Работа 10. Вакуумные, элегазовые, автогазовые и электромагнитные выключатели

Цель работы. Получить общее представление о назначении, принципах выполнения и области использования современных типов высоковольтных выключателей

Содержание работы

1. Изучить принцип действия и область применения основных типов выключателей.

2. Изучить достоинства и недостатки выключателей.

3. Ответить на контрольные вопросы.

Общие сведения

Вакуумные выключатели

Многие повреждения, особенно в воздушных сетях, являются по природе временными. Например, межфазное дуговое замыкание, вызванное ударом молнии или схлестыванием проводов из-за сильного ветра. В таких обстоятельствах целесообразным видится быстрое отключение аварийного участка для прекращения дугового разряда с последующим восстановлением питания аварийного участка, на котором причина возникновения замыкания к этому моменту, как правило, исчезает. Вся операция занимает доли секунды. Аппараты, предназначенные для таких целей, называют реклоузерами. Большинство современных промышленных реклоузеров являются вакуумными, поскольку они лучше всего соответствуют предъявленным требованиям к массогабаритным показателям, быстродействию и минимизации энергопотребления при выполнении операций. Предельные параметры вакуумных выключателей, достигнутые в серийном производстве, составляют по номинальному току 4000 А, по току отключения – 100 кА при 7,2 кВ и 31,5 кА при 35 кВ.

В вакуумных выключателях гашение дуги при коммутации электрической цепи осуществляется в вакуумной дугогасительной камере (ВДК), которая состоит из изоляционной цилиндрической оболочки, снабженной по концам металлическими фланцами, внутри которой помещаются подвижный и неподвижный контакты и электростатические экраны. Неподвижный контакт жестко крепится к одному фланцу, а подвижный соединяется с другим фланцем сильфоном из нержавеющей стали, обеспечивающим возможность перемещения контакта без нарушения герметичности ВДК. Экраны предназначены для защиты оболочки от брызг и паров металла, образующихся при горении дуги, а также для выравнивания распределения напряжения по камере. Оболочка ВДК изготовляется из специальной газоплотной керамики (в некоторых конструкциях – из стекла) (рис. 5.19).

Рис. 5.19. Конструкция вакуумного выключателя (на примере конструкции выключателей серии BB/TEL)

Внутри оболочки создается вакуум. В ВДК применяют контакты торцевого типа достаточно сложной конфигурации, выполненные из специальных сплавов. В выключателях напряжением до 35 кВ, предназначенных для работы в сетях трехфазного переменного тока промышленной частоты, используются три ВДК (по одной на полюс выключателя), снабженные общим приводом – пружинным или электромагнитным. При напряжении выше 35 кВ в каждом полюсе выключателя используются несколько ВДК, соединенных последовательно. При отключении сначала размыкаются рабочие, а затем дугогасительные контакты, между которыми возникает дуга. Электромагнитный контур создает электродинамические силы, которые вместе с воздушным потоком, созданным поршневым устройством, перебрасывают дугу на передний дугогасительный рог. При включении катушки магнитного дутья создается магнитное поле, взаимодействующее с током дуги и перемещающее дугу со скоростью до 30 м/с внутрь дугогасительной камеры. При движении вверх дуга удлиняется, попадая в щели камеры. Соприкасаясь со стенками камеры, дуга охлаждается и через 0,01…0,02 с гаснет. В момент размыкания контактов в вакуумном промежутке коммутируемый ток инициирует возникновение электрического разряда – вакуумной дуги, существование которой поддерживается за счет металла, испаряющегося с поверхности контактов в вакуумный промежуток. Плазма, образованная ионизированными парами металла, является проводящей, поэтому она поддерживает протекание тока между контактами до момента его перехода через ноль. В момент перехода тока через ноль дуга гаснет, а оставшиеся пары металла мгновенно (за 7…10 мкс) конденсируются на поверхности контактов и других деталей дугогасящей камеры, восстанавливая электрическую прочность вакуумного промежутка. В то же время на разведенных контактах восстанавливается приложенное к ним напряжение. В том случае, когда при восстановлении напряжения на поверхности контакта (обычно анода) остаются перегретые участки, они могут служить источником эмиссии заряженных частиц, вызывающих пробой вакуумного промежутка, с последующим протеканием через него тока. Для предотвращения подобных отказов необходимо управлять вакуумной дугой, равномерно распределяя тепловой поток по всей поверхности контактов путем наложения на нее продольного, т.е. совпадающего с направлением тока, магнитного поля, которое индуцируется самим током.

Преимущества вакуумных выключателей

1. Автономность работы. Она определяется отсутствием масляного и компрессорного хозяйств. Вакуумная дугогасительная камера (ВДК) не требует пополнения дугогасящей среды. Приводные устройства вакуумных выключателей (ВВ) могут работать от сети как постоянного, так и переменного тока. Это позволяет в значительной мере снизить расходы на содержание парка ВВ по сравнению с масляными или воздушными выключателями.

2. Высокая эксплуатационная надежность. Интенсивность отказов ВВ на порядок ниже по сравнению с масляными или электромагнитными выключателями.

3. Механический ресурс и быстродействие. Высокий механический ресурс ВВ обусловлен в первую очередь тем, что ход контактов ВДК составляет от 6 до 10 мм при напряжении 10 кВ. Для масляных и электромагнитных выключателей на это же напряжение ход контактов достигает 100…200 мм. Эта особенность наряду с малой массой подвижных контактов ВВ обеспечивает высокое быстродействие, что позволяет применять ВВ в схемах быстродействующих устройств.

4. Высокая коммутационная износостойкость. Число отключений номинальных токов, допускаемое без ревизий и ремонта ВДК, достигает 10…20 тыс., а номинальных токов отключения (токов короткого замыкания) – от 20 до 200 в зависимости от типа ВКД и значения тока. При эксплуатации маломасляных выключателей необходимо производить ревизию после 500…1000 отключений номинального тока или 3…10 отключений номинального тока отключения. Для воздушных выключателей эти цифры составляют 1000…2500 и 6…15 отключений соответственно. Высокая коммутационная износостойкость позволяет значительно сократить расходы по обслуживанию ВВ, а также перерывы в электроснабжении, связанные с выполнением регламентных работ. Обслуживание ВВ сводится к периодической смазке механизма привода и проверке износа контактов один раз в 5…10 лет или через 5…10 тыс. отключений. Замена ВДК производится через 20…25 лет или после 20…30 тыс. операций.

5. Безопасность эксплуатации и культура обслуживания. Для ВВ характерны малая энергия привода, малые динамические нагрузки и отсутствие выброса газов, масла. Масса ВВ значительно ниже массы выключателей других типов при одинаковых номинальных параметрах тока и напряжения. Все это обеспечивает бесшумность работы, повышает культуру обслуживания и предотвращает загрязнение окружающей среды. Герметичное исполнение ВКД и отсутствие среды, поддерживающей горение, обеспечивает высокую пожаро- и взрывобезопасность и возможность работы в агрессивных средах.

Недостатки вакуумных коммутационных аппаратов

1. Более высокая стоимость по сравнению с маломасляными выключателями.

2. Генерация перенапряжений. Для вакуумных выключателей характерен очень маленький разрыв между контактами и высокая скорость отключения, т.е. выключатель может разрывать дугу до перехода тока через ноль. От этого и возникают перенапряжения. В ранее использовавшихся маломасляных выключателях было большое расхождение контактов и пока дуга разрывалась, синусоида успевала проходить через ноль, перенапряжения не было. А перенапряжение для кабельной сети представляет значительную опасность. Необходимо иметь ограничители перенапряжения. Проблема коммутационных перенапряжений сформировалась на основе раннего опыта эксплуатации первых вакуумных камер в ряде стран. С тех пор имеются большие достижения в разработке контактных материалов, дающих малый ток среза и, следовательно, обеспечивающих низкий уровень перенапряжений при отключении нагрузки. Кроме того, проблема коммутационных перенапряжений при необходимости может быть эффективно решена путем применения достаточно простых защитных устройств. Следует учитывать также, что коммутационные перенапряжения не являются специфической особенностью вакуумных коммутационных аппаратов, а присущи и другим типам выключателей.

3. Возможность потери вакуума и вызываемые этим последствия. Имевшие место на начальном этапе освоения вакуумных выключателей опасения из-за возможной потери вакуума в ВДК оказались несущественными, так как накопленный мировой опыт эксплуатации ВВ в распределительных сетях показал, что потеря вакуума не создает серьезных проблем и не приводит к созданию аварийных ситуаций.

Элегазовые выключатели

Газы по сравнению с маслом и твердыми изоляционными материалами имеют определенные преимущества, главные из которых – ничтожнейшая проводимость и практическое отсутствие диэлектрических потерь, независимость в однородном поле электрической прочности от частоты, неповрежденность газовой изоляции заметным остаточным изменениям и малая загрязненность под действием дуги и короны. Чистый газообразный элегаз SF6 (шестифтористая сера), химически не активен, поэтому в обычных эксплуатационных условиях он не действует ни на какие материалы, применяемые в аппаратостроении, обладает повышенной теплоотводящей способностью и является очень хорошей дугогасительной средой, позволяющей производить отключение очень больших токов при больших скоростях восстановления напряжения. Элегаз не горит и не поддерживает горения, следовательно, элегазовые аппараты являются взрыво- и пожаробезопасными. При правильной эксплуатации элегаз не стареет и не требует такого тщательного ухода за собой, как масло.

В однородном поле электрическая прочность элегаза в 2,5…3 раза выше прочности воздуха. Однако для успешного отключения тока в них предусматриваются устройства для вращения дуги в элегазе. В подвижный и неподвижный контакты встроены постоянные магниты из феррита, которые создают магнитные поля, направленные встречно. При размыкании контактов образуется дуга, ток которой взаимодействует с радиальным магнитным полем, в результате чего создается сила F, перемещающая дугу по кольцевым электродам. Вращение дуги в элегазе способствует быстрому гашению. Чем больше отключаемый ток, тем больше скорость перемещения дуги, это защищает контакты от обгорания. Контактная система описанной конструкции помещается внутри фарфорового корпуса, заполненного элегазом и герметически закрытого. Давление внутри камеры 0,3 МПа. Подпитка при возможных утечках происходит из баллона со сжатым элегазом.

Таким образом, основными достоинствами элегаза является: высокое напряжение пробоя; пожаро- и взрывобезопасность; высокая химическая стабильность; быстрое гашение дуги в коммутационных аппаратах, а также устойчивость к землетрясениям, благодаря своей компактной конструкции и низкому расположению центра тяжести.

К недостаткам элегазовых выключателей следует отнести: необходимость специальных устройств для наполнения, перекачки и очистки SF6, относительно высокая стоимость SF6, экологические проблемы эксплуатации; содержание службы проверки герметичности.

Характерным признаком элегазовых баковых выключателей является расположение дутогасительной камеры в заземленном металлическом корпусе. Благодаря такой конструкции, имеющийся внутри элегаз изолирует все токоведущие части контактной группы от корпуса. Подключение к высоковольтной линии осуществляется при помощи фарфоровых или полимерных газонаполненных вводов (рис. 5.20). Трансформаторы тока укрепляются непосредственно на водном изоляторе, благодаря чему отпадает необходимость их отдельной установки. Элегазовый баковый выключатель имеет преимущества в том случае, если для зашиты конструкции требуется применение нескольких трансформаторов тока на один полюс выключателя.

Рис. 5.20. Общий вид выключателя ВГБ-35: 1 – ввод; 2 – трансформатор тока; 3 – бак; 4 – фланец; 5 – клеммная коробка; 6 – устройство подогревательное; 7 – шкаф с приводом; 8 – сигнализатор давления; 9 – клапан; 10 – крышка; 11 – механизм; 12, 13, 14 – кольца уплотнительные

У элегазовых колонковых выключателей дугогасительная камера расположена в изоляторе, который может быть изготовлен из фарфора или из комбинированного материала и находится под высоким напряжением, уровень которого определяет длина изолятора, требуемая для камеры. Для изоляционной конструкции высокого уровня напряжения несколько дугогаситедьных камер соединяются последовательно в элегазовом колонковом выключателе и монтируются на опорной изоляционной конструкции. Трансформаторы тока устанавливаются отдельно, перед или за элегазовым колонковым выключателем. Следующим отличительным свойством элегазовых колонковых выключателей является наличие сравнительно маленькой газовой камеры. Преимущество малого объема газа приводит к сокращению объема работ по техническому обслуживанию. Чтобы обеспечить безопасную работу элегазовых колонковых выключателей в сейсмических зонах, выключатели могут быть укреплены на антифрикционной установке.

Устройство. Общий вид выключателя ВГБ-35 приведен на рис. 5.20. Выключатель состоит из трех полюсов, размещенных в одном баке 3, и управляется электромагнитным приводом 7 постоянного или переменного тока. Имеется вариант установки выключателя на удлиненной свае с установкой привода на удлиненной дистанционной трубе (на 500 мм по сравнению с базовым вариантом) и дополнительным креплением привода к свае. Включение выключателя происходит за счет энергии включающего электромагнита привода 7, отключение – за счет отключающих пружин выключателя, взведение которых происходит в процессе включения. Бак 3, вмещающий в себя трехполюсное контактно-механическое устройство (КМУ), укомплектован шестью вводами 1 со встроенными трансформа­торами тока 2 типа ТВЭ-35, клапаном 9, подогревательным устройством 6, сигнализатором давления 8 и клеммной коробкой 5.

Автогазовые выключатели

Гашение дуги в автогазовых выключателях производится потоком газов, образующихся при разложении изоляционного материала стенок дугогасительной камеры под действием дуги. Стенки камеры изготовляются из синтетических материалов (органическое стекло, формальдегидная смола, фибра), обладающих хорошими газогенерирующими характеристиками и не склонными к коптеобразованию. Фибра применяется менее широко из-за ее способности сильно деформироваться под влиянием влаги.

В автогазовом дутьевом устройстве со щелевым каналом. Дуга, возникшая при отключении, вытягивается подвижным контактом в узкий кольцевой канал. Давление газов внутри канала повышается до тех пор, пока контакт при своем движении вниз не откроет боковое выхлопное отверстие. После этого начнется интенсивное истечение газов через зону дуги в это отверстие, что и приведет к гашению дуги.

Автогазовые выключатели ВГ-10 изготовлялись для напряжений и 10 кВ и на номинальные токи 200 и 400 А для номинальной мощности отключения 300 MBА. Они широко применялись в малых установках 6…10 кВ с небольшими токами короткого замыкания, однако в последнее время уступают свое место малообъемным масляным выключателям. Принцип автогазового дутья в настоящее время продолжает использоваться в выключателях нагрузки.

В системах электроснабжения городов и промышленных предприятий достаточно широко распространены выключатели нагрузки ВН-16, ВН-17 на 6…10 кВ с простейшей дугогасительной камерой, имеющей вкладыши из органического стекла. Однако эти выключатели не могут включаться на ток КЗ, равный току динамической стойкости, и допускают сравнительно малое количество отключений номинального тока.

В настоящее время эти выключатели модернизированы в серию ВН-10. Они могут снабжаться предохранителями ПКТ-6 или ПКТ-10 для защиты от токов КЗ, автоматическим устройством для отключения при срабатывании предохранителя, приводом ПРА и заземляющими ножами.

Рис. 5.21. Автогазовый выключатель УПС-35У1: а – общий вид: 1 – сварная рама; 2 – опорный изолятор; 3 – металлическая труба; 4 – винипластовая генерирующая трубка; 5 – корпус с патрубком поперечного дутья; 6 – контактный нож; 7 – изолятор-толкатель; б – патрон УПС-35У1 исполнения «патрон – плавкая вставка»: 1 – металлическая труба; 2 – втягивающая пружина; 3 – гибкий трос: 4 – газогенерирующая трубка; 5 – стержень; 6 – плавкая вставка; 7 – дутьевой патрубок: 8 – контактная система; 9 – гибкая токоведущая часть;10 – стопорный винт; 11 – стреловидный оконцеватель

На базе предохранителя ПСН-35 создан автогазовый выключатель УПС-35У1.

Достоинства автогазовых выключателей: отсутствие масла; небольшая масса.

Недостатки: быстрый износ твердого дугогасителя, относительно большой износ контактов или их разрушение (в выключателе УПС).

Электромагнитные выключатели

Электромагнитные выключатели для гашения дуги не требуют ни масла, ни сжатого воздуха, что является большим преимуществом их перед другими типами выключателей. Выключатели этого типа выпускают на напряжение 6…10 кВ, номинальный ток до 3600 А и ток отключения до 40 кА. В этих выключателях дуга горит в воздухе при атмосферном давлении и гасится магнитным дутьем. Дуга при помощи магнитного дутья быстро удлиняется настолько, что напряжение на ней становится выше напряжения сети и она гаснет.

Магнитное дутье создается электромагнитом, катушка которого включается последовательно в контур дуги. Важным элементом выключателя является камера гашения, которая способствует растягиванию и охлаждению дуги. Большое значение для надежной работы электромагнитного вы­ключателя имеет материал стенок камеры гашения. Этот материал должен обладать большой теплоемкостью и жаростойкостью. В настоящее время для этой цели используют жаростойкую керамику. На выхлопной части камеры гашения обычно устанавливается деионизатор, представляющий собой гребенчатую решетку из изолированных друг от друга металлических пластин. Горячие ионизированные газы, выбрасываемые из камеры, попадают в решетку и, охлаждаясь, денонсируются там, ограничивая зону ионизации над верхним срезом камеры. Кроме того, деионизатор демпфирует звуки выхлопа при работе камеры.

Электромагнитный выключатель принадлежит к числу быстро­действующих: дуга гасится в нем за 10…20 мс. Быстро возрастающее в процессе отключения сопротивление дуги играет роль токоограничивающего сопротивления, вводимого последовательно в отключаемую цепь. Поэтому значение тока короткого замыкания к моменту обрыва дуги уменьшается, также уменьшается сдвиг фаз между напряжением системы и током цепи и, следовательно, снижается коэффициент превышения амплитуды. В результате этого работа электромагнитного выключателя не зависит от собственной частоты сети. Выключатели серии ВЭ выполняются на различные токи отключения и отличаются размерами дугогасительных камер. При малых отключаемых токах значение электродинамической силы, затягивающей дугу в камеру, недостаточно и для перемещения дуги используются воздушные поршневые устройства.

Основными преимуществоми электромагнитных выключателей яв­ляются: их полная взрыво- и пожаробезопасность; малый износ дугогасительных контактов; пригодность для работы в условиях частых включений-отключений; относительно высокая отключающая способность. Большие размеры камеры гашения в этих выключателях ограничивают их применение на высоких напряжениях (выше 15 кВ). У нас в стране электромагнитные выключатели выпускаются на номинальные напряжения 6 и 10 кВ с номинальной мощностью отключения 200 и 400 MBA. Эти выключатели используются главным образом в установках собственных нужд электрических станций и для коммутации косинусных конденсаторных батарей. Также к недостаткам можно отнести: сложность конструкции дугогасительной камеры, ограниченный предел номинального напряжения, ограниченная пригодность для наружной установки.

Контрольные вопросы и задания

1. Объяснить принцип гашения дуги в вакуумном выключателе.

2. Достоинства и недостатки вакуумных выключателей.

3. Принцип работы элегазовых выключателей.

4. Каковы достоинства и недостатки элегазовых выключателей?

5. Достоинства и недостатки электромагниных и автогазовых выключателей.

6. В чем заключается область применения автогазовых и электромагнитных выключателей.