocké), le noyau de fer de l'électroaimant de fermeture 15 est aspiré vers le bas et le composant de positionnement 13 est tiré pour tourner dans le sens antihoraire pour libérer l'énergie entretien du stockage. Le ressort de fermeture 21 entraîne le manchon d'arbre de stockage d'énergie 32 à tourner dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, et sa came presse le manchon d'arbre de transmission 30 pour entraîner le déplacement de la plaque de connexion 29 et du culbuteur 27, provoquant le flambage du culbuteur 27 sur le demi-arbre 25, entraînant le mécanisme à être dans un état fermé. A ce stade, le dispositif de verrouillage 28 verrouille le composant de positionnement, empêchant le taureau de positionnement de tourner dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, réalisant l'objectif de liaison du mécanisme et garantissant que le mécanisme ne peut pas être fermé en position fermée.

Processus d'opération d'ouverture : une fois le disjoncteur fermé, l'électroaimant d'ouverture reçoit un signal, le noyau de fer s'enclenche et la tige supérieure du déclencheur d'ouverture 19 se déplace vers le haut, entraînant la rotation de l'arbre de déverrouillage 16, entraînant la tige supérieure 18 à déplacer vers le haut, en poussant la plaque de cintrage 26 et en entraînant le demi-arbre 25 à tourner dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

Le demi-axe 25 et le culbuteur 27 sont libérés, et sous l'action du ressort d'ouverture, le disjoncteur achève la manœuvre d'ouverture.

4, débogage des disjoncteurs

La mesure de la distance d'ouverture et de la surcourse d'un disjoncteur peut être basée sur la figure 3. La différence entre la valeur X mesurée à l'état ouvert et fermé est la distance d'ouverture du disjoncteur, et la différence entre la valeur Y est la surcourse du disjoncteur. La méthode de réglage consiste à allonger ou raccourcir la tige de commande isolée 3 ou la bielle entre le mécanisme et la broche.

Réglage du mécanisme d'ouverture et de fermeture

1. La quantité de connexion entre le culbuteur 27 et le demi-arbre 25 est de 1,5-2,5 mm, ce qui peut être obtenu en ajustant la vis 24.

2. Lorsque le manchon d'arbre de transmission 30 tourne à son angle maximum, il doit y avoir un espace de 1,5-2mm entre le culbuteur 27 et le demi-arbre pour s'assurer que lorsque le manchon d'arbre de transmission retombe en position fermée position, le culbuteur 27 peut boucler automatiquement sur le demi-arbre 25, qui peut être ajusté par la vis 31.

3. La conversion du commutateur auxiliaire 2 doit être précise et fiable, ce qui peut être réalisé en ajustant la position du bras de manivelle 3 et la longueur du levier 4 du commutateur auxiliaire 2.

4. Pendant le processus de stockage d'énergie, lorsque le cliquet atteint le point le plus élevé de la dernière dent, il convient de s'assurer que le bras de manivelle sur le manchon d'arbre de stockage d'énergie 32 peut commuter de manière fiable les contacts de l'interrupteur de déplacement, couper l'alimentation du moteur alimentation, et y parvenir en ajustant les positions haute, basse, avant et arrière du commutateur de course 5.

5. Réglez la longueur de pré-tension du ressort d'ouverture et de fermeture pour garantir une ouverture et une fermeture fiables du disjoncteur et assurez-vous que la vitesse d'ouverture et de fermeture atteint la valeur spécifiée.

5, circuit de commande du disjoncteur

Dans la sous-station normalisée 35KV du réseau électrique rural chinois, le principe de séparation du jeu de barres de commande et du jeu de barres de fermeture est adopté.

Connectez une paire de contacts normalement ouverts de l'interrupteur de fin de course de stockage d'énergie du disjoncteur en série dans le circuit de commande entre le contact auxiliaire normalement fermé du disjoncteur et la bobine de fermeture. De cette manière, la manœuvre de fermeture ne peut être effectuée sans stockage d'énergie dans le disjoncteur. Il empêche la fermeture sans stockage d'énergie dans le disjoncteur, maintient le circuit de fermeture et brûle la bobine de fermeture.

Pendant le processus de câblage, il est important de s'assurer que la polarité entre le jeu de barres de fermeture et le jeu de barres de commande dans les contacts de l'interrupteur de fin de course de stockage d'énergie est cohérente, afin d'éviter que l'arc dans le circuit de fermeture ne traverse l'interrupteur de fin de course pendant stockage d'énergie, provoquant la fusion du fusible de commande ou le déclenchement de l'interrupteur d'air de commande.

Ceci doit être particulièrement noté dans les sous-stations d'automatisation intégrées.

6, test de maintenance et de réparation de fonctionnement

Les disjoncteurs à vide ont un temps d'arc court, une résistance d'isolation élevée, une durée de vie électrique élevée, une distance de contact et une course réduites et une faible énergie de fonctionnement, par conséquent, leur durée de vie mécanique est également élevée. Dans le fonctionnement quotidien, la charge de travail de maintenance est très faible, vérifiant principalement l'usure des pièces mobiles du mécanisme, si les fixations sont desserrées, enlevant la poussière de la surface d'isolation et en injectant de la graisse lubrifiante dans les pièces mobiles.

Lors du test préventif de l'inspection des ressorts, le test de résistance CC de l'interrupteur doit être comparé aux données historiques, et les problèmes doivent être traités et remplacés rapidement. Le test de tension de tenue à fréquence industrielle de la rupture est une méthode efficace pour vérifier si la bulle de vide fuit. (Les disjoncteurs à vide intérieurs peuvent se référer à la couleur de la lumière clignotante à l'intérieur de la bulle de vide lorsque la charge est déconnectée pour déterminer au préalable le degré de vide de la bulle de vide. Lorsque la couleur est rouge foncé, cela indique une diminution du degré de vide, et lorsque la couleur est bleu clair, cela indique un bon degré de vide.) Lors de la vérification de la protection et de l'installation du disjoncteur, un test marche-arrêt basse tension est effectué pour vérifier si l'interrupteur fonctionne de manière fiable lorsque la tension chute pendant un défaut de jeu de barres État.

Analyse du développement et des performances des disjoncteurs à vide

1, disjoncteur à vide dédié

Face à des tâches de coupure extrêmement différentes, de nouveaux disjoncteurs spécialisés ont vu le jour. Si le disjoncteur à vide de très grande capacité (avec un courant de coupure de court-circuit de 63-80 kA ou plus) est utilisé pour le disjoncteur de protection du générateur, le disjoncteur à vide standard (avec un courant de coupure de court-circuit de {{ 3}}kA), le disjoncteur à vide économique (avec un courant de coupure de court-circuit de 16-25kA), le disjoncteur à vide fréquent (avec une fréquence de fonctionnement de 50000 à 60000 fois), et le disjoncteur ultra fréquent et disjoncteur à vide complexe (avec une fréquence de fonctionnement de 100000 à 150000 fois). Par exemple, les disjoncteurs de la série 3AH de Siemens sont divisés en cinq modèles en fonction de leur utilisation. Les modèles 3AH1 et 3AH3 sont standard avec 10000 opérations, le modèle 3AHZ est fréquent avec 60000 opérations, le modèle 3AH4 est overclocké avec 120000 opérations et le modèle 3AH5 est économique avec des prix bas.

2, disjoncteur à vide à faible surtension

Comme cela est bien connu, les disjoncteurs à vide peuvent provoquer une coupure de tension due à une coupure de courant, en particulier lors de l'interruption de petites interruptions négatives inductives telles que des moteurs électriques. En général, les dispositifs d'absorption de surtension tels que Sic, circuit RC, parafoudre ZnO, etc. sont équipés pour limiter la surtension dans les disjoncteurs à vide, ce qui rend la structure du disjoncteur grande et complexe, et certaines limites de surtension ne sont pas idéales.

Plusieurs entreprises japonaises ont emprunté une voie différente et ont développé des disjoncteurs à vide à faible surtension. Il ne nécessite pas l'ajout de dispositifs d'absorption de surtension et utilise des matériaux de contact nouvellement développés pour limiter la surtension à un dixième de la valeur conventionnelle. Matériau de contact à faible surtension : Toshiba est AgWC, Hitachi est Co Ag Se et Mitsubishi est Cu Cr Bi - , Fuji est un CuCr plus un matériau à haute vapeur. Ces entreprises atteignent généralement 20 kA à 7,2 kV, seul Toshiba atteignant 40 kA à 7,2 kV.

3, disjoncteur à vide multifonctionnel

Comme cela est bien connu, les disjoncteurs à vide ont jusqu'à présent accompli les tâches de fermeture et de coupure dans deux positions I (c'est-à-dire fermeture et ouverture). Aujourd'hui, des disjoncteurs à vide multifonctionnels sont apparus, leur conférant de multiples fonctions, telles que la fermeture, l'ouverture, l'isolation, la mise à la terre, etc. Siemens, Alstom et Hitachi ont tous de tels produits. Le dernier disjoncteur modulaire sous vide NXACT de Siemens a de multiples fonctions : intégration de la fermeture, de la coupure, de l'isolement, de la mise à la terre et du verrouillage. Le disjoncteur à vide équipé par la société Alstom d'un appareillage VISAX est à trois positions I (fermeture ouverture isolement). Le disjoncteur à vide 24kV développé par Hitachi en collaboration avec Tokyo Electric Power Company a quatre positions I (fermeture ouverture isolation mise à la terre).

Afin de rendre le produit multifonctionnel, il existe deux méthodes du point de vue des produits existants : premièrement, la colonne de phase du disjoncteur à vide se déplace ou tourne après l'ouverture, formant isolation et mise à la terre ; L'autre est la rotation des contacts dans la chambre d'extinction de l'arc sous vide pour compléter l'isolation et la mise à la terre. Les produits Siemens NXACT effectuent l'isolation et la mise à la terre en déplaçant la colonne de phase après la déconnexion, tandis qu'Alstom effectue la tâche d'isolation en faisant tourner la colonne de phase après la déconnexion, et Hitachi effectue la tâche d'isolation et de mise à la terre en faisant tourner le contact dans la chambre d'extinction d'arc.

4, disjoncteur synchrone

Les disjoncteurs synchrones sont également appelés disjoncteurs à vide à sélection de phase ou disjoncteurs à vide commandés. Le principe de base est de faire en sorte que le disjoncteur à vide se ferme ou s'ouvre au moment le plus favorable de la tension ou du courant.

Par rapport aux disjoncteurs à vide ordinaires, les disjoncteurs synchrones présentent les avantages suivants : 1. réduction des charges de surtension transitoires dans le réseau électrique ; 2. Amélioration de la qualité de l'alimentation électrique du réseau électrique ; 3. Amélioration de la durée de vie électrique et des performances du disjoncteur ; 4. Conception simplifiée du réseau électrique, réduisant ainsi le coût global du système.

ABB a développé des disjoncteurs à vide synchrones utilisant des dispositifs électroniques numériques et des mécanismes de commande magnétiques, ce qui est un bon début.

5, disjoncteur à vide intelligent

L'intelligence des disjoncteurs à vide repose sur une technologie de détection moderne et une technologie de commande numérique. Les entreprises de fabrication étrangères ont rendu leurs produits intelligents, ce qui est nécessaire non seulement pour l'automatisation de la distribution, mais également pour le contrôle et la protection des disjoncteurs eux-mêmes. Par exemple, le dispositif de contrôle numérique programmable DCX d'Alstom, le dispositif de contrôle et de protection REF542 d'ABB et le dispositif de protection numérique de deuxième génération de Siemens.

De ce qui précède, on peut voir que les disjoncteurs à vide se sont développés rapidement. Bien qu'il y ait de nombreuses raisons à cela, il y en a deux principales : premièrement, les progrès de la technologie des chambres d'extinction à arc sous vide ; La seconde est l'avancement de la technologie des mécanismes de fonctionnement. La chambre d'extinction d'arc sous vide est le cœur d'un disjoncteur sous vide. Les progrès des chambres d'extinction à arc sous vide se reflètent dans la transformation du matériau de contact de CuBi en CuCr, ce qui améliore la capacité de coupure et réduit la valeur de coupure. Dans le même temps, le champ magnétique passe des champs magnétiques transversaux aux champs longitudinaux, améliorant la capacité de rupture et réduisant les pertes de contact. En termes de technologie, l'adoption d'un processus de scellement unique améliore considérablement les performances et la fiabilité de la chambre d'extinction d'arc.

Le mécanisme de fonctionnement est appelé le système nerveux central du disjoncteur à vide. Utilisant à l'origine des mécanismes électromagnétiques, des mécanismes à ressort ont vu le jour, et le dernier en date est l'émergence de mécanismes à aimants permanents. Le mécanisme à ressort a une structure complexe avec un grand nombre de pièces (jusqu'à 200), des exigences de précision d'usinage élevées et les caractéristiques de sortie du mécanisme à ressort ne correspondent pas aux caractéristiques de charge du disjoncteur à vide. Par conséquent, il est nécessaire de le concevoir raisonnablement sur la courbe du contour de la came et la structure de la bielle. La structure mécanique des mécanismes à aimants permanents est particulièrement simple, avec moins de composants que tout autre mécanisme, et le nombre de pièces mobiles peut être réduit à un, d'où une fiabilité mécanique particulièrement élevée. De plus, les performances de sortie des mécanismes à aimants permanents sont bien adaptées aux caractéristiques de charge des disjoncteurs à vide. Le mécanisme à aimant permanent utilise des verrous à aimant permanent, des condensateurs (ou une alimentation d'écran CC) pour le stockage de l'énergie et est contrôlé électroniquement. Les mécanismes à aimants permanents sont particulièrement adaptés aux opérations fréquentes, telles que jusqu'à 60 000 à 150 000 fois

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