Учебники 80382

широкое распространение получили вольфрам и молибден, которые допускают отключение токов свыше 4—5 кА, хотя при этом и возникают большие токи среза.

4.4. Гашение дуги в элегазовых выключателях

Элегазовые выключатели принадлежат к группе газовых выключателей. Известные преимущества, которыми обладают электроотрицательные газы с их высокой электрической прочностью при гашении дуги, побудили конструкторов применить в газовых выключателях элегаз (шестифтористую серу SF6). Электроотрицательные газы, такие, как элегаз, фреон (CClF2) и другие, обладают свойством захватывать свободные электроны и присоединять их к своим нейтральным молекулам. Возникающие при этом отрицательные ионы имеют примерно такую же скорость, что и положительные ионы, и поэтому легко рекомбинируют с ними, снова превращаясь в нейтральные молекулы. Вероятность такой рекомбинации на несколько порядков выше, чем рекомбинации быстрых электронов и медленных положительных ионов.

Интенсивная рекомбинация электрически заряженных частиц быстро понижает проводимость межконтактного промежутка и очень существенно повышает скорость увеличения его электрической прочности после погасания дуги. При этом при равном эффекте гашения дуги требуются гораздо меньшие количества элегаза и меньшие давления, чем в воздушных выключателях.

Действие элегаза как гасящей среды можно представить себе, проводя грубую аналогию с губкой, всасывающей влагу: таким же образом элегаз как бы всасывает в себя электроны из дугового промежутка.

Интенсификации гашения дуги способствует еще очень малая постоянная времени дуги, горящей в элегазе. Она составляет примерно 1/100 постоянной времени дуги в воздухе

(рис. 4.6).

Рис. 4.6. Постоянная времени дуги в воздухе (а) и в элегазе (б)

Так как потеря элегаза недопустима, гасительная камера выключателя должна работать по замкнутому циклу.

Элегаз негорюч бесцветен, не имеет запаха и совершенно не ядовит. В химическом отношении он так же неактивен по отношению к другим веществам, как и азот. Одним из его немногочисленных недостатков является способность разлагать влагосодержащие синтетические изоляционные материалы при соприкосновении с ними. Поэтому рекомендуется применять в элегазовых конструкциях стойкие изоляционные материалы, например, тефлон.

Другим недостатком элегаза является высокая температура сжижения. При давлении 1,5 МПа она составляет всего 6 °С. Чтобы избежать сжижения элегаза, в выключателях с вы-

71

соким давлением гасящей среды предусматривают автоматические нагреватели, поддерживающие необходимую постоянную температуру элегаза.

Кроме того, опыт и специальные исследования показали, что под влиянием теплоты дуги элегаз расщепляется на ядовитые составляющие, в основном низшие фториды серы.

Состав продуктов разложения (ПР) зависит от интенсивности дуги и от посторонних включений в элегазе: воздуха или влаги. Анализ ПР элегаза является мощным средством, указывающим, когда нужно ремонтировать оборудование и какова наиболее вероятная причина аварии.

Схема анализа — такая же, как при масляной изоляции: отбор проб дефектного элегаза, содержащего продукты разложения от теплоты дуги. Исследование дефектного элегаза включает в себя анализ ПР элегаза, содержания влаги в газе, определение интенсивности и длительности горения дуги. Основным инструментом, используемым для анализа ПР, является газовый хроматограф с термоэлектронной ловушкой и пламенный спектрофотометр.

Анализ элегаза рекомендуется проводить: 1) при приемочных испытаниях нового оборудования; 2) через регулярные промежутки времени в течение всего срока службы оборудования, сравнивая каждый раз результаты анализа с исходными данными; 3) после каждой аварии до ремонта оборудования.

Пробы дефектного элегаза, направляемые в лабораторию для исследования, должны быть заключены в цилиндры из нержавеющей стали. Отбор проб упрощается при установке на оборудовании штуцеров для отбора газа. Безопасность обращения с дефектным элегазом обеспечивается знанием состава продуктов разложения и правил обращения, которые сводятся к следующему:

1.Обработка твердых продуктов разложения должна производиться в перчатках.

2.Газообразные продукты разложения не должны вдыхаться.

3.Не следует определять наличие повреждений по запаху.

4.Следует иметь список возможных продуктов разложения с указанием предельной допустимой концентрации каждого из них (ПДК). ПДК — это концентрация ПР, воздействию которых человек может подвергаться в течение 40 ч в неделю без вредных последствий. Чем ниже ПДК, тем опаснее ПР.

5.Все отсеки оборудования, содержащие элегаз, должны быть надежно герметизиро-

ваны.

Наиболее эффективно применение элегаза для гашения дуги в том случае, когда его струя поступает в дуговой промежуток с большой скоростью, т. е. осуществляется интенсивное продольное дутье.

В настоящее время разработаны и применяются несколько конструкций элегазовых дугогасящих устройств. Среди них можно отметить дугогасительную камеру интенсивного продольного дутья. Продольное дутье в этом устройстве создается при переходе элегаза из резервуара с высоким давлением (1,5—2,0 МПа) в камеру, где поддерживается низкое давление (0,2—0,3 МПа). После гашения дуги, отработанный элегаз проходит осушение и очистку

иперекачивается компрессором в резервуар высокого давления. Вся система циркуляции элегаза является замкнутой.

Система двух давлений создает определенные трудности при изготовлении и эксплуатации выключателей. Во-первых, при давлении 1,5 МПа газообразное состояние элегаза может быть только при температуре не ниже 6 °С., следовательно, в таком выключателе необходимо предусмотреть подогреватели, поддерживающие постоянную температуру в резервуаре высокого давления. Во-вторых, необходимо иметь автономную компрессорную установку и устройства для очистки и осушения отработанного элегаза. Все это осложнило производство и эксплуатацию выключателей двух давлений и послужило причиной неширокого их распространения.

Другой способ гашения дуги в элегазе более прост и в исполнении, и в эксплуатации. В нем используется дугогасительное устройство с автопневматическим дутьем, схема которого приведена на рис. 4.7. При отключении между неподвижным контактом 1 и подвижным

72

контактом 2 возникает дуга. Вместе с контактом 2 движутся сопло 5 из фторопласта (дугостойкий изоляционный материал), перегородка 4 и цилиндр 5. Поршень 6 неподвижен. Элегаз сжимается, и его поток, проходя через сопло 3, продольно обдувает дугу и гасит ее. Дугогасительное устройство расположено в баке с элегазом при давлении 0,20—0,28 МПа. Небольшое давление делает ненужной установку для подогрева газа.

Рис. 4.7. Автопневматическое дутьевое устройство элегазового выключателя

Дугогасительная камера такой конструкции обладает высокой отключающей способностью: номинальный ток отключения при одном разрыве на номинальном напряжении 220 кВ равен 40 кА при высокой начальной скорости восстановления напряжения (больше 3 кВ/мкс). На основе унифицированных конструкций дугогасительных камер этого типа создана модульная серия элегазовых выключателей на напряжения до 750 кВ и мощности отключения до 50 ГВ∙А. Созданы опытные образцы выключателя на напряжение 1150 кВ и номинальный ток отключения до 40 кА.

Существуют и другие системы гашения дуги в элегазе, например электромагнитное гашение, при котором дуга перемещается в элегазе под действием магнитного поля и охлаждается при этом встречным потоком газа. Такая система эффективна в выключателях на большие номинальные токи отключения и на напряжения 6—20 кВ.

4.5.Особенности процессов отключения малых индуктивных и емкостных токов

При отключении больших токов (больше 100 А) гашение дуги происходит при естественном переходе тока через нуль. Опасных перенапряжений при этом не возникает, так как электромагнитная энергия контура Li2/2=0, а восстанавливающееся напряжение не превосходит двойной амплитуды рабочего напряжениясети.

При отключении токов, меньших 25 А, часто возникают «срезы» тока — досрочный переход тока через нуль (рис. 4.8). Подобные срезы могут возникать в любой точке синусоиды тока, вплоть до амплитуды. Реально такой случай может иметь место, например, при отключении холостого хода трансформатора или при отключении шунтирующего реактора.

По новейшим данным срез тока объясняется наложением на ток дуги высокочастотных колебаний в контуре LC (рис. 4.9), состоящем из находящихся по обе стороны выключателя емкостей С1 и С2 и индуктивности Lк, связывающей эти емкости.

Собственная частота колебаний fL в таком контуре обычно очень велика (десятки килогерц), так как постоянные колебательного контура малы:

С1 С2

Амплитуда высокочастотных колебаний может оказаться больше тока дуги, что и приведет к более раннему погасанию последней, в момент, когда эти токи направлены навстречу друг другу.

При отключении холостого хода трансформатора, сопровождающемся срезом тока, электромагнитная энергия, запасенная в индуктивности трансформатора, переходит в электростатическую энергию заряда емкости, шунтирующей индуктивность. Емкость эта представляет собой емкость шин и вводов трансформатора.

то U=I√ L/C.

Ток холостого хода трансформатора составляет единицы или десятки ампер, емкость трансформаторов очень мала, в то время как индуктивность, обусловленная рассеянием, достаточно велика. В результате L/C имеет порядок 10—100 кОм и кратность перенапряжения может быть большой. Эти высокие кратности получаются, несмотря на активные сопротивления и потери встали трансформаторов, демпфирующие перенапряжения.

На рис. 4.10 приведены диаграммы процесса отключения холостого хода трансформатора для двух случаев. В первом случае срез тока происходит на подъеме, а во втором — на спаде синусоиды тока.

Как показывает опыт, очень часто перенапряжения, вызванные отключением тока среза, приводят к повторным зажиганиям дуги. С одной стороны, это нежелательно, так как задерживает ликвидацию короткого замыкания, а с другой — повторное зажигание является положительным фактором, так как при этом трансформатор, хотя и на короткое время, вновь подключается через дугу к сети, что позволяет части электромагнитной энергии перейти в сеть и понизить перенапряжения.

По некоторым данным наиболее опасные перенапряжения возникают при отключении индуктивных токов, находящихся в диапазоне от 5 до 40 А.

При отключении реакторов дуга в выключателе горит более устойчиво, так как токи, которые подлежат размыканию, больше токов холостого хода трансформаторов и по форме ближе к синусоиде. Поэтому очень часто ток среза при отключении реакторов значительно меньше, чем при отключении холостого хода трансформаторов. В то же время энергия, подводимая к дуге, больше и ее деионизация проходит медленнее, чем при отключении трансформатора.

Если перенапряжения, возникающие при меньших токах среза, недостаточны для того, чтобы вызвать повторные зажигания дуги, перенапряжения не будут демпфироваться. Следовательно, в этом случае коммутационные перенапряжения будут выше, чем при отключении холостого хода трансформаторов.

74

Рис.4.10. Изменение напряжения на зажимах трансформатора при одинаковом токе среза: а – на подъёме кривой тока; б – на спаде кривой тока

Если исходить из предположения, что при прочих равных условиях токи среза в обоих случаях одинаковы, продолжительность горения дуги при отключении реактора будет больше.

При отключении опережающего зарядного тока среза тока не наблюдается, однако в сети могут возникать значительные перенапряжения. Если зарядный ток отключается в момент естественного перехода через нуль, на отключенной линии остается заряд и связанный с ним постоянный потенциал, очень медленно спадающий при отводе заряда через утечку линии. Сохраняющееся в последующие моменты времени напряжение линии равно амплитуде рабочего напряжения (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Отключение холостого хода линии высокого напряжения без повторного зажигания дуги

Напряжение на другой стороне выключателя (в сторону шин) изменяется по синусоидальному закону и через 10 мс достигает амплитуды противоположного знака, в этот момент времени межконтактный промежуток будет находиться под двойной амплитудой сетевого напряжения. Если электрическая прочность промежутка восстановится к этому моменту времени до большего значения,отключение линии произойдет без повторного зажигания дуги.

Если же по достижении сетевым напряжением амплитуды произойдет повторное зажигание дуги, то емкость, а, следовательно, и линия окажутся по отношению к земле под двойным сетевым напряжением, которое может понизиться до амплитудного значения только в том случае, если собственная частота колебательного процесса будет настолько велика, что обрыва дуги не произойдет и дуговойпромежуток останется ионизированным (рис. 4.12, а).

Очевидно, это может иметь место только при отключении достаточно коротких линий, емкость которых мала. При отключении длинных линий после обрыва дуги на них сохранится напряжение, существенно большее питающего (рис. 4.12, б).

75

Так как эти повторные зажигания возникают при каждом пике синусоидального напряжения, изоляция линии может пробиться, если не предусмотрена соответствующая защита в виде вентильных разрядников или ограничителей перенапряжений.

Точно таким жеобразом протекают процессы при отключенииконденсаторных батарей.

Рис. 4.12. Коммутационные перенапряжения при отключении емкости: а – малой; б – большой

Следовательно, отключение холостых линий высокого напряжения и конденсаторных батарей должно производиться так, чтобы не возникали повторные зажигания дуги. Это может быть обеспечено применением шунтирующих сопротивлений для двухступенчатого отключения, комбинированного дутья у малообъемных масляных выключателей или заменой воздушных и масляных выключателей на элегазовые.

Опасные коммутационные перенапряжения могут возникнуть в сетях с компенсированной нейтралью при проведении на подстанциях коммутационных операций с компенсирующими заземляющими устройствами (ЗРОМ). Если, например, от подстанции (рис. 4.13) от

Рис.4.13. Коммутационные перенапряжения на подстанции с нейтралью, заземлённой через ЗРОМ

ходит только одна линия, то при ее отключении может возникнуть режим, при котором зарядные токи в фазах А и В уже отключены, а в фазе С еще течет ток I, который замыкается на землю через трансформатор и дугогасящую катушку. Если теперь ток в фазе С будет отключен не при естественном переходе через нуль, то в момент размыкания дугогасительная катушка будет обладать электромагнитной энергией LI2/2.

76

LI2 C3U2 . 2 2

Так как, однако, дуга погасла и цепи тока не существует, а емкость линии отделена от схемы, емкость контура состоит лишь из емкости по отношению к земле сборных шин трансформатора и дугогасящей катушки. Эта маленькая емкость должна воспринять электромагнитную энергию дугогасящей катушки, т.е. при этом возникают значительные (4—5-кратные) перенапряжения.

Если к шинам подстанции присоединены несколько линий большой емкости или нейтраль на подстанции при коротком замыкании кратковременно заземляется через ограничитель перенапряжений (искусственная нулевая точка), опасных перенапряжений не возникает. Если такая схема не предусмотрена, отключение последней линий должно производиться от руки с предварительным отсоединением дугогасящей катушки.

Легко избежать трудностей отключения дугогасящей катушки включением параллельно ограничителя перенапряжений.

Для уменьшения перенапряжений при отключении малых индуктивных и емкостных токов рекомендуются следующие меры.

1.Если в выключателях на низкой и высокой стороне трансформатора применен одинаковый способ гашения дуги, отключение холостого хода трансформатора следует производить на стороне низкого напряжения (больше токи и устойчивей дуга).

2.Если в выключателях применены разные способы гашения дуги, следует отключать тем выключателем, который надежней гасит дугу.

3.Холостой ход трансформатора ни в коем случае не следует отключать одновременно обоими выключателями (с высокой и низкой сторон).

4.Следует избегать совместного отключения нескольких индуктивностей, включенных последовательно (например, главный трансформатор и регулировочный бустерный трансформатор или трансформатор и дугогасящая катушка).

5.Следует избегать отключения дугогасящих катушек, находящихся под током и не шунтированных ограничителем перенапряжений.

6.На длинных линиях высокого и сверхвысокого напряжения рекомендуется устанавливать выключатели, у которых вероятность повторных зажиганий дуги меньше, например, быстродействующие элегазовые выключатели с шунтирующими сопротивлениями.

ВОПРОСЫДЛЯСАМОПРОВЕРКИ

1.Что понимают под термической ионизацией дугового промежутка?

2.Перечислите способы гашения электрической дуги в аппаратах до 1 кВ.

3.Перечислите способы гашения электрической дуги в аппаратах свыше 1 кВ.

4.Что такое «срез тока», и к каким, последствиям это явление приводит при гашении дуги?

5.Как происходит гашение дуги в вакуумных выключателях?

6.Какие материалы применяют для контактов вакуумных выключателей?

7.Какие преимущества имеет элегаз при гашении электрической дуги?

8.Перечислите недостатки элегаза.

9.В чем преимущество дугогасительных камер с элегазом автопневматической конструкции?

10.Почему при отключении реакторов токи среза получаются меньшими, чем при отключении холостого хода трансформаторов?

11.Какие меры применяют для исключения повторных зажиганий дуги при отключении холостого хода высоковольтных линий и конденсаторных батарей?

12.Какими способами можно уменьшить величину перенапряжений при отключении малых индуктивных и емкостных токов?

77

5 ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ

КОММУТАЦИОНЫЕ АППАРАТЫ

ГЛАВА

5.1.Разъединители

5.2.Короткозамыкатели и отделители

5.3.Выключатели нагрузки

5.4.Высоковольтные предохранители

5.5.Выключатели высокого напряжения

Высоковольтные коммутационные аппараты составляют основу электрооборудования первичных (силовых) цепей электрических станций и подстанций. Надежность их работы в нормальных и аварийных режимах определяет надежность работы всей энергосистемы, поэтому конструкции высоковольтных аппаратов постоянно совершенствуются. На электрических станциях и подстанциях установлено большое число коммутационных аппаратов различных типов и серий. Чтобы грамотно эксплуатировать данное электрооборудование будущим инженерам-электрикам необходимо знать принципы работы и особенности конструктивного выполнения коммутационных аппаратов высокого напряжения.

Цель главы – рассмотреть основные типы высоковольтных коммутационных аппаратов; показать назначение, особенности конструкции, области применения; указать преимущества и недостатки различных типов и конструктивных исполнений.

ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ГЛАВЫ НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ

Назначение, конструкции, области применения разъединителей.

Назначение, конструкции, области применения короткозамыкателей и отделителей.

Назначение, особенности работы, конструкции, области применения выключателей нагрузки.

Назначение, конструкции, области применения высоковольтных предохранителей.

Назначение, особенности работы, конструкции, области применения масляных выключателей.

Назначение, особенности работы, конструкции, области применения воздушных выключателей.

Назначение, особенности работы, конструкции, области применения электромагнитных выключателей.

Назначение, особенности работы, конструкции, области применения вакуумных выключателей.

Назначение, особенности работы, конструкции, области применения элегазовых выключателей.

Особенности работы, конструкции, области применения приводов высоковольтных вы-

ключателей.

78

5.1. Разъединители

5.1.1. Общие характеристики

Разъединитель — это контактный коммутационный аппарат, предназначенный для отключения и включения электрической цепи без тока или с незначительным током, который для обеспечения безопасности имеет между контактами в отключенном положении изоляционный промежуток.

При ремонтных работах разъединителем создается видимый разрыв между частями электроустановки, оставшимися под напряжением, и аппаратами, выведенными в ремонт.

Разъединителями нельзя отключать токи нагрузки, так как контактная система их не имеет дугогасительных устройств и в случае ошибочного отключения токов нагрузки возникает устойчивая дуга, которая может привести к междуфазному КЗ и несчастным случаям с обслуживающим персоналом. Перед операцией разъединителем цепь должна быть разомкнута выключателем.

Однако для упрощения схем электроустановок допускается согласно ПТЭ использовать разъединители для производства следующих операций: отключения и включения нейтралей трансформаторов и заземляющих дугогасящих реакторов при отсутствии в сети замыкания на землю; зарядного тока шин и оборудования всех напряжений (кроме батарей конденсаторов); нагрузочного тока до 15 А трехполюсными разъединителями наружной установки при напряжении 10 кВ и ниже.

Разъединителем разрешается также производить операции, если он надежно шунтирован низкоомной параллельной цепью (шиносоединительным или обходным выключателем).

Разъединителями разрешается отключать и включать незначительный намагничивающий ток силовых трансформаторов и зарядный ток воздушных и кабельных линий (таблица).

Наибольшие токи намагничивания трансформаторов и зарядные токи линий, допустимые к отключению в наружных РУ разъединителями горизонтального типа

Значение отключаемого разъединителем тока зависит от его конструкции (вертикальное, горизонтальное расположение ножей), расстояния между полюсами, номинального напряжения установки, поэтому допустимость такой операции устанавливается инструкциями и директивными указаниями. Порядок операций при отключении намагничивающего тока трансформатора также играет важную роль. Например, трансформаторы, имеющие РПН, необходимо перевести в режим недовозбуждения, так как ток намагничивания резко уменьшается при уменьшении индукции в магнитопроводе, которая зависит от подведенного напряжения. Кроме того, при отключении ненагруженного трансформатора необходимо предварительно эффективно заземлить нейтраль, если в нормальном режиме трансформатор работал с разземленной нейтралью. Если к нейтрали трансформатора был подключен заземляющий реактор, то предварительно его следует отключить.

79

Если в цепи имеется разъединитель и отделитель, то отключение и включение намагничивающего тока и зарядных токов следует выполнять отделителями, имеющими пружинный привод, который позволяет быстро произвести эту операцию.

Разъединители играют важную роль в схемах электроустановок, от надежности их работы зависит надежность работы всей электроустановки, поэтому к ним предъявляются следующие требования:

создание видимого разрыва в воздухе, электрическая прочность которого соответствует максимальному импульсному напряжению;

электродинамическая и термическая стойкость при протекании токов КЗ; исключение самопроизвольных отключений; четкое включение и отключение при наихудших условиях работы (обледенение, снег,

ветер).

Разъединители по числу полюсов могут быть одно- и трехполюсными, по роду установки — для внутренних и наружных установок, по конструкции — рубящего, поворотного, катящегося, пантографического и подвесного типа. По способу установки различают разъединители с вертикальным и горизонтальным расположением ножей.

5.1.2. Разъединители для внутренней установки

Для внутренних установок разъединители могут быть однополюсными (РВО) или трехполюсными (РВ, РВК, РВРЗ и др.). Трехполюсные разъединители могут выполняться на общей раме или на отдельных рамах для каждого полюса. Отдельные полюсы объединяются общим валом, связанным с приводом разъединителя. На токи до 1000 А нож разъединителя изготовляется из двух медных полос, на большие токи применяются ножи из трех-четырех полос. Так же как в шинных конструкциях, наилучшее использование материала при больших токах достигается, если неподвижные контакты будут коробчатого сечения, а ножи разъединителя — корытообразной формы.

В разъединителях рубящего типа (рис. 5.1) нож вращается вокруг одного из неподвижных контактов, движение ножу передается от вала через фарфоровые тяги 8. Необходимое давление в контактах создается пружинами.

При прохождении токов КЗ создаются электродинамические усилия в местах перехода тока с пластин ножа 1 в неподвижный контакт 3, стремящиеся оттолкнуть ножи от контакта. С другой стороны, пластины ножа притягиваются друг к другу благодаря взаимодействию токов одного направления. При больших токах КЗ силы отталкивания могут оказаться больше, чем силы притяжения пластин ножа, это приведет к отбросу пластин ножа от контакта, возникновению дуги, т. е. к аварии. Чтобы избежать этого, в разъединителях предусматривается устройство магнитного замка. Он состоит из двух стальных пластин 2, расположенных снаружи ножа, которые, намагничиваясь токами КЗ, притягиваются друг к другу и создают дополнительное давление в контакте. Для уменьшения отключающего и включающего усилия применяется механизм для снятия контактного давления. Заземляющие ножи 6 могут быть расположены со стороны шарнирного или разъемного контакта, или с обеих сторон. При трехполюсной установке они закорачиваются общей медной шиной.

Заземляющие ножи имеют механическую блокировку, не разрешающую включать их при включенных главных ножах. Для управления заземляющими ножами используется ручной рычажный привод, состоящий из системы рычагов, передающих движение от рукоятки к валу (ПР), или червячный привод (ПЧ). Включение и отключение главных ножей осуществляется электродвигательным приводом (ПДВ), позволяющим производить эти операции дистанционно.

80