Выключатели переменного тока высокого напряжения
18.1 Общие сведения
Высоковольтный выключатель — коммутационный аппарат, предназначенный для оперативных переключений и аварийных коммутаций в энергосистемах, для выполнения операций включения и отключения отдельных цепей или электрооборудования при ручном или автоматическом управлении.
Высоковольтный выключатель состоит из: контактной системы с дугогасительным устройством, токоведущих частей, корпуса, изоляционной конструкции и приводного механизма (например, электромагнитный привод, ручной привод).
Выключатели с очень большим номинальным напряжением (6 — 1150 киловольт) и очень большим током отключения (до полусотни кило Ампер) используются на электрических подстанциях. Эти выключатели представляют собой довольно сложную конструкцию, управляемую электромагнитным приводом. В зависимости от среды, в которой производят гашение дуги, различают воздушные выключатели, в которых дуга гасится сжатым воздухом, масляные выключатели, в которых контакты помещаются в ёмкость с маслом, а дуга гасится парами масла, элегазовые выключатели, в которых используется электропрочный газ SF6- «элегаз», и вакуумные выключатели, в которых дугогашение происходит в вакууме — в так называемой вакуумной дугогасительной камере (ВДК). Защитная среда одновременно с дугогашением обеспечивает и диэлектрическую прочность промежутка между контактами в отключенном положении, от чего зависит и величина хода контактов. 18.2. Баковые масляные выключатели
Баковый масляный выключатель показан на рис. 18.1. В стальном баке 1 на маслонаполненных вводах 2 расположены дугогасительные устройства (камеры) 3. Маслонаполненный ввод (проходной изолятор) служит для проведения токоведущей цепи, находящейся под высоким напряжением, через металлическую стенку или другие преграды. Траверса 4 перемыкает выходные контакты 11 камер (рис. 18.2). Горячие ионизированные выхлопные газы, выходящие из камер, могут вызвать перекрытие с камер на бак. Для предотвращения этого явления имеется баковая изоляция 5 (рис. 18.1).
Перемещение траверсы 4 происходит под действием штанги 6, движущейся по направляющим 7 под действием пружин механизма и пружин камер 10 (рис. 18.2),
Рис. 18.1 Баковый масляный выключатель
Дугогасительное устройство бакового масляного выключателя
Рис. 18.2. Дугогасительное устройство
На выключателе установлены магнитопроводы 8 (рис. 18.1) со вторичными обмотками трансформаторов тока (в данном случае их четыре). Первичной обмоткой трансформаторов являются токоведущие стержни вводов 2. Для сохранения вязкости трансформаторного масла при низких температурах предусмотрен электрический подогрев масла устройством 9.
Дугогасительное устройство выключателя показано на рис. 18.2. В прочном стеклоэпоксидном цилиндре 1 расположены неподвижные контакты 2 и 3. Неподвижные контакты 2 я 3 выполнены в виде многоламельного торцевого контакта. Промежуточный контакт 4 сделан в виде сквозной розетки. Для уменьшения износа контакты облицованы металлокерамикой. Камера имеет два разрыва. Первый образуется между контактом 2 и промежуточным подвижным контактом 5, второй — между контактом 3 я контактом 6. Дугогасительная решетка 7 имеет два следующих друг за другом дутьевых канала 8, 9. Во включенном положении эти каналы перекрыты телом подвижных контактов 5 и 6. Вся внутренняя полость камеры заполнена трансформаторным маслом. При отключении контакты движутся вниз под действием пружины камеры 10. В каждом разрыве образуется дуга. По действием энергии дуги масло разлагается на водород, метан и другие газы. В течение сотой доли секунды давление возрастает до 5—8 МПа. Необходимо отметить, что в момент прохождения тока через нуль дуга гаснет и подвод мощности к ней прекращается. Однако энергия, выделенная дугой на протяжении предыдущего полупериода, создает в камере объем газа, в котором запасена определенная энергия. Этот газ находится под высоким давлением. К. моменту нуля тока это давление уменьшается, однако остается еще достаточно большим, чтобы создать газовый поток, охлаждающий дугу и восстанавливающий электрическую прочность дугового промежутка. После того как тело подвижного контакта откроет дутьевую щель 8, создается поток газов и паров масла, охлаждающих и деионизирующих дугу. Следует отметить, что энергия, необходимая для гашения, выделяется самой дугой. Поэтому чем больше ток, тем больше давление в камере и интенсивнее гашение дуги. При токах, близких к номинальному току отключения, длительность дуги не более 0,02 с. Наибольшая длительность горения дуги наблюдается при небольших индуктивных токах (500—2000 А). На рис. 18.2, показано сечение решетки, повернутое на 99° относительно оси. Процесс деионизации начинается в дутьевой щели 8. Для обеспечения надежной работы камеры во всем возможном диапазоне токов предусмотрена вторая дутьевая щель 9. Выравнивание распределения напряжения между камерами и облегчение отключения емкостных токов обеспечиваются шунтирующими резисторами 10 (рис. 18.1). Отключение шунтирующих резисторов производится двумя разрывами, образующимися между выходными контактами камер и траверсой. В настоящее время баковые выключатели выпускаются на напряжение 35—220кВ. Наибольшая мощность отключения 25 000 MB-А.
Обычно бак выключателя заполняется маслом примерно на 2/3 объема. При отключении газ, выбрасываемый из камеры, заставляет слои масла, лежащие над камерами, двигаться с большой скоростью вверх. Воздух, находящийся над маслом, может свободно выходить в атмосферу. Таким образом удается ограничить давление в баке. После отключения масло, двигаясь по инерции, ударяет в крышку выключателя. Этот удар может быть столь сильным, что деформируются крепления бака к фундаменту. Фундамент выключателя должен быть рассчитан на эти нагрузки.
В случаях повреждения механизма или камер выключателя образуется длительно горящая «стоячая» дуга, при этом давление в баке может подняться до опасной величины. Взрыв бака является тяжелой аварией, так как выливающееся из него масло может воспламениться и вызвать пожар в распределительном устройстве. Для предотвращения взрыва бака в его крышке расположены аварийные выхлопные трубы с калиброванными мембранами. При определенном давлении мембраны разрушаются и из выключателя выливается масло, благодаря чему давление в баке снижается до безопасных пределов.
На протяжении многих десятков лет конструкция баковых выключателей улучшалась в направлении уменьшения массы, объема, увеличения отключающей способности. Основными достоинствами этих выключателей являются высокая надежность, простота конструкции камер и механизма, высокая механическая прочность элементов (камер, бака, механизма, вводов), что позволяет использовать эти аппараты в самых тяжелых условиях эксплуатации (при низких температурах необходим подогрев масла для уменьшения его вязкости). По отечественной статистике надежность баковых выключателей выше надежности воздушных и маломасляных выключателей. Большим достоинством их является возможность использования встроенных трансформаторов тока и емкостных делителей напряжения. Простота конструкции не требует высокой квалификации обслуживающего персонала и сложного оборудования. При напряжениях до 220кВ баковые выключатели по номинальному току отключения не уступают воздушным.
К недостаткам выключателей следует отнести: большие габариты и масса, необходимость периодической очистки масла, что требует наличия специализированного масляного хозяйства; сложность и трудоемкость ремонта и ревизии выключателей с напряжением 110кВ и выше. Большим недостатком является взрыво- и пожароопасность баковых выключателей. В перспективе они будут заменяться маломасляными и элегазовыми.