17.2. Выбор высоковольтного выключателя

Выбор высоковольтного выключателя выполняется с уче­том следующих основных соображений.

1. Номинальное напряжение выключателя U_HOM должно быть больше номинального напряжения сети или установки:

U ном ≥ U ном уст. (1)

2. Номинальный ток выключателя должен быть больше тока установки с учетом возможного увеличения тока в бли­жайшие годы:

I ном ≥ I ном уст. (2)

3. Номинальный ток отключения I_о ном должен быть боль­ше тока короткого замыкания установки I_К:

I0 ном ≥ Ik (3)

Расчет I_К проводится для наиболее тяжелого случая при трех­фазном и однофазном коротком замыкании на землю. Выбор производится по наибольшему значению тока короткого за­мыкания.

4. Апериодическая составляющая тока короткого замыка­ния в момент расхождения контактов (МРК) i_aмрк должна быть равна или меньше допустимого значения апериодической со­ставляющей по данным, гарантируемым для данного выклю­чателя заводом-изготовителем:

ia мрк ≤ ia зав. (4)

5. Амплитудное значение ударного тока при включении на короткое замыкание i_удк должно быть равно или меньше наи­большего пика тока включения выключателя iвкл. наиб.:

iвкл. наиб ≥ I_удк (5)

Или начальное действующее значение тока короткого замыка­ния (ударное значение) I_удк должно быть меньше начального действующего значения с учетом апериодической составляю­щей тока включения iвкл. наиб:

iвкл. наиб ≥ I_удк (6)

6. Ток термической стойкости выключателя It (действую­щее значение) в течение времени термической стойкости It должен удовлетворять неравенству:

1. 

I²_Tt_r > I²_kt_k (7)

7. Условия эксплуатации выключателя должны соответ­ствовать требованиям каталога на данный выключатель.

8. Требуемая механическая и коммутационная износо­стойкость выключателя должны соответствовать данным ка­талога.

9. Каждый выключатель в соответствии с каталогом по­ставляется с соответствующим приводом.

10. Временные показатели выключателя: время включения и отключения, бестоковая пауза и др. должны соответствовать требованиям эксплуатации.

При выборе типа выключателя следует учитывать следу­ющие обстоятельства:

при номинальном напряжении 6... 10 кВ и редких комму­тациях целесообразно применение маломасляных выключате­лей. При частых коммутациях рекомендуется применять ва­куумные и элегазовые выключатели, обладающие большим сроком службы;

при номинальном напряжении при 35... 110 кВ и номи­нальном токе отключения до 20 кА целесообразно применять маломасляные выключатели. При больших номинальных на­пряжениях и больших токах применяются воздушные и эле­газовые выключатели.

17.3. Масляные выключатели

Масляный выключатель — это коммутационный электри­ческий аппарат переменного тока высокого напряжения, глав­ные контакты которого помещаются в объеме, заполненном минеральным (трансформаторным) маслом. При отключении электрической цепи между контактами выключателя возни­кает электрическая дуга. Под действием высокой температу­ры дуги масло быстро испаряется и его пары частично разла­гаются с выделением водорода, этилена, метана и др. В зоне дуги образуется газовый пузырь, давление в котором может достигать нескольких десятков МПа. Дуга гаснет как вслед­ствие ее удлинения при расхождении контактов, так и от ин­тенсивного охлаждения газом и парами масла.

Для более эффективного гашения дуги применяют дугогасительные камеры. В камере продольного дутья (рис. 17,а)

Рис. 17.1. Дугогасительные камеры:

а — продольного дутья; б — поперечного дутья; 1 — подвижный контакт, 2 — щели; 3 — электрическая дуга; 4 — неподвижный контакт; 5 масло

образующиеся при отключении и движении подвижного контакта 1 пары и газы устремляются вверх вдоль дуги 5, ох­лаждая ее.

Кроме того, дуга соприкасается с холодным маслом 5, заполняющим кольцевые щели 2 камеры, что также ускоряет ее охлаждение.

В камере поперечного дутья (рис. 17.1,6) вследствие рез­кого повышения давления в газовом пузыре образуется поток масла и газов 2 поперек дуги J, который ускоряет процесс ее охлаждения.

Масляные выключатели подразделяют на баковые и маломасляные или малообъемные.

Баковый масляный выключатель представляет собой стальной бак с маслонаполненными вводами из проходных изоляторов, на которых расположены контактные системы с дугогасительными устройствами (камеры), охваченные внутрибаковой изоляцией (рис. 17.2). Маслонаполненный ввод служит для проведения токоведущей цепи, находящейся под высоким напряжением, через металлическую стенку или дру­гие преграды. Горячие ионизированные выхлопные газы, выходящие из камер, могут вызвать перекрытие с камер на бак. Для предотвращения этого явления имеется баковая изо­ляция. Баковые выключатели, как правило, на 2/3 объема заливаются маслом. В настоящее время баковые выключатели выпускаются на напряжения 35...220 кВ, наибольшая мощ­ность отключения — 25000 МВА. Величина наибольшего но­минального тока 3,2 кА, наибольшего тока отключения -— 50 кА. При напряжении 10 кВ и токе отключения силой 15 кА все три полюса масляного выключателя располагаются в од­ном баке. При больших напряжениях и силе тока отключения каждый полюс имеет отдельный бак.

Рис. 17.2. Баковые масляные выключатели

В масляных баковых выключателях масло служит для гашения дуги и изоляции токоведущих частей. При напряжении до 10 кВ (в некоторых типах выключателей до 35 кВ) выключатель имеет один бак, в котором находятся контакты всех трех фаз, при большем напряжении для каждой фразы предусматривается свой бак. В установках 6 – 10 кВ применяли масляные выключатели ВМБ-10, ВМЭ-6, ВМЭ-10, ВС-10, им на смену пришли выключатели маломасляные и элегазовые.

Баковые масляные выключатели использовались в наружных установках напряжением 35 кВ и выше. Они отличались простотой конструкции, что определило их широкое применение и в настоящее время. В отличие от простейшего выключателя они имеют специальные устройства - гасительные камеры.

По принципу действия дугогасительные устройства можно разделить на три группы: 1) с автодутьем, в которых высокое давление и большая скорость движения газа в зоне дуги создаются за счет выделяющейся в дуге энергии; 2) с принудительным масляным дутьем, у которых к месту разрыва масло нагнетается с помощью специальных гидравлических механизмов; 3) с магнитным гашением в масле, в которых дуга под действием магнитного поля перемещается в узкие каналы и щели.

Наиболее эффективным и простым являются дугогасительные устройства с автодутьем. Следует отметить, что устройства с автодутьем работают тем эффективнее, чем больше ток в дуге. При отключении малых токов давление газов может оказаться незначительным, вследствие чего дутье будет неэнергичным, что приведет к затягиванию гашения дуги. По этой причине некоторые гасительные устройства с автодутьем дополнены принудительным масляным дутьем, которое обеспечивает гашение малых токов.

Чем выше напряжение, тем больше необходимо разрывов. Для равномерного распределения напряжения между основными разрывами параллельно им включается шунтирующее сопротивление. После гашения дуги на основных разрывах ток, проходящий через шунтирующее сопротивление, гасится на вспомогательных разрывах, обычно вне камеры. В дугогасительных устройствах с помощью изоляционных пластин и выхлопных отверстий создаются рабочие каналы, по которым происходит движение масла и газов (дутье). В зависимости от расположения каналов различают камеры с поперечным, продольным и встречно-поперечным дутьем.

Выключатель работает по двухступенчатому циклу: сначала размыкаются контакты дугогасительных камер, происходит гашение дуг и прерывается цепь основного тока, затем в открытом разрыве контактов траверсы и контактов дугогасительных камер прерывается ток, протекающий через шунты. Траверса приводится в движение изолирующей тягой, связанной с приводным механизмом. На днище бака установлено льдоулавливающее устройство, предотвращающее всплытие замерзшего конденсата. Для подогрева масла при низких температурах к днищу крепится устройство электроподогрева, которое включается при температурах воздуха ниже – 150С. Это необходимо чтобы не снижалась скорость перемещения подвижных частей выключателя при увеличении вязкости масла. Например, в выключателе У-220 на три полюса необходимо 27000 кг масла.

Основные преимущества баковых выключателей:

1. простота конструкции,

2. высокая отключающая способность,

3. пригодность для наружной установки,

4. возможность установки встроенных трансформаторов тока.

Недостатки баковых выключателей:

1. взрыво- и пожароопасность;

2. необходимость периодического контроля за состоянием и уровнем масла в баке и на вводах;

3. большой объем масла, что обусловливает большую затрату времени на его замену,

4. необходимость больших запасов масла;

5. непригодность для установки внутри помещений;

6. непригодность для выполнения быстродействующего АПВ;

7. большая затрата металла, большая масса, неудобство перевозки, монтажа и наладки.

Баковые масляные выключатели во многом уступают вы­соковольтным выключателям других типов, но благодаря отно­сительно низкой стоимости и высокой надежности в работе все еще применяются России, США, Канаде и ряде других стран.

В маломасляных или малообъемных выключателях с целью уменьшения габаритов и массы изоляция осуществляется твердыми материалами. Выключатели состоят из трех блоков полюсов, внутри которых имеются подвижные и неподвиж­ные контакты и дугогасящие камеры. Блоки, наполненные маслом прикрепляются при помощи опорных изоляторов к основанию — стальной раме. На рис. 17.3,а изображен вы­ключатель масляный подвесного типа серии ВМП-10.

Рис. 17.3 (Выключатель типа ВМП-10: 1 — полюс; 2 — опорный изолятор; 3 — рама; 4 — изоляционная тяга; 5 — вал; б — масляный буфер, 7- блок полюса, 8- верхняя головка полюса, 9 – нижняя головка полюса.

Процесс гашения дуги в камере выключателя ВМП-10: а — выключатель включен, б — гашение дуги, в — выключатель отключен 1 — крышка выключателя с нижним вводом; 2 — подвижный контакт; 3 — неподвижный контакт; 4 — трансформаторное масло; 5 — воздушная подушка; 6 — дугогасительная камера; 7 — изоляционный цилиндр.

Контактная система, дугогасящее устройство и ручной привод смонтированы в виде блока полюса 7, который с по­мощью опорных изоляторов 2 крепится к стальной раме 3. В верхней головке полюса 8 расположены подвижный кон­такт и механизм, в нижней 9 неподвижный контакт. На раме установлены вал выключателя 5, отключающая пружина, пру­жинный буфер включения и масляный буфер отключения 6. Вал 5 связан с выходным рычагом механизма полюса 7 с по­мощью прочной изоляционной тяги (штанги) 4, которая при включении поворачивает выходной рычаг 7 против часовой стрелки и производит замыкание контактов.

Отключающая пружина при этом растягивается, а пружин­ный буфер включателя сжимается, создавая необходимую для гашения дуги скорость перемещения контакта.

Дугогасящее устройство газового дутья заключено в проч­ный стеклоэпоксидный цилиндр (см. рис. 17.1,а). ДУ собира­ется из пластин фибры или гетинакса. Камера заполнена трансформаторным маслом.

Для создания необходимого давления вблизи нулевого зна­чения тока дугогасящее устройство имеет воздушный буфер. Под действием давления масло сжимает воздух в буфере. При приближении тока к нулю мощность в дуге и давление резко уменьшаются.

Под действием дуги, возникающей при расхождении кон­тактов, масло разлагается и образующие газы создают в каме­ре давление. Когда тело подвижного контакта откроет первую щель, возникает газовое дутье, и при прохождении тока через нуль возможно гашение дуги. Обычно гашение дуги с боль­шим током происходит после открытия первых двух щелей.

Газы, образующиеся в процессе гашения дуги, выходят через зигзагообразный канал в верхней головке полюса, где во избежание выброса масла установлен специальный масло­отделитель.

Выпускаются маломасляные выключатели на напряжения 110, 220 и 500 кВ. На рис. 17.4. изображен масляный выклю­чатель серии ВМТ-110. Он рассчитан на номинальное напря­жение 110 кВ, номинальный ток 1 кА, номинальный ток от­ключения 20 кА, время отключения составляет 0,08 с, время включения 0,15 с. Включение полюсов производится пружин­ным приводом. Выключатели серии ВМТ-110 предназначены для коммутации электрических цепей при нормальных и аварийных режимах, а также для работы при АПВ в сетях трехфазного переменного тока частотой 50 и 60 Гц с номинальным напряжением 110, 150 и 220 кВ. Выключатели управляются унифицированными пружинными приводами типа ППрК-1400 (на ток отключения 25 кА) и ПрК-1800 (на ток отключения 31,5 и 40 кА).

Особенности конструкции

Выключатели серии ВМТ-110 относятся к электрическим коммутационным аппаратам высокого напряжения, в которых гасящей средой является трансформаторное масло. В основу конструкции выключателей ВМТ-110Б и ВМТ-220Б положено одноразрывное дугогасительное устройство (модуль) на напряжение 110 кВ, выключателей ВМТ-150Б – модуль на напряжение 150 кВ. В выключателях типа ВМТ-110 и ВМТ-150Б три полюса (рис. 1, 2) установлены на общем основании (раме) и управляются одним приводом. Полюс выключателей типа ВМТ-110 и ВМТ-150Б представляет собой маслонаполненную колонну, состоящую из опорного изолятора, дугогасительного устройства и подогревательных устройств, встроенных в корпус механизма управления (для исполнений У1 и УХЛ1).

На рис. 17.4, показана верхняя часть одного полюса.

Рис. 17.4 Общий вид, габаритные, установочные и присоединительные размеры выключателя типа ВМТ-110: 1 – привод; 2 – опорный изолятор; 3 – дугогасительное устройство; 4 – вывод; 5 – механизм управления; 6 – подогревательное устройство (для исполнения УХЛ1); 7 – рама; 8 – указатель положения В и О; 9 – кабельная муфта; 10 – знак заземления; 11 – болт заземления М16; 12 – опора рамы.

Под давлением газов масляный поток подводится перпенди­кулярно дуге. При касании с дугой масло образует газопаро­вую смесь, которая вытекает через дутьевые щели. Дуга ин­тенсивно охлаждается гаснет за 0,02...0,03 с.

В выключателях на напряжение 220 кВ и более для более успешного гашения дуги применяют в полюсе несколько раз­рывов, соединенных последовательно.

Для включения и отключения масляных выключателей применяют специальные устройства — приводы. В настоящее время используются ручной, электромагнитный, пружинный, пневматический и пневмогидравлический приводы.

Осмотры и обслуживание масляных выключателей.

При наружном осмотре проверяют действительное положение каждого выключателя по показанию его сигнального устройства и соответствие этого положения изображенному на оперативной схеме. Проверяют состояние поверхности фарфоровых покрышек вводов, изоляторов и тяг, целость мембран предохранительных клапанов и отсутствие выброса масла из газоотводов, отсутствие следов просачивания масла через сварные швы, разъемы, краны. На слух определяют отсутствие треска и шума внутри выключателя. По цвету термопленок устанавливают температуру контактных соединений. Обращают внимание на уровень масла в баках и соответствие его температурным отметкам на шкалах маслоуказателей. При значительном понижении уровня или уходе масла из бака принимают меры, препятствующие отключению выключателем тока нагрузки и тем более тока короткого замыкания. Дня этого отключают автоматические выключатели (снимают предохранители) на обоих полюсах цепи электромагнита отключения. Затем создают схему, при которой электрическая цепь с неуправляемым выключателем отключается другим выключателем, например шиносоединительным или обходным. В зимнее время при температуре окружающего воздуха ниже - 25°Сусловия гашения дуги в масляных выключателях резко ухудшаются вследствие повышения вязкости масла и уменьшения в связи с этим скорости движения подвижных частей. Для улучшения условий работы масляных выключателей при длительном (более суток) понижении температуры должен включаться электроподогрев, отключение которого производится при температуре выше - 20°С. На скорость и надежность работы выключателей большое влияние оказывает четкая работа их приводов при возможных в эксплуатации отклонениях напряжения от номинального в сети оперативного тока. При пониженном напряжении усилие, развиваемое электромагнитом отключения, может оказаться недостаточным и выключатель откажет в отключении. При пониженном напряжении в силовых цепях привод может недовключить выключатель, что особенно опасно при его работе в цикле АПВ. При повышенном напряжении электромагниты могут развивать чрезмерно большие усилия, которые приведут к поломкам деталей привода и сбоям в работе запирающего механизма. Для предупреждения отказов в работе приводов их действие периодически проверяют при напряжении 0,8 и 1,15 U ном . Если выключатель оборудован АПВ, опробование на отключение целесообразно производить от защиты с включением от АПВ. При отказе в отключении выключатель должен немедленно выводиться в ремонт.

¼ Воздушные выключателями.

Воздушный выключатель, электрический выключатель, в котором замыкание и размыкание контактов, а также гашение электрической дуги производятся сжатым воздухом. Давление сжатого воздуха в Воздушный выключатель колеблется в пределах 0,4 до 6 Мн/м² (от 4 до 60 aт); наиболее распространённое давление 1,6-4 Мн/м² (16-40 ат). Воздушный выключатель конструктивно состоит из 3 основных элементов: резервуара с запасом сжатого воздуха, дугогасительного устройства и электропневматического привода.   В Воздушный выключатель на напряжения до 35 кв, а также в Воздушный выключатель более ранних конструкций на напряжения 110 кви выше дугогасительное устройство расположено вне резервуара со сжатым воздухом и соединяется с ним изолированным воздухопроводом. Принципиальная схема такого Воздушный выключатель показана на рис. 1. При отключении электромагнит 3 через систему пневматических устройств открывает дутьевой клапан 2 для подвода сжатого воздуха из резервуара 1 по воздухопроводу 4 в дугогасительную камеру 5. Сжатый воздух, воздействуя на поршни 6 контактов 7, отжимает их от неподвижных контактов 8 (как это условно показано на верхнем разрыве). При размыкании контактов 7 и 8 образуется дуга, которая гасится потоком сжатого воздуха, устремляющегося из камеры 5 через отверстия (сопла) контактов 7 и 8 в газоотводные каналы 9, сообщающиеся с атмосферой. С небольшой задержкой по времени сжатый воздух поступает в цилиндр пневматического привода 10 и, воздействуя на поршень 11, размыкает контакты 12 и 13 отделителя, когда дуга уже погашена. После этого клапан2 прекращает поступление сжатого воздуха, а контакты 7 и 8 замыкаются. При включении электромагнит 16 открывает клапан 15, сжатый воздух через изоляционный воздухопровод 14 поступает в цилиндр 10 и, воздействуя на поршень 11, замыкает контакты отделителя.   Современный Воздушный выключатель снабжают закрытым отделителем, контакты которого расположены в изоляционной оболочке, при отключении заполняемой сжатым воздухом (рис. 2). С воздухонаполненными отделителями изготавливают Воздушный выключатель на напряжение 110 кв и выше (до 750 кв).   В Воздушный выключатель на напряжение свыше 35 кв дугогасительное устройство и его контакты размещаются непосредственно в резервуаре со сжатым воздухом (рис. 3), который создаёт необходимую электрическую прочность между разомкнутыми контактами. При размыкании подвижных контактов 6 с неподвижными 7 между ними возникает дуга. Одновременно открывается клапан 10 и сжатый воздух через сопла 9 и газоотводный канал 12 выходит из резервуара 11. Дуга потоком сжатого воздуха сдувается на дугоприёмные электроды 8 и гаснет. Клапан 10 закрывается и прекращает выход сжатого воздуха в атмосферу.   В одном резервуаре обычно расположены 2 последовательных разрыва, образующих в совокупности так называемый модульный дугогасящий элемент (модуль). В зависимости от конструкции и давления сжатого воздуха одним модулем можно отключать цепи при напряжениях от 110 до 250 кв. Выключатели на большие напряжения состоят из нескольких последовательно соединённых и одновременно действующих модулей. Для равномерного распределения напряжения между разрывами в отключенном положении модули шунтируют конденсаторами.   Основные преимущества Воздушный выключатель - их пожаро- и взрывобезопасность, быстродействие при включении и отключении и относительная простота конструкции. Недостаток Воздушный выключатель - наличие устройств для производства и хранения запасов сжатого воздуха. В СССР освоено производство Воздушный выключатель на напряжение до 750 кв, которые используются обычно на мощных электрических станциях и подстанциях.     Лит.: Цейров Е. М., Воздушные выключатели высокого напряжения, М. - Л., 1957; Состояние и развитие выключающей аппаратуры переменного тока высокого напряжения, М., 1960; Афанасьев В. В., Воздушные выключатели, М. - Л., 1964; Пузырийский Г. С., Воздушные выключатели высокого напряжения, в кн.: Итоги науки и техники. Электрические машины и аппараты, М., 1966.

Рис. 3. Принципиальная схема воздушного выключателя с закрытым отделителем: 1 - электромагнит включения; 2 - клапан подачи сжатого воздуха; 3 - электромагнит выключения; 4 - изоляционная штанга; 5 - пружина; 6 - подвижные контакты; 7 - неподвижные контакты; 8 - дугоприёмные электроды; 9 - сопло; 10 - клапан выпуска; 11 - резервуар; 12 - газоотводный канал.

Рис. 1. Принципиальная схема воздушного выключателя на напряжение до 35 кв:1 - резервуар со сжатым воздухом; 2 - дутьевой клапан; 3 - электромагнит; 4 - воздухопровод; 5 - дугогасительная камера; 6 - поршень; 7, 8 - контакты; 9 - отводные каналы; 10 - цилиндр; 11 - поршень; 12, 13 - контакты отделителя; 14 - воздухопровод; 15 - клапан; 16 - электромагнит.

Рис. 2. Воздушный выключатель с закрытым отделителем на напряжение свыше 110 кв: а - принципиальная схема воздушного выключателя; б - схема гашения дуги; 1 - дугогасительная камера; 2 - цилиндр привода; 3 - подвижный контакт; 4 - неподвижный контакт; 5 - колпачок; 6 - отверстия в колпачке; 7 - поршень.