Кафедра ЭС и ЭЭС

Высоковольтны выключатели: основные вопросы

Работа №1

Цель работы:

1.Изучить условия возникновения, горения и гашения электрической дуги на контактах выключателя.

2.Ознакомиться с назначением, конструктивными частями и параметрами выключателей.

3.Ознакомиться с типами выключателей в зависимости от применяемой среды гашения дуги.

Выключатель - это основной высоковольтный коммутационный аппарат, предназначенный для включения и отключения переменного тока в любых возможных нормальных и аварийных режимах цепи в схемах станций и подстанций :

• длительная нагрузка;

• перегрузка;

• короткое замыкание (КЗ);

• холостой ход;

• несинхронное включение (для генераторов).

Наиболее тяжелыми режимами для выключателя является отключение КЗ или включение на существующее КЗ.

В настоящее время все высоковольтные выключатели являются механическими, т.е. включение и отключение производится за счет перемещения контактов.

При размыкании контактов в цепи высокого напряжения с током возникает электрический разряд в виде дуги. Дуга обладает высокой проводимостью и высокой температурой. Из-за высокой проводимости после разведения контактов цепь тока не прерывается, а высокая температура разрушающе действует на контакты выключателя. По этим причинам дуга сразу после разведения контактов должна быть погашена.

Дуга и её гашение

В дуге различают около катодное пространство, ствол дуги и околоанодное пространство. Все напряжение распределяется между этими областями U_K, U_сд, U_a. Катодное падение напряжения в дуге постоянного тока 10 — 20 В, а длина этого участка составляет 10^-4—10^-5 см, таким образом, около катода наблюдается высокая напряженность электрического поля (10⁵—10⁶ В/см) (Рис.1).

Рис. 1. Распределение напряжения U (а) и напряженности Е (б)

в ста­ционарной дуге

При таких высоких напрженностях происходит ударная ионизация. Суть ее заключается в том, что электроны, вырванные из катода силами электричесго поля (автоэлектронная эмиссия) или за счет нагрева катода (термоэлектронная эмиссия), разгоняются в электрическом поле и при ударе в нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если этой энергии достаточно, чтобы оторвать один электрон с оболочки нейтрального атома, то произойдет ионизация. Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют плазму канала дуги. Проводимость плазмы приближается к проводимости металлов [γ = 2500 1/(Ом• см)]. В стволе дуги проходит большой ток и создается высокая температура, в зависимости от условий она может быть от 6000 К до 18000К.

Высокие температуры в стволе дуги приводят к интенсивной термоионизации, которая поддерживает большую проводимость плазмы. Термоионизация — процесс образования ионов за счет соударения молекул и атомов, обладающих большой кинетической энергией при высоких скоростях их движения. Чем больше ток в дуге, тем меньше ее сопротивление, а поэтому требуется меньшее напряжение для горения дуги, т. е. дугу с большим током гасить труднее.

Таким образом, дуговой разряд начинается за счет ударной ионизации и эмиссии электронов с катода, а после зажигания дуга поддерживается термоионизацией в стволе дуги. Чтобы погасить дугу надо, чтобы в ней процесс рекомбинации возобладал над процессом термоионизации, а для этого ее надо интенсивно охлаждать. С этой целью контакты выключателя помещают в различные среды, которые кроме охлаждающего действия могут обладать и другими факторами деионизации дуги. Для интенсификации охлаждения часто применяют интенсивное дутье в область горения дуги.

Связь между током и напряжением на дуге носит ярко выраженный нелинейный характер, что отражается вольт-амперной характеристикой электрической дуги на переменном токе приведенной на рис.2. Дуга зажигается в точках1 и 3, а гаснет в точках 2 и 4.

Рис.2 ВАХ электрической дуги. Рис.3 Ток в дуге i и напряжение на дуге u_Д .

При переменном токе напряжение источника питания и_с меняется синусоидально, так же меняется ток в цепи i (рис.3) , причем ток отстает от напряжения примерно на 90°. Напряжение на дуге и_Д, горящей между контактами выключателя, непостоянно. При малых токах напряжение возрастает до величины и_з (напряжения зажигания), затем по мере увеличения тока в дуге и роста термической ионизации напряжение уменьшается. В конце полупериода, когда ток приближается к нулю, дуга гаснет при напряжении гашения и_Г. В следующий полупериод явление повторяется, если не приняты меры для деионизации промежутка.

Если дуга погашена теми или иными способами, то напряжение между контактами выключателя должно восстановиться до напряжения питающей сети. Однако поскольку в цепи имеются индуктивные, активные и емкостные сопротивления, возникает переходный процесс, появляются колебания напряжения (рис. 4), амплитуда которых u_вmax может значительно превышать нормальное напряжение. Для выключателя важно, с какой скоростью восстанавливается напряжение на участке АВ и как быстро восстанавливается электрическая прочность между контактами выключателя сразу после погасания электрической дуги. Отключение будет успешным, если прочность будет восстанавливаться быстрее, чем нарастать восстанавливающееся напряжение и наоборот. Оба возможных варианта показаны на рис.5. Если напряжение на контактах превысит электрическую прочность между контактами, то произойдет повторный пробой, и дуга загорится вновь.

Рис.4 Восстанавливающееся напряжение Рис.5 Электрическая прочность и восста-

на контактах. навливающееся напряжение

Многократный разрыв цепи тока. Отключение боль­шого тока при высоких напряжениях затруднительно. Это объяс­няется тем, что при больших значениях подводимой энергии и восстанавливающегося напряжения деионизация дугового про­межутка усложняется. Поэтому в выключателях высокого напря­жения применяют многократный разрыв дуги в каждой фазе (рис. 6). Такие выключатели имеют несколько гасительных уст­ройств, рассчитанных на часть номинального напряжения. Чис­ло разрывов на фазу зависит от типа выключателя и его напря­жения. Чтобы облегчить гашение дуги, восстанавливающееся на­пряжение должно равномерно распределяться между разрывами. Для выравнивания напряжения параллельно глав­ным контактам выключателя ГК включают емкости или активные сопротивления. В выключателях с шунти­рующими сопротивлениями после гашения дуги между ГК со­провождающий ток через сопротивления разрывается вспомогательными контактами ВК. Шунтирующие сопротивления уменьшают скорость нарастания восстанавливающегося напряжения, что облегчает гашение дуги.

Рис.6. Делители напряжения на разрывах:

а – ёмкостные делители; б – активные делители.

Дуга между контактами может гаситься в масле, в струе сжатого воздуха, в элегазе и в вакууме. Поэтому по конструктивным особенностям и способу гашения дуги различают следующие типы выключателей:

• масляные;

• воздушные;

• элегазовые;

• вакуумные.

Масляные выключатели. Масляные выключатели появились в конце прошлого столетия и приблизительно до 1930 г. являлись единственным видом отключающего аппарата в сетях высокого напряжения. Различают масляные выключатели двух видов — баковые и маломасляные. Методы деионизации дугового промежутка в этих выключателях одинаковы. Различие заключается лишь в изоляции контактной системы от заземленного основания и в количестве масла.

В масляных выключателях для образования газового дутья используется энергия самой дуги. Чем больше отключаемый ток, тем больше энергия дуги тем выше давление и сила дутья в гасительной камере, тем эффективнее деионизация межконтактного промежуткаи и быстрее восстанавливается его электрическая прочность.

В баковых выключателях дугогасительные устройства полюсов помещены в заземленный бак, заполненный маслом, которое используется в качестве газогенерирующего вещества, а также для изоляции контактной системы от заземленного бака. Эти выключатели применяются на напряжения 35, 110 и 220 кВ и имеют встроенные трансформаторы тока.

В маломасляных выключателях масло служит только газогенерирующим веществом. Для изоляции токоведущих частей используют фарфор, стеклопластик, текстолит и другие изоляционные материалы. Маломасляные выключатели применяют для номинальных напряжений от 6 до 220 кВ.

Воздушные выключатели. В этих выключателях гашение дуги происходит в потоке воздуха при давлении 2 – 4 МПа и выше. Воздушные выключатели применяются с номинальным напряжением от 110 до 1150 кВ.

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, что препятствует процессу ионизации. 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. По конструкции различают баковые и колонковые элегазовые выключатели.

В колонковых выключателях дугогасящие устройства с контактами крепятся на изоляционной колонке, которая изолирует их от земли.

В баковых выключателях дугогасящие устройства с контактами расположены в металлических заземленных баках, от которых контакты изолируются элегазом. В баковых выключателях есть встроенные трансформаторы тока.

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. В этих условиях удары частиц о стенки камеры происходят значительно чаще, чем соударения между частицами. Пробивное напряжение вакуума во много раз превосходит пробивное напряжение в воздухе при том же расстоянии между электродами. При столь высокой электрической прочности расстояние между отключенными контактами может быть очень малым (2 — 2,5 см), поэтому размеры вакуумной камеры могут быть также относительно небольшими. Тем не менее, в первый момент расхождения контактов с них испаряется небольшое количество металла. За счет паров металла образуется относитьльно слабая дуга. В следствие глубокого вакуума (10^-4-10^-6) при первом переходе отключаемого тока через нуль дуга гаснет. Процесс восстановления электрической прочности промежутка между контактами при отключении тока протекает в вакууме значительно быстрее, чем в газах.

В настоящее время масляные и воздушные выключатли еще эксплуатируются, но уже не производятся. Производятся только вакуумные и элегазовые выключатели.