Лекция 8. Коммутационные электрические аппараты высокого напряжения

 

План лекции:

1. Предохранители и масляные выключатели.

2. Воздушные выключатели.

3.Элегазовые выключатели.

4. Вакуумные выключатели

5. Выключатели нагрузки. Разъединители. Отделители. Короткозамыкатели.

Предохранители и масляные выключатели

Предохранители высокого напряжения имеют то же назначение и тот жепринцип работы, что и предохранители до 1 кВ. Для защиты силовых трансформаторов, воздушных и кабельных линий напряжением 3-35 кВ применяют предохранители токоограничивающие типов ПКТ, а для защиты трансформаторов напряжения – ПКН.

Эффект токоограничения заключается в том, что средства дугогашения позволяют погасить дугу за миллисекунды и отключается не установившийся ток КЗ, а ток, определяемый временем плавления вставки.

Высоковольтные выключатели представляют собой специальный коммутационный аппарат, с помощью которого производится оперативное включение и отключение как отдельных электрических цепей, так и различного оборудования

Требования, предъявляемые к выключателям, заключаются в следующем:

1) надежность в работе и безопасность для окружающих;

2) быстродействие – возможно малое время отключения;

3) удобство в обслуживании;

4) простота монтажа;

5) бесшумность работы;

6) сравнительно невысокая стоимость.

Применяемые в настоящее время выключатели отвечают перечисленным требованиям в большей или меньшей степени. Однако конструкторы выключателей стремятся к более полному соответствию характеристик выключателей выдвинутым выше требованиям.

Масляные выключатели. Различают масляные выключатели двух видов – баковые и маломасляные (рис.8.1).

Методы деионизации дугового промежутка в этих выключателях одинаковы. Различие заключается лишь в изоляции контактной системы от заземленного основания и в количестве масла.

Баковый масляный выключатель без специ­ального устройства для гашения дуги (рис. 8.1.а) выполняют в виде стального бака 1, залитого трансформаторным маслом 2. Проходные изоляторы 3с токоведущими стержнями, на концах которых укреплены неподвижные контакты 4, пропущены внутрь бака. Под крышкой бака размещается буферное воздушное простран­ство 5, из которого воздух отводится в газоотводную трубу 6.

Включается и отключается масляный выключатель приводом, воздействующим на вал выключателя 7. При включении выключа­теля подвижные контакты 8 замыкаются с неподвижными, укре­пленными на концах токоведущих частей проходных изоляторов.

 

Рис.8.1. Конструктивные схемы масляных выключателей

 

До недавнего времени в эксплуатации находились баковые выключатели следующих типов: ВМ-35, С-35, а также выключатели серии У напряжением от 35 до 220 кВ. Баковые выключатели предназначены для наружной установки, в настоящее время не производятся.

Основные недостатки баковых выключателей: взрыво- и пожароопасность; необходимость периодического контроля за состоянием и уровнем масла в баке и вводах; большой объем, масла, что обусловливает большую затрату времени на его замену, необходимость больших запасов масла; непригодность для установки внутри помещений.

Маломасляные выключатели (рис.8.1.б: 1 – подвижный контакт; 2 – дугогасительная камера; 3 – неподвижный контакт; 4 – рабочие контакты) получили широкое распространение в закрытых и открытых распределительных устройствах всех напряжений. Масло в этих выключателях в основном служит дугогасящей средой и только частично изоляцией между разомкнутыми контактами.

Изоляция токоведущих частей друг от друга и от заземленных конструкций осуществляется фарфором или другими твердыми изолирующими материалами. Контакты выключателей для внутренней установки находятся в стальном бачке (горшке), отсюда сохранилось название выключателей "горшковые".

Маломасляные выключатели напряжением 35 кВ и выше имеют фарфоровый корпус. Самое широкое применение получили выключатели 6-10 кВ подвесного типа (ВМГ-10, ВМП-10). В этих выключателях корпус крепится на фарфоровых изоляторах к общей раме для всех трех полюсов. В каждом полюсе предусмотрен один разрыв контактов и дугогасительная камера.

При больших номинальных токах обойтись одной парой контактов (которые выполняют роль рабочих и дугогасительных) трудно, поэтому предусматривают рабочие контакты снаружи выключателя, а дугогасительные – внутри металлического бачка. При больших отключаемых токах на каждый полюс имеется два дугогасительных разрыва. По такой схеме выполняются выключатели серий МГГ и МГ на напряжение до 20 кВ включительно. Массивные внешние рабочие контакты 4 позволяют рассчитать выключатель на большие номинальные токи (до 9500 А). При напряжениях 35 кВ и выше корпус выключателя выполняется фарфоровым, серия ВМК – выключатель маломасляный колонковый). В выключателях 35, 110 кВ предусмотрен один разрыв на полюс, при больших напряжениях – два разрыва и более.

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; относительно малая отключающая способность.

Область применения маломасляных выключателей – закрытые распределительные устройства электростанций и подстанций 6, 10, 20, 35 и 110 кВ, комплектные распределительные устройства 6, 10 и 35 кВ и открытые распределительные устройства 35 и 110 кВ.

Воздушные выключатели

В воздушных выключателях гашение дуги происходит сжатым воздухом при давлении 2-4 МПа, а изоляция токоведущих частей и дугогасительного устройства осуществляется фарфором или другими твердыми изолирующими материалами. Конструктивные схемы воздушных выключателей (рис.8.1.б) различны и зависят от их номинального напряжения, способа создания изоляционного промежутка между контактами в отключенном положении, способа подачи сжатого воздуха в дугогасительное устройство.

В выключателях на большие номинальные токи имеется главный и дугогасительный контур подобно маломасляным выключателям МГ и МГГ. Основная часть тока во включенном положении выключателя проходит по главным контактам 4, расположенным открыто. При отключении выключателя главные контакты размыкаются первыми, после чего весь ток проходит по дугогасительным контактам, заключенным в камере 2. К моменту размыкания этих контактов в камеру подается сжатый воздух из резервуара 1, создается мощное дутье, гасящее дугу. Дутье может быть продольным или поперечным.

 

Рис.8.2. Конструктивные схемы воздушных выключателей: 1 – резервуар со сжатым воздухом; 2 – дугогасительная камера; 3 – шунтирующий резистор; 4 – главные контакты; 5 – отделитель; 6 – емкостный делитель напряжения на 110 кВ – два разрыва на фазу (г)

Необходимый изоляционный промежуток между контактами в отключенном положении создается в дугогасительной камере путем разведения контактов на достаточное расстояние. Выключатели, выполненные по конструктивной схеме с открытым отделителем, изготовляются для внутренней установки на напряжение 15 и 20 кВ и ток до 20000 А (серия ВВГ). В данном типе выключателей после отключения отделителя 5 прекращается подача сжатого воздуха в камеры и дугогасительные контакты замыкаются.

В воздушных выключателях для открытой установки на напряжение 35 кВ (ВВ-35) достаточно иметь один разрыв на фазу.

В выключателях напряжением 110 кВ и выше после гашения дуги размыкаются контакты отделителя 5 и камера отделителя остается заполненной сжатым воздухом на все время отключенного положения. При этом в дугогасительную камеру сжатый воздух не подается и контакты в ней замыкаются.

По данной конструктивной схеме созданы выключатели серии ВВ на напряжение до 500 кВ. Чем выше номинальное напряжение и чем больше отключаемая мощность, тем больше должно быть разрывов в дугогасительной камере и в отделителе.

По конструктивной схеме рис, г выполняются воздухонаполненные выключатели серии ВВБ. Напряжение модуля ВВБ 110 кВ при давлении сжатого воздуха в дугогасительной камере 2 МПа. Номинальное напряжение модуля выключателя серии ВВБК (крупномодульного) составляет 220 кВ, а давление воздуха в дугогасительной камере 4 МПа. Аналогичную конструктивную схему имеют выключатели серии ВНВ: модуль напряжением 220 кВ при давлении 4 МПа.

Для выключателей серии ВВБ количество дугогасительных камер (модулей) зависит от напряжения (110 кВ – одна; 220 кВ – две; 330 кВ – четыре; 500 кВ – шесть; 750 кВ – восемь), а для крупномодульных выключателей (ВВБК, ВНВ) количество модулей соответственно в два раза меньше.

8.3.Элегазовые выключатели

Элегаз (SF6 – шестифтористая сера) представляет собой инертный газ, плотность которого превышает плотность воздуха в 5 раз. Электрическая прочность элегаза в 2 – 3 раза выше прочности воздуха; при давлении 0,2 МПа электрическая прочность элегаза сравнима с прочностью масла.

В элегазе при атмосферном давлении может быть погашена дуга с током, который в 100 раз превышает ток, отключаемый в воздухе при тех же условиях. Исключительная способность элегаза гасить дугу объясняется тем, что его молекулы улавливают электроны дугового столба и образуют относительно неподвижные отрицательные ионы. Потеря электронов делает дугу неустойчивой, и она легко гаснет. В струе элегаза, т. е. при газовом дутье, поглощение электронов из дугового столба происходит еще интенсивнее.

В элегазовых выключателях применяют автопневматические (автокомпрессионные) дугогасительные устройства, в которых газ в процессе отключения сжимается поршневым устройством и направляется в зону дуги. Элегазовый выключатель представляет собой замкнутую систему без выброса газа наружу.

В настоящее время элегазовые выключатели применяются на всех классах напряжений (6-750 кВ) при давлении 0,15 – 0,6 МПа. Повышенное давление применяется для выключателей более высоких классов напряжения. Хорошо зарекомендовали элегазовые выключатели следующих зарубежных фирм: ALSTOM; SIEMENS; Merlin Gerin и др. Освоен выпуск современных элегазовых выключателей ПО "Уралэлектротяжмаш": баковые выключатели серии ВЭБ, ВГБ и колонковые выключатели серии ВГТ, ВГУ.

В качестве примера рассмотрим конструкцию выключателя серии LF фирмы Merlin Gerin напряжением 6-10 кВ.

В выключателе LF применены принцип вращения дуги в элегазовой среде и метод автокомпрессии. Это обеспечивает сокращение мощности привода выключателя, снижение износа дугогасительных контактов и, таким образом, повышает механический и электрический ресурсы.

Основные этапы гашения дуги представлены на рис. (рис. 8.3).

Рис.8.3. Этапы гашения дуги в элегазовом выключателе фирмы Merlin Gerin

На рис. 8.3.а показан выключатель во включенном положении. Основные контакты разомкнуты. При размыкании основных контактов а ток проходит через дугогасительные контакты б. Процесс гашения дуги представлен на рис. 8.3.в. При расхождении дугогасительных контактов в дугогасительной камере про­исходит загорание дуги. Воздействие магнитного поля, создаваемого катуш­кой d, вызывает закручивание дуги и ее охлаждение. Избыточное давление в расширительном объеме c, обусловленное повышением температуры, вызывает охлаждение дуги потоком элегаза, направленным из зоны с высоким давлением в зону с более низким давлением, что приводит к удлинению дуги и ее затягиванию в полость цилиндрического дугогасительного контакта e. При прохождении тока через нуль дуга гарантированно гаснет. Выключатель выключен (рис. 8.3. г).

Вакуумные выключатели

Электрическая прочность вакуума значительно выше прочности других сред, применяемых в выключателях. Объясняется это увеличением длины среднего свободного пробега электронов, атомов, ионов и молекул по мере уменьшения давления. В вакууме длина свободного пробега частиц превышает размеры вакуумной камеры. На рис. 8.4.б приведена восстанавливающаяся электрическая прочность промежутка длиной 6 мм после отключения тока 1600 А в вакууме и различных газах при атмосферном давлении.

В этих условиях удары частиц о стенки камеры происходят значительно чаще, чем соударения между частицами. На рисунке показаны зависимости пробивного напряжения вакуума и воздуха от расстояния между электродами диаметром 1 см из вольфрама. При столь высокой электрической прочности расстояние между контактами может быть очень малым (2 – 2,5 см), поэтому размеры камеры могут быть также относительно небольшими.

Процесс восстановления электрической прочности промежутка между контактами при отключении тока протекает в вакууме значительно быстрее, чем в газах. Это обеспечивает вакуумным дугогасительным камерам (ВДК) запасы электропрочности на весь срок эксплуатации (20-30 лет).

На рис. рис. 8.4.в приведен общий вид выключателя BB/TEL-10-20/1000 производства предприятия "Таврида Электрик", разрез полюса - рис. 8.4.г и вид дуги КЗ - рис. 8.4.д.

В состав полюса входят: ВДК 2 с неподвижным 1 и подвижным 3 контактами и сильфоном 4, гибкий токосъем 5, тяговый изолятор 6 и электромагнитный привод. Он состоит из электромагнита 9, крышки 7, якоря 13, катушки 12, пружин отключения 11 и поджатия 10, тяги 8 устройства ручного отключения и межполюсного вала 14. Корпуса полюсов изготовлены из прозрачного механически прочного и дугостойкого полимерного материала.

Отличительной особенностью выключателя BB/TEL является пофазный электромагнитный привод с магнитной защелкой для удержания ВВ во включенном положении после прерывания тока в катушке электромагнита. Для включения и отключения ВВ используется одна и та же катушка 12, создающая при включении магнитный поток, под действием которого якорь движется вверх до упора и остается во включенном положении за счет остаточной индукции электромагнита. Вместе с якорем 13 вдоль одной оси движутся пружина поджатия 10, тяговый изолятор 6 и подвижный контакт 3, После замыкания контактов пружина сжимается на 2 мм, создавая необходимое контактное нажатие.

Отключение происходит путем подачи на катушку 12 напряжения противоположной полярности, которое размагничивает магнитную систему, после чего якорь под действием пружин отключения и поджатия перемещается вниз. Подвижные части ВВ удерживаются в отключенном положении усилием отключающей пружины. Исключительно простая кинематическая схема, небольшое число деталей, незначительное трение движущихся частей, способных работать без смазки, и замена механической защелки на магнитную обеспечивают ВВ большую механическую стойкость и надежность в течение всего срока службы без проведения ремонтных работ.

Фактический механический ресурс выключателя BB/TEL определяется ресурсом сильфона 4, который составляет не менее 100 тыс. операций "ВО". Ресурс по коммутационной стойкости BB/TEL составляет 50 тыс. операций"ВО" тока 1000 А, 100 операций "ВО" или 150 операций "О" тока 20 кА. Выключателям BB/TEL не требуется проводить в эксплуатации проверки и регулировки, характерные для других типов выключателей.

 

 

Рис. 8.4. Вакуумный выключатель

 

Отключение происходит путем подачи на катушку 12 напряжения противоположной полярности, которое размагничивает магнитную систему, после чего якорь под действием пружин отключения и поджатия перемещается вниз. Подвижные части ВВ удерживаются в отключенном положении усилием отключающей пружины. Исключительно простая кинематическая схема, небольшое число деталей, незначительное трение движущихся частей, способныхработать без смазки, и замена механической защелки на магнитную обеспечивают ВВ большую механическую стойкость и надежность в течение всего срока службы без проведения ремонтных работ.

Фактический механический ресурс выключателя BB/TEL определяется ресурсом сильфона 4, который составляет не менее 100 тыс. операций "ВО". Ресурс по коммутационной стойкости BB/TEL составляет 50 тыс. операций "ВО" тока 1000 А, 100 операций "ВО" или 150 операций "О" тока 20 кА.

Выключателям BB/TEL не требуется проводить в эксплуатации проверки и регулировки, характерные для других типов выключателей.

В настоящее время вакуумные выключатели стали доминирующими аппаратами для электрических сетей с напряжением 6-36 кВ. Так, доля вакуумных выключателей в общем количестве выпускаемых аппаратов в Европе и США достигает 70 %, в Японии – 100 %. В России в последние годы эта доля имеет постоянную тенденцию к росту.