Электрические и электронные аппараты распределительных устройств и подстанций горных предприятий. Учебное пособие

6 6

10

4

3

Рис. 6.3. Общий вид полюса высоковольтного воздушного выключателя: 1 – рама; 2 – шкаф управления; 3 – опорный изолятор; 4 – воздуховоды; 5 – дугогасительные камеры; 6 – шунтирующие конденсаторы; 7 – промежуточный изолятор; 8 – токоведущая перемычка; 9 – фарфоровые изоляторы; 10 – контактные клеммы

81

Общий вид высоковольтного электромагнитного выключателя представлен на рис. 6.4.

Принцип действия электромагнитного выключателя заключается

втом, что при воздействии магнитного поля на дугу она удлиняется и загоняется в дугогасительную камеру узкощелевого типа, где, соприкасаясь со стенками камеры, охлаждается.

На стальной раме (13) с помощью изоляторов (11) установлена дугогасительная камера (5) и катушка магнитного дутья (12) с магнитными полюсами (14), охватывающими камеру. Подвижный контакт (2) совершает возвратно-поступательные движения на опорном изоляторе (1) с помощью тяги. Электромагнитный выключатель обладает главными (3) и дугогасительными контактами (7). При размыкании дугогасительных контактов возникающая между ними дуга под действием электродинамических сил перемещается вверх, постепенно удлиняясь и уменьшаясь в диаметре. Неподвижный контакт отделен от дугогасительного рога изоляционным промежутком, необходимым для того, чтобы катушка магнитного дутья включалась лишь в момент перехода основания дуги на дугогасительный рог (4). При малых токах отключения (десятки ампер) электродинамические силы на начальном этапе развития дуги не достаточны для ее вхождения в дугогасительное устройство. Для устранения этого недостатка имеется автопневматическое устройство (6). Поршень автопневматического устройства связан с подвижным контактом выключателя и приводит к выбросу струи сжатого воздуха по трубопроводу автопневматического устройства на контактную поверхность неподвижного дугогасительного контакта, облегчая тем самым условия перехода дуги на дугогасительный рог.

Элегазовые выключатели – одни из самых современных высоко-

вольтных выключателей. Шестифтористая сера (SF6) – элегаз -пред- ставляет собой газ без цвета и запаха, не горюч, инертен, нагревостоек до 800 ˚С. Элегаз обладает низкой теплопроводностью, плотность его почти в 5 раз выше плотности воздуха. Под влиянием электрической дуги происходит разложение элегаза с образованием химически активных соединений, которые могут вызывать разрушение изоляционных и конструкционных материалов. Для поглощения этих веществ

вэлегазовых выключателях имеются сорберы из активированного

алюминияAl2O3, которые поглощают как газообразные продукты разложения, так и влагу.

82

Рис. 6.4. Общий вид высоковольтного электромагнитного выключателя: 1 – опорный изолятор; 2 – подвижный контакт; 3 – главные контакты; 4 – дугогасительный рог; 5 – дугогасительная камера; 6 – автопневматическое устройство; 7 – дугогасительные контакты; 8 – контакты дугогасительной камеры; 9 – элемент крепления главных

контактов; 10 – токоведущая шина; 11 – изоляторы; 12 – катушка магнитного дутья; 13 – стальная рама; 14 – магнитные полюса

83

Вэлегазовых выключателях гашение дуги происходит так же, как

ив воздушных выключателях, при интенсивном охлаждении дуги потоком газа. В отличие от воздушных выключателей в дугогасительных устройствах элегазовых выключателей истечение газа через сопло происходит не в атмосферу, а в замкнутый объем камеры, заполненный элегазом при небольшом избыточном давлении.

Элегазовые выключатели по способу гашения электрической дуги подразделяются:

• на элегазовый выключатель с системой продольного дутья.

Вэтом выключателе предварительно сжатый элегаз поступает из резервуара при относительно высоком давлении. В дугогасительном устройстве обеспечиваются две степени давления;

•элегазовый выключатель с автокомпрессионным дутьем. В этом выключателе присутствует встроенное компрессионное устройство.

Вдугогасительном устройстве присутствует одна ступень давления;

•элегазовый выключатель с электромагнитным дутьем. В этом выключателе гашение дуги обеспечивается в результате ее перемещения

свысокой скоростью в неподвижном элегазе по кольцевым электродам под воздействием радиального магнитного поля, создаваемого отключаемым током;

•элегазовый выключатель с электромагнитным продольным дутьем. В этом выключателе гашение дуги происходит за счет повышения давления в элегазе при его разогреве электрической дугой, вращающейся в специальной камере под действием магнитного поля.

Выключатели серии ВГБ-35 относятся к электрическим коммутационным аппаратам высокого напряжения, в которых гасящей средой является элегаз.

Общий вид выключателя ВГБ-35 приведен на рис. 6.5. Выключатель состоит из трех полюсов, размещенных в одном баке (3), и управляется электромагнитным приводом (5) 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 (5), отключение – за счет отключающих пружин выключателя, взведение, которых происходит в процессе включения. Бак (3), вмещающий в себя трехполюсное контактно-ме- ханическое устройство (КМУ), укомплектован шестью вводами (1) со встроенными трансформаторами тока (2) типа ТВЭ-35, клапаном (4).

84

Бак (3) заполняется на заводе-изготовителе элегазом, соответствующим ТУ 6-02-1249. Давление заполнения, приведенное к 20 °С, указано в технических данных. Внутри, на дне бака, закреплен тканевый мешок с адсорбентом, который поглощает как возможную влагу, так и газообразные продукты разложения, образующиеся при горении дуги.

1

2

3

4

5

Рис. 6.5. Элегазовый выключатель серии ВГБ-35:

1 – вводы; 2 – встроенные трансформаторы тока; 3 – бак; 4 – клапан; 5 – электромагнитный привод

В настоящее время элегазовые выключатели применяются во всех классах напряжений от 6 до 750 кВ при давлении 0,15…0,6 МПа. Ведущими мировыми производителями элегазовых выключате-

лей являются корпорации ALSTOM, SIEMENS, Merlin Gerin, АВВ и др. Освоен выпуск и отечественных элегазовых выключателей ПО «Уралэлектротяжмаш».

85

Вакуумные выключатели в настоящее время являются доминирующими высоковольтными выключателями для электрических сетей напряжением 6…35 кВ. Доля вакуумных выключателей, выпускаемых в Европе и США, достигает 30 %, в Японии – 50 %. В России динамика использования высоковольтных вакуумных выключателей постоянно повышается. В настоящее время использование высоковольтных вакуумных выключателей составляет порядка 20 %. Ведущим отечественным производителем является компания «Таврида электрик».

Первые разработки вакуумных выключателей были начаты

в30-е годы ХХ в. Действующие модели могли отключать небольшие токи при напряжениях до 40 кВ. Достаточно мощные вакуумные выключатели в те годы так и не были созданы из-за несовершенства технологии изготовления вакуумной аппаратуры и прежде всего из-за возникших в то время технических трудностей по поддержанию глубокого вакуума

вгерметизированной камере. Для создания надежно работающих вакуумных дугогасительных камер, способных отключать большие токи при высоком напряжении электрической сети, потребовалось выполнить обширную программу исследовательских работ. Переход от единичных опытных образцов вакуумных выключателей к их серийному промышленному производству начался с 1977 г., поскольку потребовал проведения дополнительных интенсивных исследований и разработок, направленных на отыскание эффективного способа предотвращения опасных коммутационных перенапряжений, возникающих из-за преждевременного обрыва тока до его естественного перехода через ноль.

На рис. 6.6 представлен высоковольтный вакуумный выключатель серии ВРС-110. Это первый вакуумный выключатель на напряжение 110 кВ с одним разрывом на фазу. Основные технические параметры выключателя ВРС-110:

86

5

4

3

2

1

Рис.6.6. Высоковольтный вакуумный выключатель серии ВРС-110: 1 – электромагнитный привод; 2 – стойки рамы выключателя;

3 – опорные изоляторы с вакуумными дугогасительными камерами; 4 – выходные контактные клеммы; 5 – вводные контактные клеммы

Электрическая прочность вакуума значительно выше прочности других сред, применяемых в высоковольтных выключателях. Это объясняется увеличением длины среднего свободного пробега электронов, атомов, ионов и молекул по мере уменьшения давления. В ваку-

87

уме длина свободного пробега частиц превышает размеры вакуумной камеры. 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, проводит электрический ток, поэтому ток протекает между контактами до момента его перехода через нуль. В момент этого перехода 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 тоже время на разведенных контактах восстанавливается приложенное к ним напряжение.

Достоинства высоковольтного вакуумного выключателя:

•простота конструкции;

•надежность;

•высокая коммутационная износостойкость;

•небольшие размеры;

•пожаро – и взрывобезопасность;

•отсутствие шума при коммутациях;

•отсутствие загрязнения окружающей среды;

•удобство эксплуатации;

•низкие эксплуатационные расходы.

Недостатки высоковольтного вакуумного выключателя:

•сравнительно небольшие номинальные токи и токи отключения;

•возможность коммутационных перенапряжений при отключении малых индуктивных токов;

•небольшой ресурс дугогасительного устройства по отключению токов короткого замыкания.

6.3.Измерительные высоковольтные аппараты

Кизмерительным высоковольтным аппаратам следует отнести измерительные трансформаторы тока и напряжения. Измерительные трансформаторы применяются в установках переменного тока, для изоляции измерительных цепей и расширения пределов измерения измерительных приборов. Включение измерительных приборов непосредственно в высоковольтную цепь сделало бы прикосновение

кним опасным. Конструкция таких приборов, в этом случае, была

бы сильно усложнена, изоляция токоведущих частей должна была бы

88

быть рассчитана на высокое напряжение, а их сечение – на большие токи. Измерительные трансформаторы делят на трансформаторы тока и трансформаторы напряжения.

Измерительный трансформатор тока – трансформатор, предназначенный для преобразования тока до значения, удобного для измерения. В зависимости от погрешности различают следующие классы точности трансформаторов: 0,2; 0,5; 1,0; 3,0.

Трансформаторы тока классифицируются: 1. По назначению:

•измерительные;

•защитные;

•промежуточные (для включения измерительных приборов в то-

ковые цепи релейной защиты, для выравнивания токов в схемах дифференциальных защит и т.д.);

•лабораторные.

2. По роду установки:

•для наружной установки;

•для закрытой установки;

•встроенные в электрические аппараты;

•накладные;

•переносные.

3. По конструкции первичной обмотки:

• многовитковые (катушечные, с петлевой обмоткой и с восьмерочной обмоткой);

5. По изоляции:

• с сухой изоляцией (фарфор, литая эпоксидная изоляция и т.д.);

• бумажно-масляной изоляцией;

• заливкой компаундом.

6. По числу ступеней трансформации:

Первичную обмотку трансформатора тока включают последовательно в линию, в которой измеряют или контролируют ток. В цепь вторичной обмотки трансформатора тока включают прибор с малым

89

сопротивлением (амперметр, токовая катушка ваттметра, реле и т.д.). Первичные номинальные токи трансформаторов тока стандартизированы, в пределах от 5 до 15 000 А. Для вторичных номинальных токов установлены стандартные значения 5 А и в специальных случаях 1 А.

Условия работы трансформатора тока близки к короткому замыканию вторичной обмотки силового трансформатора. Зная коэффициент трансформации тока, т.е. отношение чисел витков вторичной и первичной обмоток, легко определить ток в первичной контролируемой цепи по показанию амперметра во вторичной цепи.

Особенностью трансформаторов тока является то, что при их работе нельзя размыкать вторичную цепь. При размыкании цепи вторичной обмотки ток в ней становится равным нулю, тогда как в первичной обмотке ток останется неизменным. Намагничивающая сила первичной обмотки трансформатора тока, не встречая противоположно направленной намагничивающей силы вторичной обмотки, создает в магнитопроводе очень большой магнитный поток, который индуктирует во вторичной обмотке очень большую ЭДС (до нескольких киловольт). Такая ЭДС опасна для жизни человека и может вызвать пробой изоляции вторичной обмотки.

Основными номинальными параметрами измерительного трансформатора тока являются:

1. Номинальный коэффициент трансформации kном – отношение номинального первичного тока трансформатора к его номинальному вторичному току

kном = II1ном .

2ном

2. Относительная погрешность трансформации – разность между номинальным коэффициентом и действительным коэффициентом трансформации, выраженная в процентах от первичного тока трансформации,

∆I = k1ном I2 ном − I1 ном .

% I1 ном

3. Угловая погрешность – угол между вектором первичного тока и повернутым на 180˚ вектором вторичного тока. Угловая погрешность считается положительной, если повернутый вектор вторичного тока опережает вектор первичного тока.

90