Воздушные выключатели - ­­­Электрическая часть электростанций

Воздушные выключатели принадлежат ко второй группе выключателей — газовых. В них для гашения дуги и деионизации дугового промежутка используется сжатый воздух, обдувающий дугу в продольном или поперечном направлении. Конструктивные схемы воздушных выключателей внутренней установки приведены на рис. 5-11, наружной установки — на рис. 5-12. На рис. 5-13 показаны варианты схем подачи сжатого воздуха к дугогасительным камерам. Принцип гашения дуги сжатым воздухом заключается в том, что межконтактный промежуток обдувается чистым сжатым воздухом, лишенным заряженных частиц. При этом дуга и ее опорные поверхности интенсивно охлаждаются, а ее сечение уменьшается. Рис. 5-11. Конструктивные схемы воздушных выключателей внутренней установки 6—20 кВ: а — с одним разрывом в камере продольного дутья; б — с двумя разрывами на полюс; в — с одним разрывом на полюс в камере поперечного дутья

Рис. 5-12. Конструктивные схемы воздушных, выключателей наружной установки 110 кВ: а — с двумя разрывами на полюс, с наружным отделителем; б — с двумя разрывами на полюс, с воздухонаполненным отделителем; в — с тремя разрывами на полюс, с горизонтальными дугогасительными камерами, без отделителя; г — с двумя разрывами на полюс, находящимися в постоянно наполненной сжатым воздухом камере большого объема, без отделителя Одновременно этот же поток воздуха выносит из межконтактного промежутка продукты горения дуги, представляющие собой хорошо проводящую среду. Место этих продуктов занимает теперь свежий неионизированный воздух, способный выдержать напряжение, восстанавливающееся на контактах выключателя. Назначение дутогасительной камеры заключается в быстром и полном замещении ионизированной среды свежим, обладающим высокой электрической прочностью воздухом. Существует два типа дугогасительных камер, получивших распространение на практике. В камерах первого типа поток сжатого воздуха параллелен стволу дуги. Это так называемая камера продольного дутья. В других — поток гасящего воздуха перпендикулярен оси ствола дуги. Их называют камерами поперечного дутья. На рис. 5-14, а показана схема камеры поперечного дутья, Рис. 5-13. Схемы подачи воздуха к дугогасительным камерам а на рис. 5-14, б, в, г и д — продольного дутья.

1 — резервуар; 2 — главный дутьевой клапан; 3 — изоляционная дутьевая труба; 4 — дугогасительная камера Камеры продольного дутья имеют преимущественное распространение во всем диапазоне напряжений от 3 до 750 кВ, на которые строятся выключатели, так как позволяют создать аппарат, отвечающий самым жестким требованиям по номинальной мощности отключения, номинальному току и быстродействию. Камеры поперечного дутья из-за громоздкости конструкции и больших габаритов применяются ограниченно, преимущественно в выключателях 6—20 кВ. Исключение составляют новейшие выключатели серий ВВБ и ВВД. Важным элементом дугогасительной камеры воздушного выключателя является сопло, сжатый воздух из которого в процессе отключения выбрасывается в дуговой промежуток со скоростью звука. Форма сопла обеспечивает поддержание на всем пути перед ним (в частности и в дуговом промежутке) необходимого давления сжатого воздуха. Сопла могут изготавливаться из металла или изоляционного материала, быть неподвижными или подвижными. Устройство контактной системы с изоляционными соплами показано на рис. 5-14, б. На рис. 5-14, гид показана система с соплообразными контактами. Применение соплообразных контактов ограничивается электрической прочностью промежутка между контактным стержнем и контактом-соплом. Отводить в процессе отключения сопло от стержня на очень большое расстояние нельзя, так как при этом эффект уплотнения воздуха перед соплом (которое необходимо для быстрого повышения электрической прочности) будет проявляться недостаточно. Наиблагоприятный для гашения дуги раствор контактов в таких конструкциях составляет всего 35—40 мм. Рис. 5-14, Схемы дугогасительных устройств с воздушным дутьем 1  —  контакты; 2   - Изоляционный корпус; 3 — дуга; 4 -  изоляционное сопло; 5 — металлическое сопло-контакт При этом достигается максимальная возможная отключающая способность выключателя. Так как это расстояние недостаточно, чтобы выдержать при атмосферном давлении приложенное к выключателю напряжение, изоляционное расстояние создается включенным последовательно с дугогасительными контактами и находящимся вне камеры специальным отделителем, нож которого начинает двигаться после погасания дуги. После размыкания отделителя подача сжатого воздуха в камеру прекращается и главные контакты смыкаются под действием пружины. Последующее включение выключателя производится ножом отделителя. С учетом неудовлетворительной работы открытых отделителей в условиях гололеда созданы выключатели, у которых контакты отделителя находятся внутри фарфоровой покрышки и размыкаются сжатым воздухом (см. рис. 5-12, б). В выключателях, не имеющих отделителя, включенного последовательно с контактным промежутком, раствор контактов увеличивается до необходимой изолирующей длины, а межконтактный промежуток заполняется сжатым воздухом. Отключающая способность воздушного выключателя ограничивается обратным подпором давления. Большие токи короткого замыкания дросселируют поток дутья, создавая за соплом противодавление из-за чрезмерного нагревания сжатого воздуха. При этом возникает «закупорка» сопла и дутье резко ухудшается. Число повторных зажиганий дуги зависит от того, будет ли противодавление, возникшее после первой полуволны тока, повышаться дальше. Хорошо рассчитанные и сконструированные выключатели гасят дугу уже после первой полуволны, самое позднее — после третьего перехода тока через нуль. Было предложено для ускорения повышения электрической прочности дугового промежутка добавлять в свежий воздух электроотрицательные газы, жадно поглощающие электроны (например, фтор и его соединения). Однако практического использования этого предложения не было. Условие отсутствия повторных зажиганий дуги в воздушном выключателе выражается неравенством [75] (5-1) Здесь р — давление воздуха; U — напряжение сети; /в — частота восстанавливающегося напряжения; А — постоянная, определяемая из опыта. Для предельного отключаемого тока; существует следующее эмпирическое выражение, подтвержденное теоретически: (5-2) где /пред — предельный ток, А; 5 — площадь поперечного сечения сопла, см²; /к — расстояние между контактами, см. Так же как и у масляных выключателей, повышение отключающей способности воздушных выключателей достигается увеличением числа разрывов дуги, которое достигает у выключателя 750 кВ, например, шестнадцати. Для выравнивания распределения напряжения между разрывами параллельно им подключают шунтирующие сопротивления, которые замедляют повышение восстанавливающегося напряжения и увеличивают тем самым отключающую способность выключателя. Поскольку воздушные выключатели не обладают свойством демпфирования восстанавливающегося напряжения, их разрывы шунтируются небольшими сопротивлениями (например, 2—3 кОм на разрыв). Такие сопротивления не только замедляют повышение восстанавливающегося напряжения, но и существенно снижают его пики. Ввиду больших остаточных токов в этом случае отделитель выключателя дополняется выключателем нагрузки. Для того чтобы при отключениях не возникали слишком большие перенапряжения, высокоомные уравнительные сопротивления (порядка сотен килоом) должны зависеть от напряжения (т. е. быть нелинейными). Такие сопротивления действуют только так же, как вентильные разрядники, но отключающую способность выключателя повышают умеренно. Поскольку внутренние поверхности колонок выключателя периодически сообщаются с наружным воздухом, необходимо осуществлять частую продувку изолирующих полостей сжатым сухим воздухом, чтобы избежать неприятных последствий конденсации влаги на этих поверхностях.

Для уменьшения шума при отключениях воздушных выключателей они снабжаются глушителями на выхлопной части. Конструкции глушителей весьма разнообразны, однако чаще всего встречаются многоступенчатые камеры с пористым заполнителем и расширителем в последней ступени. Уровень шума при отключении снижается на расстоянии 30 м от выключателя до 70—80 дБ (уровень шума в салоне автобуса, например, не ниже 80 дБ). Рис. 5-15. Конструктивные схемы выключателей сверхвысокого напряжения: а — опорный вариант с фарфоровой камерой; 6 — опорный вариант с металлической камерой Рис. 5-16. Подвесной вариант выключателя сверхвысокого напряжения Простым средством повышения отключающей способности воздушных выключателей и улучшения их эксплуатационных свойств является повышение давления воздуха, применяемое в последних конструкциях. Давление достигает в настоящее время в выключателях, выпускаемых в нашей стране, 4 МПа. Воздушные выключатели строятся на все напряжения от 3 до 750 кВ, на номинальные токи до 4 кА (генераторные выключатели до 20 кА) к на широкий диапазон мощности отключения от 300 MB. А (10 кВ) до 85 000 MB-А (750 кВ). Разработан опытный образец выключателя на 1150 кВ на номинальный ток 4 кА и номинальную мощность отключения 65 000 MB.А.

Основные преимущества и недостатки воздушных выключателей в сравнении с другими выключателями рассматриваются в § 7-2. На рис. 5-15 и  5-16 приведены конструктивные схемы выключателей сверхвысокого напряжения.

Параметр	ВВГ-20	ВНВ-500	ЗНВ-750	ВНВ-1150
Номинальные:
напряжение, кВ	20	500	750	1150
ток, кА	12,5; 20	4	2	4
мощность отключения, ГВ-А	5,6	57,5	86,0	65,5
Предельный сквозной ток (амплитуда), кА	300	102; 162	102; 162	—
Ток отключения, к А	160	63	63	СО сл
Полное время отключения, мс	170	40	40	50
Число дугогасительных разрывов	2	12	16	24

ВВБ-330	ВВБК-330	BBS-500	ВВБК-500	ВВБ-750	ВВЕК-750	ВВБ-1 200
330	330	500	500	750	750	1150
2; 3,2	3.2	2	3,2	3,2	3,2	4
20; 23,5	23,5	30	43,5	52,5	52,5	80
90; 102	102; 162	100	128	102	128	128
35; 40	40	35,5	50	40	40	40
80	40	80	40	60	40	40
8	4	12	8	16	8	—

 

Примечание. ВВБК — выключатель серии ВВБ на повышенные параметры в крупномодульном исполнении. весной вариант (рис. 5-16), в котором вместо опорных использованы изоляторы подвесного типа, является наиболее выгодным с точки зрения места, требуемого для установки его на подстанции. В табл. 5-1 приведены краткие технические характеристики новейших воздушных выключателей, выпускаемых в нашей стране. Дугогасящие камеры генераторного выключателя ВВГ-20 зашунтированы сопротивлениями, остаточный ток в которых после обрыва дуги в основных камерах гасится во вспомогательной дугогасящей камере, включенной последовательно с шунтирующими сопротивлениями. В глушитель вспомогательной камеры встроен вспомогательный дуговой промежуток, пробиваемый при отключении малых индуктивных токов. ВНВ — новая, полностью унифицированная серия воздухонаполненных воздушных выключателей модульной конструкции, имеющих много стандартных элементов. Для облегчения работы этого выключателя в условиях обмерзания контактов его отделитель помещается внутрь полого фарфорового изолятора, и таким образом контакты отделителя размыкаются в среде сжатого воздуха. Унификация всех элементов выключателя (гасительных камер, камер отделителей и т. п.) позволяет путем набора получить выключатели на все напряжения 110—750 кВ и мощности отключения до 86 ГВ.А. Во включенном положении контакты гасительной камеры и камеры отделителя удерживаются в замкнутом состоянии под действием своих спиральных пружин. Полости этих камер находятся при этом под атмосферным давлением, так как сообщаются с наружным воздухом. При отключении выключателя сжатый воздух из дутьевого клапана поступает в дугогасительную камеру, где разводит контакты и гасит дугу, и в пусковой клапан отделителя. Пусковой клапан открывает главный клапан отделителя, сжатый воздух заполняет камеру отделителя и разводит его контакты на необходимое изоляционное расстояние. После этого подача сжатого воздуха в гасительную камеру прекращается и контакты ее смыкаются.

Главный клапан отделителя остается открытым, и герметизированная камера отделителя будет находиться под давлением сжатого воздуха (2—4 МПа), так что его контакты будут удерживаться в разомкнутом состоянии. Ввиду того что сжатый воздух обладает высокой электрической прочностью, необходимый изоляционный промежуток между контактами отделителя может быть небольшим (60—80 мм). Для включения выключателя достаточно закрыть главный клапан отделителя и выпустить сжатый воздух из его камеры. При падении давления до атмосферного контакты отделителя под действием спиральных пружин смыкаются и производят включение выключателя. Выключатели серии ВВБ не имеют отделителей, а их дугогасительные камеры изготовляются из металла. Функции отделителей в них выполняются главными и вспомогательными контактами гасительных камер, которые после отключения выключателя остаются в разомкнутом положении. Это оказывается возможным благодаря тому, что после погасания дуги гасительная камера герметизируется и в ней сохраняется рабочее давление сжатого воздуха. Для включения выключателя воздух сбрасывается из гасительной камеры и главные и вспомогательные контакты замыкаются под действием спиральных пружин, производя включение. Конструкция выключателей серии ВВБ является наиболее прогрессивной и имеет следующие преимущества по сравнению с другими воздушными выключателями, производимыми в нашей стране, в том числе и воздухонаполненными выключателями:

фарфоровые элементы выключателя не нагружены давлением сжатого воздуха, что резко повышает надежность работы выключателя; увеличивается быстродействие выключателя за счет устранения времени наполнения длинных воздухопроводов большого сечения, по которым происходит заполнение камер сжатым воздухом; габариты и масса выключателя уменьшаются на 20—30 %, расход воздуха сокращается в два — два с половиной раза; благодаря шунтам выключатель может быть сделан нечувствительным к скорости восстанавливающегося напряжения. Элементы выключателей ВВБ также унифицированы и позволяют создать всю серию 110—750 кВ из этих элементов путем набора.