Выключатели нагрузки
Назначение
Выключатель нагрузки - switсh выключатель, предназначенный для коммутации электрических цепей в нормальных условиях эксплуатации и в определенных условиях перегрузки, а также для пропускания в течение заданного интервала времени токов в условиях, отличных от нормальных.
Примечание: Выключатель нагрузки может быть способен включать токи короткого замыкания.
Выключатель нагрузки - это электрический аппарат, служащий для отключения всех видов токов, кроме токов короткого замыкания. При необходимости отключать токи короткого замыкания, последовательно с выключателем нагрузки устанавливаются предохранители. В связи с этим его дугогасительное устройство менее эффективно, по сравнению с выключателем и проще по конструкции. Все эти факторы в совокупности приводят к тому, что стоимость выключателя нагрузки ниже, чем выключателя. По этой причине парк выключателей нагрузки составляет в нашей стране порядка 70% от всех коммутационных электрических аппаратов применяемых в ячейках КСО.
Однако, разрыв в стоимости между выключателем нагрузки и выключателем за последнее время значительно сократился - и если раньше разница составляла 10-15 раз, то в настоящее время 2-3 раза. Это произошло потому, что с одной стороны, новые вакуумные и элегазовые выключатели стали значительно компактнее и менее материалоемки, чем старые маломасляные и тем более масляные баковые выключатели, а с другой стороны произошло усложнение конструкции самого выключателя нагрузки, с целью повышения его безопасности и надежности.
Конструкция
Классическим выключателем нагрузки (ВН) считается, воздушный выключатель нагрузки с продольным автогазовым дутьем. Конструкция этого аппарата напоминает конструкцию разъединителя с движением ножей в вертикальной плоскости, снабженного дугогасительными камерами. Используются подобные аппараты только в закрытых распредустройствах при рабочем напряжении 6 или 10 кВ.
Рис 1. Выключатель нагрузки ВН-16
В качестве первого примера ВН рассмотрим достаточно старый выключатель нагрузки типа ВН-16 (рис. 1). Его конструкция мало отличается от современных выключателей нагрузки с автогазовым дутьем, а сам ВН-16 до сих пор используется.
В основу конструкции выключателя нагрузки положена рама 1. На раме расположены: опорные изоляторы 2, подвижные контакты 3, дугогасительные камеры 4, изоляционные тяги 5, отключающие пружины 6, приводной вал 7, неподвижные главные контакты 10.
Подвижные контакты выключателя нагрузки выполнены двухступенчатыми. Они состоят из главных контактов (двух медных пластин 8 с приклепанными к ним фасонными дугообразными стальными пластинами и латунного осевого контакта), служащих для пропускания тока при замкнутых контактах аппарата, и дугогасительных контактов, а также контактных пружин и сварной вилки для присоединения изолирующей тяги.
Дугогасительное устройство выключателя нагрузки ВН-16 представлено на рис. 2. К верхней арматуре каждого из изоляторов, на котором закреплен неподвижный контакт, крепится винтами стальная прямоугольная планка, на которую собственно уже и крепится главный контакт 2 выполненный в виде уголка. На главном контакте установлен неподвижный дугогасительный контакт 3, крепящийся при помощи винтов 4. На дугогасительный контакт своей расширенной полостью надевается дугогасительная камера 5 крепящаяся к той же пластинке шестью винтами. Сама дугогасительная камера состоит из двух половинок, изготовленных из пластмассы и стянутых между собой при помощи винтов. Внутри дугогасительной камеры размещен сменный вкладыш 6, также состоящий из двух частей. Они вложены внутрь камеры таким образом, чтобы внутри нее осталось пространство для прохода дугогасительного ножа 7. Оба вкладыша изготовлены из материала, обладающего способностью под действием высокой температуры дуги выделять большое количество газов (автогазообразование), служащих для гашения дуги.
Рассмотрим процесс гашения дуги. При размыкании главных контактов дугогасительные контакты остаются замкнутыми, и дуги не возникает. При дальнейшем расхождении контактов размыкаются дугогасительные контакты, и на них загорается дуга внутри дугогасительной камеры. Под действием высокой температуры из вкладышей обильно выделяется газ, и повышается давление в области горения дуги. Образовавшиеся газы выбрасываются из верхней части дугогасительной камеры, обдувая дугу вдоль ее столба (продольное газовое дутье), что способствует ее гашению. Зона выброса газов из дугогасительной камеры составляет 0,2 * 0,6 м.
При выходе подвижного контакта из дугогасительной камеры дуга уже погашена.
В качестве материала вкладышей используется органическое стекло.
Коммутационный ресурс такого вкладыша для данного выключателя нагрузки составляет 75 отключений при токе 200 А и напряжении 10 кВ.
Для защиты от токов короткого замыкания последовательно с выключателем нагрузки устанавливаются плавкие предохранители. Такая модификация выключателя нагрузки содержит в своем обозначении букву «П». В нашем примере это ВНП-16 (рис. 3).
Рис. 3 Выключатель ВНП-16
Рис.4 Выключатель ВНПР-10
Конструкции автогазовых выключателей нагрузки совершенствуются в нашей стране до настоящего времени. В качестве примера современной модификации таких аппаратов рассмотрим выключатели нагрузки ВНПР-10 (рис. 4) и ВНМ-10. Как видно из рисунка конструктивно ВНПР-10 мало отличается от ВН-16. Однако, он имеет более высокие технические характеристики, приведенные в табл. 3.1, в сравнении с характеристиками ВН-16. К дополнительным устройствам, входящим в конструкцию автогазовых выключателей нагрузки, относят:
1. устройства отключения выключателя нагрузки при перегорании предохранителя;
2. привод.
Рассмотрим их по порядку.
Устройство отключения выключателя нагрузки при перегорании предохранителя
Механизм (рис. 5) состоит из: флажка 1, рычажка 2 (закрепленного на общем валу с флажком), изоляционной тяги 3, рычага 4 (свободно сидящего на валике 5), собачки 6 (закрепленной на этом валике), рычага 7 с роликом, заводного рычага 8, поворотного контакта 9, неподвижных контактов 10, пружины 11, гнутой тяги 12, ведущего пальца 13 (закрепленного на валу выключателя нагрузки 14). Причем, детали 1-4 повторяются на каждом полюсе аппарата, а остальные общие.
При перегорании плавкой вставки предохранителя 15 его указатель 16 выбрасывается и ударяет по флажку 1, который, поворачиваясь вместе с рычажком 2, посредством тяги 3 поворачивает рычаг 4. Последний, упираясь в упор 17, поворачивает валик 5 с собачкой 6, что дает возможность рычагу 7 вместе с поворотным контактом 9 повернуться под действием пружины 11 на угол 90° и замкнуть через неподвижные контакты 10 цепь катушки отключающего электромагнита.
При отключении вал выключателя нагрузки 14 поворачивается по часовой стрелке на угол около 73°. При этом ведущий палец 13 посредством тяги 12 поворачивает заводной рычаг 8. Последний, упираясь в упор 18, возвращает рычаг 7 вместе с поворотным контактом 9 в исходное положение, заводя при этом пружину 11. После смены предохранителя, при очередном включении выключателя нагрузки, заводной рычаг 8 снова отводиться влево.
Рис. 5 Механизм отключения выключателя
В качестве приводов выключателей нагрузки используется пружинный привод с ручным включением и ручным или автоматическим отключением посредством тяг; электромагнитный привод с дистанционным или автоматическим включением и (или) отключением. В конструкцию привода обычно закладываются блокировки от неправильных действий оператора управляющего этим приводом.
К сожалению, в конструкциях отечественных автогазовых выключателей нагрузки, выпускаемых ныне, заложены разработки почти полувековой давности, поэтому в современном оборудовании их применяют редко. Помимо больших затрат на эксплуатацию, они не соответствуют все возрастающим требованиям к электрическим сетям, поэтому в настоящее время при конструировании новых типов ячеек КСО зачастую обращаются к зарубежным разработкам.
Зарубежные фирмы предлагают несколько типов выключателей нагрузки, которые можно применять в различных вариациях: элегазовые и воздушные, трехпозиционные (включено - выключено - заземлено) и двухпозиционные (включено - выключено), ротационные и поршневые. Однако просто перенести зарубежные решения в Россию нельзя - в нашей стране действуют иные нормы и правила, и оборудование требует адаптации к российским условиям, кроме того, оно дорого. Тем не менее такое оборудование закупается и эксплуатируется. Поэтому рассмотрим наряду с отечественными конструкциями импортные выключатели нагрузки.
Конструкция воздушного выключателя нагрузки
Воздушный выключатель нагрузки серии IML устанавливается в ячейках КСО-6(10)-Э1 "АВРОРА" и представляет из себя трехполюсный трехпозиционный аппарат предназначенный для включения, длительного пропускания и отключения трехфазного номинального тока частотой 50 Гц в электрических сетях с изолированной нейтралью с напряжением до 10 кВ (табл.1.). Дугогашение в этих аппаратах осуществляется при помощи автокомпрессионного дутья воздухом.
Таблица 1. Краткая техническая характеристика ВН серии IML
Наименование параметра |
Величина |
Номинальное напряжение, кВ |
10 |
Наибольшее рабочее напряжение, кВ |
12 |
Номинальный ток, А |
400; 630 |
Наибольший ток отключения при cos(p = 0.7, А |
400;630 |
- ток электродинамической стойкости, кА; |
31.5; 40; 51 |
- начальное действующее значение периодической составляющей, кА; |
12,5; 16; 20 |
- ток термической стойкости, кА; |
12,5; 16; 20 |
- время протекания тока короткого замыкания, с |
1 |
Ресурс по механической стойкости (количество циклов B-t„-0 до капитального ремонта) |
2000 |
Коммутационный ресурс (количество циклов B-tn-O, выполняемых при коммутации номинального тока без замены и ревизии контактов), не менее |
100 |
Срок службы до списания, не менее, лет |
30 |
Масса, не более, кг |
30 |
Выключатель нагрузки IML состоит из трех полюсов, установленных на одном валу (рис. 6)
Рис. 6 Выключатель нагрузки IML
На металлическом основании 1 установлены несущие опорные держатели 2 из изоляционного материала, на которых закреплены неподвижные контактные элементы 3.
На нижней части держателей 2 установлены подвижные контакты 4 и нижние подводящие шины. Подвижный контакт 4 соединен с нижней подводящей шиной при помощи двух цилиндрических скользящих Контактов. Таким образом, подвижный контакт имеет возможность вращения вокруг осей скользящих контактов, что позволяет данной конструкции, кроме основной функции, выполнять операцию заземления без применения дополнительных устройств. Заземляющие контакты крепятся к шине заземления, которая, в свою очередь, крепится к металлическому основанию. В верхней части держателей установлены неподвижные линейные контакты полюса, в которые вмонтированы подвижные дугогасительные контакты. Верхние части держателей 2 одновременно служат опорными изоляторами для сборных шин. I
Выключатель нагрузки может находиться в одном из трех положений -"включено", "отключено" или "заземлено" (рис. 7). Из положения "включено" выключатель может быть переведен в положение "заземлено" только через положение "выключено". Таким образом, осуществляется естественная блокировка от неправильных действий оператора.
Рис. 7 Положения выключателя нагрузки
Принцип работы выключателя нагрузки основан на гашении дуги при помощи продольного дутья воздухом, возникающего при движении подвижного контакта.
Дугогасящая система состоит из пары дугогасительных контактов 3 и 4 (рис. 8), расположенных коаксиально внутри главных контактов 1 и 2: внутри неподвижного главного контакта 1 установлен подпружиненный подвижный стержневой дугогасительный контакт 3, а внутри подвижного главного контакта 2 установлен дугогасительный контакт розеточного типа 4.
При отключении вначале происходит размыкание главных контактов 1 и 2, при этом подвижный дугогасительный контакт 3 движется вместе с подвижным главным контактом 2, удерживаемый розеточным дугогасительным контактом 4. При достижении расстояния, определяемого положением упора, подвижный дугогасительный контакт 3 прекращает движение, выходит из соприкосновения с розеточным дугогасительным контактом 4 и под действием пружины 5 возвращается в исходное состояние. При разрыве дугогасительных контактов 3 и 4 они с удвоенной скоростью движутся в противоположных направлениях.
Также как и у выключателей нагрузки с автогазовым дутьем, у воздушных выключателей нагрузки существует модификация с последовательно установленными предохранителями (рис. 9).
Рис. 9 Модификация выключателя IML с предохранителями
Такая конструкция снабжается устройством, предназначенным для автоматического отключения выключателя нагрузки при перегорании предохранителя любой из фаз.
Устройство установлено на основании выключателя и состоит из трех изолированных тяг 1, укрепленных на общем валу 2 (рис. 9).
При перегорании любого предохранителя, боек предохранителя воздействует на тягу 1, при этом поворачивается вал 2, запуская механизм свободного расцепления привода. Выключатель отключается.
Данные выключатели нагрузки комплектуются пружинными приводами с ручным или дистанционным управлением при помощи встроенных электромагнитов.
Конструкция элегазового выключателя нагрузки
Рассмотрим элегазовый ВН на примере аппарата, выпускаемого фирмой Merlin Gerin, входящей в фирму Schneider Electric, и устанавливаемого в распределительные ячейки типа SM6.
Данный выключатель нагрузки (рис. 10) представляет собой трехпозиционный коммутационный аппарат, устанавливаемый в распределительные ячейки типа SM6 (рис. 11).
Три поворотных контакта 5 выключателя нагрузки помещены в герметично закрытый и необслуживаемый в течение всего срока службы корпус, заполненный элегазом под избыточным давлением 0,4 атм. приводит к ее удлинению и более интенсивному охлаждению. Это обеспечивает гашение дуги при первом переходе тока через нуль.
Рис. 11 Распределительные ячейки SM6
В случае недопустимого повышения давления внутри корпуса разъединителя рвется предохранительная мембрана, направляя газ в заднюю часть ячейки и обеспечивая тем самым безопасность персонала.
Конструкция вакуумного выключателя нагрузки
Вакуумные выключатели нагрузки были разработаны с целью замены автогазовых выключателей нагрузки. Рассмотрим следующую конструкцию.
Выключатель нагрузки вакуумный типа ВНБ-10/630-16 (рис. 12)
Рис 12. Выключатель нагрузки вакуумный
Предназначен для работы в электрических сетях с изолированной или заземленной нейтралью, при частых коммутациях трехфазного переменного тока напряжением 10 кВ (табл.2).
В выключателе применена дугогасительная вакуумная камера типа КДВА2-10-16/1000.
Таблица 2. Краткая техническая характеристика ВН типа ВНБ-10/630-16
Наименование параметра |
Величина |
Номинальное напряжение, кВ |
10 |
Наибольшее рабочее напряжение, кВ |
12 |
Номинальный ток, А |
630 |
Начальное действующее значение периодической составляющей, кА; |
16 |
Собственное время включения, мсгне более |
150 |
Собственное время отключения, мс,не более |
40 |
Количество циклов включения/отключения до капитального ремонта |
20 000 |
Ресурс по коммутационной стойкости при номинальном токе должен быть циклов В-О, не менее |
20 000 |
Срок службы выключателей до среднего ремонта не менее |
12 лет |
Срок службы до списания |
25 лет |
Масса, не более, кг |
70 |
Выбор выключателей нагрузки
По напряжению
Uном ≥ Uсети ном
По длительно допустимой токовой нагрузки
≥ ;
По электродинамической стойкости
;
где, -предельный сквозной ток аппарата, допустимый при КЗ;
- нормированный ток электродинамической стойкости аппарата;
- расчетное (наибольшее) значение ударного тока КЗ в цепи разъединителя.
По термической стойкости
≥ при ≥ ;
= при ;
где, - ток термической стойкости;
- нормированное допустимое время протекания тока термической стойкости;
– интеграл Джоуля для условий КЗ.
Проверка на коммутационную способность
=
;
В
отдельных случаях
>
(соотношение
указывается изготовителем в эксплуатационных
документах). Соответствие времятоковой
характеристики предохранителя расчетным
условиям защищаемой цепи (при установке
выключателя нагрузки последовательно
с предохранителем)
По месту установки
При выборе типа выключателя следует учитывать следующие обстоятельства:
1. При номинальном напряжении 6-10 кВ и редких коммутациях целесообразно применение маломасляных выключателей. При частых коммутациях рекомендуется применять вакуумные и элегазовые, обладающие большим сроком службы.
2. При номинальном напряжении 35-110 кВ и номинальных токах отключения до 20 кА целесообразно применять маломасляные выключатели. При больших номинальных токах и напряжениях применяются воздушные и элегазовые выключатели.
При экономической оценке выбираемого типа выключателя следует учесть, что, несмотря на то. Что вакуумные выключатели имеют большую стоимость, применение их более оправдано ввиду малых расходов на техническое обслуживание и большого срока службы ДУ (до 25 лет).
Выключатель – circuit breaker контактный коммутационный аппарат, способный включать, проводить и отключать токи при нормальных условиях в цепи, а также включать, проводить в течение нормированного времени и отключать токи при нормированных ненормальных условиях в цепи, таких как короткое замыкание. СТ МЭК 50 (441)-84
Назначение
Выключатель высокого напряжения - это коммутационный аппарат, применяемый, начиная с напряжения 3 кВ, и служащий для отключения всех видов нагрузочных токов, токов ненормальных режимов работы и аварийных токов (включая токи короткого замыкания). Поэтому в ряду в'ысоковольтных коммутационных аппаратов выключатель является единственным универсальным устройством.
Классификация
1. По конструкции и способу дугогашения:
масляные;
воздушные;
электромагнитные;
элегазовые;
вакуумные.
2. По месту установки:
для работы на открытом воздухе;
для работы в помещении;
для работы в металлических оболочках КРУ на открытом воздухе;
для работы в металлических оболочках КРУ в помещении.
3. По конструктивной связи между полюсами:
однополюсные (нефиксированное расстояние между полюсами);
трехполюсные (с тремя полюсами в общем корпусе или тремя полюсами, каждый из которых расположен в отдельном корпусе).
Масляные баковые выключатели с большим объемом масла
Примерно до 1930 года масляные выключатели являлись единственным видом выключателей в сетях высокого напряжения.
В настоящее время данный вид выключателей постепенно сходит на нет,
хотя достаточно большое количество подобных выключателей находите» в эксплуатации, и некоторое количество серийно выпускается и в настоящее время. Областью их применения является диапазон напряжений от 6 до 220 кВ и номинальных токов от 200 до 11 200 А. Токи; отключаемые данными выключателями, достигают 90 кА.
Классификация масляных баковых выключателей:
1. по месту расположения полюсов:
однобаковые (когда токоведущие части трех полюсов находятся в одном общем баке);
трехбаковые (когда токоведущие части каждого полюса находятся в отдельном баке).
2. по наличию (отсутствию) дугогасительной камеры :
с простым разрывом контактов в масле (без дугогасительной камеры) (рис.4.1);
с простой дугогасительной камерой;
с дугогасительной камерой и принудительным масляным дутьем до выхода подвижного контакта из камеры (продольным, поперечным или смешанным).
Способы дугогашения у баковых выключателей
Первым способом является простой разрыв контактов в масле (рис. 4.1).
У такого выключателя имеется подвижный контакт, перемыкающий два неподвижных контакта одного полюса, соединенный с приводным механизмом посредством изоляционной штанги. Эти контакты помещены в металлический бак, заполненный трансформаторным маслом. При помощи масла и вводных изоляторов контакты изолируются от корпуса, который заземляется. Между поверхностью масла и крышкой бака находится воздух под атмосферным давлением. Это способствует уменьшению давления на стенки бака при отключении и возможность выброса масла из бака, снижая тем самым опасность взрыва. При отключении под действием высокой температуры дуги окружающее ее масло разлагается, образуя вокруг дуги газовый пузырь, состоящий в среднем на: 60 -66 % водорода, 17 - 20 % ацетилена, 9 - 15% метана, 5 - 8% гидроуглерода этилена.
Процесс газообразования при гашении дуги столь быстр, что масло не успевает отвести давление из зоны горения дуги и оно поднимается до значении порядка 0,5 - 1,0 МПа. При расхождении контактов длина дуги увеличивается и при некоторой длине (при переходе тока через нуль) гаснет.
Гашению дуги при данной конструкции выключателя способствуют следующие факторы:
горение дуги в среде водорода обладающего высокой
деионизирующей и охлаждающей способностью;
повышенное давление в зоне горения дуги, увеличивающее степень деионизации дуги;
интенсивное перемещение продуктов распада трансформаторного масла около ствола дуги, охлаждающее ее;
растяжение дуги в пространстве, при расхождении контактов, улучшающее условия охлаждения.
Для улучшения работы баковых выключателей были предложены специальные дугогасительные устройства - дугогасительные камеры.
Конструкция простейшей дугогасительной камеры представлена на рис.4.2.
Такая камера представляет собой металлический (с изолированными стенками) или из специальной пластмассы корпус, обладающий высокой
механической прочностью. В верхней части корпуса закреплен неподвижный контакт. Внизу имеется отверстие для подвижного контакта цилиндрической формы. Подвижный контакт плотно, с незначительным зазором, входит в это отверстие.
При размыкании контактов между ними загорается дуга, и вокруг образуется газовый пузырь. Поскольку объем масла в камере невелик, то давление в газовом пузыре значительно выше давления при простом разрыве контактов в масле. Кроме того, при выходе подвижного контакта из камеры вслед за ним с большой скоростью вырывается поток газа, обеспечивая газомаслянное продольное дутье. Этот момент наиболее благоприятен для гашения дуги, однако, он может не совпадать с моментом перехода тока через ноль, что существенно снижает эффективность гашения дуги.
Если в такой камере происходит отключение малых токов, то давление в камере повышается незначительно и процесс отключения протекает подобно простому разрыву контактов в масле.
Дальнейшим развитием концепции дугогасительной камеры явилась конструкция с принудительным масляным дутьем до выхода подвижного контакта из дугогасительной камеры.
Рассмотрим далее дугогасительную камеру с продольным масляным дутьем, представленную на рис.4.3.
Данная камера разделена на две части изоляционной перегородкой с отверстиями. В центре перегородки расположен промежуточный контакт, который может передвигаться на небольшое расстояние. В верхней части камеры закреплен неподвижный контакт, а в нижней имеется отверстие для подвижного полого трубчатого контакта. Во включенном положении верхний торец подвижного контакта соприкасается с нижним торцом промежуточного контакта. Верхний торец последнего соприкасается с нижним торцом неподвижного контакта, образуя замкнутую электрическую цепь.
При отключении выключателя начинается одновременное движение вниз подвижного и промежуточного контактов и в промежутке между неподвижным и промежуточным контактом загорается дуга, называемая генерирующей, поскольку она создает давление внутри корпуса камеры.
Промежуточный контакт, пройдя расстояние 15-20 мм, останавливается. В возникшем промежутке между ним и подвижным контактом загорается вторая дуга, называемая гасимой.
Под действием давления, создаваемого первой дугой, масло через отверстия в изолирующей перегородке устремляется к гасимой дуге, обдувает ее и через подвижный полый трубчатый контакт выходит в бак масляного выключателя. За счет этого осуществляется эффективное гашение дуги еще до выхода подвижного контакта из дугогасительной камеры.
Другим примером дугогасительной камеры является камера с поперечным масляным дутьем, представленная на рис. 4.4.
У этой камеры к корпусу присоединен набор изоляционных пластин с центральными отверстиями. Часть пластин (через одну) имеет по прорези (щели), ведущей наружу.
При размыкании контактов между ними загорается дуга, создающая повышенное давление в дугогасительной камере.
При движении вниз подвижный контакт открывает первую щель в корпусе дугогасительной камеры (которая до этого была им закрыта) и открывает выход маслу из камеры. При этом масло обдувает дугу в поперечном направлении. Если после открытия первой щели не происходит гашения дуги, то вскоре открывается вторая щель и на дугу воздействует уже две струи масла и т.д.
Рассмотрим конструкцию бакового масляного выключателя с подобной дугогасительной камерой на примере аппарата типа У-110-2000-50У1 на 110 кВ представленного на рис.4.5.
Это трехбаковый выключатель. На рисунке представлен один из его баков в разрезе. У выключателя три бака 1 цилиндрической формы. На крышке бака смонтированы маслонаполненные вводы 2, приводной механизм 3, предохранительный клапан, коробки со встроенными трансформаторами тока 4 и патрубки для заливки масла.
На каждом баке имеются лазы для доступа внутрь бака и к устройству для подогрева масла, расположенному под днищем бака. Изнутри стенки бака в несколько слоев изолированы электрокартоном или пластиком 5.
Приводной механизм 3 сочленен с изоляционной тягой 6, перемещающейся в вертикальном направлении и с соединительной тягой (предназначенной для одновременного воздействия на все три полюса выключателя), движущейся в горизонтальном направлении. Все три полюса управляются одним электромагнитным или пневматическим приводом типа ПЭ-44, установленном на первом полюсе.
Два
дугогасительных устройства 7 (с
дугогасительными камерамип
одобными
приведенным на рис.4.4) вместе с шунтирующим
резистором 8 закреплены на нижних концах
вводов 2.
Конструкция дугогасительного устройства представлена на рис. 4.6.
В изоляционном корпусе дугогасительного устройства установлены две дугогасительные камеры продольного масляного дутья 7. Они соединены последовательно посредством перемычки 6 с токосъемными контактами. Токосъемные контакты обеспечивают контакт перемычки с подвижным контактом 5, с одной стороны, и с подвижным контактом 10 посредством неподвижного контакта 9, с другой стороны.
В корпусе 4 закреплены торцевые неподвижные контакты 8 и 11. Подвижная контактная система состоит из корпуса 1, в который ввернуты нижний цилиндрический подвижный контакт 10 и изоляционный стержень 3. В верхней части корпуса 1 закреплен верхний подвижный контакт 5.
При включении выключателя подвижная траверса 9 с двумя цилиндрическими контактами (рис.4.4) поднимается и входит в соприкосновение с корпусом 1. В ходе дальнейшего движения вместе с ней поднимаются подвижные контакты 5 и 10 и входят соответственно в неподвижные контакты 8 и 9, осуществляя замыкание электрической цепи выключателя.
При отключении выключателя подвижная траверса вместе с контактами 5 и 10 опускается вниз, чему также способствует пружина 2. В некоторый момент контакты 5, 8 и 9, 10 размыкаются. Между ними загораются две дуги, которые гасятся в дугогасительных камерах 7 поперечного масляного дутья. При этом, газы, выходящие из дугогасительного устройства сообщают слою масла большую кинетическую энергию. Разогнавшееся масло ударяет о крышку бака. Скорость масла в момент удара может достигать 10-20 м/с. В результате удара масла о крышку возникает усилие (для данного выключателя 100 кН), направленное вверх, а при падении масла - усилие (для данного выключателя 120 кН), направленное вниз.
К достоинствам данного вида выключателей следует отнести высокую надежность из-за:
простоты конструкций дугогасительных устройств и привода;
высокой механической прочности элементов конструкции (бака, вводов, камер, привода).
К недостаткам масляных баковых выключателей относят их взрыво- и пожароопасность. Если уровень масла в баке будет по каким либо причинам понижен, то при отключении может произойти прорыв продуктов разложения трансформаторного масла под крышку бака. При определенном соотношении газов может образоваться гремучая смесь, что приведет к взрыву выключателя.
Кроме того, в баковых выключателях, существует возможность пробоя изоляции между токоведущими и заземленными частями при понижении изоляционных свойств трансформаторного масла и из-за отложения на внутренних элементах конструкции токопроводящих продуктов разложения трансформаторного масла. Вдобавок выключатели, начиная со 110 кВ, сложны в ревизии.
Сюда же можно отнести большие габариты и массу выключателя,
необходимость периодической очистки масла, влекущее за собой содержание специализированного масляного хозяйства.
Маломасляные выключатели
В отличие от масляных выключателей в маломасляных масло не играет роль изолятора. Его назначение - гашение дуги, а роль изоляции выполняют твердые материалы. В этом основное принципиальное различие между двумя этими типами выключателей.
В связи с тем, что масло используется только для дуто гашения его объем может быть значительно меньшим, достаточным только для заполнения объема дугогасительной камеры. Следовательно, можно резко уменьшить массу и габариты выключателя, а также снизить его взрыво- и пожароопасность.
Однако, меньшая прочность корпуса у маломасляных выключателей обеспечивает также и меньшую отключающую способность, по сравнению с баковыми.
Область применения таких выключателей напряжение б - 500 кВ.
Классификация маломасляных выключателей
Маломасляные выключатели подразделяют: а по компоновке:
с дугогасительными камерами внизу (ход подвижного контакта сверху вниз);
с дугогасительными камерами вверху (ход подвижного контакта снизу вверх).
Конструкция маломасляного выключателя с дугогасительными камерами, расположенными внизу
Рассмотрим конструкцию маломасляного выключателя внутренней установки типа ВМПЭ-10 на 10 кВ, номинальные токи 630, 1000, 1600 А и токи отключения 20 и 31,5 кА, представленную на рис 4.7.
Все три полюса выключателя 1 смонтированы на сварной раме 3 при помощи опорных изоляторов 2. Внутри рамы расположен приводной механизм, который передает движение от привода к подвижным контактам и состоит из приводного вала 5 с рычагами, изоляционной тяги 4, отключающих пружин, масляного 6 и пружинного демпферов.
Устройство полюса выключателя показано на рис.4.8. Каждый полюс состоит из изоляционного цилиндра 5, армированного на концах металлическими фланцами 3 и 6. На верхнем фланце укреплен алюминиевый корпус 9. Внутри корпуса установлен приводной механизм 13 с подвижным контактом 14, роликовым токосъемным устройством 8 и маслоуловителем 12. Корпус сверху закрыт крышкой 10 оборудованной маслозаливным отверстием с пробкой 11 и отверстием для выхода газов.
Нижний фланец, оборудованный указателем уровня масла 15, закрыт крышкой 1, имеющей маслоспускную пробку 16. Внутри фланца расположен
крышкой 1, имеющей маслоспускную пробку 16. Внутри фланца расположен неподвижный розеточный контакт 2, над которым установлена дугогасительная камера с поперечным масляным дутьем 4.
Дугогасительная камера работает по принципу представленному на рис.4.4. Элементы камеры изготовлены из пластин фибры, гетинакса и электрокартона, в которых вырезаны отверстия, образующие каналы и полости для гашения дуги. Элементы стягиваются фибровыми или текстолитовыми шпильками и устанавливаются в стеклоэпоксидный цилиндр 19.
Дугогасительная камера заполняется трансформаторным маслом 17.
Каждый из трех каналов (на рис. 4.8 виден только один) в начале идет горизонтально, затем вертикально.
Для ограничения давления при больших токах и создания необходимого давления в зоне горения дуги, при переходе тока через ноль, в нижнем металлическом фланце 3 имеется воздушный буфер 20.
Токоподвод осуществляется к нижней крышке и верхней крышке (или среднему выводу 7).
Для повышения дугостойкости съемный наконечник подвижного контакта и верхние торцы ламелей розеточного контакта облицованы дугостойкой металлокерамикой.
Процесс дугогашения проходит следующим образом. При расхождении
контактов между ними загорается дуга, под действием которой разлагается трансформаторное масло. Образующиеся газы создают в камере повышенное давление. Давление в камере достигает наибольшего значения при максимуме тока. Под действием этого давления масло сжимает воздух в буфере 20, и в нем аккумулируется энергия. При движении вверх подвижный контакт открывает
первую горизонтальную щель дугогасительной камеры, включая тем самым процесс поперечного дутья. При приближении тока к нулю падает мощность дуги, и падает давление в области горения дуги. Энергия, накопленная в буфере, позволяет создать при приближении тока к нулю такое давление, которое необходимо для гашения дуги. При открытии второго и третьего горизонтального каналов в ходе дальнейшего подъема подвижного контакта вверх усиливается степень поперечного дутья. При большом токе гашение дуги обычно происходит уже при открытии только двух горизонтальных каналов.
В процессе отключения малых токов давление в дугогасительной камере невелико, и гашения дуги не происходит даже после открытия всех трех горизонтальных каналов. При этом в ходе движения подвижного контакта вверх дуга затягивается в масляные карманы 18, расположенные в верхней части дугогасительной камеры.
Масло в карманах разлагается. Образующиеся газы стремятся выйти вниз, охлаждая дуговой промежуток. Этот процесс все усиливается по мере включения в работу все новых и новых масляных карманов, что позволяет надежно отключить малые токи.
Газы, образующиеся в процессе гашения дуги, выходят через зигзагообразный канал в верхней крышке полюса. Для исключения выброса масла из полюса в его верхней части расположен специальный маслоуловитель 12.
Конструкция маломасляного выключателя с дугогасителышми камерами, расположенными вверху
На напряжение 110 и 220 кВ выпускаются выключатели типов ВМТ-110 (рис.4.9а) и ВМТ-220 (Рис.4.96) соответственно. Для работы при низких температурах выключатели снабжены маслоподогревающим устройством.
Конструкция дугогасительного устройства со встречно-поперечным дутьем полюса выключателя ВМТ-110 и полуполюса выключателя ВМТ-220 представлена на рис.4.10.
Работает такое устройство следующим образом. При отключении выключателя контакт 2 движется вниз, и между контактами 2 и 9 загорается дуга. В дугогасительной камере поднимается давление. Под давлением образовавшихся газов масляный поток выходит из каналов А и Б перпендикулярно дуге. При соприкосновении с дугой масло образует газопаровую смесь, которая выходит через дутьевые щели В и Г. При этом столб дуги интенсивно охлаждается и дуга гаснет за 0,02 - 0,03 с.
Наличие в верхней части выключателя буферного объема заполненного воздухом или азотом под высоким давлением 0,5 - 1 МПа обеспечивает необходимое давление в области горения столба дуги. Сама дуга не может обеспечить такого давления при разрыве небольших токов.
Электромагнитные выключатели
Назначение и классификация
Электромагнитные выключатели производят на напряжение 6-10кВ,
номинальные токи до 3600 А и токи отключения до 40 кА. Используют их только для внутренней установки. Область их применения - системы собственных нужд мощных электростанций, а также промышленные установки с частыми операциями включения и отключения.
В электромагнитных выключателях при расхождении контактов загоревшаяся дуга за счет магнитного дутья втягивается в дугогасительную камеру. В ней сопротивление дуги быстро возрастает, что приводит к уменьшению тока, проходящего через выключатель. Напряжение на дуге оказывается недостаточным для поддержания ее горения. Дуга гаснет,
Падение напряжения на дуге в электромагнитных выключателях значительно превышает аналогичное падение напряжения у масляных и воздушных.
Процесс, иллюстрирующий изменение падения напряжения на дуге, по отношению к напряжению в сети и току через выключатель показан на рис.4.11.
Сопротивление дуги при гашении может быть повышено:
удлинением дуги;
охлаждением дуги;
делением дуги на ряд коротких дуг.
Обычно в дугогасительных устройствах электромагнитных выключателей используют по два из названных способов:
Камеры магнитного дутья с металлической (деионной) решеткой (способ М.О. Доливо-Добровольского). Как работает такая камера?
Если горящую дугу разделить на ряд коротких дуг так, чтобы напряжение на каждой из них составляло 110-130 В, то после прохождения тока через нуль дуга вновь не зажжется. Данные камеры из-за своей сложности широкого распространения не получили.
Лабиринтно-щелевые камеры магнитного дутья.
Эти дугогасительные камеры получили наибольшее распространение в электромагнитных выключателях благодаря относительной простоте конструкции. Однако узкие щели такой камеры нагреваются дугой до очень высоких температур. При этом они начинают проводить ток, что, в свою очередь, может привести к отказу в гашении дуги. Поэтому номинальное напряжение для таких камер не превышает 10 кВ.
Магнитная система такой дугогасительной камеры (рис. 4.12) состоит из
П-образного магнитопровода 7, выполненного из пакетов шихтованной электротехнической стали, и катушки 6, надетой на средний пакет. Выводы катушки присоединены к неподвижному контакту 4 и рогу 5. Дугогасителькое устройство размещается между боковыми пакетами магнитопровода 7 и представляет собой короб 8, выполненный из электроизоляционного материала. Внутри короба находится пакет пластин 9 из дугостойкой керамики, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Снаружи к пакету пластин 9 прилегают медные рога 5 и 10.
При размыкании главных контактов 1 и 2 возникающая между ними дуга под действием тепловых потоков воздуха и электродинамических сил, а также специального воздушного дутья из цилиндра 11 (рис.4.13) перемещается вверх на дугогасительные контакты 3.
При дальнейшем подъеме дуги ее левая часть касается рога 5, а правая рога 10. При этом начинает обтекаться током катушка 6. Она создает мощное магнитное поле, которое обеспечивает дальнейшее затягивание дуги в пакет пластин из дугостойкой керамики. Там дуга удлиняется по мере входа в камеру (за счет специальной формы пластин) и охлаждается (за счет соприкосновения с керамическими пластинами). При подходе тока к нулю ствол дуги интенсивно деионизируется. Дуга гаснет.
Конструкция электромагнитного выключателя типа ВЭМ-10Э-1000/12,5 УЗ на 10 кВ с подобными камерами представлена на рис. 4.13.
Воздушные выключатели
Назначение и классификация
Воздушные выключатели применяют как:
сетевые, на напряжение б - 1150 кВ, номинальный ток до 4000 А и ток отключения до 63 кА;
генераторные, на напряжение 6 - 20 кВ, номинальный ток до 20 кА и ток отключения до 160 кА:
как выключатели нагрузки на напряжение 6 - 500 кВ;
как выключатели КРУ на напряжение до 35 кВ
Вне зависимости от области применения ВВ состоят из трех основных частей:
дугогасительного устройства с отделителем или без него;
системы снабжения сжатым воздухом;
системы управления.
Гашение дуги в ВВ осуществляется сжатым воздухом, подаваемым в зону горения дуги под давлением 0,6 - 8 МПа, с использованием различных видов дутья и конструктивного исполнения дугогасительных камер.
Различают следующие виды воздушного дутья:
Продольное воздушное дутье:
вдоль двух сплошных контактов (рис.4.14а);
вдоль контактов, один из которых сплошной, а второй - полый (через полый контакт воздух выходит в атмосферу), рис.4.146;
между двумя полыми контактами - симметричное дутье (рис.4.14в);
между двумя полыми контактами с различными внутренними диаметрами - несимметричное дутье (рис. 4.15).
Для наилучшего гашения дуги, необходимо, чтобы при продольном симметричном дутье расстояние между контактами было немного больше половины, а при одностороннем продольном, дутье составляло четверть от внутреннего диаметра полого контакта. Фактически это расстояние составляет от 25 до 50 мм в зависимости от номинального напряжения ВВ.
Поскольку расстояние между контактами мало, то при гашении дуги напряжение, приложенное к контактам, не должно превышать 35-60 кВ при давлении воздуха 2 МПа и 80-125 кВ - при давлении 4 МПа. В связи с этим дугогасительное устройство ВВ на номинальное напряжение ПО кВ и выше имеет несколько контактных промежутков, соединенных последовательно.
Воздушные выключатели с продольным дутьем выпускаются на все классы напряжения вплоть до 1150 кВ.
2. Поперечное воздушное дутье (рис. 4.16).
При этом способе дутья загоревшаяся при расхождении контактов 1 и 2
дуга поперечной струей сжатого воздуха сдувается с рабочих поверхностей контактов и одновременно вдувается в первую щель, образованную из изоляционных перегородок 5. При дальнейшем ходе подвижного контакта вниз открывается вторая изоляционная щель, в которую вдувается дуга и т.д.
В результате дуга растягивается и эффективно охлаждается сжатым воздухом. Для защиты изоляционных перегородок они полностью или частично (в зоне контакта с дугой) выполняются из газогенерирующего материала - фибры или подобного ей. При выделении газа происходит дополнительное охлаждение дуги.
На практике данный вид дутья нашел ограниченное применение из-за наличия органической изоляции, соприкасающейся с дугой, больших габаритных размеров и сложности дугогасящего устройства.
Основные схемы воздушных выключателей
Схема 1
В этой схеме (рис. 4.17) сжатый воздух располагается в заземленном резервуаре 1, служащем основанием выключателя. На резервуаре установлен изоляционный воздухопровод 3 (высота которого зависит от номинального напряжения ВВ), по которому сжатый воздух через дутьевой клапан 2, расположенный в нижней части воздухопровода, подается к дугогасительным устройствам 4, расположенным в изоляционном корпусе в верхней части выключателя.
Недостатком данной схемы является рост высоты воздухопровода при повышении номинального напряжения ВВ. Увеличение высоты воздухопровода ведет к потере давления в нем. Это негативно сказывается на качестве гашения дуги. В связи с этим данная схема не используется на сверхвысокие напряжения.
Схема 2
В данной схеме (рис. 4.18) резервуар со сжатым воздухом 1 вместе дутьевым клапаном 2 располагается в непосредственной близости о дугогасительных устройств 4 и имеет на своем корпусе высокий потенциал.
Достоинства такой схемы, по сравнению с предыдущей:
отсутствие потерь давления в воздухопроводе при любом класс> рабочего напряжения;
отсутствие необходимости в длинных воздуховодах;
большее быстродействие.
Недостатком данной схемы является возрастание габаритов и массь частей ВВ, находящихся под высоким напряжением.
Схема 3
В этой схеме (рис.4.19), применяемой начиная с напряжения 110 кВ и вплоть до 1150 кВ, дугогасительное устройство 4 помещено непосредственно в металлический бак со сжатым воздухом 1. Обдув дуги сжатым воздухом начинается с момента открытия дутьевого клапана 2, расположенного в выхлопной части камеры.
При использовании дугогасительных устройств с двухсторонним дутьем может возникнуть необходимость в дополнительных дутьевых клапанах 5.
В таких выключателях обычно устанавливают два дугогасительных разрыва в одном резервуаре.
К достоинствам данной схемы можно отнести еще более высокое
быстродействие по сравнению с предыдущей схемой.
К недостаткам - очень тяжелые условия работы специальных проходных изоляторов 6:
сильно неоднородное электрическое поле;
высокое давление на стенки изолятора.
Схема 4
В этой схеме (рис.4.20) сохраняются достоинства предыдущей и одновременно исключаются ее недостатки - за счет исключения из конструкции вводных изоляторов 6 (рис.4.19).
У этих выключателей дугогасительная камера 1 изготавливается из высокопрочного стеклопластика, что и позволяет обойтись без специальных вводов, поскольку сама камера изготовлена из изоляционного материала.
В конструкциях современных воздушных выключателей заложены следующие принципы:
модульный принцип построения;
напряжение, приходящееся на один двухразрывный модуль, 150 -250 кВ;
давления сжатого воздуха 6 - 8,5 МПа;
выское быстродействие;
снижение коммутационных перенапряжений за счет использования встроенных шунтирующих резисторов;
высокая надежность механической части.
Для надежной работы выключателей с многократным разрывом цепи необходимо, чтобы восстанавливающееся после гашения дуги напряжение
равномерно распределялось между разрывами. В противном случае возможно повторное зажигание дуги при пробое какого либо разрыва.
Фактически напряжение распределяется между разрывами (представляющими в разомкнутом состоянии емкости С2) не равномерно. Это связано с наличием емкостей фарфоровых опорных колонок относительно земли (С. на рис. 4.21).
Для обеспечения равномерного распределения напряжения между разрывами на любой частоте восстанавливающегося напряжения разрывы шунтируют дополнительными конденсаторами, включенными параллельно разрывам (рис. 4.22а).
Выключатели, чувствительные к скорости восстановления напряжения, обычно снабжают дополнительными шунтирующими резисторами, включенными параллельно каждому разрыву (рис. 4.226). При этом добавляются также небольшие вспомогательные дугогасительные устройства (1’, 2', 3', 4'), служащие для отключения сопровождающего тока.
Конструкция воздушного выключателя
Рассмотрим конструкцию ВВ на примере выключателя типа ВВБ, построенного по третьей схеме.
Этот тип выключателей (рис. 4.23) разработан на напряжения от 110 до 750 кВ. Его дугогасительный модуль с двумя разрывами и односторонним дутьем рассчитан на напряжение 110 кВ и номинальный ток отключения 31,5 и 40 кА. У выключателей с номинальным напряжением 110, 220, 330, 500 и 750 кВ число таких модулей составляет соответственно 1, 2, 4, 6 и 8.
Модули устанавливаются на колоннах из фарфоровых изоляторов.
Начиная с 220 кВ на одной колонне устанавливается по два модуля, расположенных один над другим и соединенных последовательно шинной перемычкой.
Давление воздуха при гашении дуги составляет, для выключателей, рассчитанных на различный уровень напряжения, от 2 до 2,6 МПа.
Дополнительно, в выключателях на ПО и 220 кВ, установлены шунтирующие резисторы с сопротивлением 50-100 Ом.
В металлическом резервуаре 6, находящемся под высоким потенциалом и заполненном сжатым воздухом, размещено дугогасительное устройство (рис.4.24) с двумя разрывами. Это подвижные контакты 8 и неподвижные 9. В дугогасительном устройстве используется одностороннее продольное дутье через сопла 4. Напряжение к неподвижным контактам 9 подводится через
выводы 13 с эпоксидной изоляцией 14, защищенные снаружи фарфоровыми рубашками 12. Основные контакты (8 и 9) шунтированы резисторами 10, что облегчает гашение дуги на них. Сопровождающий ток отключается вспомогательными дугогасительными контактами (неподвижным 15 и подвижным полым 17 с кожухом 1). Камеры на напряжение свыше 220 кВ выпускаются без дополнительных контактов и шунтирующих резисторов.
Делительные конденсаторы 11 служат для выравнивания напряжения по разрывам в отключенном положении выключателя.
Контакты камер управляются пневмоэлектрическими механизмами 18. При подаче воздуха в цилиндр 2, поршень 3, связанный с траверсой 7. размыкает основные контакты. Одновременно открываются выхлопные клапаны 19 выхлопных каналов сопел. Сжатый воздух вырывается наружу, гасит дугу в соплах. Аналогичным образом происходит гашение дуги и на вспомогательных контактах.
После гашения дуги выхлопные клапаны сопел закрываются. Давление
внутри резервуара несколько снижается.
В целом объем резервуара и давление в нем рассчитаны так, что камера способна совершить несколько отключений.
В отключенном положении контакты удерживаются давлением в
цилиндре 2.
Для включения выключателя воздух из цилиндра выпускается через клапан 16. Возвратный механизм 5 замыкает контакты. Таким же образом управляются и вспомогательные контакты.
Дугогасительный модуль устанавливается на изоляционную опору 20, через которую проходят воздуховоды - основной высокого давления 22 и управления 21.
Вакуумные выключатели
Назначение
В настоящее время все ведущие электротехнические фирмы производят в основном только два типа высоковольтных выключателей: вакуумные и элегазовые. Остальные виды выключателей производятся в малых количествах.
Доля вакуумных выключателей, в общем количестве выпускаемых аппаратов, в странах Европы и США достигает 70%, в Японии 100%. В России в последние годы эта доля имеет постоянную тенденцию к росту и составляет более 50%.
Следует сказать, что вакуумные выключатели получили наибольшее распространение в классах напряжения от 6 до 35 кВ.
На напряжение до 35 кВ такие выключатели строят с одним разрывом, а начиная со 110 кВ с несколькими разрывами на полюс.
Достоинства вакуумных выключателей:
За счет исключительно хороших изоляционных свойств вакуума (рис.4.25) стало возможным сделать расстояние между подвижным и неподвижным контактами вакуумного выключателя всего 8-12 мм (при 10 кВ) и 18-30 мм (при 35 кВ). Для сравнения, у масляных выключателей при 10 кВ межконтактное расстояние составляет 140-180 мм.
В связи с этим, вакуумные выключатели имеют существенно меньшие габариты и массу (в несколько раз).
У вакуумных выключателей значительно меньше время отключения., Время восстановления диэлектрической прочности дугового промежутка наступает через 100 мкс. Длительность периода сетевого напряжения (тока) при частоте сети 50 Гц составляет 20 мс, т.е. в 200 раз меньше длительности периода.
Вакуумная дугогасительная камера является необслуживаемым устройством на весь срок службы. Коммутационный ресурс камер в среднем составляет - 20000+50000 циклов включения / отключения, при номинальных токах, и 50 -^ 100 при отключении токов короткого замыкания. Для масляных выключателей тот же ресурс составляет соответственно - 500 •*• 1000 и 3 -4- 10, а для воздушных 1000 -5- 2500 и 6 4- 15 отключений.
Вакуумные выключатели просты в монтаже и обслуживании, которое сводится к смазке механизма привода и проверке износа контактов по метке или шаблону один раз в 5 •*• 10 лет или через 5000 •*• 10000 циклов включения/отключения. Замена самой дугогасительной камеры производится в среднем через 20 - 25 лет.
Возможность ориентировки вакуумной дугогасительной камеры в пространстве в любом положении.
Возможность отключения развивающихся аварий и многократных грозовых импульсов, отключение которых масляным выключателем обычно приводит к взрыву.
Бесшумность работы, пожаробезопасность, возможность работать в агрессивных средах, повышенная устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам, отсутствие вредных воздействий на обслуживающий персонал и окружающую среду.
Вакуумный выключатель состоит из следующих основных частей:
1.а вакуумных дугогасительных камер, которые в свою очередь, состоят из:
изоляционного корпуса;
токоведущих стержней с коммутирующими контактами;
системы металлических экранов;
фланцев;
сильфона;
2. привода;
3. корпуса или крепежной рамы выключателя.
Схемы вакуумных дугогасителъных камер
Существуют различные схемы построения вакуумных дугогасительных камер. Наиболее распространена схема представленная на рис. 4.26. Здесь контакты помещены в изоляционный корпус из газонепроницаемого материала неорганического происхождения (металлокерамическая композиция) и окружены главным электростатическим экраном, предназначенным для выравнивания напряжения между контактами, охлаждения и конденсации на нем паров металла, появляющихся при коммутации тока.
Дополнительно к главному экрану имеются концевые экраны, служащие для защиты от попадания на внутреннюю поверхность изоляционного корпуса камеры паров металла, доходящих, при работе выключателя, до торцевых фланцев камеры и отражающихся от них в межконтактный промежуток.
Герметизация подвижного контакта от внешней среды осуществляется при помощи сильфона, помещенного внутрь камеры для защиты от возможных внешних повреждении.
Второй вариант схемы дугогасительной камеры представлен на рис. 4.27. По сравнению с предыдущей схемой она меньше в диаметре, но имеет большую длину. Это получается потому, что главный электростатический экран здесь является частью корпуса, а его изоляция от контактов осуществляется двумя изоляционными цилиндрами.
Третья схема построения дугогасительной камеры приведена на рис. 4 28. Данная схема наиболее редко применяемая. Ее используют при напряжении не более 3 кВ, поскольку для нее трудно создать изоляцию, обладающую достаточной механической и диэлектрической прочностью.
Достоинством данной конструкции является простота и дешевизна герметизации уплотнительного узла на стыке металлического корпуса и изоляционных фланцев, осуществляемой эластичными уплотнениями.
Для обеспечения высокой отключающей способности вакуумной дугогасительной камеры достаточно, чтобы давление внутри нее находилось в пределах 0,13 -1,3 Па. На практике, для гарантии высокой надежности, на протяжении всего срока эксплуатации используют гораздо более низкие давления, порядка 1,3-10"2 - 1,3-10"5 Па и ниже.
Конструкция вакуумной дугогасительной камеры
Вакуумная дугогасительная камера, построенная по первой схеме, приведена на рис. 4.29.
Важнейшее значение в дугогасительной камере имеет материал контактов. Дуга в вакуумных выключателях горит в парах, образованных испарением материалов контактов. Поэтому материал контактов оказывает решающее значение на возникновение перенапряжений при отключении выключателя; с материалом контактов связан вопрос долговечности и надежности работы всей дугогасительной камеры и т.п.
В связи с этим к конструкции контактов и их материалу предъявляют повышенные требования:
Контакты должны обладать малым удельным сопротивлением. Для уменьшения выделения тепла (поскольку его отвод в вакууме затруднен).
Они должны легко отрываться при сваривании (в вакууме практически отсутствуют оксидные пленки, в связи с чем резко возрастает склонность контактов к свариванию).
Они должны слабо изнашиваться при отключении токов нагрузки и токов короткого замыкания.
Материал контактов должен обеспечивать высокую диэлектрическую прочность межконтактного промежутка (особенно после коммутации токов). Пары материалов контактов, образующиеся при коммутации, должны быстро абсорбироваться материалом контактов.
Для обеспечения высокой отключающей способности температура кипения материала контакта должна быть не менее 3500 К.
Твердость материала контакта должна быть не менее 1000 МПа по Бринеллю.
Материал контактов должен обеспечивать малый ток среза (ток среза - это резкий обрыв тока при его подходе к нулю) для исключения коммутационных перенапряжений.
Все эти и другие требования невозможно обеспечить применением однокомпонентного материала для изготовления контактов (вольфрам использовавшийся ранее для изготовления контактов обладает высокой
тугоплавкостью, однако имеет и большой ток среза вызывающий коммутационные перенапряжения).
В первых вакуумных выключателях, выпускавшихся в Европе в 60-х годах, а также в первых аппаратах, выпускавшихся в бывшем Советском Союзе в 80-х годах, ток среза составлял от 20 до 35 А. Поэтому при отключении у первых вакуумных выключателей коэффициент перенапряжения доходил до 9, что было недопустимым для эксплуатации.
Однако в конце 70-х годов в странах западной Европы уменьшили ток среза, введя в основной материал контактов легирующие добавки, такие, как хром, и другие. Уже в начале 80-х эти материалы стали применять для изготовления контактов вакуумных камер, уменьшив ток среза до 1,5-3 А.
Преобладающая часть контактных материалов, используемых ныне, представляет собой трехкомпонентные сплавы, полученные . методом порошковой металлургии.
Контакты, кроме материала, из которого они изготовлены, характеризуются также и конструкцией, которая также оказывает большое влияние на эффективность работы дугогасительной камеры.
В дугогасительных камерах на напряжение 10 кВ и номинальные токи отключения до 31.5 кА применяют контакты с поперечным (по отношению к дуге) магнитным дутьем, которое быстро перемещает дугу в пространстве, растягивая ее и повышая тем самым эффективность дугогашения, и увеличивая срок службы самих контактов (рис. 4.30)
На большие рабочие напряжения и токи (до 100 кА и более) применяют конструкцию контактов с продольным магнитным дутьем (рис. 4.31).
Внешний вид некоторых конструкций вакуумных выключателей представлен на рис. 4.32
Элегазовые выключатели
Назначение
Элегазовые выключатели являются в настоящее время основным типом производимого выключателя на напряжения начиная со 110 кВ.
Принцип его действия схож с воздушным выключателем, но в качестве дугогасящей среды здесь используется шестифтористая сера - элегаз (SF6).
Элегаз, по сравнению с воздухом, имеет более высокие изоляционные (в 2,5 раза) и дугогасящие свойства (рис.4.25). В элегазе при атмосферном давлении может быть погашена дуга с током, который в 100 раз превышает ток, отключаемый в воздухе при тех же условиях. Прекрасные дугогасящие свойства элегаза обусловлены тем, что его молекулы улавливают электроны из дугового столба, и образуют относительно неподвижные отрицательные ионы. Потеря электронов делает дугу неустойчивой, и она легко гаснет. При элегазовом дутье этот процесс проходит еще интенсивнее (элегаз в выключателе циркулирует по замкнутому кругу не соприкасаясь с атмосферой), а при повышенном давлении эти свойства еще усиливаются. Так при давлении 0,2 МПа диэлектрическая прочность элегаза сравнима с прочностью трансформаторного масла (При атмосферном давлении элегаз уступает маслу рис.4.25).
В элегазовых выключателях (ЭВ) элегаз находится при давлении от 0,15
Способы гашения дуги в элегазовых выключателях
Различают:
1. ЭВ с автокомпрессионным дутьем в элегазе (рис.4.33), где давление элегаза повышается специальным компрессионным устройством за счет энергии привода (ЭВ с одной ступенью давления). Существуют конструкции камер с односторонним и двусторонним продольным дутьем. Данная
конструкция получила наибольшее распространение при средних классах напряжения. Для подобных дугогасительных устройств различные производители ЭВ декларируют следующие номинальные параметры (напряжение на один разрыв -174-245 кВ; ток - 1,25 - 4 кА; ток отключения -31,5-50 кА; давление 0,3 ч- 0,6 МПа; время отключения - два - три периода тока КЗ).
Ведутся разработки выключателей с напряжением на один разрыв -300-420 кВ; током отключения – 40-50 кА; временем отключения - один период тока КЗ).
2. ЭВ с гашением дуги (рис.4.34) путем ее вращения по периметру кольцевого контакта под действием поперечного магнитного поля,
создаваемого отключаемым током или постоянным магнитом.
3. ЭВ с дугогасящим устройством продольного дутья. Дутье производится из специального резервуара, где элегаз находится под высоким давлением, и при гашении дуги он перетекает в резервуар с низким давлением (ЭВ с двумя ступенями давления); такая конструкция аналогична конструкциям воздушных выключателей.
4. ЭВ с продольным дутьем, в которых повышение давления элегаза происходит за счет его разогрева дугой в специальной камере (ЭВ с автогенерирующим дутьем). Дугогасительные устройства данной конструкции используют в конструкциях выключателей на средние напряжения при номинальном токе отключения 31,5 - 40 кА, а также в комбинированных автокомпрессионных выключателях на высокие и сверхвысокие напряжения.
Рассмотрим принцип работы такого дугогасительного устройства (рис.4.35). При отключении, между контактами 1 и 2, загорается дуга 3. При этом повышается давление элегаза в межконтактном промежутке и в камере
накачки 5. При своем движении подвижный контакт в определенный момент открывает изоляционное сопло 4. Элегаз, находящийся при повышенном давлении в камере накачки, через сопло вырывается в основной объем выключателя 6. За счет этого обеспечивается продольное дутье на остаточный ствол дуги и гашение дуги.
Конструкции элегазовых выключателей
В начале рассмотрим конструкцию элегазового выключателя, построенного по принципу автокомпрессионного дутья фирмы Merlin Gerin, входящей в фирму Schneider Electric (рис.4.36). Это трехполюсный выключатель типа Fluaric SF1, выпускаемый на напряжения 7,2-24 кВ; ток 400-1250 А; ток отключения 20 и 25 кА. Гарантированное количество циклов включения/отключения при номинальном токе 10 000 и 40 при токе 12,5 кА. Герметичный полюс выключателя заполнен элегазом под давлением 0,5 МПа и не обслуживается в течение всего срока службы.
Работает выключатель следующим образом. В начале процесса
расхождения контактов 5 и 6 поршень 9 слегка сжимает элегаз в цилиндре 8. При дальнейшем расхождении дугогасительных контактов 5 и 6 между ними возникает дуга, а поршень еще сильнее сжимает элегаз в цилиндре. Небольшое количество элегаза через сопло 11 направляется на дугу. Таким образом, охлаждение дуги при отключении малых токов происходит за счет принудительного продольного дутья.
При отключении больших токов происходит тепловое расширение элегаза в области горения дуги и его перемещение с большой скоростью в сторону частей полюса с более низкой температурой.
При прохождении тока через нуль расстояние между двумя дутогасительными контактами уже достаточно для полного гашения дуги.
Корпус полюса выключателя имеет предохранительную мембрану для защиты от недопустимого повышения давления внутри корпуса полюса.
Далее рассмотрим конструкции выключателей типа ВГТ-110 и ВГТ-220 выпусаемых заводом "Уралэлектротяжмаш". Эти выключатели рассчитаны на напряжение 110 и 220 кВ, ток 2500 А и ток отключения 40 кА. Давление внутри бака 0,4 МПа.
Ресурс выключателей по коммутационной стойкости составляет:
- при 60 - 100% номинального тока отключения - 20 операций;
- при 30 - 60% номинального тока отключения - 34 операции;
- при номинальном токе - 3000 операций включение/отключение.
Срок службы выключателя до капитального ремонта - 5000 циклов включение/отключение или 20 лет, или исчерпание ресурса по коммутационной стойкости. Полный срок службы - 40 лет.
Выключатель ВГТ-110 состоит из трех полюсов, установленных на общей раме и механически связанных друг с другом.
На раме выключателя установлены: пружинный привод типа ППрК-1800С, отключающее устройство, полюса и электроконтактные сигнализаторы давления. В полости одного из опорных швеллеров рамы, закрытой крышками, размещены последовательно соединенные тяги, связывающие рычаг привода с рычагами полюсов. В крышке установлено смотровое окно указателя положения выключателя.
В выключателе ВГТ-220 каждый полюс имеет отдельную раму и управляется своим приводом.
Пружинный привод типа ППрК-1800С с моторным заводом рабочих пружин, представляет собой отдельный, помещенный в герметизированный трехдверный шкаф, агрегат. Привод имеет два электромагнита отключения и снабжен блокировочными устройствами.
Включение выключателей осуществляется за счет энергии включающих пружин привода, а отключение - за счет энергии пружины отключающего устройства выключателя.
Отключающее устройство установлено на противоположном от привода торце рамы и состоит из отключающей пружины, сжимаемой при включении выключателя тягой, соединенной с наружным рычагом крайней колонны. Пружина расположена в цилиндрическом корпусе, на наружном фланце которого находится буферное устройство, предназначенное для гашения кинетической энергии подвижных частей и служащее ограничителем хода при динамическом включении выключателя.
Полюс выключателя ВГТ-110 представляет собой колонну, заполненную элегазом и состоящую из опорного изолятора, дугогасительного устройства с выводами и механизма управления с изоляционной тягой.
Полюс выключателя ВГТ-220 состоит из двух колонн (рис.4.37), дугогасительные устройства которых установлены на сдвоенных опорных изоляторах и соединены последовательно двумя шинами. Для равномерного распределения напряжения по дугогасительным устройствам параллельно к ним подключены шунтирующие конденсаторы.
Принцип, работы дугогасительного устройства основан на гашении электрической дуги потоком элегаза, который создается за счет перепада давления, обеспечиваемого автогенерацией.
Дугогасительное устройство содержит главные и снабженные дугостойкими наконечниками дугогасительные контакты, поршневое устройство для создания давления в его внутренней полости и фторопластовыми соплами, в которых потоки элегаза приобретают направление, необходимое для эффективного гашения дуги. Надпоршневая полость высокого давления и подпоршневая полость снабжены системой клапанов, позволяющих обеспечить эффективное дутье в зоне горения дуги во всех коммутационных режимах. В верхней части дугогасительного устройства расположен контейнер, наполненный активированным адсорбентом, поглощающим из газовой области влагу и продукты разложения элегаза. Во включенном положении главные и дугогасительные контакты замкнуты. При отключении сначала размыкаются практически без дугового эффекта главные контакты при замкнутых дугогасительных контактах, а затем размыкаются дугогасительные. Скользящий контакт между гильзой поршневого устройства и трубой подвижного контакта осуществляется уложенными в ее углубления контактными элементами, имеющими форму замкнутых проволочных спиралей.
ВЫБОР ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ
По напряжению
Uном ≥ Uсети ном
По длительно допустимой токовой нагрузки
≥
;
По электродинамической стойкости
;
где, -предельный сквозной ток аппарата, допустимый при КЗ;
- нормированный ток электродинамической стойкости аппарата;
- расчетное (наибольшее) значение ударного тока КЗ в цепи разъединителя.
По термической стойкости
≥
при
=
;
=
при
;
где, - ток термической стойкости;
- нормированное допустимое время протекания тока термической стойкости;
– интеграл Джоуля для условий КЗ.
Проверка на коммутационную способность
По месту установки
Выпускаемые промышленностью выключатели испытываются при скоростях восстановления напряжения, которые являются типовыми. Однако в некоторых случаях необходимо проводить расчет скорости восстановления напряжения в проектируемых сетях и сравнивать с условиями, которые имели место при испытаниях аппарата. Особенно тяжелые условия с этой точки зрения имеют место при КЗ на зажимах мощных генераторов, трансформаторов и не удаленных КЗ. Иногда требуется установка специальных шунтирующих резисторов для снижения скорости восстановления напряжения. Для мощных системных выключателей, от работы которых зависит устойчивость параллельно работающих сетей, важным параметром является время отключения и время повторного включения. Иногда эти параметры диктуют выбор типа выключателя и его привода.
При выборе типа выключателя следует учитывать следующие обстоятельства:
1. При номинальном напряжении 6—10 кВ и редких коммутациях целесообразно применение маломасляных выключателей. При частых коммутациях рекомендуется применять вакуумные и элегазовые, обладающие большим сроком службы.
2. При номинальном напряжении 35—110 кВ и номинальных токах отключения до 20 кА целесообразно применять маломасляные выключатели. При больших номинальных напряжениях и больших номинальных токах отключения применяются воздушные и элегазовые выключатели.
При экономической оценке выбираемого типа выключателей следует учесть, что, несмотря на то, что вакуумные выключатели имеют большую стоимость, применение их более оправдано ввиду малых расходов на техническое обслуживание и большого срока службы ДУ (до 25 лет).