5 Силовые выключатели
Основным коммутационным аппаратом РУ является выключатель – коммутационный аппарат способный включать, нести и отключать нормальные токи нагрузки, а также включать и автоматически отключать (при заранее заданных условиях) токи аварийного режима, такие, как токи КЗ.
Все выключатели можно разбить на 2 основные группы: 1) масляные и 2) безмасляные.
5.1 Баковые и маломасляные выключатели
Масляные выключатели появились в конце 19-го века и до 1930 г. являлись единственным видом отключающего аппарата в сетях высокого напряжения. Различают масляные выключатели двух видов: 1) выключатели с большим объемом масла (многообъемные или баковые) и 2) выключатели с малым объемом масла (маломасляные). Методы деионизации дугового промежутка в этих выключателях одинаковы. Различие заключается лишь в изоляции контактной системы от заземленного основания и количестве масла.
Многообъемные масляные выключатели подразделяют на выключатели без специальных дугогасящих устройств (со свободным разрывом дуги в масле) и на выключатели с организованным гашением дуги при помощи различных дугогасительных камер, ускоряющих гашение дуги и увеличивающих отключающую способность выключателя.
|
Рис. 5.1. Схема простейшей гасительной камеры масляного выключателя |
Гашение дуги в масляных выключателях происходит следующим образом. 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 (70%) и углеводородов различного состава. Газы эти горючи, однако в масле горение невозможно из-за отсутствия кислорода. Количество масла, разлагаемого дугой невелико, но объем газов велик. Один грамм масла дает примерно 1500 см3 газа, приведенного к комнатной температуре и атмосферному давлению. Гашение дуги в масле 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.5.1. приведена схема простейшей гасительной камеры. |
В процессе отключения контактный стержень 1 перемещается вниз. Между контактами 1 и 2 возникает дуга. Происходит интенсивное газообразование и давление в камере быстро увеличивается. Относительно холодный газ образующийся на поверхности масла, перемешивается с плазмой дуги. Пограничный слой приходит в турбулентное состояние, способствующее деионизации. Однако, дуга не может погаснуть до тех пор, пока расстояние между контактами не достигнет некоторого минимального значения, определяемого восстанавливающимся напряжением. Это минимальный промежуток образуется, когда подвижный контакт еще находится в камере. Когда стержень покидает пределы камеры, газы с силой выбрасываются наружу. Возникает газовое дутье, направленное по оси, способствующее гашению дуги.
После погасания дуги контактный стержень продолжает свое движение, чтобы обеспечить необходимое изоляционное расстояние в отключенном положении.
Напряжение на дуге масляного выключателя по крайней мере в 3 раза больше, чем у воздушного выключателя. Электрическая прочность промежутка восстанавливается быстрее (со скоростью около 2 кВ/мкс). Поэтому при одинаковом токе КЗ гасительное устройство масляного выключателя может быть рассчитано на вдвое большее напряжение и вдвое большее волновое сопротивление, чем устройство воздушного дутья.
Баковые выключатели. В выключателях данного вида дугогасительные устройства полюсов помещены в заземленный бак, заполненный маслом, которое используется в дугогасительной камере в качестве газогенерирующего вещества, а также для изоляции контактной системы от заземленного бака. В первых масло (трансформаторное) используется для гашения электрической дуги, возникающей между контактами при отключении, а также для изоляции токоведущих частей друг от друга
|
Рис. 5.2. Полюс трехбакового масляного выключателя У-220-2000-40 1 – бак, 2 – проходной изолятор, 3 – встроенный трансформатор тока, 4 – внутренняя поверхность из изоляционного материала, 5 – дугогасительная камера, 6 – шунтирующий резистор, 7 –траверса, 8 – изоляционная штанга, 9 – система рычагов, 10 – устройство для подогрева масла в зимнее время. |
и от заземленного бака. Во вторых масло используется только для гашения дуги, а изоляция токоведущих частей осуществляется при помощи воздуха и керамических или органических изоляционных материалов. Ниже в качестве примера приведено описание выключателя типа У-220-40 с номинальным напряжением 220 кВ и номинальным током отключения 40 кА (рис.5.2). Выключатель предназначен для наружной установки. Каждому полюсу соответствует бак 1 цилиндрической формы с расширяющейся верхней частью, приспособленной для установки проходных изоляторов 2 и трансформаторов тока 3. Внутренняя поверхность бака выложена изоляционным материалом 4. К нижним фланцам изоляторов прикреплены дугогасительные камеры 5 с шунтирующими реакторами 6. Подвижные контакты укреплены на траверсе 7, приводимой в движение приводом с помощью изоляционной штанги 8 и системы рычагов 9. В положении «включено» траверса 7 находится в верхнем положении, контакты замкнуты, механизм выключателя заперт. В процессе отключения подвижная система освобождается и под действием отключающих пружин перемещается вниз. Контакты размыкаются и дуга гасится. В положении «отключено» контактная траверса находится внизу, несколько выше днища бака (см. пунктир). Здесь расположено устройство для подогрева масла в зимний период 10. Баки залиты маслом. Под крышками остается некоторый объем воздуха («воздушная подушка»), который при сильном газообразовании вытесняется вместе с газами через газоотводную трубу (на рис. не показано) наружу. Слой масла над гасительными камерами должен быть достаточным, чтобы обеспечить надежное охлаждение газов, образующихся в процессе отключения, до соприкосновения их с воздухом под крышкой во избежание воспламенения. Газы, выбрасываемые из гасительных устройств при отключении тока КЗ, сообщают слою масла, находящемуся над |
ними большую кинетическую энергию. Масло ударяется в крышку бака. Скорость масла в момент удара достигает 10-20 м/с, а сила, направленная вверх – 150 кН. При последующем падении масла оно ударяет вниз с силой - 300 кН, которая воспринимается фундаментом.
Масса выключателя (три полюса) без масла составляет 28 т., а масса масла – 27 т. Выключатель подлежит установке на бетонном основании высотой 0,5 – 0,8 м над уровнем земли. Три полюса управляются общим электромагнитным или пневматическим приводом.
Преимущества баковых выключателей: простота конструкции, высокая отключающая способность, пригодность для наружной установки, возможность установки встроенных трансформаторов тока.
Недостатки баковых выключателей: взрыво- и пожароопасность; необходимость периодического контроля за состоянием и уровнем масла в баке и вводах; большой объем масла, что обуславливает большую затрату времени на его замену, необходимость больших запасов масла; непригодность для установки внутри помещений; непригодность для выполнения быстродействующего АПВ; большая затрата металла, большая масса, неудобство перевозки, монтажа и наладки.
Указанные недостатки баковых выключателей привели к тому, что на вновь сооружаемых объектах они не применяются, а на действующих заменяются маломасляными или элегазовыми.
Маломасляные выключатели. В выключателях этого вида масло служит только газогенерирующим веществом в дугогасительной камере. Для изоляции токоведущих частей используют фарфор, стеклопластик, текстолит и другие изоляционные материалы. Отечественные заводы строят маломасляные выключатели для номинальных напряжений 6 – 220 кВ для внутренней и наружной установки. Они имеют меньшие размеры и массу по сравнению с баковыми выключателями и относительно небольшое количество масла.
|
Рис. 5.3. Маломасляный выключатель типа ВМП-10 |
В выключателях для номинальных напряжений до 35 кВ контактная система и дугогасительные устройства заключены в небольшие бачки (горшки) (отсюда сохранилось название выключателей «горшковые»), изолированные от заземленного основания фарфоровыми изоляторами. Бачки могут быть металлическими (в ранних конструкциях) или из стеклопластика. В качестве примера на рис. 5.3 показан распространенный выключатель типа ВМП-10. Основание выключателя выполнено в виде стальной рамы 1, котороая крепиться вертикально к стене или на каркасе РУ. В раме размещены вал выключателя 2, отключающая пружина и буферное устройство 3. К раме пристроен электромагнитный или пружинный привод. Бачки прикреплены к раме с помощью фарфоровых изоляторов 4. Вал 6 каждого бачка соединен с валом 2 выключателя изолирующей тягой 5. Количества масла всего составляет 4,5-5,5 кг. Номинальный ток отключения выключателя составляет 20 – 31,5 кА, номинальный ток – 630 – 3200 А. Время отключения составляет 0,12 с (6 периодов). Маломасляные выключатели 10-20 кВ с большой отключающей способностью (до 90 кА) и номинальным током до 11 |
кА имеют несколько иную конструкцию (рис. 5.4). Они имеют по два металлических бачка на полюс. Контактная система разделена на главные и дугогасительные контакты. неподвижные части 1 главных контактов выполнены в виде трехгранных призм и расположены на крышках бачков. Подвижные части 2 (пальцевого типа) прикреплены к контактной траверсе 3. Число пар пальцев определяется номинальным током. Неподвижные части дугогасительных контактов розеточного типа 4 укреплены в днищах бачков. Подвижные части в виде круглых стержней 5 прикреплены к контактной траверсе и входят в бачки через проходные изоляторы. В положении «включено» (рис. 5.4, а) большая часть тока проходит от зажима 6 по крышке бака 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, розеточному контакту 4, подвижному контактному стержню 5 к траверсе и далее аналогично ко второму бачку. В процессе отключения (рис. 5.4, б) сначала размыкаются главные контакты и весь ток смещается в дугогасительные контакты. При размыкании последних в нижних отсеках бачков зажигаются дуги, угасающие в гасительных камерах по мере продвижения контактных стержней вверх. При включении выключателя сначала замыкаются дугогасительные, а затем главные контакты.
|
Рис. 5.4. Контактная система и гасительное устройство маломасляного выключателя типа МГ-10 кВ а – положение «включено», б –положение «отключено» |
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 и по газоотводным трубам (на рис. не показано). Масляные пары конденсируются и масло стекает в бачки. Внешний вид выключателя показан на рис. 5.5. Его время отключения составляет 0,12-0,14 с. |
Преимущества маломасляных выключателей: небольшое количество мала; относительно малая масса, более удобный, чем у баковых выключателей доступ к дугогасительным контактам,
|
Рис. 5.5. Маломасляный выключатель типа МГГ-10-5000-63У31 – рама с механизмом, 2 – опорный изолятор, 3 – бачок, 4 – главные контакты, 5 – изоляционная тяга |
возможность создания серии выключателей на разные напряжения с применением унифицированных узлов. Недостатки маломасляных выключателей: взрыво- и пожароопасность, хотя и значительно меньшая, чем у баковых выключателей; невозможность осуществления быстродействующего АПВ; необходимость периодического контроля, доливки, относительно частой замены масла в дугогасительных бачках; трудность установки встроенных трансформаторов тока; относительная малая отключающая способность. Область применения маломасляных выключателей – ЗРУ электростанций и подстанций 6 – 110 кВ, КРУ6 – 35 кВ и ОРУ 35 - 220 кВ.
|
