4. Элегазовые выключатели высокого напряжения

4.1. Номинальные параметры элегазовых выключателей высокого напряжения

Элегазовые выключатели (ВЭ), в которых используется элегаз (SF₆) как изоляционная и дугогасительная среда, получают все более широкое распространение, так как имеют высокие показатели коммутационного и механического ресурсов, отключающей способности, компактности и надежности по сравнению с воздушными, масляными и маломасляными ВВ.

Область применения ВЭ распространяется на номинальные напряжения от 6-10 кВ до 1150 кВ с токами отключения до 63 кА, и в отдельных случаях до 80 кА. Все более широкое распространение получают генераторные элегазовые выключатели 24 (27) кВ с номинальными токами до 5-24 кА и номинальным током отключения от 63 до 200 кА.

Успехи в разработках ВЭ непосредственно оказали значительное влияние на внедрение в эксплуатацию компактных ОРУ, ЗРУ и элегазовых КРУЭ. В ВЭ применяются различные способы гашения дуги в зависимости от номинального напряжения, номинального тока отключения и характеристик энергосистемы (или отдельной электроустановки). В ДУ, в отличие от воздушных ДУ, при гашении дуги истечение газа через сопло происходит не в атмосферу, а в замкнутый объем камеры, заполненный элегазом при относительно небольшом избыточном давлении. По способу гашения электрической дуги при отключении различают следующие ВЭ:

1. Автокомпрессионный ВЭ, где необходимый массовый расход элегаза через сопла компрессионного ДУ создается по ходу подвижной системы выключателя (автокомпрессионный ВЭ с одной ступенью давления).

2. ВЭ с электромагнитным дутьем, в котором гашение дуги в ДУ обеспечивается вращением ее по кольцевым контактам под действием магнитного поля, создаваемого отключаемым током.

3. ВЭ с камерами высокого и низкого давления, в котором принцип обеспечения газового дутья через сопла в ДУ аналогичен воздушным ДУ ВВ (ВЭ с двумя ступенями давления).

4. Автогенерирующий ВЭ, где необходимый массовый расход дугогасящей среды через сопла ДУ создается за счет разогрева элегаза дугой отключения, дополнительного массового расхода среды за счет генерации изоляционных стенок, что обеспечивает повышение давления среды в специальной камере (автогенерирующий ВЭ с одной ступенью давления).

Рассмотрим некоторые типичные конструкции ВЭ. На рис. 4.1 приведена принципиальная схема автокомпрессионного ВЭ на номинальные параметры U_ном = 8-24 кВ, I_ном = 0,6-3 кА, I_о.ном = 25-60кА, р_ном = 0,2-0,65 МПа, время отключения 0,06-0,1 с [3]. Гарантированное количество операций ВО без ревизии 10 000. Каждый полюс ВЭ (см. рис. 4.1) представляет собой герметичный корпус 2 из синтетической смолы, внутри которого имеется главный токоведущий контур 5, образуемый верхним 20 и нижним 19 вводами, а также разъединителем рубящего типа. Параллельно главному токоведущему контуру расположен дугогасительный контур с неподвижным контактом 4 и подвижным контактом 7. Газовое дутье из-под двигающегося поршня 8 через изоляционное сопло 6 создается благодаря перемещению поршня 8 в неподвижном цилиндре и сжатию элегаза в полости К.

Рис. 4.1. Автокомпрессионный элегазовый выключатель на средние классы напряжения

Подвижная система выключателя приводится в действие пружинным приводом (на рис. 4.1 не показан) через рычаг 13, изоляционную тягу 12 и направляющую 10. Последняя жестко соединена с поршнем 8 и ножом разъединителя. Вал 16 (15) вводится в корпус 2 через уплотнение 14. Корпус 2 сверху и снизу закрывается крышками 1 и 17, которые приклеиваются к корпусу специальным клеем, т. е. образуется неразборная герметичная конструкция. Камера крепится к металлической арматуре ЗРУ посредством соединений 3 и 11. В камере имеется адсорбент 18, поглощающий влагу и газообразные продукты разложения элегаза, образующиеся под действием дуги.

Во включенном положении направляющая 10 поднята вверх, дугогасительные контакты замкнуты (нижний контакт 7 взводит пружину 9), а главная цепь замкнута ножом разъединителя. При отключении направляющая 10 движется вниз и обеспечивает размыкание разъединителя и далее дугогасительных контактов. Возникающая между ними дуга обдувается потоком элегаза и гаснет при переходе тока через нуль.

К преимуществам ВЭ на средние классы напряжения (по сравнению с вакуумными ВВ) относятся: простая конструкция и менее жесткие требования к регулировке работы ЭВ при эксплуатации (регулировка системы «дугогасительное устройство – привод»); высокая надежность аппарата при вибрации, протекании больших номинальных токов, сквозных токов короткого замыкания; наличие главных и дугогасительных контактных систем (отсутствие торцевого контактирования); компактность, надежность и т. д.

Высокие номинальные параметры ВЭ 6-10-35 кВ, номинальные токи 600-4000 А, номинальные токи отключения 25-50 кА, например, выключателей фирмы «АББ» серии HD4/C12, HD4/C17(HD4/C36) [3] (см. Приложение 7, табл. П7.1), открывают возможности широкого применения данного вида коммутационного оборудования.

Элегазовые выключатели 110 кВ и выше на один разрыв имеют следующие номинальные параметры: U_ном = 110-330 кВ, I_ном = 1-8 кА, I_{о. ном} = 25-63 кА, давление элегаза р_ном = 0,45-0,7 МПа (абс.), время отключения 2-3 периода тока КЗ. Интенсивные исследования и испытания отечественных и зарубежных фирм позволили разработать и внедрить в эксплуатацию ВЭ с одним разрывом на U_ном = 330-550 кВ при I_{о. ном} = 40-50 кА и времени отключения тока, равным одному периоду тока КЗ.

Типичная конструкция автокомпрессионного ВЭ приведена на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Типичная конструкция автокомпрессионного ВЭ

Аппарат находится в отключенном положении, и контакты 5 и 3 разомкнуты.

Токоподвод к неподвижному контакту 3 осуществляется через фланец 2, а к подвижному контакту 5 через фланец 9. В верхней крышке 1 монтируется камера с адсорбентом. Опорная изоляционная конструкция ВЭ закреплена на подножнике 11.

При включении ВЭ срабатывает пневмопривод 13, шток 12 которого соединен через изоляционную тягу 10 и стальной стержень 8 с подвижным контактом 5. Последний жестко связан с фторопластовым соплом 4 и подвижным цилиндром 6. Вся подвижная система ВЭ (элементы 12-10-8-6-5) движется вверх относительно неподвижного поршня 7, и полость К дугогасительной системы ВЭ увеличивается.

При отключении ВЭ шток 12 приводного силового механизма тянет подвижную систему вниз, и в полости К создается повышенное давление по сравнению с давлением в камере выключателя (см. рис. 4.2). Такая автокомпрессия элегаза обеспечивает истечение газовой среды через сопло, интенсивное охлаждение электрической дуги, возникающей между контактами 3 и 5 при отключении. Указатель положения 14 дает возможность визуального контроля исходного положения контактной системы ВЭ. В ряде конструкций автокомпрессионных ВЭ используются пружинные, гидравлические силовые приводные механизмы, а истечение элегаза через сопла в дугогасительной камере осуществляется по принципу двухстороннего дутья.

На рис. 4.3 приведен баковый ВЭ типа ВГБУ 220 кВ (I_ном = 2500 А, I_{о. ном} = 40 кА) ОАО «НИИВА» с автономным гидравлическим приводом 5 и встроенными трансформаторами тока 2 [7]. ВЭ имеет трехфазное управление (один привод на три фазы) и снабжен фарфоровыми (полимерными) покрышками 1 вводов «воздух–элегаз». В газонаполненном баке 3 находится ДУ, которое соединено с гидроприводом 5 через передаточный механизм, размещенный в газонаполненной камере 4. Конструкция бакового ВЭ закреплена на металлической раме 6. Для заполнения элегазом ВЭ используется разъем 7. При установке ВЭ в ОРУ обычно давление элегаза в камерах ВЭ равно одной атм. (абс.), и далее необходимо обеспечить р = р_ном. Номинальные характеристики отечественных баковых ВЭ для ОРУ приведены в Приложении 7 (см. табл. П.7.2).

Рис. 4.3. Баковой ВЭ типа ВГБУ 220 кВ

Преимуществами баковых ВЭ со встроенными трансформаторами тока перед комплектами «колонковый ВЭ плюс отдельно стоящий трансформатор тока» являются: повышенная сейсмостойкость, меньшая площадь отчуждаемой территории подстанции, меньший объем требуемых фундаментных работ при строительстве подстанций, повышенная безопасность персонала подстанции (ДУ расположены в заземленных металлических резервуарах), возможность применения подогрева элегаза при использовании в районах с холодным климатом. В конструкциях баковых ВЭ 220 кВ и выше для ОРУ необходимо повышение номинального давления элегаза (р_ном > 4,5 атм (абс.), поэтому вводят подогрев газовой среды с целью предотвращения сжижения элегаза при низких значениях температуры окружающей среды или используют смеси элегаза с азотом или тетрафторметаном.

Как показывает практика, для номинального напряжения 330-500 кВ баковые ЭВ с одним разрывом на номинальные токи 40-63 кА — наиболее перспективный вид коммутационного оборудования для ОРУ и КРУЭ [7].

На рис. 4.4 изображен разрез ДУ одного полуполюса ВГБ-750-50/4000 У1 с предвключаемыми резисторами (для ограничения коммутационных перенапряжений). Подвижный контакт этих резисторов механически связан с подвижной системой ВЭ [7].

Рис. 4.4. ДУ полуполюса ВГБ-750

Во включенном положении ВЭ резисторы зашунтированы главными контактами. При отключении первыми размыкаются контакты резисторов, далее — главные, затем — дугогасительные контакты. При включении первыми замыкаются контакты резисторов, а затем — дугогасительные и главные контакты. Для выравнивания распределения напряжения каждый разрыв шунтирован конденсатором.

Рис. 4.5. Колонковый ВЭ типа ВГП 110 кВ

Распространение получили колонковые ВЭ с одним разрывом на номинальное напряжение 110-220 кВ с номинальным током отключения 40-50 кА. Типичная конструкция колонкового ВЭ типа ВГП 110 кВ (I_ном = 2500 А, I_{о. ном} = 40 кА) с пружинным приводом ОАО «Электроаппарат» приведена на рис. 4.5.

Элегазовые генераторные выключатели. Генераторные ВВ (ВГ), которые устанавливаются между генератором и стороной низкого напряжения повышающего трансформатора, осуществляют следующие функции: включение и отключение генератора с рабочими токами; отключение ненагруженного трансформатора; отключение генератора в режиме синхронного двигателя (т. е. обеспечивают процессы пуска и останова агрегатов); отключение токов КЗ в генераторе, трансформаторе и в цепях генераторного напряжения; включение на токи КЗ и отключение; включение в условиях противофазы; отключение в условиях рассогласования фаз при ошибочной синхронизации или при выходе генератора из синхронизма.

ВГ наиболее ответственный и дорогостоящий аппарат в современных элегазовых аппаратно-генераторных комплексах, в которых кроме ВГ имеются элегазовые разъединитель, заземлитель, короткозамыкатель, а также трансформаторы тока и напряжения, защитные конденсаторы, нелинейные ограничители перенапряжений.

В последние годы все больший интерес вызывают ВГ с номинальными токами более 14 000 А и номинальными токами отключения более 160 кА. Это обусловлено ростом единичных мощностей генераторов, внедрением сетей с номинальным напряжением 500–750–1150 кВ, развитием атомных электростанций, где необходима высокая надежность системы собственных нужд реактора, развитием гидроаккумулирующих станций, характеризуемых частой сменой генераторно-турбинного и насосно-двигательного режимов работы, что выдвигает дополнительные требования к ВГ по механическому и коммутационному ресурсу.

Требования к номинальному току и номинальному току отключения ВГ зависят от того, в каких генераторных цепях он установлен, и какие оперативные и защитные функции он должен выполнять.

Анализ функционирования ВГ показывает, что ВГ должны иметь повышенную динамическую и термическую стойкость. Так коэффициенты динамической стойкости ВГ должны превышать стандартное значение К_д = 2,5 в 1,05–3 раза для обеспечения динамической стойкости ВГ к токам КЗ от системы [3]. Для ВГ имеются более жесткие требования к ПВН при отключении КЗ по сравнению с другими ВВ на средние классы напряжения: скорость ПВН составляет 3,5 кВ/мкс для ВГ с U_ном = 6–10 кВ, I_{о. ном} = 50–80 кА, и она увеличивается до 5,5 кВ/мкс для ВГ с U_ном = 24 кВ, I_{о. ном} = 160–200 кА, с нормированным временем задержки t_d = 1 мкс; имеется требования к коммутационной способности ВГ в условиях рассогласования фаз, а нормированный ток отключения КЗ в этом режиме составляет 0,5 I_{о. ном} [3].

Наибольшее распространение получили элегазовые ВГ с одной ступенью давления. На рис. 4.6 приведен элегазовый ВГ с одной ступенью давления фирмы «АББ» типа HGI3 (U_ном = 17 кВ, I_о. ном = 65 кА, I_ном = 8000 А): номинальное давление (давление заполнения при температуре 20 ^оС) составляет р_ном = 0,62 МПа (абс.), полное время отключения 48 мс, время горения дуги отключения 20 мс, коммутационный ресурс для 100 % I_{о. ном} — 5 циклов ВО, для I_ном = 8000 А - 1250 ВО, механический ресурс - 10 000 циклов ВО [3]. Здесь 1 — дугогасительная камера ВГ, 2 — рама ВГ, 3 — клапан наполнительный, 4 — манометр, 5 — гидропривод ВГ, 6 — посеребренные пластины выводов ВГ, Р = 450–1200 мм — межфазное расстояние (в зависимости от межфазного расстояния соединительных шин).

Рис. 4.6. Элегазовый ВГ типа HGI3 с одной ступенью давления

Некоторые номинальные параметры других элегазовых ВГ фирмы «АББ» (НЕК/НЕI) [3] с одной ступенью давления приведены в Приложении 7 (см. табл. П.7.3).

В последних модификациях ВГ типа НЕС 7/8 фирмы «АББ» номинальные токи увеличены до 24 000 А (естественное охлаждение), до 38 000 А (принудительное воздушное охлаждение) с номинальным током отключения 200 кА.