Вопрос 9

ВЫКЛЮЧАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ

Выключатели предназначены для включения и отключения элек­трических цепей в самых различ­ных условиях, а именно: в нормаль­ных режимах, когда ток относитель­но невелик и отстает или опережа­ет по фазе напряжение сети; при к. з., когда токи исчисляются десят­ками и даже сотнями тысяч ампер, а сдвиг по фазе между напряжени­ем и током близок к я/2. Парамет­ры восстанавливающегося напря­жения могут быть самыми различ­ными. Выключатель должен не только отключить поврежденную цепь, но также включить ее повтор­но и, если замыкание не устранено, вновь отключить. Как всякий аппа­рат, включенный последовательно в цепь, выключатель должен обла­дать динамической и термической стойкостью, соответствующей ожи-даемому току к. з. Он должен также проводить номинальный продол­жительный ток в течение неограни­ченного времени без чрезмерного превышения температуры токове-дущих частей.

Конструкция выключателя опре­деляется номинальным напряжени­ем, током к.з., подлежащим отклю­чению, и требованиями к быстро­действию. Немаловажное влияние на конструкцию выключателя имеет номинальный продолжительный ток, достигающий в выключателях 35 кВ и выше 4—6 кА, а в выклю­чателях генераторного напряжения 20—30 кА.

Время отключения выклю­чателя слагается из: а) собст­венного времени выключателя t_соб — от момента подачи команды на отключение до момента начала размыкания дугогасительных кон­тактов и б) времени дуги t_д — от момента размыкания дугогаси-тельных контактов до момента по­гасания дуги во всех полюсах. Время отключения выключателей 110 кВ и выше составляет 80— 40 мс (4—2 периода). Стремятся к дальнейшему его снижению. Отсю­да вытекает ряд требований к си­стеме управления и приводу. Время отключения выключателей 6—20 кВ составляет 0,1—0,2 с. Полное время отключения цепи при к.з. t_отк слагается из време­ни срабатывания релей­ной защиты t_защ и времени от­ключения выключателя t_п-

Время включения вы­ключателя исчисляют от мо­мента подачи команды на включе­ние до момента замыкания дугога-сительных контактов. Время автоматического повторно­го включения t_повт исчисляют

от момента срабатывания релейной защиты на отключение до момента повторного замыкания дугогасн-тельных контактов. Интервал вре­мени от момента погасания дуги во всех полюсах до момента возобнов­ления тока в каком-либо из полюсов выключателя называют бестоко­вой паузой t_бТ.

Конструкция выключателя дол­жна обеспечивать безопасность, легкий доступ к движущимся час­тям и длительную работу контактов и всего выключателя без ремонта. Выключатели, предназначенные для наружной установки, должны быть приспособлены для работы при низкой температуре, дожде, го­лоледе и других неблагоприятных условиях. Желательно, чтобы раз­меры выключателя были по воз­можности невелики, что способству­ет уменьшению площади, занимае­мой РУ.

Применение получили выключа­тели следующих видов: 1) масля­ные; 2) воздушные; 3) элегазовые; 4) электромагнитные; 5) вакуум­ные. Дальнейшая классификация выключателей может быть проведе­на по номинальному напряжению, коммутационной способности, номинальному продолжительному току, быстродействию и другим призна­кам. Таким образом, разнообразие выключателей велико, однако вы­ключатели каждого вида имеют свою область применения, опреде­ляемую их особенностями, характе­ристиками и стоимостью.

Выключатели, удовлетворяю­щие перечисленным выше требова­ниям, принято называть силовы­ми выключателями в отли­чие от выключателей на­грузки (§ 12-2), предназначенных для отключения цепей только в нор­мальных режимах, но не при к.з.

МАСЛЯНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

В масляных выключателях кон­такты размыкаются в масле, одна­ко вследствие высокой температуры дуги, образующейся между контак­тами, масло разлагается и дуговой разряд происходит в газовой среде. Приблизительно половину этого газа (по объему) составляют пары масла. Остальная часть состоит из водорода (около 70%) и углеводо­родов различного состава. Газы эти горючи, однако в масле горение не­возможно из-за отсутствия кисло­рода. Количество масла, разлагае­мого дугой, невелико, однако объем образующихся газов велик: 1 г ма­сла дает приблизительно 1500 см³ газа, приведенного к комнатной температуре и атмосферному давле­нию.

Гашение дуги в масляных вы­ключателях происходит наиболее эффективно при применении гаси­тельных камер, которые ограничи­вают зону дуги, способствуют повы­шению давления в этой зоне и обра­зованию газового дутья сквозь дуго­вой столб. На рис. 11-1 приведена схема простейшей гасительной ка­меры. В процессе отключения кон­тактный стержень перемещается вниз. Между контактами возникает дуга. Происходит интенсивное газо­образование, и давление газа в ка­мере быстро увеличивается. Пока контактный стержень находится в камере, потоки газа направлены радиально. Происходит интенсивное перемешивание относительно хо­лодного газа, образующегося у по­верхности масла, с горячим ионизи­рованным газом в дуговом столбе. Весь газ приобретает высокую тур­булентность, способствующую деионизации. Однако дуга не может погаснуть до тех пор, пока расстоя­ние между контактами

не достиг­нет некоторого минимального зна­чения, определяемого отключаемым током и восстанавливающимся на­пряжением. Этот минимальный промежуток образуется раньше, чем подвижный контакт выходит из ка­меры. Когда стержень покидает пределы камеры, газы с силой вы­брасываются наружу. Возникает га­зовое дутье, направленное вдоль дугового столба и облегчающее га­шение дуги. После ее погасания кон­тактный стержень продолжает свое движение, чтобы обеспечить необ­ходимое изоляционное расстояние в отключенном положении.

В масляном выключателе нап­ряжение на дуге относительно ве­лико (по крайней мере в 3 раза больше, чем в воздушном выключа­теле). Энергия, выделяющаяся в дуговом промежутке, расходуется на разложение масла и ионизацию газа. При отключении тока к. з. про­цесс восстановления электрической прочности промежутка между контактами протекает исключительно быстро (значительно быстрее, чем в воздушном выключателе). Поэто­му дугогасительное устройство мас­ляного выключателя при одинако­вом отключаемом токе может быть рассчитано на вдвое большее на­пряжение и большую скорость вос­станавливающегося напряжения.

Давление в гасительной камере масляного выключателя и сила дутья приблизительно пропорцио­нальны отключаемому току. При отключении тока к. з. давление до­стигает 3—8 МПа. Номинальный отключаемый ток масляного выклю­чателя ограничивается механичес­кой прочностью камеры, ее способ­ностью выдерживать возникающее давление. При отключении малого тока давление в камере и восста­навливающаяся электрическая проч­ность дугового промежутка невели­ки, поэтому возможно повторное зажигание дуги. Быстрое расхож­дение контактов устраняет эту опас­ность. В новейших конструкциях га­сительных камер с этой целью при­меняют также устройства для направленного движения масла в область горения дуги.

Масляные выключатели отно­сятся к группе газогенерирую щих выключателей. Их на­зывают также автогазовыми, так как для образования газа и де­ионизации дугового промежутка используется энергия самой дуги. Применение получили масляные выключатели двух типов: 1) много­объемные и 2) малообъемные. Ме­тоды деионизации дугового проме­жутка в выключателях обоих типов одинаковы. Различие заключается лишь в изоляции токоведущих час­тей и количестве масла.

Многообъемные или баковые масляные выключатели. Такое на­звание получили выключатели, в которых масло служит не только газогенерирующим веществом, но также изоляцией. Выключатели этого типа не так давно имели ши­рокое применение на всех ступенях номинального напряжения. В на­стоящее время область их применения резко уменьшилась. В отечест­венных энергосистемах их приме­няют при определенных условиях, только в наружных РУ 35—220 кВ. Характерным для выключате­лей рассматриваемого типа являет­ся наличие общего для трех полю­сов стального заземленного бака

или отдельных баков для каждого полюса. В качестве примера на рис. 11-2 приведен разрез полюса выключателя производственного объединения (ПО) «Уралэлектро-тяжмаш» с номинальным напряже­нием 220 кВ и номинальным отклю­чаемым током 40 кА. Время отклю­чения составляет 0,08 с (4 периода). Бак 1 имеет цилиндрическую форму с расширяющейся верхней частью, приспособленной для уста­новки проходных изоляторов 2 и встроенных трансформаторов то­ка 3 (4 шт. на полюс). Внутренняя поверхность бака выложена изоляционным материалом 4. К нижним фланцам изоляторов прикреплены гасительные камеры 5 (две камеры на полюс) с шунтирующими резис­торами 6. Подвижные контакты ук­реплены на траверсе 7, приводимой в движение изоляционной штангой 8 и системой рычагов 9. В положе­нии «отключено» контактная тра­верса находится внизу, несколько выше днища бака (см. пунктир).

Бак выключателя залит мас­лом. Под крышкой остается некото­рый объем воздуха («воздушная по­душка»), который при сильном га­зообразовании и повышении давле­ния в баке вытесняется наружу через газоотводную трубу (на ри­сунке не показана). Слой масла над гасительными камерами дол­жен быть достаточным, чтобы обес­печить надежное охлаждение га­зов, образующихся в процессе от­ключения, до соприкосновения их с воздухом под крышкой. Б против­ном случае возможно их воспламе­нение.

Масса рассматриваемого вы­ключателя (три фазы.) без масла составляет 28 т. Масса масла 27 т. Выключатель подлежит установке на бетонном основании высотой 0,5—0,8 м над уровнем земли. Не­защищенные токоведущие части находятся на недоступной высоте и не представляют опасности для лю­дей, обслуживающих установку.

При ремонте выключателя не­обходимо спустить масло. С этой целью предусматривают соответст­вующие трубопроводы и емкости. Для доступа к контактной системе в стенках баков предусмотрены ла­зы достаточного размера, плотно закрывающиеся крышками на бол­тах. В зимнее время возможен подо­грев масла с помощью соответству­ющего устройства 10.

Баковые масляные выключате­ли просты в изготовлении. Стои­мость их относительно невысока. Наличие встроенных трансформато­ров тока также является их досто­инством. В связи с усовершенство­ванием конструкций дугогаситель-ных устройств опасность взрыва и пожара практически исключена. Однако большой объем масла за­трудняет доступ к контактной си­стеме и ремонт выключателя. Фун­даменты под баковые выключатели должны быть рассчитаны на значи­тельные импульсные нагрузки. По­этому выключатели этого типа по­степенно вытесняются более совер­шенными малообъемными масляны­ми и воздушными выключателями.

Малообъемные масляные вы­ключатели. Такое название полу-Чили выключатели, в которых мас­ло служит только газогенерирую­щим веществом. Для изоляции то­коведущих частей используют фар­фор, стеклопластик, текстолит и другие твердые изоляционные ма­териалы. Малообъемные масляные выключатели имеют меньшие раз­меры и массу но сравнению с бако­выми выключателями. Относитель­но небольшое содержание масла облегчает уход и ремонт и исклю­чает опасность взрыва.

Контактная систем а и дугогасительное устройство полюса мало-объемного масляного выключателя заключены в бачок относительно небольшого размера, изолирован­ный от заземленного основания. Бачки могут быть металлическими (в ранних конструкциях для напря­жений до 20 кВ) или из стеклопла­стика. В качестве примера на рис. 11-3,а приведен разрез бачка весь­ма распространенного выключателя типа ВМП-10 (выключатель мало­объемный подвесной для напряже­ния 10 кВ), предназначенного для внутренней установки. Бачок состо­ит из трех частей: нижней — метал­лической с зажимом 1 и встроенным розеточным контактом 2; средней 3 из стеклопластика с встроенным га­сительным устройством 4 (послед­нее имеет центральное отверстие для подвижного контактного стерж­ня и поперечные щели на разной высоте для выхода газов); верхней металлической части, в которой раз­мещены подвижный контактный стержень 5 с направляющими 6 и роликовыми контактами 7 для токо­съема, рычажная система 8 для передачи движения подвижному

кон­такту от вала 9, а также маслоотделитель 10. Бачок закрыт крышкой 11 с отверстием для выхода газов, образующихся в процессе отключе­ния. Уровень масла находится не­сколько выше гасительного устрой­ства.

В положении «включено» конец контактного стержня находится в розетке неподвижного контакта (рис. 11-3,6). В процессе отключе­ния контактный стержень переме­щается вверх и в нижней части бач­ка зажигается дуга, разлагающая масло. В начале своего движения

де круглых стержней 5 прикрепле­ны к контактной траверсе и входят в бачки через проходные изолято­ры. В положении «включено» (рис. 11-5, а) большая часть тока проходит от зажима 6 по крышке бачка к главным контактам 1—2, траверсе 3 и далее к зажиму второ­го бачка. Небольшая часть тока от­ветвляется от основного пути и про­ходит по стенкам первого бачка, ро-зеточному контакту 4, подвижному контактному стержню 5 к траверсе и далее аналогично ко второму бач­ку. В процессе отключения (рис. 11-5,6) сначала размыкаются главные контакты и весь ток смещается в ду-гогасительные контакты. При размы­кании последних зажигаются дуги в нижних отсеках бачков, угаса­ющие в гасительных камерах по ме­ре продвижения контактных стерж­ней. При включении выключателя сначала замыкаются дугогаситель-ные, а затем главные контакты.

Гасительные камеры состоят из ряда дисков из изоляционного мате­риала, скрепленных шпильками. В дисках имеются вырезы, образую­щие центральный канал для кон­тактного стержня, а также «карма­ны» для масла и выхлопные каналы для газов — продуктов разложения масла. Давление в камерах дости­гает 8 МПа, что способствует обра­зованию сильного газового дутья, направленного радиально и отчасти вдоль канала дуги. После угасания дуги газы выходят из бачков через маслоотделители по газоотводным трубам (на рисунке не показаны), Масляные пары конденсируются, и масло стекает в бачки.

Контактные траверсы с подвиж­ными контактными стержнями при­водятся в движение в процессе от­ключения мощными отключающими пружинами с помощью изоляцион­ных штанг 7, соединенных через пе-редаточиый механизм с валом вык­лючателя.

Малообъемные масляные вы­ключатели 35—220 кВ предназначе­ны в основном для наружной уста­новки. Она имеют бачки из стекло­пластика с фарфоровым покрытием от дождя и снега. Бачки установле­ны на полых фарфоровых изолято­рах, заполненных маслом. Три такие колонки устанавливают на общем заземленном основании и снабжают

общим приводом (трехполюсное ис­полнение) или каждую колонку ус­танавливают на особом основании и снабжают особым приводом (од­нополюсное исполнение). В ка­честве примера на рис. 11-6 по­казан внешний вид выключателя ти­па МС-110 для номинального напря­жения ПО кВ, номинального про­должительного тока 2000 А и номи­нального тока отключения 31,5 кА. Выключатель имеет два разрыва на полюс. Гасительные устройства раз­мещены в двух бачках и снабжены шунтирующими резисторами. Про­изводственное объединение «Урал-электротяжмаш» разрабатывает аналогичные конструкции малообъ­емных масляных выключателей для напряжений 220 и 330 кВ с номи­нальным отключаемым током от 12,5 до 31,5 кА.

Как видно из приведенных ри­сунков, малообъемные масляные выключатели в отличие от много­объемных не имеют встроенных в выключатель измерительных транс­форматоров тока. Приходится пре­дусматривать трансформаторы тока в виде отдельных аппаратов, уста­навливаемых рядом с выключате­лем.

ВОЗДУШНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

В воздушных выключателях деионизация дугового промежутка происходит в потоке сжатого возду­ха, вытекающего из гасительной камеры в атмосферу через металлическое соп­ло, по оси которого

расположен дуговой промежуток. Наибольшее распространение полу­чили гасительные устройства с дву­сторонним дутьем и полыми кон­тактами, ■ являющимися одновременно соплами, через которые воздух вытекает из камеры в атмо­сферу (рис. 11-11). При размыка­нии контактов дуга сдувается пото­ком воздуха с торцов на внутренние поверхности контактов или вспомо­гательные электроды, расположен­ные по оси.

Давление воздуха в камерах мощных воздушных выключателей составляет 2—4 МПа. Скорость ис­течения воздуха зависит от попереч­ного сечения канала. Наименьшая скорость имеет место в камере. По мере приближения к соплам (кон­тактам) поперечное сечение канала уменьшается, скорость истечения воздуха увеличивается, а давление уменьшается. Условия истечения воздуха из гасительной камеры и отключающая способность выклю­чателя зависят помимо других фак­торов от расстояния между контак­тами. Если это расстояние слишком велико, отключающая способность гасительного устройства понижена, так как часть дугового столба нахо­дится в зоне, где скорость воздуха относительно мала, т. е. в условиях, менее благоприятных для деиониза­ции. Расстояние между контактами не должно быть и слишком малым, так как при этом сечение канала оказывается недостаточным. Опти­мальное расстояние между контак­тами можно определить из опыта. В новейших выключателях с камера­ми двустороннего дутья оптималь­ный промежуток между контактами составляет всего 25—35 мм.

Вследствие высокой температу­ры дуги плотность газа в столбе много меньше, чем в окружающем пространстве (приблизительно в 20 раз). Поэтому скорость газа внут­ри дугового столба значительно вы­ше скорости в соседних слоях (ско­рость обратно пропорциональна кор­ню квадратному из плотности). В пограничном слое возникают значи­тельные срезывающие силы, образу­ющие вихри, поэтому весь объем приобретает высокую турбулент­ность.

Истечению воздуха из сопла пре­пятствует дуга, Вследствие значительного выделения энергии в дуго­вом столбе воздух, поступающий в сопло, нагревается, диссоциирует и увеличивает свой объем. У входа в сопло образуется пузырь из горяче­го воздуха, препятствующий истече­нию воздуха из сопла. При большом

токе сопло оказывается закупорен­ным в течение большей части полу­периода. При этом дуга действует как клапан, который открывается незадолго до того, как ток достига­ет нулевого значения.

После угасания дуги восстанавли­вающееся напряжение оказывается приложенным к короткому проме­жутку, заполненному горячим иони­зированным газом с малой электри­ческой прочностью. Скорость восста­новления электрической прочности определяется охлаждением горячих газов и удалением ионизированного газа из промежутка потоком свеже­го воздуха. Это требует времени и поэтому процесс восстановления электрической прочности промежут­ка замедляется. На рис. 11-12 приве­дены типичные кривые пробивного напряжения дугового промежутка воздушного выключателя. Они име­ют S-образную форму. При этом ос­новная стадия процесса восстанов­ления электрической прочности про­текает со скоростью, не превышающей 1—2 кВ/мкс, и наступает спустя 10—15 мкс после момента нулевого значения тока. С увеличением от­ключаемого тока запаздывание уве­личивается, а скорость восстановле­ния электрической прочности умень­шается. Предельное значение про­бивного напряжения составляет око­ло 5 кВ/мм на каждый мегапаскаль давления воздуха. Нижняя пунктир­ная кривая соответствует случаю не­удовлетворительной работы выклю­чателя, поскольку процесс восста­новления электрической прочности промежутка протекает слишком медленно. Приведенные характерис­тики объясняют известное свойство воздушных выключателей — «чувст­вительность» к скорости восстанав­ливающегося напряжения, отличаю­щее их от масляных выключателей.

Наибольший ток, который может быть отключен гасительным устрой­ством воздушного выключателя, за­висит от давления воздуха, площади сечения отверстия сопла и скорости восстанавливающегося напряжения. С увеличением давления и сечения выходного отверстия сопла отключа­ющая способность выключателя уве­личивается. Вместе с этим увеличи­ваются расход воздуха, объем реси­вера (стальной цилиндр у основания выключателя с запасом сжатого воз­духа) и размеры клапанов. До по­следнего времени давление воздуха в воздушных выключателях не пре­вышало 2 МПа. Новейшие выключа­тели с большой отключающей спо­собностью работают при давлении воздуха 4 МПа. Опыт показывает, что оптимальные условия работы гасительного устройства воздушного выключателя с одним разрывом при давлении воздуха 2 МПа соответст­вуют напряжению 55—60 кВ и при давлении 4 МПа — напряжению 110—125 кВ. Выключатели для бо­лее высоких номинальных напряже­ний строят только с многократным разрывом цепи, с несколькими гаси­тельными устройствами, включен­ными последовательно.

Конструкции воздушных выклю­чателей весьма разнообразны. Они могут быть разделены на следующие основные группы: 1) выключа­тели с опорожняющимися гаситель­ными камерами и отделителями; 2) выключатели воздухонаполненные без отделителей.

Выключатели с опорожняющимися камерами и отделителями относятся к ранним конструкциям. Отде­литель представляет собой дополни­тельное коммутационное устройство (типа разъединителя), включенное последовательно с гасительным уст­ройством выключателя. Необходи­мость в отделителе возникает в вы­ключателях с опорожняющимися га­сительными камерами, т. е. камера­ми, в которые сжатый воздух посту­пает кратковременно, только в про­цессе отключения. Давлением воз­духа размыкаются контакты. При этом образующийся промежуток соответствует оптимальным услови­ям гашения дуги, но не обеспечива­ет достаточной электрической прочности разрыва после погасания дуги и прекращения

дутья при опорожненной камере. Необходи­мый изоляционный промежуток вы­ключателя в положении «отключе­но» обеспечивается разомкнутым отделителем.

Типичным примером воздушного выключателя с опорожняющимися камерами являются выключатели се­рии ВВН для номинальных напря­жений ПО, 150 и 220 кВ конструк­ции ВЭИ (рис. 11-13,о). Они имеют ресивер 1 с запасом сжатого возду­ха, который находится под потенци­алом земли; гасительное устройство 2, состоящее из ряда последователь­но включенных элементов (гаситель­ных камер), установленных верти­кально на опорном фарфоровом изоляторе 3, внутри которого поме­щен изолирующий воздуховод 4 и изолирующие тяги 5 для управления приводом отделителя; резисторы 6,

включенные параллельно разрывам; дутьевой клапан 7 на выходном пат­рубку ресивера; отделитель 8 в ви­де разъединителя с пневматическим приводом 9; дополнительный опор­ный изолятор 10 с контактом и за­жимом; шкаф управления 11; зажи­мы выключателя 12—13.

Процесс отключения протекает в следующем порядке: открывается дутьевой клапан и сжатый воздух подается из ресивера по воздухово­ду в гасительные камеры. Давлени­ем воздуха подвижные контакты, снабженные пружинами, отжимают­ся от неподвижных контактов и об­разовавшиеся дуги гасятся в потоке воздуха, вытекающего в атмосферу через полые контакты и выхлопные отверстия. Немедленно после пога­сания дуги (но до прекращения по­дачи воздуха в гасительное устрой­ство) размыкается отделитель и от­ключается сопровождающий ток, ограниченный активными сопротив­лениями (см. § 9-6). При этом об­разуется достаточный изоляционный промежуток вне гасительного уст­ройства, чтобы противостоять напря­жению сети при атмосферном дав­лении. После этого дутьевой клапан закрывается, подача воздуха в гаси­тельные камеры прекращается, они опорожняются, а дугогасительные контакты вновь замыкаются давле­нием пружин. В процессе включения дугогасительные контакты участия не принимают: включение произво­дится с помощью отделителя.

Число последовательно вклю­ченных элементов гасительного устройства определяется номиналь­ным напряжением и давлением воз­духа. Выключатели серии ВВН работают при давлении 2 МПа. При напряжении ПО кВ они имеют два разрыва на полюс. Выключате­ли 150 кВ имеют три разрыва, а выключатели 220 кВ — четыре раз­рыва на полюс.

Схема гасительной камеры од­ного разрыва приведена на рис. 11-13, б. Контактная система поме­щена в фарфоровом изоляторе. Нижний контакт 14 неподвижен, верхний 15 имеет ход, соответствующий оптимальному расстоянию, и. снабжен пружиной 16 и поршнем 17, помещенными в цилиндр 18. В положении «включено» давление по обе стороны поршня равно ат­мосферному и подвижный контакт прижат к неподвижному пружиной. В процессе отключения воздух по­ступает в гасительную камеру сни­зу. Давление под поршнем повыша­ется, и подвижный контакт отжи­мается вверх. Образовавшаяся дуга гасится в струе воздуха, вытекаю­щего из камеры через полые кон­такты и выхлопные отверстия.

Описываемыевыключатели

снабжены постоянно включенными резисторами, шунтирующими раз­рывы. Назначение этих резисторов двоякое: а) они снижают скорость восстанавливающегося напряжения и таким образом облегчают про­цесс отключения; б) способствуют равномерному распределению на-пряжения между разрывами. Отно­сительно небольшой сопровождаю­щий ток, ограниченный резистора­ми, отключается отделителем.

Опыт эксплуатации воздушных выключателей с отделителями типа разъединителя показал, что они обладают рядом недостатков, в осо­бенности при напряжении 220 кВ и выше. Эти недостатки заклю­чаются в следующем: отделитель не справляется с отключением со­провождающего тока при относи­тельно небольших сопротивлениях шунтирующих резисторов; включе­ние выключателя на к.з. сопровож­дается пробоем промежутка при приближении ножа к неподвижно­му контакту, образованием дуги и оплавлением контактов; при гололе­де включение может оказаться во­обще невозможным. Учитывая эти недостатки, отделители типа разъе­динителя были заменены более со­вершенными, получившими назва­ние закрытых отделителей.

Схема выключателя 220 кВ с закрытым отделителем приведена на рис. 11-14. Отделитель 1 состоит из ряда элементов, установленных вертикально на колонне из опорных изоляторов 2. Число элементов определяется номинальным напряжени­ем. Для равномерного распределе­ния напряжения между элемента­ми предусмотрен делитель напряже­ния 3 емкостного типа. Отделитель соединен с гасительным устройством выключателя проводником 4. Зажимы выключателя обозначены цифрами 5—6, Остальные части выключателя аналогичны соответ­ствующим частям описанного выше выключателя с открытым отдели­телем (рис. 11-13).

Каждый элемент отделителя содержит неподвижный и подвиж­ный контакты, замкнутые в положе­нии «включено». В процессе отклю­чения в отделитель подается сжа­тый воздух из ресивера через особый дутьевой клапан 7, срабатывание которого должно несколько отста­вать от срабатывания основного дутьевого клапана, чтобы основная дуга успела погаснуть. Давление в камерах отделителя повышается, подвижный контакт отжимается от неподвижного и образовавшаяся дуга сопровождающего тока гасит­ся в потоке воздуха, вытекающего через полый контакт в дополнитель­ный резервуар, не сообщающийся с атмосферой. В положении «отклю­чено» дутьевой клапан отделителя открыт. Внутренняя полость отде­лителя находится под полным давлением

(2 МПа), В этих условиях изоляционный промежуток порядка 60—80 мм обеспечивает достаточ­ную электрическую прочность. Кон­такты главного дугогасительного устройства замкнуты. При включений выключателя дутьевой клапан отделителя закрывается, а внутрен­няя полость отделителя сообщается с атмосферой. Давление воздуха снижается, и контакты замыкаются пружинами.

Воздухонаполненные выключате­ли не имеют отделителей. Однако основное отличие этих выключате­лей заключается в том, что гаси­тельное устройство с контактной системой (обычно с двумя разры­вами) помещено в металлический бачок, изолированный от земли и соединенный через воздуховод с ресивером. Бачок находится под полным давлением как в положе­нии «отключено», так и в положе­нии «включено». Дутьевой клапан на выходном патрубке ресивера, характерный для выключателей с опорожняющимися камерами, здесь отсутствует. Вместо него преду­смотрен выхлоп воздуха из бачка в атмосферу через выхлопной кла­пан. В процессе отключения раз­мыкаются дугогасительные контак­ты и одновременно открывается выхлопной клапан. Дуги, образующиеся на разрывах, сдуваются по­током воздуха на вспомогательные электроды. Последние расположены в соплах, через которые воздух вы­текает из бачка. Гашение дуг в воздухонаттолненных камерах (бачках) происходит эффективнее, чем в опи­санных выше опорожняющихся ка­мерах (рис. 11-13, 11-14), так как истечение воздуха из сопл (воздуш­ное дутье) происходит без запаз­дывания, вызванного прохождением воздуха по длинному воздуховоду и заполнением гасительной камеры; отсутствуют также потери давления в воздуховоде.

Новейшие быстродействующие выключатели относятся к типу воз-духонаполненных выключателей. Их проектируют сериями для всех ступеней номинального напряжения от ПО до 1150 кВ и собирают из унифицированных частей, из кото­рых важнейшей является дугогасительный модуль с двумя разрыва­ми, рассчитанный на некоторое условное напряжение порядка 110— 250 кВ, в зависимости от давления воздуха в бачке. Каждой ступени номинального напряжения соответ­ствует определенное число моду­лей, включенных последовательно. Такой метод проектирования упро­щает производство и испытание выключателей, уменьшает их стои­мость.

Поясним устройство и принцип действия воздухонаполненных вы­ключателей на примере выключате­ля типа ВВБ-110 {выключатель воздушный баковый для номи­нального напряжения 110 кВ) научно-производственного объеди­нения (НПО) «Электроаппарат» (рис. 11-15). Выключатель рассчи­тан на давление воздуха 2 МПа. Гасительное устройство с двумя разрывами заключено в' стальной бачок 1, изолированный от земли с помощью колонны фарфоровых изоляторов 2. Объем бачка рассчи­тан на две операции отключения. Расход воздуха пополняется из ре­сивера 3 и общестанционной маги­страли 4 сжатого воздуха по изо­лирующему воздуховоду 5. Давление в бачке поддерживается близ­ким к номинальному. В бачок встроены вводы 6 из эпоксидной смолы, наружные части которых защищены фарфоровыми покрыш­ками. Неподвижные контакты 7 ук­реплены на вводах, а подвижные в виде ножей 8 — на металличес­кой траверсе, которая, в свою оче­редь, жестко связана со штоком 9. Неподвижные контакты со встроен­ными контактными ламелями нахо­дятся внутри металлических сопл 10, направляющих воздух в процес­се отключения к выхлопному клапа­ну 11 (его также называют дутье­вым клапаном). Контактная тра­верса и тарелка выхлопного кла­пана приводятся "в движение поршневыми устройствами 12 и 13, действие которых согласовано. Клапаны управления поршневыми устройствами расположены внизу и находятся под потенциалом зем­ли. Основные разрывы дугогасительного устройства шунтированы резисторами 14 с вспомогательны­ми контактами 15 для отключения сопровождающего тока. Резисторы укреплены в бачке на вводах. Вспомогательные контакты поме­щены под резисторами. Клапаны управления этими контактами 16 вынесены наружу. Для равномерно­го распределения напряжения меж­ду разрывами" в положении «отклю­чено» предусмотрен делитель на­пряжения емкостного типа 17.

В процессе отключения поршне­вое устройство привода поднимает тарелку выхлопного клапана 11. Поднимается также контактная траверса, и контакты размыкаются. Дуги, образующиеся на контактах, перебрасываются на концы непод­вижных контактов 7 и вспомога­тельные электроды 18. Они гасятся в потоке воздуха, вытекающего из бачка через сопла и выхлопной клапан. После погасания дуг вы­хлопной клапан закрывается, а тра­верса с ножами остается в верхнем отключенном положении. Промежу­ток между контактами обеспечива­ет достаточную электрическую прочность при давлении 2 МПа.

Вспомогательные контакты 15 раз­мыкаются приблизительно через 0,035 с после размыкания главных контактов, и возникшие между ни­ми дуги гасятся потоком воздуха, вытекающего в атмосферу через внутренние полости контактов. Пос­ле погасания дуг вспомогательные контакты остаются разомкнутыми.

При включении выключателя кон­тактная траверса опускается порш­невым устройством. Ножи входят в прорези в верхней части сопл, и контакты замыкаются. Предвари­тельно замыкаются вспомогатель­ные контакты.

Поршневые устройства 12 и 13, приводящие в движение контактную траверсу и выхлопной клапан, расположены в зоне высокого по­тенциала. Соответствующие клапа­ны управления расположены в шка­фу управления и находятся под потенциалом земли. Они связаны

с поршневыми устройствами изоли­рующим воздуховодом 19, располо­женным внутри опорной колонны. Номинальный ток отключения вы­ключателей серии ВВБ составляет 31—35 кА. Время отключения 0,08 с (4 периода).

В настоящее время выключате­ли серии ВВБ реконструированы [11-1]. В новой серии выключите-

лей ВВБК давление воздуха повы­шено до 3,2—4,0 МПа, односторон­нее дутье заменено двусторонним, модернизирована система управле­ния. Укрупненный модуль выключа­теля с двумя разрывами рассчитан на условное напряжение 200 кВ (вместо ПО кВ). Уменьшено число разрывов на полюс, что упрощает конструкцию выключателя и сни­жает его стоимость. Номинальный ток отключения увеличен до 63 кА, время отключения уменьшено до 0,04 с (2 периода).

Производственное объединение «Уралэлектротяжмаш» строит воздухонаполненные воздушные выключатели серии ВНВ для напряжений от 110 до 1150 кВ [11-2], несколько отличные от выключате­лей серии -ВВБК. Внешний вид выключателя этой серии для напряжения 220 кВ показан на рис. 11-16. Номинальный ток отключения выключателей серии ВНВ составляет [ 40—63 кА, время отключения 0,04 с (2 периода).

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, в 100 раз превышающим ток, отключаемый в воздухе при тех же условиях. Исключительная спо­собность элегаза гасить дугу объ­ясняется сильным сродством его с электронами. Молекулы газа улав­ливают электроны дугового столба и образуют относительно неподвиж­ные отрицательные ионы. Потеря электронов делает дугу неустойчи­вой, и она легко гаснет. В струе элегаза, т.е. при газовом дутье, по­глощение электронов из дугового столба происходит еще более ин­тенсивно.

В элегазовых выключателях га­сительное устройство помещено в

герметизированный заземленный

бак с проходными изоляторами и встроенными трансформаторами тока. Бак заполнен элегазом при давлении 0,4—0,6 МПа. Примене­ние получили автопневматические дугогасительные устройства, в ко­торых газ в процессе отключения сжимается поршневым устройством и направляется в зону дуги. Таким образом, элегазовый выключатель представляет собой замкнутую сис­тему (без выброса газа наружу). Он во многом схож с баковым мас­ляным выключателем, однако в нем отсутствуют горючие материалы и масса его значительно меньше мас­сы масляного выключателя.

Принципиальная схема гаси­тельного устройства конструкции ВЭИ [11-3] приведена на рис. 11-19. Поршень 1 и полый контакт 2 не-подвижны. Цилиндр 3 с соплом 4 из фторопласта и розеточньш кон­тактом 5 перемещаются по гори­зонтальной оси с помощью пневма тического привода (последний на рисунке не показан). Рисунок 11-19, а соответствует положению «включено», контакты 2 и 5 замк­нуты. В процессе отключения (рис. 11-19,6) цилиндр 3 перемеща­ется приводом вправо. При этом газ в полости А сжимается, контак­ты размыкаются и между ними об­разуется дуга. По выходе вспомо­гательного электрода 6 из внутрен­ней полости контакта 2 газ начина­ет вытекать через эту полость. Если отключаемый ток мал (порядка не­скольких десятков ампер), поток газа через внутреннюю полость кон­такта 2 достаточен для гашения дуги при относительно небольшой ее длине в течение приблизительно 10 мс. При отключении тока к. з. (рис. 11-19, в) гашение дуги про­исходит по выходе контакта 2 из сопла 4, когда вследствие увеличи­вающегося давления газа в полости Л создается сильный поток газа сквозь столб дуги. При включении цилиндр с соплом и розеточным контактом перемещаются влево.

Исследования показали, что более эффективным является гаси­тельное устройство аналогичной конструкции, но с двусторонним дутьем. Выключатель с таким усо­вершенствованным гасительным устройством удовлетворяет требо­ваниям, предъявляемым к выклю­чателю 110 кВ с отключаемым то­ком 31,5 кА. Отключение обеспечи­вается при скорости восстанавлива­ющегося напряжения 5 кВ/мкс. Гашение дуги происходит при рас­стоянии между контактами около 100 мм. Длительность горения дуги составляет 20—25 мс. В отличие от воздушных выключателей отключе­ние происходит бесшумно.

При ремонте выключателя и вскрытии баков необходимо сберегать газ с целью дальнейшего его использования, так как стоимость газа относительно высока. Для это­го служат вакуумный насос, запас­ный резервуар для газа и компрес­сор. Перечисленные элементы установлены на монтажной тележ­ке. С помощью компрессора газ из выключателя перемещают в запас­ный резервуар. Компрессор позво­ляет снизить давление в баке до 100 Па, т. е. позволяет удалить из бака почти весь газ. После этого могут быть открыты дверцы в баке для доступа к гасительному устройству. Заполнение бака газом произ­водится в следующем порядке. Дверцы бака закрывают и с по­мощью вакуумного насоса удаляют из бака воздух. Давление в баке снижают до 100 Па. После этого бак наполняют газом из запасного резервуара.

Элегаз не ядовит, однако про­дукты его распада под действием дуги ядовиты. Поэтому при ремонте выключателей принимают меры предосторожности: вскрытие бака и выемку гасительного устройства производят в противогазах.

Первый отечественный элегазовый выключатель ПО кВ предна­значен и соответствующим образом выполнен для комплектного герме­тизированного РУ с газовой изоля­цией (см. § 28-5). Аналогичные устройства предполагается выпус­кать для напряжения 220 кВ и выше.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

Электромагнитные выключатели занимают особое место среди других

выключателей переменного то­ка. Область их применения ограни­чена напряжением 10—15 кВ. Дей­ствие выключателя основано не на газовом дутье. Дуга, образующаяся на контактах, втягивается магнит­ным полем в гасительную камеру. Последняя состоит из ряда керами­ческих дугостойких инертных (в от­ношении выделения газу) пластин с V-образпыми вырезами, разделен­ных небольшими воздушными про­межутками. Длина дуги значитель­но увеличивается (до 1—2 м), а се­чение ее в узких вырезах пластин вынужденно уменьшается. Дуга приходит в тесное соприкосновение с холодными поверхностями плас­тин, обладающих высокой теплопро­водностью. Это ведет к увеличению потерь энергии и градиента напря­жения. Сопротивление дуги быстро увеличивается, а ток уменьшается до тех пор, пока дуга не погаснет. Типичная осциллограмма тока и на­пряжения при отключении коротко-замкпутой цепи электромагнитным выключателем приведена на рис. 11-20,а. Она существенно отличает­ся от соответствующих диаграмм Для масляных и воздушных выклю­чателей (см. рис. 9-2). Падение на­пряжения в дуге здесь значительно больше. В масляных и воздушных выключателях сопротивление дуго­вого промежутка и его влияние на ток проявляются лишь в течение последних нескольких десятков микросекунд, предшествующих уга­санию дуги (см. рис. 9-7 и 9-8J. В электромагнитных выключателях резкое увеличение сопротивления дуги вследствие ее значительной длины является основным условием успешного отключения. Ток форси­руется к нулю выключателем. Угол сдвига тока по отношению к напря­жению также уменьшается.

Движение дуги в электромагнитном вы­ключателе и ее удлинение происходят под действием магнитного поля, направленного перпендикулярно к направлению тока. Это

принято объяснять упрощенно, рас­сматривая дуговой столб как металлический проводник с током. Направление электроди­намической силы определяют, руководствуясь правилом левой руки. Однако дуга не является металлическим проводником. Это — плазма, т. е. раскаленный, ионизироный газ, я для объяснения движения дугового столба в магнитном поле необходимо более детально рассмотреть физику про­цесса.

Под действием магнитного поля, на­правленного перпендикулярно электрическому полю (рис. 11-20,6), электроны и ионы несколько отклоняются от своего основного направления в зависимости от магнитной индукции и длины свободного пробега заряженных частиц. В слабом магнитном по­ре угол отклонения невелик. Все же ионы и электроны, движущиеся в направлении электрического поля, получают составля­ющую скорости в направлении, перпендику­лярном В и Е, и при столкновении переда­ет это движение нейтральным молекулам газа. Под действием этой объемной силы газ движется в направлении, перпендику­лярном к дуге. Газ с высокой температурой выбрасывается ил дугового столба вперед по движению, а холодный газ подсасывает­ся в дуговой столб с противоположной стороны. Ионизация происходит легче с фронта, так как температура здесь выше.

Плотность тока с этой стороны увеличива­ется, а с противоположной уменьшается. В результате дуговой столб приходит в дви­жение вместе с газом.

Устройство гасительной камеры электромагнитного выключателя конструкции БЭИ [11-4] показано на рис. 11-21. В процессе отключе­ния сначала размыкаются главные контакты 1, после этого размыкаются дугогасительные контакты 2—3. Возникшая дуга растягивается и перебрасывается на передний рог 4, а потом и на задний рог 5, соеди­ненный с подвижным контактом 3 (положения Б и В). В цепь вводят­ся витки электромагнита б, и между полюсными наконечниками 7 созда­ется магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости черте­жа. Силы взаимодействия тока в дуге и магнитного поля направлены вверх и втягивают дугу в вырезы пластин (положение Д). Число пластин (см. эскиз справа) опреде­ляется номинальным напряжением и номинальным током отключения. При напряжении 10 кВ число пла­стин значительно больше, чем напряжении 6 кВ.

Отечественные заводы строят электромагнитные выключатели с номинальным током отключения до 40 кА при напряжении 6,9 кВ и до 20 кА при напряжении 11,5 кВ. Такие выключатели получили при­менение в системах собственных нужд мощных электростанций, а также в промышленных установках, где требуются частые операции включения и отключения. Достоин­ство электромагнитных выключате­лей заключается во взрыво- и пожаробезопасности, а также полной ав­тономности, поскольку они не тре­буют компрессорной установки для воздушного дутья. Стоимость их от­носительно высока.

ВАКУУМНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

Контактная система вакуумного выключателя помещена в запаян­ный стеклянный баллон, давление в котором составляет 10^-3 —10^-4 Па. При таком высоком вакууме средняя длина свободного пробега молекул газа значительно превышает разме­ры разрядной трубки. Поэтому при приложении напряжения не проис­ходит ионизирующих соударений молекул и самостоятельный элек­трический разряд не возникает. Электрическая прочность высокова­куумного промежутка во много раз выше электрической прочности воз­душного промежутка при атмосфер­ном давлении.

При размыкании контактов чис­ло проводящих контактных точек уменьшается. Последняя контактная точка вытягивается в расплавлен­ный металлический мостик, кото­рый под действием тока быстро на­гревается до температуры кипения и Испаряется. В образовавшемся облаке металлического пара возника­ет дуговой разряд. При горении ва­куумной дуги происходит расплав­ление металла контактов, большая часть которого оседает на металли­ческом экране, защищающем внут­реннюю поверхность стеклянного баллона от загрязнения. С увеличе­нием тока эрозия быстро возрас­тает.

Эрозия контактов является ос­новной причиной, ограничивающей ток отключения. Существенно влия­ют материал контактов, чистота его, скорость размыкания контактов и состояние вакуума.

Электрическая прочность контак­тного промежутка в вакуумном вы­ключателе восстанавливается зна­чительно быстрее, чем в масляных и воздушных выключателях, что объ­ясняется интенсивной диффузией за­ряженных частиц в окружающее пространство. Однако при отключе­нии относительно большого тока случается, что погасание дуги про­исходит не при первом, а при втором или третьем подходе тока к нулю.

В процессе включения выключа­теля и сближения контактов еще до их соприкосновения происходят про­бой вакуумного промежутка и об­разование дуги. Медленное сбли­жение контактов приводит к допол­нительному нежелательному выделению тепла, расплавлению металла контактов и их сплавлению в одной или нескольких точках. Вибрация контактов приводит к распылению и разбрызгиванию металла, что уменьшает длину контактов, ухуд­шает их рабочие поверхности и уве­личивает слой напыленного металла на внутренней поверхности вакуум­ной камеры. Это уменьшает элек­трическую прочность и срок службы камеры. Поэтому вибрация контак­тов должна быть по возможности исключена.

В ВЭИ имени В. И. Ленина раз­работаны, построены и испытаны вакуумные дугогасящие камеры для выключателей нагрузки и силовых выключателей для напряжения 10 кВ с номинальным продолжи­тельным током до 2000 А и током отключения до 40 кА, а также ка­мера для напряжения 35 кВ с но­минальным продолжительным то­ком 1000 А и током отключения 12,5 кА. Вакуумные выключатели для напряжений свыше 35 кВ могут быть построены путем последова­тельного соединения нескольких ка­мер. При этом должны быть приня­ты меры .к равномерному распреде­лению напряжения между камера­ми.

Срок службы вакуумных дугогасительных камер, измеряемый чис­лом допускаемых операций включе­ния и отключения, зависит от отклю­чаемого тока. С увеличением последнего срок службы сокращается. От­сюда следует, что при назначении номинального отключаемого тока завод-изготовитель должен указы­вать условия использования камеры, т. е. допускаемое число операций по включению и отключению.

Достоинства вакуумных выклю­чателей заключаются в следующем: исключительно быстрое восстанов­ление электрической прочности про­межутка после погасания дуги; ма­лые габариты и масса; небольшой ход контактов; длительный срок службы без ремонта при частых опе­рациях. Вакуумные выключатели являются относительно новыми ап­паратами, область применения которых расширяется по мере совер­шенствования конструкций вакуум­ных камер и увеличения их надеж­ности и отключающей способности.