Выключатели высокого напряжения

Выключатель - это коммутационный аппарат, предназначенный для включения и отключения тока. Выключатель является основным аппаратом в электрических установках, он служит для отключения и включения цепи в любых режимах: длительная нагрузка, перегрузка, КЗ, холостой ход, несинхронная работа.

К выключателям высокого напряжения предъявляют следующие требования:

-надежное отключение любых токов (от десятков ампер до номинального тока отключения);

-быстрота действия;

-пригодность для быстродействующего автоматического повторного включения (БАПВ);

-возможность пофазного (пополюсного) управления для выключателей 110 кВ и выше;

-легкость ревизии и осмотра контактов;

-взрыво- и пожаробезопасность;

-удобство транспортировки и эксплуатации.

В соответствии с ГОСТ 687 - 78Е выключатели характеризуются следующими параметрами:

1. Номинальный ток отключения I_{отк.ном} - наибольший ток КЗ (действующее значение), который выключатель способен отключить при напряжении, равном наибольшому рабочему напряжению при заданных условиях востанавливающегося напряжения и заданном цикле операций. Номинальный ток отключения определяется действующим значением периодической составляющей в момент расхождения контактов.

2. Допустимое относительное содержание апериодической составляющей тока в токе отключения .

3. Цикл операций - выполняемая выключателем последовательность коммутационных операций с заданным интервалом между ними.

4. Стойкость при сквозных токах, характеризующаяся токами термической и электродинамической стойкости (действующее и амплитудное значение); эти токи выключательвыдерживает во включенном положении без повреждений, препятствующих дальнейшей работе.

5. Номинальный ток включения - ток КЗ, который выключатель с соответствующим приводом способен включить без приваривания контактов и других повреждений при номинальном напряжении и заданном цикле.

6. Собственное время отключения - интервал времени от момента подачи команды на отключение до момента прекращения соприкосновения дугогасительных контактов. Время отключения - интервал времени от подачи команды на отключение до момента погасания дуги во всех полюсах. Время включения - интервал времени от подачи команды на включение до возникновения тока в цепи.

7. Параметры востанавливающегося напряжения - в соответствии с нормированными характеристиками собственного переходного востанавливающегося напряжения (ПВН).

В ГОСТ 687 - 78Е приведены также другие требования к конструкции выключателей и методы их испытаний.

Основными конструктивными частями выключателей являются: контактная система с дугогасительным устройством, токоведущие части, корпус, изоляционная конструкция и приводной механизм.

Маслянные баковые выключатели - в них масло служит для гашения дуги и изоляции токоведущих частей. При напряжение до 10 кВ (некоторые типы до 35 кВ) выключатель имеет один бак, в котором находятся контакты всех трех фаз, при большем напряжении для каждой фазы предусматривается отдельный бак.

Преимущества: простота конструкции; высокая отключающая способность; пригодность для наружной установки; возможность установки встроенных трансформаторов тока.

Недостатки: взрыво- и пожароопасность; необходимость периодического контроля за состоянием и уровнем масла в баке и вводах; большой объем масла, что обусловливает большую затрату времени на его замену, необходимость большых запасов масла; непригодность для установки внутри помещений; непригодность для выполнения быстродействующего АПВ; большая затрата металла, большая масса, неудобство перевозки, монтажа и наладки.

Маломаслянные выключатели - масло в этих выключателях в основном служит дугогасящей средой и частично изоляцией между разомкнутыми контактами. Изоляция токоведущих частей друг от друга и от заземленных конструкций осуществляется фарфором или другими твердыми изолирующими материалами.

Достоинства: небольшое количество масла; относительно малая масса; более удобный, чем у баковых выключателей, доступ к дугогасительным контактам; возможность создание серии выключателей на разное напряжение с применением унифицированных узлов.

Недостатки: взрыво- и пожароопасность, хотя и меньшая по сравнению с баковыми; невозможность осуществления БАПВ; необходимость периодического контроля, доливки, относительно частой замены масла в дугогасительных бачках; трудность установки встроенных трансформаторов тока; относительно малая отключающая способность.

Область применения маломаслянных выключателей - ЗРУ 6 - 110 кВ, КРУ 6 - 35 кВ, ОРУ 35 - 220 кВ.

Воздушные выключатели - гашение дуги происходит сжатым воздухом или в баке со сжатым воздухом, а изоляция токоведущих частей и дугогасительного устройства осуществляется фарфором или другими твердыми изолирующими материалами.

Преимущества: взрыво- и пожаробезопасность; быстродействие и возможность осуществления БАПВ; высокая отключающая способность; надежное отключение емкостных токов линий; малый износ дугогасительных контактов; легкий доступ к дугогасительным камерам; возможность создания серии из крупных узлов; пригодность для наружной и внутренней установки.

Недостатки: необходимость компрессорной установки; сложная конструкция ряда детелей и узлов; относительно высокая стоимость; трудность установки встроенных трансформаторов тока.

Электромагнитные выключатели - для гашения дуги не требуют ни масла, ни сжатого воздуха, что является большим преимуществом их перед другими типами выключателей. Выпускаются на напряжение 6 - 10 кВ, номинальный ток до 3600 А и ток отключения до 40 кА.

Дуга перемещается в дугогасящую камеру за счет магнитного поля созданного электромагнитом.

Достоинства: полная взрыво- и пожаробезопасность; малый износ дугогасительных контактов; пригодность для работы в условиях частых включении и отключений; относительно высокая отключающая способность.

Недоастаки: сложность конструкции дугогасительной камеры с системой магнитного дутья; ограниченный верхний предел номинального напряжения (15 - 20 кВ); ограниченная пригодность для наружной установки.

Вакуумные выключатели - электрическая прочность вакуумного ромежутка во много раз больше, чем воздушного при атмосферном давлении, это свойство используется в вакуумных дугогасительных камерах. Эти выключатели имеют ряд отличий: рабочии контакты имеют вид усеченных конусов с радиальными прорезями, создающими радиальное электродинамическое усилие; материал контактов подобран так, чтобы уменьшить количество испаряющегося металла.

Достоинства: простота конструкции; высокая степень надежности; высокая коммутационная износостойкость; малые размеры; пожаро- и взрывобезопасность; отсутствие шума при операциях; отсутствие загрязнения окружающей среды; малые эксплуатационные расходы.

Недостатки: сравнительно небольшие номинальные токи и токи отключения; возможность коммутационных перенапряжений при отключении малых индуктивных токов.

Автогазовые выключатели - длдя гашения дуги используется газ, выделяющийся изтвердого газогенерирующего материала дугогасительной камеры.

Достоинства: отсутствие масла; небольшая масса.

Недостатки: быстрый износ твердого дугогасителя; относительно большой износ контактов.

Элегазовые выключатели - используются высокие дугогасящие свойства элегаза. Для успешного отключения тока в этих выключателях предусмотренно устройство вращения дуги в элегазе.В подвижные и неподвижные контакты встроенны постоянные магниты из феррита, которые создают магнитные поля направленные встречно.

Достоинства: пожаро- и взрывобезопасность; быстрота действия; высокая отключающая способность; малый износ дугогасительных контактов; возможность создания серии сунифицированными узлами; пригодность для наружной и внутренней установки.

Недостатки: необходимость специальных устройств для наполнения, очистки и перекачки элегаза, относительно высокая стоимость элегаза.

Синхронизированные выключатели - выключатели, контакты которого размыкаются в строго определенный момент времени с опережением момента перехода отключаемого тока через нуль. Гашение дуги значительно облегчается, так как количество энергии, выделяющейся в дуге, намного уменьшается.

Преимущества: повышение динамической устойчивости работы систем при КЗ, так как отключение обеспечивается до первого перехода тока через нуль; увеличение срока службы контактов выключателя, так как им не приходиться отключать бодьших токов; большую отключающую способность.

Создание синхронизированных выключателей связано со многими техническими трудностями.

Выбор выключателей

Параметры выключателей характеризует ГОСТ 687 - 78Е. При выборе необходимо учесть 12 различных параметров, но, так как заводами-изготовителями гарантируется определенная зависимость параметров, например

допустимо производить выбор по важнейшим параметрам:

по напряжению установки U_уст U_ном;

по длительному току I_норм I_ном; I_max I_ном;

по отключающей способности.

Проверка на симметричный ток отключения по условию I_п, I_{откл,ном}.

Проверяется возможность отключения апериодической составляющей тока КЗ

i_a, i_a,ном = _нI_ном /100,

где: i_a,ном - номинально допускаемое значение апериодической состовляющей в отключаемом токе для времени ; _н - нормированное значение содержания апериодической составляющей в отключаемом токе,%; i_a, - апериодическая составляющая тока КЗ в момент расхождения контактов ;  - наименьшее время от начала КЗ до момента расхождения контактов:

 = t_з,min + t_с,в;

где t_з,min =0,01с - минимальное время действия релейной защиты; t_с,в - собственное время отключения выключателя.

Если условие I_п, I_{откл,ном.} соблюдается, а i_a, > i_a,ном , то допускается проверку по отключающей способности проводить по полному току КЗ:

По включающей способности проверка производиться по условию:

i_у i_вкл ; I_п,0 I_вкл ,

где i_у - ударный ток КЗ в цепи выключателя; I_п,0 - начальное значение периодической составляющей тока КЗ в цепи выключателя; I_вкл. - номинальный ток включения (действкющие значение периодической составляющей); i_вкл. - наибольший пик тока включения (по каталогу). Заводами-изготовителями соблюдается условие i_вкл.=1,8 I_вкл., где к_у= 1,8 - ударный коэффицент, нормированный для выключателей. Проверка по двум условиям необходима потому, что для конкретной системы к_у может быть более 1,8.

На электродинамическую стойкость выключатель проверяется по предельным сквозным токам КЗ:

I_п,0 I_дин. ; i_у i_дин ,

где i_дин - наибольший пик (ток электродинамической стойкости) по каталогу; I_дин - действующее значение периодической составляющей предельного сквозного тока КЗ. Проверка по двум условиям производиться по тем же соображениям, которые указаны выше.

На термическую стойкость выключатель проверяется по тепловому импульсу тока КЗ:

B_к I²_тер t_тер ,

где В_к - тепловой импульс тока КЗ по расчету; I_тер - среднеквадратичное значение тока за время его протекания (ток термической стойкости) по каталогу; i_тер - длительность протекания тока термической стойкости по каталогу, с.

Проверка выключателей по параметрам востанавливающегося напряжения на контактах выключателя в учебном проектировании обычно не проводиться, так как в большенстве энергосистем реальные условия востановления напряжения соотвеоствуют условиям испытания выключателя. Методы расчета кривой переходного процесса востанавливающегося напряжения (ПВН) изложены в [4] и [5], согласно ГОСТ 687 - 78Е эта кривая не должна пересекаться с нормированными.