Таблица 4 – Данные измерительных приборов, измерений и расчетные

Назначение	Схема включения счетчика	Вид нагрузки, № опыта	Данные измерительных приборов и трансформаторов
					,	,Вт
Измерение реактивной энергии	Схема Рис. 2 Схема Рис. 2	Опыт №1 Симметричная нагрузка Опыт №1 Несимметричная нагрузка
	Схема Рис. 4	Опыт №2 Симметричная нагрузка

81

Лабораторная работа №1 "Исследование малообъемного масляного выключателя"

1. Цель работы:

1. Ознакомиться с видами высоковольтных выключателей, конструктивными особенностями, способами гашения электрической дуги.

1.2 Исследовать малообъемный масляный выключатель типа ВМГ-10: конструктивная схема, технические характеристики.

2. Указания по подготовке к лабораторной работе

2.1 Ознакомиться с графиком выполнения лабораторной работы и сдачи отчета.

2.2 Изучить необходимый теоретический материал (см. список рекомендуемой литературы и раздел 3 данного методического руководства). Подготовить таблицу для записи результатов измерения величины переходного сопротивления контактов выключателя и хода подвижной системы выключателя для каждой фазы.

3. Основные теоретические положения

3.1. Общие сведения о выключателях

Выключатель – это коммутационный аппарат автоматического действия, предназначенный для включения и отключения цепи тока. Основные требования, предъявляемые к выключателю:

- надежное отключение любых токов: номинальных, рабочих, аварийных, индуктивных токов ненагруженных трансформаторов, емкостных токов, токов холостых линий электропередач;

- высокое быстродействие, пригодность для быстродействующего повторного включения (АПВ).

4

быстродействующего повторного включения (АПВ).

Кроме того, выключатель должен длительно работать при номинальном токе и напряжении, а также выдерживать кратковременные термические и динамические воздействия сквозных токов короткого замыкания, быть взрыво- и пожаробезопасным.

Конструкция выключателя должна обеспечивать удобство транспортировки и эксплуатации, легкость ревизии и осмотра контактов. Желательно, чтобы размеры выключателя были по возможности невелики, что способствует уменьшению площади, занимаемой распределительным устройством.

Выключатели, удовлетворяющие перечисленным выше требованиям, принято называть силовыми выключателями в отличие от выключателей нагрузки, предназначенных для отключения цепей только в нормальных режимах, но не при коротких замыканиях.

При отключении выключателей электрической цепи со значительными токами между размыкающимися контактами выключателя загорается дуга. Без применения специальных мер она может гореть продолжительное время, что вызывает негативные последствия в коммутируемых цепях и повреждение самого выключателя (оплавление контактов, разрушение дугогасительных камер и т.д.). Поэтому при конструировании выключателей применяют различные способы и устройства для быстрого гашения дуги.

В выключателях переменного тока дуга гаснет при переходе тока через нуль. Повторное зажигание дуги будет происходить, если напряжение на контактах (называемое "восстанавливающимся") будет превышать напряжение зажигания. В свою очередь, напряжение зажигания определяется остаточной степенью ионизации промежутка и зависит от скорости деионизации в бестоковую паузу.

5

Таблица 3 – Формулы для вычисления показаний ваттметров при поверке счетчиков реактивной энергии.

Назначение счетчиков	Вид поверяемых счетчиков	Показания ваттметров в делениях шкалы, при:
Измерение реактивной энергии	Трехфазный двухэлементный с 60-градусным сдвигом
	Трехфазный двухэлементный с подразделенными обмотками

80

Методы гашения дуги, применяемые в выключателях, направлены на повышение скорости нарастания электрической прочности промежутка в бестоковой паузе. Большинство из методов базируется на увеличении теплоотдачи от столба дуги, т.е. на снижении температуры дуги и повышении скорости деионизационных процессов. К таким методам в первую очередь относятся методы, направленные на увеличение длины дуги. При этом, однако, повышается напряжение горения и выделяющаяся в дуге энергия. Поэтому чрезмерный рост длины дуги может вызвать обратный эффект. Для компенсации этого явления часто используется несколько разрывов на полюс. Требуемая длина дуги в простейших выключателях может обеспечиваться ходом траверсы с контактами.

Гашение дуги в выключателях происходит наиболее эффективно при применении специальных дугогасительных камер, которые ограничивают зону дуги, способствуют повышению давления в этой зоне и образованию дутья сквозь дуговой столб. При этом применяются различные способы создания дутья:

- электромагнитное дутье, которое возникает при взаимодействии тока дуги с другими токами;

- магнитное дутье, возникающее при взаимодействии тока дуги с магнитным полем;

- механическое дутье – за счет продувки камеры газами.

Кроме увеличения длины дуги дутье создает условия для усиленной диффузии ионов из разрядного промежутка и интенсивного охлаждения дуги за счет ее контакта со стенками дугогасительной камеры.

Ускорению процессов гашения дуги способствует выбор среды, в которой она горит. Охарактеризуем кратко различные среды, используемые в силовых выключателях:

- сжатый воздух с давлением 2-4 МПа (воздушные выключатели). Увеличение давления вызывает рост электрической прочности воздуха, что способствует ускорению гашения дуги;

6

Таблица 2 – Значение коэффициента пересчета показаний счетчика при различных схемах включения в трехфазную сеть.

ЗНАЧЕНИЯ СЧЕТЧИКА	ТИП И СПОСОБ ВКЛЮЧЕНИЯ СЧЕТЧИКА	КПСЧ
ИЗМЕРЕНИЕ РЕАКТИВНОЙ ЭНЕРГИИ	Трехфазный 2-х элементный счетчик реактивной энергии с подразделенными последовательными обмотками, включенный на разность токов двух фаз и «замененное» линейное напряжение (рис. 1)	1
	Трехфазный двухэлементный счетчик реактивной энергии с 60-градусным сдвигом фаз магнитных потоков, включенный в фазный ток и «замененное» линейное напряжение (рис.2).	1
	Трехфазный двухэлементный счетчик реактивной энергии, включенный на фазный ток и «замененное» линейное напряжение (рис.3).
	Три однофазных счетчика активной энергии, включенные на фазные токи и «замененное» линейное напряжение (рис. 4).

79

Таблица 1 – Показания приборов (амперметров и вольтметров) при проведении измерений.	Показания приборов с учетом KTT и KTH		UCA, В
			UBC, В
			UAB, В
			IC, А
			IB, А
			IA, А
	KTH
	KTT
	Показания приборов	UCA, В
		UBC, В
		UAB, В
		IC, А
		IB, А
		IA, А
	Вид нагрузки			Реактивная симметричная Реактивная несимметричная (схема, рис. 2)	Реактивная симметричная (схема, рис.4)
				№1	№2

78

- низкое давление воздуха (вакуум Па; вакуумные выключатели). В этом случае, при прохождении тока через нуль из-за больших длин свободного пробега молекул ионизирующих столкновений не происходит и восстановление электрической прочности разрядного промежутка идет очень быстро;

- элегаз (шестифтористая сера ; элегазовые выключатели). Это инертный газ с электрической прочностью в 2-3 раза выше прочности воздуха;

- жидкая среда-масло, генерирующая газы при горении дуги (масляные выключатели). При испарении 1 г масла образуется около 1500 см³ газа, который состоит из паров масла (до 50% по объему), водорода и углеводородов различного состава. Водород обладает большой теплопроводностью, а следовательно, высокой охлаждающей способностью и высокой электрической прочностью. Кроме того, успешному гашению дуги способствует высокое давление (до ), создающееся в газовом пузыре.

3.2. Краткая характеристика различных видов выключателей.

Воздушные выключатели получили распространение в установках напряжением свыше 220 кВ.

Используются они и в установках более низких напряжений, если подстанции оборудованы установками сжатого воздуха для РУ – 220 кВ и выше.

Принцип действия дугогасительного устройства ВВ заключается в том, что дуга, образующаяся между контактами, подвергается интенсивному охлаждению потоком сжатого воздуха, вытекающего в атмосферу. Используется камеры с продольным дутьем (рисунок 1.1 а) и поперечным дутьем (рисунок 1.1 б).

7

Рисунок 1 – Схемы дугогасительных устройств с воздушным дутьем

1 – контакты, 2 – изоляционный корпус, 3 – дуга, 4 – сопло

Камеры продольного дутья имеют преимущественное распространение во всем диапазоне напряжений от 6 до 750 кВ, на которые строятся выключатели, так как они позволяют создать аппарат, отвечающий всем требованиям по номинальной мощности выключения, номинальному току и быстродействию.

Камера представляет собой сопло (4), при выключенном положении закрываемое подвижным контактом с наконечником (1). При отключении подвижный контакт отходит, в камеру подается сжатый воздух, который выбрасывается через сопло и выдувает дугу (3) наружу. Восстановление электрической прочности дугового промежутка протекает со скоростью , и наступает через 10-15 мкс после момента нулевого значения тока.

Камеры поперечного дутья из-за более громоздкой конструкции и больших габаритов применяются ограниченно, только в выключателях 6-20 кВ. При использовании такой камеры наблюдается быстрый рост мощности отключения ВВ при росте давления подаваемого воздуха. Вместе с этим увеличивается и расход воздуха.

Воздушные выключатели имеют следующие достоинства: взрыво- и пожаробезопасность, высокое быстродействие и возможность осуществления быстродействующего АПВ, высокую отключающую способность, малый износ дугогасительных контактов, легкий доступ к дугогасительным контактам, пригодность для наружной и внутренней установки.

8

Рисунок 5. - Принципиальная схема включения двух и одного ваттметров для измерения реактивной мощности в трехфазной трехпроводной сети низкого напряжения:

а) схема двух ваттметров с искусственной нулевой точкой;

б), в), г) - схемы с одним ваттметром.

77

Недостатками воздушных выключателей являются – необходимость компрессорной установки, сложная конструкция ряда деталей и узлов, относительно высокая стоимость, трудность установки встроенных трансформаторов тока.

Элегазовые выключатели. В целях дальнейшего увеличения отключающей способности выключателей и уменьшения их размеров вместо сжатого воздуха в выключателях применяют элегаз (электрический газ). Плотность элегаза превышает плотность воздуха в 5 раз, а электрическая прочность элегаза в 2-3 раза выше прочности воздуха. При давлении 0,2 МПа электрическая прочность элегаза сравнивается с прочностью масла. В элегазе может быть погашена дуга с током в 100 раз превышающем ток, отключаемый в воздухе при тех же условиях.

Наиболее эффективно использование элегаза в случае омывания горящей дуги его струей. Конструкция выключателя представляет собой бак, в котором размещено дугогасительное устройство. Разрез гасительного устройства элегазового выключателя показан на рисунке 2.

Рисунок 2 – Принципиальная схема дугогасительного устройства элегазового выключателя с автоматическим дутьем

Контакт 1 и поршень 6 камеры остаются неподвижны. Сопло 3, цилиндр 5, перегородка 4 и контакт 2 при отключении перемещаются вправо, при включении – влево. При отключении выключателя между неподвижным и подвижным контактами загорается дуга. Через сопло, изготовленное из фторопласта (дугостойкого изоляционного материала) поток элегаза продольно омывает дугу и гасит ее: чем дальше подвижные элементы уходят вправо, тем сильнее сжимается газ между перегородкой и поршнем, тем более мощный поток воздействует на дугу.

9

Рисунок 4. - Принципиальная схема и векторная диаграмма 3-х однофазных счетчиков активной энергии для учета реактивной энергии в 3-х фазной 3-х проводной сети низкого напряжения.

76

Достоинства элегазовых выключателей: пожаро- и взрывобезопасность, быстродействие, высокая отключающая способность, малый износ дугогасительных контактов, возможность создания серий с унифицированными узлами, пригодность для наружной и внутренней установки.

Недостатки: необходимость специальных устройств для наполнения, перекатки и очистки , относительно высокая стоимость . Следует отметить, что продукты распада элегаза под действием дуги ядовиты. Поэтому вскрытие бака и выемка гасительного устройства производится в противогазах.

Вакуумные выключатели. Электрическая прочность вакуумного промежутка во много раз больше, чем воздушного промежутка при атмосферном давлении. Вакуумные выключатели обеспечивают быстрое гашение дуги и имеют высокое быстродействие . Отсутствие дугогасящей среды значительно упрощает конструкцию выключателя, обеспечивает высокую надежность при эксплуатации в широком диапазоне температур , полную пожаро- и взрывобезопасность, отсутствие загрязнения окружающей среды.

Устройство вакуумной дугогасительной камеры приведено в [1], стр. 328 – 331; [2], стр.169 – 170. Технические характеристики выключателей – [ ].

Следует отметить, что вакуумные выключатели в последние годы почти повсеместно замещают ранее используемые малообъемные масляные выключатели в установках 6 – 10 кВ. идет широкое их внедрение и в установки 35 – 110 кВ.

Электромагнитные выключатели для гашения дуги не требуют никакой дополнительной среды, что является большим преимуществом их перед другими типами выключателей. Область применения электромагнитных выключателей ограничивается напряжением 6-15 кВ; выключатели предназначены для работы в закрытых помещениях.

10

Рисунок 3. - Принципиальная схема включения и векторная диаграмма трехфазного двухэлементного счетчика активной энергии для учета реактивной энергии в симметричной 3-х-фазной 3-х проводной сети.

75

Рисунок 2. - Принципиальная схема и векторная диаграмма 3-х фазного двухэлементного счетчика с 60-градусным сдвигом фаз магнитных потоков для учета реактивной энергии в 3-х фазной 3-х проводной сети высокого напряжения.

74

Действие выключателя основано не на газовом дутье. Дуга, образующаяся на контактах, втягивается магнитным полем в дугогасительную камеру,т.е. используется принцип магнитного дутья. Катушку дугогасительного устройства располагают таким образом, чтобы ее магнитный поток был направлен перпендикулярно дуге и создавал условия для перемещения дуги в камеру. Последняя состоит из ряда керамических пластин, создающих узкие щели-каналы, по которым перемещается зигзагообразная дуга (см. [1] стр. 325 – 328, [2] стр. 168 – 169). Длина дуги при этом значительно увеличивается (до 1-2 м), а сечение дуги в узких щелях-контактах вынуждено уменьшаться. Дуга приходит в тесное соприкосновение с холодными поверхностями пластин, обладающих высокой теплопроводностью, что обуславливает ее эффективное охлаждение и уменьшение длительности существования дуги. Этому же способствует повышение давления в каналах и высокая скорость движения дуги в магнитном поле.

Достоинства электромагнитных выключателей: полная взрыво- и пожаробезопасность, малый износ дугогасительных контактов, пригодность для работы в условиях частых включений и отключений, относительно высокая отключающая способность.

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

Масляные выключатели делятся на две большие группы: баковые и маломасляные. В баковых масляных выключателях масло является изолирующей и газогенерирующей средой, в маломасляных служит только для целей дугогашения, а изолирование токоведущих частей от земли и между собой производится с помощью твердых диэлектриков.

Рассмотрим устройство маломасляного выключателя на примере исследуемого выключателя типа ВМГ-10. Такие выключатели выполняют с одним или двумя разрывами на фазу. Каждый разрыв помещен в отдельном небольшом баке (горшке), в котором размещено дугогасительное устройство, выполненное, как правило, на принципе поперечного дутья. Вследствие небольшого объема масла оно быстро загрязняется (после нескольких отключений) и поэтому не может использоваться в качестве диэлектрика.

11

Поэтому в отключенном положении выключателя конец подвижного контакта должен находиться выше уровня масла в баке, так чтобы образовавшийся воздушный промежуток обеспечивал необходимую электрическую прочность разрыва.

На рисунке 3 показан внешний вид (а) и поперечный разрез бака одной фазы (б) выключателя с одним разрывом на фазу типа ВМГ-10.

При отключении подвижный контакт движется вверх, выходит из неподвижного контакта, и между ними возникает дуга. Давление в нижней части камеры быстро нарастает. Обратный клапан перекрывает отверстие между цилиндром и резервуаром. Продолжая двигаться вверх, стержень открывает по очереди поперечные щели. Дуга, подвергаясь воздействию поперечного дутья, быстро гаснет.

Маломасляные выключатели получили широкое распространение в закрытых и открытых распределительных устройствах разных уровней напряжения в диапазоне от 6 кВ до 220 кВ. На более высокие напряжения чаще используются баковые выключатели.

Достоинствами маломасляных выключателей являются небольшое количество масла, относительно небольшая масса, более удобный, чем у баковых выключателей, доступ к дугогасительным контактам, возможность создания серии выключателей на разное напряжение с применением унифицированных узлов.

Недостатки маломасляных выключателей: взрыво- и пожароопасность, хотя и значительно меньшая, чем у баковых выключателей; относительно малая отключающая способность; сложность осуществления многократных АПВ и быстродействующего АПВ; неприспособленность для работы с частыми отключениями; большой объем эксплуатационных работ (периодический контроль, доливка, относительно частая замена масла в дугогасительных бачках и т.п.) ограничивают их применение менее ответственными узлами системы, где требования к выключателю облегчены.

12

Рисунок 1. - Принципиальная схема включения и векторная диаграмма 3-х фазного 2-х элементного счетчика с подразделенными последовательными обмотками для учета реактивной энергии в трехфазной трехпроводной сети высокого напряжения.

73