Выключатель нагрузки

Выключатель нагрузки представляет собой трехполюсный коммутационный аппарат переменного тока для напряжения свыше 1 кВ, рассчитанный на отключение номинального рабочего тока и снабженный приводом для неавтоматического или автоматического управления, рис. 4.19.

Выключатели нагрузки не предназначены для отключения тока КЗ, но их включающая способность соответствует электродинамической стойкости при КЗ.

Рис. 4.19. Выключатель нагрузки с гасительным устройством газогенерирующего типа

Выключатели нагрузки применяют в присоединениях силовых трансформаторов на стороне высшего напряжения вместо силовых выключателей, если это возможно по условиям работы электроустановки. Поскольку они не рассчитаны на отключение тока КЗ, функции автоматического отключения трансформаторов в случае их повреждения возлагают на плавкие предохранители либо на выключатели, принадлежащие предшествующим звеньям системы.

Отечественные заводы выпускают выключатели нагрузки (рис 4.19) для номинальных напряжений 6 и 10 кВ. На опорных изоляторах разъединителя укреплены гасительные камеры. К ножам разъединителя прикреплены вспомогательные ножи. Изменен также привод разъединителя, чтобы обеспечить необходимую скорость движения ножей при включении и отключении, не зависящую от оператора.

В положении «включено» вспомогательные ножи входят в гасительные камеры. Контакты разъединителя и скользящие контакты гасительных камер замкнуты. Большая часть тока проходит через контакты разъединителя. В процессе отключения сначала размыкаются контакты разъединителя; при этом ток смещается через вспомогательные ножи в гасительные камеры. Несколько позднее размыкаются контакты в камере. Зажигаются дуги, которые гасятся в потоке газов – продуктах разложения вкладышей из органического стекла. В положении «отключено» вспомогательные ножи находятся вне гасительных камер, при этом обеспечиваются достаточные изоляционные разрывы.

Вакуумные выключатели

Вакуумные выключатели состоят из вакуумных дугогасительных камер (ВДК), приводов с приводными механизмами и схем управления.

Вакуумные дугогасительные камеры являются важнейшей частью выключателей, определяющей их технические характеристики.

Принцип действия вакуумных дугогасительных камер основан на гашении электрической дуги в вакууме, при давлении остаточных газов 10^-310^-6 Па. В вакуумных дугогасительных устройствах (ДУ) реализуется два очень важных свойства вакуумных промежутков: высокая электрическая прочность (выше, чем у трансформаторного масла) и высокая дугогасительная способность.

В глубоком вакууме дугогасительной камеры выключателя длина свободного пробега молекул и электронов составляет десятки и сотни метров, т. е. во много раз больше, чем расстояние между контактами выключателя. Ударная ионизация в вакуумном промежутке практически отсутствует, поэтому вакуумный промежуток не может служить источником заряженных частиц. Заряженные частицы могут появиться при определенных условиях с поверхностей контактов и других частей вакуумной камеры.

Процесс отключения происходит следующим образом. При размыкании контактов 2 и 3 (рис. 4.20) количество контактных точек между ними уменьшается, а плотность тока, протекающего через контактные точки, растет.

В результате этого на завершающей стадии размыкания происходит расплавление и испарение материала контактов. В парах металла возникает электрический разряд, переходящий в дуговую стадию. Благодаря низкому давлению в камере происходит интенсивная диффузия (деионизация) дугового столба и дуга гаснет. Частицы испарившегося материала контактов оседают на поверхностях вакуумной камеры. При этом быстро, со скоростью 550 кВ/мкс, восстанавливается электрическая прочность между контактами. Скорость восстановления электрической прочности в вакуумных выключателях выше, чем у других типов выключателей.

Герметичность камеры при перемещении подвижного контакта обеспечивается сильфоном 4, который плотно связан с токовводом 5 подвижного контакта и фланцем 6 камеры.

Рис. 4.20. Вакуумный выключатель BB/Tel

Материал контактов оказывает большое влияние на характеристики выключателя. В настоящее время применяют сплавы меди и хрома или меди с небольшими количествами висмута, железа и бора. Эти сплавы отличаются более высокой электро- и теплопроводностью по сравнению с ранее применявшимися тугоплавкими материалами, например вольфрамом.

При использовании тугоплавких материалов для контактов в газообразное состояние переходит меньшее количество вещества, поэтому дуговой столб распадается быстрее. Однако в этом случае при отключении малых токов погашение дуги возможно при токе до момента перехода тока через нуль. Происходит “срез” тока, что вызывает перенапряжение на оборудовании и может привести к нежелательным последствиям.

Поэтому в настоящее время применяют сплавы меди в качестве материала контактов, чтобы предотвратить перенапряжения в отключаемой цепи. Для защиты изоляционных поверхностей камеры от загрязнения продуктами эрозии контактов устанавливают специальные экраны. Так как контакты находятся в глубоком вакууме, они не окисляются, благодаря чему достигается высокая износостойкость контактов. Они работают без обслуживания в течение всего срока службы камеры.

Благодаря высокой электрической прочности вакуумных промежутков ход подвижных контактов невелик, в пределах 820 мм. Ход контактов у маломасляных выключателей с теми же параметрами, что и у вакуумных выключателей, примерно в 10 раз больше (около 200 мм у выключателя типа ВМП-10).

Характеристики вакуумных выключателей определяются работой контактной системы. При коммутациях происходит эрозия контактных поверхностей. Она тем больше, чем больше отключаемый ток, длительность горения дуги, ниже температура плавления материала контактов и хуже теплоотвод.

Чтобы быстрее погасить дугу, необходима высокая скорость движения подвижного контакта при отключении и включении. Такая необходимость при включении вызвана тем, что при сближении контактов перед замыканием происходит пробой межконтактного промежутка с переходом в дугу так же, как и при отключении. При медленном сближении контактов тепловыделение увеличивается, может возникнуть оплавление контактов. По этой же причине нежелательна вибрация контактов после замыкания, так называемый дребезг контактов. Достаточно большое сжатие контактов в замкнутом состоянии устраняет дребезг и способствует уменьшению переходного электрического сопротивления.

Преимущества вакуумных выключателей: высокая износостойкость при коммутации номинальных токов и токов КЗ; снижение эксплуатационных затрат, простота эксплуатации; быстрое восстановление электрической прочности  (1050) х 10³ В/мкс; взрыво- и пожаробезопасность; повышенная устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам; произвольное рабочее положение вакуумной дугогасительной камеры (ВДК) в конструкции выключателя; бесшумность, чистота (удобство обслуживания), отсутствие загрязнения окружающей среды; высокое быстродействие, применение для работы в любых циклах АПВ; сравнительно малые массы и габариты, небольшие динамические нагрузки на конструкцию при работе из-за относительно малой мощности привода; легкая замена ВДК.

К недостаткам можно отнести: возможные коммутационные перенапряжения при отключении малых индуктивных токов; трудности при создании и изготовлении, связанные с созданием контактных материалов, сложностью вакуумного производства, склонностью материалов контактов к сварке в условиях вакуума; большие вложения, необходимые для осуществления технологии производства, и поэтому большая стоимость по сравнению с масляными выключателями.

6.1. Выбор выключателей

Выключатели выбирают по номинальному напряжению U_ном., длительному току I_раб.max, отключающей способности, проверяют на термическую стойкость и динамическую устойчивость.

6.1.1. Выбор по условиям длительного режима

По условию длительного нагрева аппараты и проводники должны удовлетворять форсированному режиму, который возникает:

- для параллельных линий при отключений одной из цепей

где – номинальный ток линии при работе обеих цепей;

- для цепей трансформаторов при аварийной перегрузке

,

где – номинальная мощность трансформатора.

6.1.2. Выбор по отключающей способности

Отключающую способность выключателя характеризуют: номинальный симметричный ток отключения I_откл.н и номинальное содержание апериодической слагающей _н (определяется по кривой _н = f() для времени ). Для проверки на отключающую способность симметричный ток отключения I_откл.н и полный ток отключения сравнивается с периодической слагающей и полным током к.з.

6.1.3. Проверка на электродинамическую устойчивость

Выключатель устойчив к динамическому действию тока к.з., если i_пр.ск. – мгновенное значение предельного сквозного тока больше ударного тока к.з.

6.1.4. Проверка на термическую устойчивость

Аппарат будет устойчив тепловому действию тока к.з. если каталожное значение теплового импульса, равное (t_T – длительность протекания тока термической устойчивости I_Т), больше расчетного теплового импульса В_к.

Для удаленного к.з. значение теплового импульса подсчитывается по формуле

где – длительность к.з., ; t_а.в. – время отключения выключателя; t_р.з. – время действия основных релейных защит.

Выбор выключателей следует производить по табличной форме (табл. 8).

Таблица 8

Условия выбора выключателей

Расчетные величины	Каталожные данные разъединительного типа	Условия выбора
Uуст	Uном	Uуст  Uном
Iраб.max	Iном	Iраб.max  Iном
In	Iоткл.н	In  Iоткл.н 
	н	
Iу iy	Iпр.с iпр.с	Iпр.с  Iу iy  iпр.с
Вk	IT, tT	Вk  , tT