Глава 1
Выключатели высоковольтные.
1-1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Аппараты высокого напряжения, являясь в основном аппаратами распределительных устройств, служат для распределения мощных потоков электроэнергии и управления ими, обеспечения надежной работы энергоустановок и систем при аварийных режимах. ГОСТ 687—78регламентирует для них напряжения от3кВ и выше. В настоящее время широко используется напряжение до 750кВ. В СССР разработаны и внедряются аппараты для систем напряжением 1150кВ.
В современных мощных энергосистемах [36]номинальные токи на шинах(Uном> 110кВ) достигают 8-12кА, а на ответвлениях-до 4-5кА. На шинах генераторного напряжения (Uном = 16...27кВ) номинальные токи достигают7-50кА в зависимости от мощности генератора. Для обеспечения наиболее ответственного режима работы —режима короткого замыкания (КЗ) наибольший ток КЗ, на который создавались аппараты высокого напряжения, достиг 63кА. В системах напряжением до 420кВ ожидается возрастание токов КЗ до 80кА, а при генераторных напряжениях токи КЗ достигают 180кА.
Быстрый рост номинальных напряжений энергосистем, возрастание токов короткого замыкания и номинальных токов ставят задачи по созданию аппаратов высокого напряжения, удовлетворяющих повышенным требованиям.
К основным аппаратам распределительных устройств (не только высокого напряжения) относятся выключатели, разъединители и построенные на их базе реакторы и разрядники, а также измерительные трансформаторы тока и напряжения, предохранители. Главными являются выключатели, определяющие развитие всей этой области аппаратов. Они рассматриваются в настоящей главе. Сведения о других аппаратах приведены соответственно в последующих главах. Предохранители рассматриваются совместно с низковольтными предохранителями.
Выключатели осуществляют оперативные включения и отключения, а главное, защиту от токов КЗ. Кроме номинальных значений тока и напряжения основными показателями для них являются номинальные токи отключения, включения и электродинамической стойкости, т. е. наибольшие токи КЗ, которые выключатель способен отключить, включить и пропустить через себя не разрушаясь.
Отключение больших токов короткого замыкания —сложнейшая задача. По способу гашения дуги высоковольтные выключатели могут бытьмасляные,воздушные, элегазовые, вакуумные, электромагнитныеи др. Отдельные типы выключателей с ограниченной отключающей способностью называют выключателями нагрузки. Они рассматриваются в следующей главе.
По конструкции выключатели каждого типа в зависимости, от выполняемых функций (назначения) в схемах распределительных устройств подразделяются на генераторные, сетевыеилиподстанционные.Генераторные выключатели характеризуются большими значениями номинальных токов и большими токами отключения при меньших напряжениях, сетевые —меньшими номинальными токами и более высокими напряжениями, подстанционные —наивысшими номинальными напряжениями, наиболее высокой отключающей способностью, быстродействием и наличием автоматического повторного включения (АПВ). Аппараты различаются еще по другим характеристикам —быстродействию, наличию АПВ, исполнению — для наружной или внутренней установки, по числу фаз, по роду привода и т. д.
1-2:ВЫКЛЮЧАТЕЛИ МАСЛЯНЫЕ
Масляные выключатели -одни из первых коммутационных аппаратов в электроустановках высокого напряжения, применяются с конца прошлого столетия, не потеряли своего значения и широко используются в настоящее время. В СССР это основной вид выключателей на 6—220кВ.
Различают выключатели масляные баковые —с большим объемом масла, масло служит и как дугогасящая среда, и как изоляция, и выключателималомасляные — смалым объемом масла, масло служит только дугогасящей средой.
На напряжения 35-220кВ применяются в основном баковые выключатели. Маломасляные выключатели являются основными на напряжение до10кВ. И это положение сохранится надолго, особенно если будут повышены их номинальные токи до 4кА, а отключаемый ток -до 40— 50кА. Начинают все более широко применяться маломасляные выключатели в наружных установках на 110и220кВ при условии их достаточной отключающей способности (серия ВМТ).
Достоинства масляных выключателей —относительная простота конструкции, большая отключающая способность и независимость от атмосферных явлений. Недостатком, особенно баковых выключателей, является наличие большого количества масла, что приводит к большим габаритам и массам как самих выключателей, так и распределительных устройств, повышенной пожаро- и взрывоопасности, необходимости специального масляного хозяйства.
1 — бак; 2 — дугогасительная камера' с неподвижными контактами и шунтирующим резистором; 3 — изоляция бака; 4 — ввод; 5 — приводной механизм;6 — трансформатор тока; 7 — направляющее устройство; 8 — шунтирующий резистор; 9 - изоляционная тяга; 10 -траверса с подвижными контактами;II — положение траверсы после отключения
Выключатели масляные баковые.Эти выключатели на напряжение до 20кВ и относительно малые токи отключения выполняются большей частью однобаковыми (три полюса в одном баке), на напряжение 35кВ и выше -трехбаковыми (каждая фаза в отдельном баке) с общим или индивидуальными приводами. Выключатели могут снабжаться электромагнитными или пневматическими приводами и работают с автоматическим повторным включением (АПВ).
Основой конструкции выключателя (рис. 1-1)является бак цилиндрической или эллипсоидальной формы, внутри которого и на нем монтируются контактная и дугогасительные системы, вводы и привод. Бак заливается до определенного уровня трансформаторным маслом. Между поверхностью масла и крышкой бака должен остаться некоторый свободный объем (обычно 20 — 30 %объема бака) — воздушная буферная подушка, сообщающаяся с окружающим пространством через газоотводную трубку. Воздушная подушка снижает давление, передаваемое на стенки бака при отключении, исключает выброс масла из бака и предохраняет выключатель от взрыва при чрезмерном давлении.
Высота уровня масла над местом разрыва контактов должна быть такой, чтобы исключить выброс в воздушную подушку горячих газов, выделяющихся при отключении вследствие разложения масла. Прорыв этих газов может при определенных их соотношениях привести к образованию взрывчатой смеси (гремучего газа) и взрыву выключателя. Высота уровня масла над местом разрыва контактов определяется номинальными напряжениями и током отключения и может составлять от 300—600мм в выключателях на напряжение 6—10кВ и до 2500мм в выключателях на напряжение 220кВ.
При напряжениях 3—6кВ и малых отключаемых токах применяется простой разрыв в масле. При напряжениях 10, 35кВ и выше в зависимости от значений напряжения и отключаемого тока используются как простые, так и более сложные дугогасительные устройства с продольным, поперечным, продольно-поперечным дутьем,с одно- и многократным разрывом.
Пример дугогасительной камеры с промежуточным контактом и продольным дутьем, применяемой в выключателях на 110и 220кВ, приведен на рис. 9-2.При отключении сначала размыкаются контакты 2и 1,а затем контакты 1и 8.Дуга между контактами 2и 1(генерирующая) создает повышенное давление в верхней полукамере. Газопаровая смесь и частички масла устремляются в сообщающийся с объемом бака полый контакт 8,создавая интенсивное продольное дутье и гася дугу. При отключении больших токов давление в камере к моменту расхождения контактов 1и 8достигает 4-5МПа. После отключения камера заполняется свежим маслом через нижнее отверстие полукамеры 7.
Масляные баковые выключатели на напряжение 35кВ и выше имеют встроенные трансформаторы тока. На внутреннюю часть проходного изолятора надеты, и укреплены под крышкой выключателя сердечники со вторичными обмотками (один или два на изолятор). Токоведущий стержень проходного изолятора служит первичной обмоткой. Выключатели на напряжение 110кВ и выше могут иметь емкостные трансформаторы напряжения, для выполнения которых используются обкладки маслонаполненных вводов конденсаторного типа, и трансформаторы напряжения с индуктивной катушкой.
Выключателя маломасляные.В отличие от масляных баковых выключателей масло служит здесь только дугогасящей средой, а изоляция токоведущих частей и дугогасительного устройства относительно земли осуществляется с помощью твердых изоляционных материалов (керамика, текстолит, эпоксидные смолы и т.п.). Диаметры цилиндров у этих выключателей значительно меньше по сравнению с диаметрами баков масляных баковых выключателей, соответственно намного меньше объем и масса заливаемого в цилиндры масла. Меньшая, чем у бакового выключателя, прочность корпуса по отношению к давлениям, создаваемым при отключении предельных токов короткого замыкания, ограничивает отключающую способность маломасляного выключателя.
Рис. 1-2. Дугогасительная камера с промежуточным контактом и продольным дутьем.
1—промежуточный контакт с пружиной; 2— неподвижный контакт с пружиной; 3 — верхняя полукамера, металлическая; 4 — детали соединения с токоподводящим стержнем; 5 — гибкая связь; б — перегородка; 7 — нижняя полукамера, изоляционная; 8 — подвижный контакт.
Маломасляные выключатели имеют существенно меньшие габариты и массу, меньшую взрыво- и пожароопасность и требуют меньших и более дешевых распределительных устройств по сравнению с масляными баковыми выключателями. Наличие в маломасляных выключателях встроенных трансформаторов тока и емкостных трансформаторов напряжения значительно усложняет конструкцию выключателей и увеличивает их габариты, поэтому маломасляные выключатели выполняются без органической связи с такими трансформаторами.
Выключатели по компоновке выполняются с дугогасительными камерами внизу (ход подвижного контакта сверху вниз) и с камерами, расположенными сверху (ход подвижного контакта снизу вверх). Последние более перспективны в отношении повышения отключающей способности. Применяются выключатели для внутренней установки как распределительные и генераторные и для внешней установки как распределительные и подстанционные.
На рис. 1-3приведен общий видвыключателя типа ВМПЭ-10на 10кВ и токи630, 1000, 1600А (в зависимости от сечения токопровода и контактов), номинальный ток отключения 20и 31,5кА, время отключения выключателя с приводом0,12с, время горения дуги при номинальных токах отключения не более, 0,02с. Выключатель смонтирован на сварной раме 3.Внутри рамы расположен приводной механизм, который передает движение от привода к подвижным контактам и состоит из приводного вала 5с рычагами, изоляционной тяги 4,отключающих пружин, масляного б и пружинного демпферов. К раме с помощью изоляторов 2подвешены три полюса 1выключателя.
Каждый полюс (рис. 1-4)состоит из прочного влагостойкого изоляционного цилиндра 5,армированного на концах металлическими фланцами 3и 6.На верхнем фланце укреплен корпус 9из алюминиевого сплава. Внутри корпуса расположены приводной механизм 13и подвижная контакт-деталь 14 сроликовым токосъемным устройством с роликовым токосъемным устройством8и маслоуловителем12.Корпус закрывается крышкой10, имеющей отверстие для выхода газов и пробку11маслоналивного отверстия.
Рис. 1-3. Выключатель маломасленый на 10 кВ для внутренней установки (тип ВМПЭ-10) – общий вид.
Рис. 1-4. Полюс выключателя, изображенного на рисунке 1-3.
Нижний фланец закрывается крышкой 1,внутри которой расположена неподвижная розеточная контакт-деталь 2,над которой установлена дугогасительная камера 4поперечного масляного дутья. Снизу крышки помещена маслоспусковая пробка 16,на фланце установлен маслоуказатель 15.
Для повышения стойкости контактов к действию электрической дуги и увеличения срока их службы съемный наконечник подвижной контакт-детали и верхние торцы ламелей розеточного контакта облицованы дугостойкой металлокерамикой. Токоподвод осуществляется к нижней крышке и к верхней крышке или среднему выводу 7.Выключатель может иметь встроенные элементы защиты и управления, такие, как реле максимального тока мгновенного действия и с выдержкой времени, реле минимального напряжения, отключающие электромагниты, вспомогательные контакты и т. п.
Общий вид маломасляного генераторного выключателяприведен на рис. 1-5.Особенностью конструкций этих выключателей является токопровод, имеющий два параллельных контура: основной, контакты которого расположены открыто, и дугогасительный, контакты которого находятся в дугогасительных камерах внутри бака. На рис. 1-6представлена функциональная электри ческая схема выключателя, изображенного на рис. 1-5.Основной контур образуют токоподвод 11,токоведущая шина 70,основные контакты 9,основная шина траверсы 8и соответствующие позиции 9, 10 я 11второго бака. Дугогасительный контур —основная шина 10,медные скобы 12,соединяющие основную шину с баком, стенки бака 3,неподвижный дугогасительный контакт 13,дуга (в момент отключения) 14,подвижный дугогасительный контакт 15и соответствующие позиции 15, 14, 13, 3. 12, 10второго бака. При включенном положении выключателя оба контура работают параллельно. Преобладающая часть тока проходит через основной контур, имеющий по сравнению с дугогасительным значительно меньшее сопротивление. При отключении сначала размыкаются основные контакты, дуга на них не возникает, весь ток переходит в дугогасительный контур. Затем размыкаются дугогасительные контакты, отключая цепь. Выключатели выполняются с двукратным разрывом на фазу, с камерами различной конструкции.
Рис. 1-5. Выключатель маломасляный генераторный (тип МГУ-20)
1—основание; 2 — опорный изолятор; 3, 5—бак; 4 — внутриполюсная перегородка; б — междуполюсная перегородка; 7 — газоотвод; 8 - траверса с шинами основного и дугогасительного контуров; 9-основные контакты; 10 — токоведущая шина; 11 — токоподвод
Рис. 1-6. Функциональная электрическая схема выключателя, изображенного на рис. 1-5:
а—включенное положение; б—момент отключения
Рис. 1-7. Выключатель маломасляный колонковый для внешней установки
1 - основание; 2 и 9 - неподвижные контакты; 3 — опорная изоляционная колодка; 4 - роликовый токоподвод; 5 — фарфоровая рубашка; 6 — подвижный контакт; 7 — дугогасительное устройство; 8 — промежуточный контакт; 10 — изоляционный цилиндр
Для увеличения номинального тока применяется искусственный обдув контактной системы и подводящих шин. В последние годы находит применение жидкостное (водяное) охлаждение контактов и шин.
Выключатель маломасляный для внешней установки(распределительный, подстанционный) показан на рис. 1-7.Выключатель состоит из трех основных частей:
гасительных устройств, помещенных в фарфоровые рубашки; фарфоровых опорных колонок и основания (рамы). Изоляционный цилиндр, охватывающий дугогасительное устройство, защищает фарфоровую рубашку от больших давлений, возникающих при отключении. Число разрывов на фазу может быть один, два и больше. Расположение камеры сверху более перспективно для повышения отключающей способности.
1-3.ВЫКЛЮЧАТЕЛИ ВОЗДУШНЫЕ
Воздушные выключатели [2], в которых гашение дуги осуществляется потоком сжатого воздуха, получили весьма широкое распространение и во многих случаях вытеснили масляные. Они позволили перейти к классам напряжения 750и 1150кВ и в основном применяются:
как сетевыена напряжение 6—1150кВ с номинальными токами до 4000А и токами отключения до 63кА;
как генераторныена напряжение 6-20кВ с номинальными токами до 20кА и токами отключения до 160кА;
как выключатели нагрузки на 6—220кВ и 110—500кВ и выключатели комплектных распределительных устройств на напряжение до 35кВ.
Ожидается, что в ближайшее время появятся сетевые выключатели на напряжение 1500—2000кВ с номинальными токами 10—15кА и токами отключения100—120кА и генераторные выключатели на номинальные токи до 50кА с токами отключения до 300кА.
Выключатели выпускаются различного климатического исполнения, для различных категорий размещения и различного вида установки (опорные, подвесные, настенные, выкатные и др.).
Независимо от типа и конструкции воздушный выключатель состоит из трех основных частей: дугогасительного устройства с отделителем или без него, системы снабжения сжатым воздухом и системы управления. Система управления выполняется с одним пневматическим приводом с механической передачей, с индивидуальной пневматической передачей, с пневмомеханической передачей, с пневмогидравлической передачей и пневмосветовой передачей.
Гашение дуги в выключателях осуществляется сжатым воздухом номинальным давлением 0,6—5МПа в различных камерах продольного и поперечного, одностороннего и двустороннего дутья,с соответствующим напряжению числом последовательно включенных разрывов.
В выключателях с отделителемразмыкание дугогасительных контактов и гашение дуги осуществляются одним и тем же потоком сжатого воздуха, поступающего из отдельного резервуара. Контакты (один или оба) выполнены в виде контактно-поршневых механизмов. Во включенном положении выключателя в дугогасительном устройстве и в отделителе все контакты замкнуты. При подаче команды на отключение сжатый воздух из резервуара подается в дугогасительную камеру, размыкает контакты и гасит дугу. Обычно параллельно контактам включается шунтирующий резистор, облегчающий гашение дуги. После погасания дуги на основных дугогасительных контактах размыкается отделитель, который отключает оставшийся ток. Отделитель может выполняться открытым (до 35кВ) или в виде воздухонаполняемых камер. После погасания дуги на отделителе подача воздуха в дугогасительные камеры прекращается и контакты под действием пружин замыкаются. Контакты же отделителя остаются разомкнутыми, обеспечивая необходимое изоляционное расстояние для разомкнутой цепи.
Рис. 1-8. Коструктивная схема воздушного выключателя ВВП-35.
В выключателях без отделителяшироко применяются воздухонаполненные металлические камеры (резервуары), в которых размещены дугогасительные устройства. Привод контактов отделен от гасящей среды. При размыкании контактов открываются выхлопные клапаны камер и сжатый воздух, вытекая из камер через соответствующие сопла контактов, гасит дугу. Контакты могут выполняться одно- и двухступенчатыми. Число последовательно включенных дугогасительных устройств определяется номинальным напряжением выключателя. Изоляционный промежуток в отключенном положении обеспечивается расхождением этих же контактов на соответствующее расстояние. Ниже приведены примеры исполнения выключателей.
Конструктивная схема воздушного выключателя (ВВП-35) сконтактно-поршневым механизмом и открытым отделителем приведена на рис. 1-8.Выключатель состоит из трех механически связанных полюсов (на рисунке приведен разрез одного полюса), смонтированных на общем основании (резервуаре 1),и распределительного шкафа (на рисунке не показан). На резервуаре установлены:
дугогасительные устройства 5на опорных изоляторах 2,неподвижные контакты 12отделителя 10на изоляторах 16,электропневматическое устройство 17(одно на три полюса) для управления встроенным в резервуар дифференциальным клапаном 18 и привод (на рисунке не показан), управляющий отделителем через вал 15и изоляционные штанги 14.Полюсы выключателя (отделителя) разделены между собой изоляционными перегородками 11и имеют выводы 7и 13.
При открытии дифференциального клапана сжатый воздух из резервуара через полость опорного изолятора поступает в дугогасительную камеру, давит на контактно-поршневой механизм 8,размыкает контакты (неподвижный 3,подвижный 6)и через сопло подвижного контакта выдувает и гасит дугу. Пламя дуги охлаждается в пламегасительной решетке 9.Для облегчения гашения дуги контакты шунтированы резистором 4.После погасания дуги отделитель 10размыкается и отключает оставшийся ток.
Длительность времени подачи дутья в дугогасительную камеру регулируется механизмом пневматической отсечки электропневматического устройства. После того как дифференциальный клапан закроется, подача воздуха в камеру прекратится, давление в ней упадет и подвижный контакт под действием пружины контактно-поршневого механизма возвратится на место, контакты замкнутся. Однако цепь останется разомкнутой отделителем.
Генераторные выключатели.Функциональная электрическая схема полюса и общий вид выключателя ВВГ-20 (Uном = 20кВ, Iном = 20кА, Iоном = 160кА, сквозной ток 410кА) с воздухонаполненным отделителем приведены на рис. 9-9.Полюс выключателя состоит из основного токоведущего контура —выводов 1и 4и разъединителя (основного контакта) 2,основных дугогасительных контактов 7 а 10, которые шунтированы резисторами 8и 11соответственно, вспомогательных дуго гасительных контактов б, отделителя 9и разрядника 3 снелинейным резистором 5.
Рис. 1-9. Функциональная электрическая схема полюса (а) и общий вид (б) генераторного воздушного выключателя ВВГ с воздухонаполненным отделителем.
Все устройства монтируются на баке и снабжаются соответствующими электропневматическими приводами. Выключатель состоит из трех одинаковых полюсов, связанных между собой воздуховодами, и распределительного шкафа.
Во включенном положении большая часть тока протекает через основной токоведущий контур. При отключении сначала размыкается основной контакт 2и весь ток переходит в дугогасительный контур. Затем размыкаются основные дугогасительные контакты 7и 10;ограниченный резисторами 8и 11ток протекает через вспомогательные дугогасительные контакты 6.После их размыкания и погасания дуги ток в цепи прекращается и размыкается отделитель 9,обеспечивая необходимый изоляционный промежуток. Разрядник служит для ограничения перенапряжений при отключении (в случае их возникновения). После прекращения подачи сжатого воздуха контакты б, 7и 10под действием пружин возвращаются во включенное положение.
Выключатели серии ВВБ.Общий вид и функциональная схема дугогасительного устройства без отделителя приведены на рис. 1-10.В металлическом резервуаре (камере) б, заполненном воздухом под высоким давлением (1,6—2,4МПа), размещается дугогасительное устройство с двумя разрывами (контакты —подвижные 8,неподвижные 9)одностороннего дутья (сопло 4).Резервуар находится под высоким потенциалом. Напряжение подводится через выводы 13с эпоксидной изоляцией 14,защищенные снаружи фарфоровыми рубашками 12.Основные разрывы (контакты 8и 9)шунтированы линейными резисторами 10,что облегчает гашение дуги на них. Оставшийся ток отключается вспомогательными дугогасительными разрывами (контакты—неподвижный 15,подвижный, полый, он же сопло 17— закрыты кожухом 1).Камеры могут выполняться и без вспомогательных контактов, а следовательно, и без шунтирующих резисторов. Полное гашение осуществляется на основных разрывах. Конденсаторы (делительные) 11служат для выравнивания напряжения по разрывам в отключенном положении выключателя.
Рис. 1-10. Общий вид (а) и функциональная схема (б) дугогасительного устройства без отделения выключателей серии ВВБ.
Рис. 1-11. Полюс выключателя серии ВВБ на 220 кВ.
Контакты камеры управляются пневмоэлектрическими механизмами 18.При подаче воздуха в цилиндр 2поршень 3,связанный с траверсой 7,размыкает основные контакты. Одновременно открываются клапаны 19выхлопных каналов сопел. Сжатый воздух устремляется наружу (показано стрелками), гасит дугу в соплах. Аналогично гасится дуга на вспомогательном разрыве. После погасания дуги выхлопные клапаны сопел закрываются. Давление внутри резервуара несколько снижается. Объем резервуара и давление в нем рассчитаны так, что камера способна выполнить несколько отключений. При этом давление в резервуаре не упадет ниже допустимого для надежного гашения дуги.
В отключенном положении контакты удерживаются давлением в цилиндре 2.Для включения выключателя воздух из цилиндра выпускается через клапан 16.Возвратный механизм 5замыкает контакты. Соответственно управляются и вспомогательные разрывы.
Камера устанавливается на изоляционную опору 20,через которую проходят воздуховоды —основной 22(высокого давления) и управления 21.
Приведенное дугогасительное устройство принято как модуль на 110—150кВ для выключателей до 750 кВ без отделителей. Каждый выключатель состоит из трех полюсов, не имеющих между собой механической связи, и одного (35, 110, 220кВ) или четырех (330, 500и 750кВ) распределительных шкафов. Отсутствие механической связи между полюсами позволяет выполнять трехфазное или пополюсное отключение.
Полюсы выключателей на 35, 110кВ состоят из одной дугогасительной камеры-модуля (одного резервуара б -рис. 1-10),расположенной на изоляционной опоре. Полюс выключателей на 220кВ (рис. 1-11)состоит из двух металлических дугогасительных камер 1,разделенных промежуточным изолятором 2и расположенных на соответствующей изоляционной опоре 3.Полюсы выключателей на 330, 500 и 750кВ состоят соответственно из двух, трех и четырех однотипных элементов (четырех, шести и восьми модулей), каждый из которых представляет собой полюс выключателя на 220кВ на соответствующей изоляционной опоре, (показано штрихпунктирными линиями).
Выключатели воздушные серии ВВБКвыпускаются на напряжение 110-1150кВ, номинальный ток 3200и 4000А, номинальный ток отключения 50-40кА, номинальное давление сжатого воздуха 4МПа, время отключения 0,04с.
Эти выключатели являются дальнейшим шагом в развитии конструктивных принципов, заложенных в серии ВВБ. Отличительными их особенностями являются повышенное рабочее давление воздуха и усовершенствованное дугогасительное устройство с несимметричным дутьем, что позволило повысить напряжение модуля (220и 330кВ —два модуля, 500и 750кВ —четыре модуля, 1150кВ —шесть модулей). Выключатели снабжены новой быстродействующей системой управления.
Тенденции в развитии современных воздушных выключателей.
1.Модульный принцип построения серий.Этот принцип позволяет строить серии в весьма большом диапазоне напряжений (35—1150кВ) из одинаковых модулей, производить по модульные испытания и иметь максимально выгодные условия производства, эксплуатации и монтажа. Наметилась тенденция существенного увеличения напряжения, приходящегося на один модуль (250кВ и выше).
2.Размещение дугогасительных устройств непосредственно в сжатом воздухе. При этом обеспечиваются максимальная коммутационная способность, быстродействие, изоляционная прочность межконтактных промежутков и пропускная способность по номинальному току. Наибольшее применяемое сейчас давление достигает6-8,5МПа.
3.Применение быстродействующих систем управления с малым разбросом времени оперирования.Основным назначением таких систем является обеспечение работы выключателей на очень высокие напряжения с временем отключений до одного полупериода, а также выключателей с синхронным отключением или включением.
4.Ограничение коммутационных перенапряжений,что особенно важно для выключателей высших классов напряжения.
5.Повышение надежности и увеличение межремонтных сроков до 15—20 лет.
6.Введение принудительного охлаждения для генераторных выключателей.
1-4.ВЫКЛЮЧАТЕЛИ ЭЛЕГАЗОВЫЕ
Конструкции элегазовых выключателей выполняются в основном с автокомпрессорным дутьемилимагнитным дутьем.
При первом способе электрическая дуга охлаждается элегазом, который перетекает из резервуара высокого давления (около 1МПа) в резервуар низкого давления (0,3МПа), т. е. используется тот же принцип, что и в воздушном выключателе. Схема дугогасительного устройства с автокомпрессорным продольным дутьем приведена на рис. 1-12,а. Подвижный контакт 2вместе с изоляционным соплом 3,перегородкой 4и цилиндром 5,отходя от неподвижного контакта 1,надвигается на поршень 6.Элегаз через отверстия в перегородке и сопло омывает дугу с большой скоростью и гасит ее через 0,02-0,03с.
Рис. 1-12. Схемы дугогасительных устройств элегазовых выключателей:
а – с явтокомпрессорным дутьем; б – с магнитным дутьем.
Рис. 1-13. Схема полюса элегазового выключателя для КРУЭ на 220 кВ
Избыточное давление в этих выключателях получается за счет энергии привода, и оно значительно. Ввиду этого здесь применяется пневматический привод. Поскольку давление, необходимое для гашения дуги, появляется в процессе движения контактов, то снижение времени гашения дуги (в частности, до 0,01с) такое дугогасительное устройство не может обеспечить.
Схема дугогасительного устройства с магнитным дутьем приведена на рис. 1-12,6.Устройство размещается в изоляционном цилиндре 1,наполненном элегазом. На дугу, возникающую между расходящимися контактами 2и 3,действует радиальное магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами 4(или последовательной катушкой). Дуга быстро перемещается по окружности, усиленно охлаждается и гаснет. Такие устройства применяются в выключателях нагрузки.
Для комплектных распределительных устройств с элегазовой изоляцией (КРУЭ) напряжением 110и 220кВ ВЭИ и ЛенПО «Электроаппарат» разработали, изготовили и испытали выключатели сIном = 2000А,Iо ном = 40кА, временем отключения 0,065с, временем гашения 0,080с, номинальным давлением элегаза0,7МПа, номинальным давлением привода 2,0МПа [36].
Схема полюса элегазового выключателя для КРУЭ на 220кВ приведена на рис. 1-13.Неподвижный контакт 5прикреплен к баку 1на литом изоляторе 6.Выключатель имеет два дугогасительных устройства 4 савтокомпрессорным дутьем (см. рис. 1-12,а), они же подвижные контакты. Дугогасительные устройства соединены последовательно перемычкой 3,равномерное распределение напряжения между устройствами обеспечивается керамическими конденсаторами 8.Подвижный контакт 4приводится в движение изоляционной штангой 9через рычажный механизм 11.Подвижный контакт и конденсаторы закрыты экраном 2.Цилиндр 10 изолирует контакты 4от бака. Выключатель заполнен элегазом (при давлении0,55МПа). Неподвижные контакты 5выведены из бака через вводы элегаз -элегаз. Изоляционная перегородка 7ввода герметизирует объем бака и позволяет сохранить элегаз в выключателе при отсоединении его от КРУЭ.
1-5.ВЫКЛЮЧАТЕЛИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ
Выключатели электромагнитные обладают теми достоинствами, что для своей работы не требуют ни масла, ни сжатого воздуха, ни тем более элегаза, они допускают большое число включений. Однако отключающая способность их ограничена по напряжению. Гашение в электромагнитных выключателях основано на воздействии на ствол дуги и достижении падения напряжения на стволе дуги, большего приложенного. Они находят применение как выключатели для КРУ на напряжение 6—20кВ, токи до 3200А при частых коммутациях (выключатели нагрузки —выключатели в цепях мощных двигателей и других нагрузок).
Гашение дуги здесь осуществляется при помощи магнитного дутья в камерах с продольными (прямыми, извилистыми и т. п.) щелями. Катушки магнитного дутья и токопроводы к ним обычно при замкнутых контактах не обтекаются током. При отключении возникающая дуга перебрасывается на эти детали и включает их последовательно в цепь тока. Возбуждается поле гашения дуги. Дуга гаснет, ток в цепи обрывается. Таким образом, эти детали находятся под током только на время гашения —примерно 0,02с.
Рис. 1-14. Контактная и дугогасительная системы электромагнитного выключателя.
На рис. 1-14,а представлена схема контактной и дугогасительной систем электромагнитного выключателя. Контактная система состоит из основных 1и 2и дугогасительных 3и 10контактов, последние имеют дугостойкие напайки. Дугогасительная система состоит из изоляционной камеры 4и охватывающего камеру П-образного магнитопровода 5,на среднюю часть которого надета дугогасительная катушка 6.Внутри камеры размещен пакет дугогасительных керамических пластин 8,расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. В нижней части пластины имеют вырезы, постепенно сужающиеся кверху. Пластины образуют постепенно сужающуюся зигзагообразную щель (рис. 1-14,6).По бокам пакета укреплены дугогасительные рога. Рог 7электрически соединен только с дугогасительной катушкой. Второй конец катушки присоединен к неподвижному контакту. Рог 9соединен с подвижным контактом. При замкнутых контактах катушка не обтекается током. Возникающая при размыкании контактов дуга движется сначала под действием только электродинамических сил контура (положения А и Б) и перебрасывается этими силами на рога 7и 9.При этом в контур тока включается дугогасительная катушка, и созданное ею магнитное поле загоняет дугу в решетку (положенияВ, ГиД),где и происходит ее гашение. Многие дугогасительные устройства имеют пламегасительные решетки.
В системах с электромагнитным дутьем затруднено гашение малых токов ввиду соответственно малых электродинамических сил, подчас недостаточных для растяжения дуги и переброса ее на рога. Поэтому многие конструкции снабжаются небольшим автопневматическим устройством, связанным с подвижной системой и действующим на начальном этапе расхождения контактов.
Все три полюса выключателя монтируются на стальной сварной раме, имеющей катки. В нижней части рамы расположен привод. Как правило, привод электромагнитный, но может быть и другой. На опорных фарфоровых изоляторах, закрепленных на вертикальной стойке рамы, укреплены контактная и дугогасительная системы. Токоподводы при встройке выключателя в КРУ снабжаются втычными контактами. Подвижные контакты трех полюсов связаны изоляционными тягами с общим валом выключателя. Дугогасительная камера и контакты каждого полюса закрыты изоляционным кожухом, отделяющим полюсы выключателя друг от друга и от стенок распределительного устройства.
Механическая износостойкость выключателей-до 50000циклов, коммутационная — 5000отключений.
1-6.ВЫКЛЮЧАТЕЛИ ВАКУУМНЫЕВ
В вакуумных выключателях гашение дуги происходит в высоком вакууме. Высокие дугогасящие свойства этой среды позволили создать выключатели на напряжение до 35 кВ.Благодаря своим преимуществам вакуумные выключатели вытесняют другие выключатели, в том числе и электромагнитные, особенно в диапазоне напряжений 6—10 кВ. Основные их преимущества:
отсутствие компрессорных установок, масляного хозяйства, а также необходимости в пополнении и замене дугогасящей среды;
высокая механическая и коммутационная износостойкость (до 5-105и 106операций соответственно);
минимум обслуживания, бесшумность и чистота, снижение эксплуатационных затрат (почти в два раза), срок службы 25лет;
полная взрыво- и пожаробезопасность. Недостатками вакуумных выключателей являются:
трудности разработки и изготовления, связанные с созданием вакуумно-прочных материалов и специальных контактных материалов, сложностью вакуумного производства;
большие капитальные вложения, необходимые для организации массового производства.
Дугогасительное устройство (ДУ) выключателя выполняется как герметичный сосуд, давление внутри которого равно 1,33(10-4....10-6) Па. Нажатие подвижного контакта на неподвижный создается за счет атмосферного давления. При больших номинальных токах ставится дополнительная контактная пружина.
Рис. 1-16. Выключатель вакуумный на 1600 А серии ВВЭ-10
Пример конструкции вакуумного ДУ приведен на рис. 1-15.ДУ представляет собой изоляционный (керамический) вакуумно-прочный ребристый цилиндр 10, закрытый фланцами 2.Внутри цилиндра расположены неподвижные контакт 8 итокоподвод 9,подвижные контакт 6 и токоподвод 3 (7 —дугогасительные контакты). Для снижения переходного сопротивления применяется многоточечный торцевой контакт. Токоподвод 3связан с корпусом сильфоном 1,чем и обеспечивается возможность перемещения контакта. Сильфон представляет собой цилиндрическую гармошку, выполненную из нержавеющей стали. Внешние шины присоединяются к токоподводу 9жестко, а к токоподводу 3 —с помощью гибких проводников. Для выравнивания электрического поля и защиты цилиндра 10от попадания на него металлических частиц (при отключении) служат экраны 4и 5.
Выключатели вакуумные серии ВВЭ-10(рис. 1-16)выпускаются на напряжение10кВ частотой 50и 60Гц, номинальные токи 630—3200А, отключаемые токи20—31,5кА при включаемых ударных токах 52—80кА.
На основании (выкатной тележке) 5установлены дугогасительные устройства 2 полюсов с токоподводами 1и электромагнитный привод 4.Привод с системой рычагов и пружин осуществляет управление контактами —размыкание, удержание контактов в разомкнутом положении и обеспечение их замыкания. Выключатель снабжен соответствующим числом вспомогательных контактов для цепей управления и сигнализации. На фасадной панели 3размещаются все вспомогательные устройства.