4. Гибридные электрические аппараты
В современных электрических аппаратах низкого напряжения для улучшения технико-экономических характеристик все чаще применяются полупроводниковые приборы. Стремление совместить в аппаратах положительные качества контактных аппаратов (малые потери мощности и габариты) полупроводниковых (повышенная коммутационная износостойкость, меньшие эксплуатационные затраты и бездуговая коммутация) привело к созданию гибридных, или комбинированных, аппаратов, в которых ток во включенном состоянии аппарата проходит через контакты, а коммутация его выполняется силовыми полупроводниковыми приборами, включенными параллельно контактам.
Такое сочетание позволило создать гибридные контакторы с коммутационной износостойкостью, в 20-50 большей, чем в контактных; гибридные переключатели питания с временем переключения, равным времени переключения полупроводниковых переключателей, но с габаритами и массой, меньшей в 2-3 раза; гибридные быстродействующие выключатели со значительно меньшим защитным интегралом, недостижимым для контактных выключателей.
Пример простейшей схемы аппарата постоянного тока, реализующий быстродействие тиристора, приведен на рис.10.2.в. При размыкании контактов аппарата, между контактами возникает металлический мостик, а затем короткая электрическая дута. Увеличение длины дуги сопровождается увеличением напряжения. Напряжение на дуге увеличивается до порогового напряжения, которое воздействует на блок управления (систему). Система управления подает сигнал на тиристор, который открывается, и ток начинает протекать через тиристор навстречу основному току. Наложение двух токов приводит к интенсивному гашению дуги. В некоторых случаях в цепь с тиристором подключается емкость, с помощью которой увеличивается ток в параллельной цепи. Для цепей переменного тока параллельно к главным или дугогасительным контактам подключаются неуправляемые диоды.
Вопросы для самопроверки:
В чем сущность принципа работы магнитного усилителя?
Что подразумевается под характеристикой управления магнитного усилителя ?
В чем состоит основная функция драйвера электронного аппарата, содержащего электронный ключ?
Вопросы к экзамену:
54. Принцип действия магнитного усилителя?
55. Принцип работы тиристорного ключа?
56. Принцип работы простейшей схемы гибридного аппарата постоянного тока, реализующий быстродействие тиристора?
Лекция 14. Основные тенденции развития электрических аппаратов
План лекции:
1. Вакуумные и элегазовые выключатели.
2. Трехпозиционные коммутационные аппараты.
3. Реклоузеры.
4. Мультикамерные разрядники.
5. Оптические трансформаторы тока и напряжения.
14.1 Вакуумные и элегазовые выключатели
В настоящее время ведущие электротехнические фирмы производят, в основном, только два типа высоковольтных выключателей: вакуумные и элегазовые.
Среди достоинств вакуумных выключателей следует отметить такие как: простота конструкции, надежность, высокая коммутационная износостойкость, малые размеры, пожаро- и взрывобезопасность, отсутствие шума при операциях, отсутствие загрязнения окружающей среды, удобство эксплуатации и малые эксплуатационные расходы.
К недостаткам вакуумных выключателей относятся: сравнительно небольшие номинальные токи и токи отключения, возможность коммутационных перенапряжений при отключении малых индуктивных токов, небольшой ресурс дугогасительного устройства по отключению токов короткого замыкания.
Элегазовые высоковольтные выключатели, чьи дугогасительные устройства работают в среде «электротехнического газа» SF6, сочетают в себе преимущества различных типов выключателей:
- возможно использование элегазовых выключателей на любое из напряжений, применяемых в отечественной энергетике;
- небольшие масса и габаритные размеры конструкции элегазовых выключателей в сочетании с бесшумной работой привода;
- дуга гасится в замкнутом газовом объеме без доступа в атмосферу;
- безвредная для человека, экологически чистая, инертная газовая среда элегазового выключателя;
- увеличенная коммутационная способность элегазового выключателя;
- работа в режиме переключения больших и малых токов без возникновения перенапряжения, что автоматически исключает наличие устройств ОПН (ограничение перенапряжения);
- высокая надежность элегазового выключателя, высокая надежность элегазового выключателя, межремонтный период увеличен до 15 лет;
- пожаробезопасность оборудования.
К недостаткам элегазовых выключателей следует отнести:
- высокую стоимость оборудования и текущие затраты на эксплуатацию, так как требования к качеству элегаза очень высоки;
- температура окружающей среды влияет на агрегатное состояние элегаза, что требует применения систем подогрева выключателя при пониженных температурах (при -40°С элегаз становится жидкостью);
- коммутационный ресурс элегазового выключателя ниже, чем у аналогичного вакуумного выключателя;
- необходимы высококачественные уплотнения резервуаров и магистралей, так как элегаз очень текуч.
В табл.14.1 приведено сравнение числа составных частей коммутационной камеры маломасляных, элегазовых и вакуумных выключателей.
Таблица 14.1
Сравнение числа составных частей коммутационной камеры маломасляных, элегазовых и вакуумных выключателей.
|
Маломасляный |
Элегазовый |
Вакуумный |
Общее число составных частей коммутационной камеры |
43 |
52 |
22 |
Число подвижных частей |
18 |
24 |
9 |
Число подвижных частей дугогасящей камеры. |
17 |
24 |
2 |
В табл.14.2 приведены некоторые эксплуатационные характеристики элегазовых и вакуумных выключателей.
Таблица 14.2
Э
ксплуатационные
характеристики элегазовых и вакуумных
выключателей.
Сейчас накопленная статистика по эксплуатации демонстрирует бесспорные преимущества вакуумных выключателей на напряжение 6–35 кВ, о чем свидетельствуют данные приведенные на рис 14.1.
Р
ис.
14.1. Тенденции развития высоковольтных
выключателей 6–35 кВ
Контроль дугогасящей среды оказывает большое влияние на эксплуатационную надежность и срок службы коммутационного аппарата среднего напряжения. В частности, у элегазовых выключателей дугогасящая среда коммутационной камеры герметизируется от окружающей среды различными резиновыми прокладками или эпоксидными соединениями, подверженными старению и ухудшению диэлектрических и герметизирующих свойств в течение срока службы выключателя.
Диэлектрические свойства элегаза снижаются из-за накопления продуктов разложения в коммутационной камере при нарастании числа коммутаций также в течение всего срока службы. При этом возникает настолько сильное обгорание контактов, что необходимо их разделение на главные и дугогасящие контакты. В большинстве случаев контроль дугогасящей среды обеспечивается манометром без показания качества элегаза.
В отличие от элегазовых, вакуумные камеры не имеют резиновых прокладок. Герметизация дугогасящей среды в вакуумной камере от окружающей среды производится высококачественной аргоновой сваркой, которая не теряет своих уплотняющих свойств в течение всего эксплуатационного периода. Такие соединения не подвержены старению. При этом чистота вакуума сохраняется в течение всего срока эксплуатации.
Вакуумные камеры, которые не были в эксплуатации, сохраняют свою работоспособность более 20 лег. Тем самым готовность к коммутациям не ограничена временем простоя. Так как при коммутациях в вакуумной камере гашение дуги происходит без каких- либо продуктов разложения, вакуум не ухудшает свои диэлектрических свойств. Благодаря отсутствию в вакууме окисления, поверхности контактов остаются чистыми. При этом в течение всего срока эксплуатации сохраняется очень низкое переходное сопротивление контактов..
Высокие технические и коммутационные характеристики, надежность, простота, экономичность - этих аргументов оказалось достаточно, чтобы эксплуатация сделала однозначный выбор в пользу вакуума. Можно сказать – конкурентная борьба элегазовых и вакуумных коммутационных аппаратов среднего класса напряжения, длившаяся несколько десятилетий, закончилась с приходом нынешнего столетия в пользу последних.
В настоящее время разработаны и изготавливаются вакуумные низковольтные коммутационные аппараты. На рис 14.2. приведено устройство трехполюсного вакуумного контактора переменного тока и внешний вид низковольтных вакуумных дугогасительных камер.
Р
ис.
14.2. Устройство трехполюсного вакуумного
контактора переменного тока и внешний
вид низковольтных вакуумных дугогасительных
камер
При расхождении контактов в вакуумной камере возникает электрическая дуга, представляющая собой проводящую среду из паров металла контактов. Для токов отключения до 10 кА дуга равномерно распределена по поверхности контактов, т.е. имеется случай, так называемой, диффузной вакуумной дуги. При более высоких токах, из- за пинч-эффекта, дуга в вакуумной камере сосредоточена в одной точке.
С целью исключения термических перегрузок контактов при токах К.З. до 50 кА была изобретена, так называемая, контактная система с радиальным магнитным полем или RMF-система. RMF контактная система устроена таким образом, что магнитное поле отключаемого тока заставляет дугу вращаться по поверхности контактов. Эксплуатационные требования гашения дуги в вакуумной среде при токе К.З. более чем 50 кА дали толчок к изобретению камеры с аксиальным магнитным полем или AMF-системы, являющейся особым видом контактной системы. Общий вид контактных RMF-систем и AMF-систем приведен на рис. 14.3.
Рис. 14.3. Контактные системы: а) RMF(radial magnetic field) радиальная; б) AMF(axial magnetic field) аксиальная
Система AMF- контактов представляет собой самый экономичный на сегодняшний день принцип гашения.