8.3. Элегазовые выключатели
Элегаз (SF6 – шестифтористая сера) представляет собой инертный газ, плотность которого превышает плотность воздуха в 5 раз. Электрическая прочность элегаза в 2 – 3 раза выше прочности воздуха; при давлении 0,2 МПа электрическая прочность элегаза сравнима с прочностью масла.
В элегазе при атмосферном давлении может быть погашена дуга с током, который в 100 раз превышает ток, отключаемый в воздухе при тех же условиях. Исключительная способность элегаза гасить дугу объясняется тем, что его молекулы улавливают электроны дугового столба и образуют относительно неподвижные отрицательные ионы. Потеря электронов делает дугу неустойчивой, и она легко гаснет. В струе элегаза, т. е. при газовом дутье, поглощение электронов из дугового столба происходит еще интенсивнее.
В элегазовых выключателях применяют автопневматические (автокомпрессионные) дугогасительные устройства, в которых газ в процессе отключения сжимается поршневым устройством и направляется в зону дуги. Элегазовый выключатель представляет собой замкнутую систему без выброса газа наружу.
В настоящее время элегазовые выключатели применяются на всех классах напряжений (6-750 кВ) при давлении 0,15 – 0,6 МПа. Повышенное давление применяется для выключателей более высоких классов напряжения. Хорошо зарекомендовали элегазовые выключатели следующих зарубежных фирм: ALSTOM; SIEMENS; Merlin Gerin и др. Освоен выпуск современных элегазовых выключателей ПО "Уралэлектротяжмаш": баковые выключатели серии ВЭБ, ВГБ и колонковые выключатели серии ВГТ, ВГУ.
В качестве примера рассмотрим конструкцию выключателя серии LF фирмы Merlin Gerin напряжением 6-10 кВ.
В выключателе LF применены принцип вращения дуги в элегазовой среде и метод автокомпрессии. Это обеспечивает сокращение мощности привода выключателя, снижение износа дугогасительных контактов и, таким образом, повышает механический и электрический ресурсы.
Основные
этапы гашения дуги представлены на рис.
(рис. 8.3).
Рис.8.3. Этапы гашения дуги в элегазовом выключателе фирмы Merlin Gerin
На рис. 8.3.а показан выключатель во включенном положении. Основные контакты разомкнуты. При размыкании основных контактов а ток проходит через дугогасительные контакты б. Процесс гашения дуги представлен на рис. 8.3.в. При расхождении дугогасительных контактов в дугогасительной камере происходит загорание дуги. Воздействие магнитного поля, создаваемого катушкой d, вызывает закручивание дуги и ее охлаждение. Избыточное давление в расширительном объеме c, обусловленное повышением температуры, вызывает охлаждение дуги потоком элегаза, направленным из зоны с высоким давлением в зону с более низким давлением, что приводит к удлинению дуги и ее затягиванию в полость цилиндрического дугогасительного контакта e. При прохождении тока через нуль дуга гарантированно гаснет. Выключатель выключен (рис. 8.3. г).
8.4. Вакуумные выключатели
Электрическая прочность вакуума значительно выше прочности других сред, применяемых в выключателях. Объясняется это увеличением длины среднего свободного пробега электронов, атомов, ионов и молекул по мере уменьшения давления. В вакууме длина свободного пробега частиц превышает размеры вакуумной камеры. На рис. 8.4.б приведена восстанавливающаяся электрическая прочность промежутка длиной 6 мм после отключения тока 1600 А в вакууме и различных газах при атмосферном давлении.
В этих условиях удары частиц о стенки камеры происходят значительно чаще, чем соударения между частицами. На рисунке показаны зависимости пробивного напряжения вакуума и воздуха от расстояния между электродами диаметром 1 см из вольфрама. При столь высокой электрической прочности расстояние между контактами может быть очень малым (2 – 2,5 см), поэтому размеры камеры могут быть также относительно небольшими.
Процесс восстановления электрической прочности промежутка между контактами при отключении тока протекает в вакууме значительно быстрее, чем в газах. Это обеспечивает вакуумным дугогасительным камерам (ВДК) запасы электропрочности на весь срок эксплуатации (20-30 лет).
На рис. рис. 8.4.в приведен общий вид выключателя BB/TEL-10-20/1000 производства предприятия "Таврида Электрик", разрез полюса - рис. 8.4.г и вид дуги КЗ - рис. 8.4.д.
В состав полюса входят: ВДК 2 с неподвижным 1 и подвижным 3 контактами и сильфоном 4, гибкий токосъем 5, тяговый изолятор 6 и электромагнитный привод. Он состоит из электромагнита 9, крышки 7, якоря 13, катушки 12, пружин отключения 11 и поджатия 10, тяги 8 устройства ручного отключения и межполюсного вала 14. Корпуса полюсов изготовлены из прозрачного механически прочного и дугостойкого полимерного материала.
Отличительной особенностью выключателя BB/TEL является пофазный электромагнитный привод с магнитной защелкой для удержания ВВ во включенном положении после прерывания тока в катушке электромагнита. Для включения и отключения ВВ используется одна и та же катушка 12, создающая при включении магнитный поток, под действием которого якорь движется вверх до упора и остается во включенном положении за счет остаточной индукции электромагнита. Вместе с якорем 13 вдоль одной оси движутся пружина поджатия 10, тяговый изолятор 6 и подвижный контакт 3, После замыкания контактов пружина сжимается на 2 мм, создавая необходимое контактное нажатие.
Отключение происходит путем подачи на катушку 12 напряжения противоположной полярности, которое размагничивает магнитную систему, после чего якорь под действием пружин отключения и поджатия перемещается вниз. Подвижные части ВВ удерживаются в отключенном положении усилием отключающей пружины. Исключительно простая кинематическая схема, небольшое число деталей, незначительное трение движущихся частей, способных работать без смазки, и замена механической защелки на магнитную обеспечивают ВВ большую механическую стойкость и надежность в течение всего срока службы без проведения ремонтных работ.
Фактический механический ресурс выключателя BB/TEL определяется ресурсом сильфона 4, который составляет не менее 100 тыс. операций "ВО". Ресурс по коммутационной стойкости BB/TEL составляет 50 тыс. операций"ВО" тока 1000 А, 100 операций "ВО" или 150 операций "О" тока 20 кА. Выключателям BB/TEL не требуется проводить в эксплуатации проверки и регулировки, характерные для других типов выключателей.
Р
ис.
8.4. Вакуумный выключатель
Отключение происходит путем подачи на катушку 12 напряжения противоположной полярности, которое размагничивает магнитную систему, после чего якорь под действием пружин отключения и поджатия перемещается вниз. Подвижные части ВВ удерживаются в отключенном положении усилием отключающей пружины. Исключительно простая кинематическая схема, небольшое число деталей, незначительное трение движущихся частей, способныхработать без смазки, и замена механической защелки на магнитную обеспечивают ВВ большую механическую стойкость и надежность в течение всего срока службы без проведения ремонтных работ.
Фактический механический ресурс выключателя BB/TEL определяется ресурсом сильфона 4, который составляет не менее 100 тыс. операций "ВО". Ресурс по коммутационной стойкости BB/TEL составляет 50 тыс. операций "ВО" тока 1000 А, 100 операций "ВО" или 150 операций "О" тока 20 кА.
Выключателям BB/TEL не требуется проводить в эксплуатации проверки и регулировки, характерные для других типов выключателей.
В настоящее время вакуумные выключатели стали доминирующими аппаратами для электрических сетей с напряжением 6-36 кВ. Так, доля вакуумных выключателей в общем количестве выпускаемых аппаратов в Европе и США достигает 70 %, в Японии – 100 %. В России в последние годы эта доля имеет постоянную тенденцию к росту.