Реферат: Выключатели высокого напряжения. Выключатели высокого напряжения

К выключателям напряжением выше 1000 В относят разъединители, выключатели нагрузки, короткозамыкатели и отделители.

Для надежного разъединения электрической цепи служат разъединители . По наличию воздушного промежутка между подвижными и неподвижными контактами разъединителя судят о возможности безопасного производства работ на отключенном участке электроустановки.

Разъединители не предназначены для отключения электрических цепей, находящихся под нагрузкой, поэтому перед разъединением цепей они должны быть обесточены специальными выключателями. Разъединители допускают отключение и включение токов холостого хода трансформаторов определенных мощностей и линий определенных длин, а также ограниченных токов нагрузки, замыкания на землю и др. Разъединители выпускаются одно- и трехполюсными.

Рис. 70. Разъединитель внутренней установки:
1 — рама; 2 — фланец; 3 — изолятор; 4 — фланец изолятора; 5 — неподвижный контакт; 6 — подвижный контакт; 7 — нож; 8 — изоляционная тяга; 9 — рычаг; 10 — вал; 11 — пружины.

Трехполюсный разъединитель внутренней установки типа РВ состоит из рамы 1, на которой укреплены нижними фланцами 2 опорные изоляторы 3 (рис. 70). На верхних фланцах 4 изоляторов укреплены контактные системы, состоящие из неподвижных 5 и подвижных 6 контактов. Движение контактов обеспечивается внешним приводом, воздействующим через рычаг 9 на вал 10, связанный изоляционной тягой 8 с ножами 7. Контактное давление ножей создается пружинами 11. При внешних коротких замыканиях давление ножей усиливается притяжением ферромагнитных пластин подвижного контакта 6, называемых электромагнитными замками. Действие замков повышает электродинамическую стойкость контактов. Управление разъединителями производится с помощью ручных рычажных и червячных приводов.

Рис. 71. Приводы ПР-2 (а) и ПРА-12 (о) разъединителей и выключателей нагрузки:
1 — тяга; 2 — рычаг; 3 — сектор; 4 — ось; 5 — передний подшипник; 6 — рукоятка; 7 — ось; 8 — фиксатор; 9 — шпилька; 10 — задний подшипник; 11 — фигурный рычаг; 12 — секторный рычаг; 13 — рычаг; 14 — механизм свободного расцепления; 15 — вал; 16 — вилка; 17 — приводная тяга; 18 — электромагнит.

Ручной привод ПР-2 состоит из переднего 5 и заднего 10 подшипников, рукоятки 6, сидящей на оси 7 (рис. 71, а). Подшипники крепят друг к другу четырьмя шпильками 9. Рычаг на валу разъединителя шарнирно связан тягой с рычагом 2 привода. Рычаг 2 и сектор 3 могут поворачиваться на общей оси 4 и жестко соединены друг с другом через одно из регулировочных отверстий сектора. Фигурный рычаг 11, жестко связанный с рукояткой, соединен шарнирно тягой 1 с сектором 3 так, что при повороте рукоятки на 150 рычаг 2 поворачивается на 90°. В крайних положениях привод запирается фиксатором 8, устанавливающимся стальным пальцем в отверстия в рычаге 11 под действием собственной пружины.

Для обеспечения безопасности обслуживающего персонала в распределительных устройствах, где требуется закорачивание и заземление цепи, разъединители на напряжение 6 кВ и выше снабжают стационарными заземляющими ножами. Для исключения ошибочных действий оперативного персонала между основными и заземляющими ножами разъединителей должны быть блокировочные устройства и механические указатели положения «Включено» и «Отключено». Заземляющие ножи окрашивают в черный цвет.

(рис. 72) предназначены для отключения токов нагрузки до 400 А при напряжении до 6 кВ и до 200 А при 10 кВ. Их выполняют без предохранителей или с предохранителями. Выключатели нагрузки с предохранителями имеют рычажные устройства, действующие на отключающий механизм выключателя при перегорании плавкой вставки любого из трех предохранителей. Таким образом, при коротком замыкании на линии перегорает плавкая вставка предохранителя и одновременно отключается выключатель нагрузки.

Рис. 72. Выключатели нагрузки ВН-16 (а), ВНП-16 (б), дугогасительная камера со снятой щекой (в), щеки и собранная камера (г):
1 — рама; 2 — опорный изолятор; 3 — дугогасительное устройство; 4 — подвижной контакт; 5 — вал; 6 — фарфоровая тяга; 7 — подвижный контакт; 8 — неподвижный контакт; 9 - пластмассовая щека; 10 — вкладыш.

Некоторые типы выключателей нагрузки имеют заземляющие устройства для безопасного производства работ на этих аппаратах. Заземляющие ножи могут располагаться с любой стороны выключателя, а предохранители — на стороне, противоположной той, где установлены заземляющие ножи.

Выключатель нагрузки состоит из рамы 1, на которой смонтирован вал 5 с рычагом, опорные изоляторы 2 с неподвижными 8 и подвижными 4 контактами (рис. 72). Вал соединен с ножами с помощью фарфоровых тяг 6. Неподвижные контакты, имеющие форму подвижного контакта 7, снабжены дугогасительными устройствами 3, состоящими из двух пластмассовых щек 9 с вкладышами 10 из газогенерирующих органических материалов. Во время разрыва цепи выключателем нагрузки образуется электрическая дуга с высокой температурой, под воздействием которой с поверхности вкладышей выделяется большое количество газов. В камере создается большое давление, способствующее быстрому гашению дуги.

Управление выключателями нагрузки осуществляют ручным приводом ПР-17; ручными автоматическими приводами ПРА-12, ПРАМ-10, ПРА-17 и др. Применение этих приводов позволяет управлять выключателями не только вручную, но и производить дистанционное и автоматическое отключение.

Наиболее распространенным приводом для включения выключателя нагрузки является ПРА-12 (см. рис. 71,6), состоящий из корпуса 11, включающего рычага, соединенного с механизмом свободного расцепления 14 рычагом 13, закрепленном на валу 15. Слева от рычага 13 установлен секторный рычаг 12, к которому подсоединена тяга для соединения механизма привода с валом выключателя нагрузки. На правом торце вала укреплен указатель положения, на левом — рычаг для присоединения тяги блок-контактов типа КСА, которые монтируются отдельно над приводом. Отключающий электромагнит 18 расположен на нижней части корпуса привода. Приводная тяга 17 соединяется с секторным рычагом 12 вилкой 16, навинчиваемой на палец тяги. Привод снабжен механизмом свободного расцепления и отключающим электромагнитом, что позволяет применять приводы ПРА для ручного и дистанционного отключения выключателя нагрузки.

Короткозамыкатели и отделители применяют в подстанциях промышленных предприятий напряжением 10 и 35 кВ для защиты силовых трансформаторов и другого электрооборудования без применения масляных выключателей. Отключение поврежденного элемента производится выключателем, установленным в начале питающей линии иногда на значительном удалении от подстанции.

Короткозамыкатель служит для создания искусственного металлического короткого замыкания при возникновении повреждения в трансформаторе. На ток этого замыкания релейная защита головного участка реагирует надежно, отключая выключатель. В системах с глухозаземленной нейтралью достаточно одного короткозамыкателя, установленного на одной из фаз. При изолированной нейтрали устанавливают два короткозамыкателя, создающих двухфазное короткое замыкание. Управление короткозамыкателями осуществляют с помощью ручного автоматического привода.

Отделитель предназначен для быстрого отсоединения поврежденного участка. Подобно разъединителю он срабатывает только после отключения цепи тока выключателем головного участка питающей линии.

При возникновении повреждений от действия защиты сначала срабатывают короткозамыкатели, вызывающие отключение выключателя, затем отделители быстро отключают поврежденный участок вместе с замкнутыми короткозамыкателями. После этого питание неповрежденной части подстанции восстанавливается действием АПВ (автоматического повторного включения) выключателя питающей линии.

Отделитель выполняют трехполюсным. Его привод подобен приводу короткозамыкателя, но срабатывает на отключение. Короткозамыкатели и отделители выпускаются на напряжение до 220 кВ включительно.

Высоковольтные выключатели

Главным назначением высоковольтных выключателей является автоматическое отключение токов короткого замыкания, а также токов других аварийных режимов (например, перегрузки) и производства оперативных переключений цепей в номинальном режиме.

В зависимости от способа гашения дуги различают масляные баковые, маломасляные, воздушные, автопневматические, элегазовые. электромагнитные и вакуумные выключатели. В распределительных устройствах находят преимущественное применение маломасляные, электромагнитные и вакуумные выключатели.

Масляные выключатели применяют в электроустановках напряжением 6 и 10 кВ. Небольшой объем масла, используемого только для гашения дуги, и прочность конструкции значительно снижают взрыво- и пожароопасность этих выключателей. Цилиндры (горшки) выключателей изготовляют из металла, и они являются токопроводящими. Поэтому их укрепляют на раме с помощью опорных изоляторов. Каждый полюс выключателя помещен в отдельный цилиндр.

Горшковый маломасляный выключатель типа ВМП-10 состоит из полюсов 7, укрепленных на опорных изоляторах 4 и смонтированных на одной общей раме 6, буферных устройств 7 и 9, и передаточного механизма привода подвижных контактов (рис. 73).

Рис. 73. Масляный выключатель ВМП напряжением 10 кВ:
1 — полюс; 2 — пробка; 3 — подъемная скоба; 4 — опорный изолятор; 5 — пружина; 6 — рама; 7 — пружинный буфер; 8 — болт заземления; 9 — масляный буфер; 10 — маслоуказатель; 11 — главный вал; 12 — тяга.

Пружины 5 служат для создания отключающего усилия. Главный вал 11 выключателя связан с тягой 12, которая приводит в движение контактную систему. Удары при работе выключателя смягчают встроенные в раму буферы: при включении — масляный 9 и при отключении — пружинный 7. Для заливки масла на верхней крышке имеется пробка 2, а для контроля его уровня в цилиндре — маслоуказатель 10. Рама выключателя снабжена подъемной скобой 3 и болтом заземления 8.

Рис. 74. Устройство полюса выключателя ВМП-10 на 1000 А:
1 — резьбовое отверстие; 2, 9 — крышки; 3 — неподвижный розеточный контакт; 4 — нижний фланец; 5 — дугогасительная камера; 6 — контактный вывод; 7 — роликовый токосъем; 8 — маслоотделитель; 10 — маслозаливная пробка; 11 — направляющая колодка; 12 — корпус; 13 — передаточный механизм; 14 — направляющий контактный стержень; 15 — верхний фланец; 16 — изоляционный цилиндр; 17 — подвижный стержневой контакт; 18 - маслоуказатель; 19 - маслослнвная пробка.

Основу конструкции полюса выключателя (рис. 74) составляют стальной корпус 12 передаточного механизма 13 и изоляционный цилиндр 16, оконцованный верхним 15 и нижним 4 фланцами. Корпус сверху и нижний фланец снизу закрыты крышками 9 и 2, снабженными маслозаливной 10 и сливной 79 пробками. В верхней крышке предусмотрено выхлопное отверстие, закрытое от попадания пыли колпаком, предназначенное для выброса газов при гашении дуги. Между верхней крышкой и корпусом установлен маслоотделитель 8 для разобщения жидкой и газообразной фаз выхлопной массы. Нижняя крышка одновременно используется в качестве контактного зажима. Для крепления внешнего токоподвода служат резьбовые отверстия 7. На крышке смонтирован неподвижный розеточный контакт 3. Нижний фланец имеет глухой карман, в котором при заливке масла остается воздух, служащий демпфером при резких подъемах давления внутри цилиндра в случаях гашения мошной электрической дуги. На фланце установлен маслоуказатель 18, защищенный от повышенного давления внутри цилиндра обратным клапаном.

В нижней части цилиндра расположена дугогасительная камера 5, собранная из фибровых, гетинаксовых и электро-картонных пластин. Пластины имеют фигурные вырезы, при сборке образующие поперечные щели с раздельными вертикальными выходами вверх. Щели и вертикальные каналы способствуют образованию газового дутья. Над щелями расположены масляные промежутки-карманы. В зоне этих карманов происходит гашение слабых дуг. Более мощные дуги гасятся в зоне щелей. Камера установлена враспор между уступом цилиндра и изоляционным цилиндром, опирающимся на нижнюю крышку.

Электрическая цепь к подвижному стержневому контакту 17 подводится через контактный вывод 6, направляющие контактные стержни 14 и роликовый токосъем 7. Центрирование хода подвижного контакта по оси полюса осуществляется капроновой направляющей колодкой 11. Выключатели ВПМ-10 принципиально подобны выключателям ВМП-10, но имеют несколько иные кинематическую схему и компоновку.

Электромагнитные выключатели (ВЭМ) (рис. 75) гасят дугу в воздушной среде. Конструктивным основанием для контактной системы служат проходные изоляторы 19 и диэлектрическая стойка 23.

Рис. 75. Устройство дугогасительной камеры (а) и компоновка на выкатной тележке КРУ (о) электромагнитною выключателя ВЭМ:
1, 5 — главные контакты; 3, 11 — дугогасительные контакты; 4 — фторопластовое покрытие; 5 — катушка; 6 — сердечник; 7 — дугогасительный рог; 8 — решетки; 9 — полюсный наконечник; 10 — второй дугогасительный рог; 12 — шина; 13 — буферная пружина; 14 — отключающие пружины; 15 — вал; 16 — цилиндр воздушного дутья; 17 — диамагнитная накладка; 18 — дверца; 19 — проходной изолятор; 20 — опорный изолятор; 21 — шток; 22 — изолирующая тяга; 23 — диэлектрическая стойка.

Контактная система полюса выключателя состоит из главных 1, 2 и дугогасительных 3, 11 контактов. Неподвижный контакт 3 покрыт второпластом 4 для фиксации конца дуги. На контактном рычаге подвижных контактов жестко укреплен цилиндр воздушного дутья 16. В цилиндре расположен поршень, шток 21 которого шарнирно связан с изоляционным основанием оси рычага. При отключении аппарата поршни сжимают воздух в цилиндрах, выбрасывая его в зону дуги. В результате этого дуга перемещается внутрь решетки 8 с узкими щелями при малых токах отключения, когда электродинамические силы, действующие на дугу, недостаточны. Это способствует надежному гашению дуги.

Подвижные контакты связаны с валом 15 привода изолирующей тягой 22. Привод имеет отключающие 14 и буферные 13 пружины. Катушка 5 магнитного дутья одним концом присоединена к неподвижным контактам, а другим — к одному из дугогасительных рогов 7 так, что в нормальном режиме работы через катушку ток не протекает. Второй дугогасительный рог 10 постоянно присоединен к подвижным контактам шиной 12. Сердечник 6, полюсные наконечники 9 катушки магнитного дутья и замыкающая диамагнитная накладка 17 охватывают и удерживают дугогасительную камеру 8. Они крепятся к раме опорными изоляторами 20.

Дугогасительная камера состоит из тонких керамических пластин, которые собраны в пакет. Фигурные вырезы в пластинах обеспечивают удлинение дуги, а также искривление ее ствола. Сопротивление такой дуги во много раз превышает сопротивление цепи короткого замыкания. Поэтому дуга понижает ток короткого замыкания. Кроме того, уменьшается угол сдвига фаз между источником э. д. с. системы и током в момент гашения дуги. Все это способствует ее эффективному гашению.

В начальный момент гашения дуга занимает положение А (рис. 75, а). Электродинамические силы контура тока и воздушная струя поршневого устройства выталкивают дугу вверх. Дуга в виде петли касается рога 7, распадаясь на нижнюю 3 — 7 и верхнюю 7—11 ветви (положение Б). Длина нижней ветви определяется положением фторопластового покрытия 4. Эта ветвь шунтирована катушкой магнитного дутья, сопротивление которой невелико. Напряжение на этом участке дуги оказывается недостаточным для ее существования, и она гаснет. Весь ток дуги переключается в катушку, которая создает сильное поперечное магнитное поле между полюсными наконечниками 9. Взаимодействие поля с током дуги создает силу, отбрасывающую дугу в решетку со скоростью около 100 м/с. При проходе подвижного контакта мимо рога 10 дуга перебрасывается на него (положение В) и по обоим рогам поднимается вверх, углубляясь в решетку (положение Г). Там она гаснет при первом проходе тока через нулевое значение (положение Д).

Достоинствами электромагнитных выключателей являются большое число отключений, взрыво- и пожаробезопасность, отсутствие потребности в сжатом воздухе и масле. К недостаткам выключателя следует отнести большие габариты дугогасительного устройства.

Отечественная промышленность выпускает серийно электромагнитные выключатели ВЭМ-6 и ВЭМ-10 на номинальные токи до 3200 А и токи отключения до 40 кА. Работоспособность выключателей составляет до 10000 рабочих циклов.

Хорошая работа выключателей при большой частоте рабочих циклов обусловила их широкое применение в электро-печных установках, а также в шахтных установках благодаря их взрыво- и пожаробезопасности. При установке в распределительных устройствах выключатели монтируют на тележке с катками и втычными разъединителями; токопроводящие части закрывают дверцами 18 (рис. 75,6).

Вакуумные выключатели применяют на номинальные токи до 320 А при напряжении до 10 кВ. Выключатель (рис. 76) смонтирован на жесткой раме 7 и на двенадцати опорных изоляторах 4.

Рис. 76. Общий вид тележки КРУ с выключателем нагрузки ВНВП-10/320 —2У2 (а) и устройство вакуумной дугогасительной камеры (б):
1 — штепсельный контакт; 2 - дугогасительная камера; 3 — изолирующая тяга; 4 — опорные изоляторы; 5 — жесткая шина; 6 — привод; 7 — рама; 8 — контакт; 9 — сифон; 10 — экран; 11 — вольфрамовые наконечники; 12 — экран; 13 — корпус.

Дугогасительная камера 2 жесткими шинами 5 электрически связана со штепсельными контактами 1, которыми выкатная тележка с выключателем соединяется с электрическими цепями КРУ. Подвижный контакт камеры каждого полюса связан изолирующей тягой 3 с приводом 6. Вакуумная дугогасительная камера имеет герметичный изоляционный корпус 13, в котором создано разрежение около 1,3—10-6 кПа (рис. 76, 6). Неподвижный контакт жестко закреплен. Ход контакта 8 до 5 мм достигается соединением его с торцом камеры с помощью стального тонкостенного гармоникообразного элемента-сильфона 9. Нажатие контактов создается атмосферным давлением. Оба торцовых контакта оборудованы вольфрамовыми наконечниками 11. Экран 12 препятствует осаждению паров вольфрама на стенках цилиндра. Экран 10 укорачивает электрическое поле, сводя его к двум промежуткам 10—12. Они настолько коротки, что заряженные частицы не могут разогнаться на них до высоких скоростей и произвести ионизацию внутри камеры. При очень низком давлении внутри камеры электрическая прочность среды объясняется тем, что вакуум не может быть ионизирован.

При расхождении контактов в вакууме в последний момент соприкосновения их друг с другом они расплавляются и в этом месте образуется жидкометаллический мостик. Мостик нагревается настолько, что полностью испаряется. Электропроводность паров металла обусловливает возникновение вакуумной дуги. Ее особенность состоит в очень высокой скорости диффузии заряженных частиц дуги в окружающий вакуум. В результате вакуумная дуга истощается и гаснет при первом же нулевом значении тока.

Контакты в вакууме работают в тяжелых высокотемпературных условиях. Поэтому в качестве материала контактов применяют вольфрам.

Достоинством вакуумного выключателя является большое число циклов его включения-отключения: недостаток состоит в трудности создания его на большие токи и низкой ремонтопригодности.

В настоящее время выпускается выключатель ВВВ-10/320-2У2.

Приводы для управления высоковольтными выключателями разнообразны по принципу действия и конструкции. Как правило, применяют автоматические приводы, действующие от устройств защиты и автоматики и допускающие дистанционное и местное управления: ручные автоматические, грузовые, пружинно - грузовые, пружинно-маховичные, пружинные, электромагнитные.

Пружинно-маховичный привод ППМ-10 состоит из плоской спиральной пружины 4, расположенной сзади маховика, и массивного маховика 5 (рис. 77, а).

Рис. 77. Пружинно-маховичный ППМ-10 (а) и электромагнитный ПЭ-11 (б) приводы масляных выключателей:
1 — электродвигатель; 2 — редуктор; 3 — зубчатая передача; 4 — спиральная пружина; 5 — маховик; 6 — отключающая собачка; 7 — рукоятка; 8, 10 — электромагниты; 9 — сердечник; 11 — защелка; 12 — вал.

Один конец пружины жестко закреплен на корпусе привода, второй — соединен с маховиком. Взвод механизма производится от электродвигателя / через редуктор 2 и зубчатую передачу 3. Во взведенном состоянии механизм включения устанавливается на защелку. При включении высоковольтного выключателя механизм снимается с защелки. По мере раскручивания пружина расходует запасенную энергию, а раскрученный пружиной маховик к концу хода подвижных частей выключателя и привода запасает значительное количество кинетической энергии. В конце хода эта энергия расходуется импульсно, обеспечивая надежное включение выключателя. Сразу же после включения механизм автоматически взводится и устанавливается на защелку (в готовность к новому включению).

Электромагнитный привод ПЭ-11 отличается простотой конструкции (рис. 77, б). Он включается с помощью электромагнита 10, сердечник 9 которого поднимает центральную ось рычажного механизма и устанавливает ее на защелку 11. Одновременно треугольный рычаг механизма свободного расцепления устанавливается на отключающую собачку 6 и фиксирует механизм в мертвом положении. Вал привода 12, связанный с валом выключателя, при этом поворачивается на необходимый угол, устанавливая подвижную систему во включенное состояние. При отключении боек электромагнита 8 или рукоятка 7 освобождают треугольный рычаг от упора собачки 6, центральная ось смещается с защелкой 11, и пружина выключателя производит отключение.

При размыкании электрической цепи с током между расходящимися контактами возникает дуговой разряд. Дуга образуется даже при отключении тока 0,5 А при напряжении 15 В. Продолжительность ее горения зависит от параметров цепи и условий деионизации дугового промежутка.
В дуге одновременно происходят процессы ионизации (образование свободных носителей заряда - электронов и положительно заряженных ионов) и деионизации (нейтрализация свободных носителей заряда). Дуга горит до тех пор, пока процесс деионизации не станет интенсивнее процесса ионизации. Следовательно, для быстрого гашения дуги необходима усиленная деионизация дугового разряда, так как в канале дуги температура достигает 4 000 °С и интенсивно идет термическая ионизация газовой среды.
Для отключения электрических цепей с большими токами созданы отключающие аппараты, имеющие следующие дугогасящие устройства:
газового дутья, у которых в дуговой канал поступает воздух извне или же газ, выделяющийся под действием температуры дуги из минерального масла, органического стекла или фибры дугогасительной камеры. Прохождение воздуха или газа через дугу приводит к ее гашению;
с узкой щелью, в которых дуга с помощью магнитного дутья втягивается в узкую щель. На стенках щели, выполненных из изоляционного материала, происходят нейтрализация зарядов, охлаждение дуги и ее гашение;
с разделением дуги на короткие дуги. На каждом коротком участке дуги возникает падение напряжения, в результате чего энергия, выделяющаяся в дуге, оказывается недостаточной для ее горения.
В наиболее мощных аппаратах включения - отключения цепей высокого напряжения (масляных и воздушных выключателях) i фи- меняют дугогасящие устройства, действующие по принципу газового дутья. В их дугогасительных камерах газовое дутье создает перемешивание неионизированного газа с ионизированными частицами. Это охлаждает дугу, снижает термоионизацию, что приводит к гашению дуги в момент прохождения тока через нулевое значение.
Многообъемный (баковый) масляный выключатель без специального устройства для гашения дуги (рис. 1) выполняют в виде стального бака 17, залитого трансформаторным маслом. В нижней части бака, изолированного внутри специальной фанерой 14, имеется маслоспускной кран 16. Уровень масла контролируют с помощью маслоуказательной трубки 13. К баку фланцем 12 болтами 11 крепится чугунная крышка 10. Проходные изоляторы 9 с токоведущими стержнями, на концах которых укреплены неподвижные контакты 3, пропущены внутрь бака. Под крышкой бака образуется буферное воздушное пространство А, из которого воздух отводится в газоотводную трубу 5.

Рис. 1. :
1 - подвижный контакт; 2 - газовым пузырь; 3 - неподвижный контакт; 4 болт; 5 - газоотводная труба; 6, 7, 19 тяги кривошипно-шатунного механизма; 8 - вал; 9 - проходной изолятор; 10 - крышка; 11 - болт; 12- фланец; 13 - маслоуказательная трубка; 14 - фанера; 15 - траверса; 16 - маслоспускной кран; 17 - стальной бак; 18 - отключающая пружина; 20- направляющая; 21 - штанга; А - буферное пространство

Включают и отключают масляный выключатель приводом, воздействующим на вал выключателя. При включении вал поворачивается по часовой стрелке и посредством кривошипно-шатунного механизма с тягами 6, 7, 19 и направляющей 20 поднимает контактную траверсу 15, на которой укреплены подвижные контакты /трех фаз выключателя. Подвижные контакты замыкаются с неподвижными, укрепленными на концах токоведущих частей проходных изоляторов. При этом отключающая пружина IS сжимается, и во включенном положении выключатель удерживается механической защелкой привода.
При отключении привод смещает защелку. Под действием отключающей пружины 18 штанга 21 перемещается вниз и контакты J и 1 расходятся. Между ними возникает дуга, а вокруг нее газовый пузырь 2, состоящий из продуктов разложения масла (70 % водорода, 20 % этилена). Давление в газовом пузыре составляет 0,2...0,4 МПа. Водород обладает большой теплопроводностью и высокой электрической прочностью, что используется для гашения дуги. Образующиеся газы проходят через слой масла и выходят в буферное пространство А.

Рис. 2. :
1 - изоляторы; 2 - привод; 3 - корпус выключателя

Газы, проходя слой масла, должны успевать охладиться, иначе возможны их быстрый прорыв (если объем масла будет малый) и образование в буферном пространстве гремучей смеси при соединении водорода и кислорода. При слишком большом объеме масла может произойти его выброс из бака через трубку 5. Поэтому необходимо постоянно контролировать уровень и качество масла, а также чистоту поверхности проходных изоляторов, на которых могут скапливаться раскаленные частицы угля и металла, образующиеся при отключении.
Дуга при отключении восстанавливается и гаснет несколько раз, поэтому время отключения многообъемных выключателей весьма велика (0,15...0,2 с). В этом заключается один из основных недостатков выключателей, из-за которого их применение ограничивается установками небольшой мощности напряжением до 6 кВ. К недостаткам относится также пожароопасность в связи с большим объемом масла.
Многообъемные масляные выключатели со специальными устройствами для гашения дуги применяют для ускорения процесса гашения дуги, повышения предельно отключаемой мощности.
Масляный выключатель С-35-630-10 (рис. 2) предназначен для наружных установок напряжением 35 кВ. Предусмотрены три его исполнения: для работы в районах с умеренным климатом; с тропическим климатом при температуре воздуха до 55 °С; с холодным климатом при температуре воздуха -60 °С.
Каждый полюс выключателя собран на отдельной крышке и помещен в отдельный бак. Все полюсы механически связаны между собой, смонтированы на общем сварном каркасе и управляются одним приводом 2. Крышки трех полюсов соединены между собой в один комплект муфтами, в которых установлены предохранительные клапаны для защиты от повышения давления в баках при длительном горении дуги. Внутренние стенки баков об шиты высокопрочным электрокартоном. Под дном каждого бака установлено устройство подогрева масла, применяемое при температуре воздуха ниже -15 °С.

Рис. 3. Общий вид (а) и схема (б) горшкового масляного выключателя типа ВМГ-10 :
1 - рама; 2- контактный стержень; 3 - изоляторы; 4 - цилиндр; 5- выходной зажим; 6 - контактная колодка; 7 - фарфоровая тяга; 8 - неподвижный контакт; 9 - валик, связанный с приводом; 10 - пружина; 11 - металлическая шина. A - пространство цилиндра, заполненное маслом (стрелками показано направление тока)

В малообъемных (горшковых) масляных выключателях масло, используемое в качестве дугогасящей среды, заливают в стальные или пластмассовые баки. Достоинство таких выключателей - не значительная масса масла (около 10 кг) по сравнению с многообъемными выключателями (около 50 кг). Широкое распространение получили малообъемные масляные выключатели типов ВМГ-10 (рис. 3), ВМП-10, ВМПП-10, ВМП-10К, ВМПЗ-10.
В выключателе типа ВМП-10 (рис. 4) три бака из стекло эпоксидной смолы закреплены на опорных изоляторах и установлены на стальной раме. С обеих сторон рамы 3 выведен вал 5 для связи с приводом выключателя. Подвижные контактные стержни проходят через каждый бак в дугогасительную камеру, изготовленную из фибры или гетинакса и размещенную в нижней части бака, к которому приварен резервуар с маслом. Необходимую амортизацию при включении и отключении выключателя создают пружины и масляный буфер 6.



Рис. 4. :
1 - полюс; 2 - опорный изолятор; 3 - рама; 4 - тяга из изоляционного мате риала; 5 - вал; 6 - масляный буфер

Приводы выключателей обеспечивают управление выключателем - включение, удержание во включенном положении и отключение. Вал привода соединяют с валом выключателя системой рычагов и тяг. Привод выключателя должен обеспечивать необходимую надежность и быстроту работы, а при электрическом управлении - наименьшее потребление электроэнергии.
Ручной привод типа ПРБА (рис. 5) применяют для ручного включения и отключения, а также автоматического отключения малообъемных выключателей. Привод смонтирован в чугунной коробке 8, закрываемой съемной крышкой 4, которая имеет прорезь для рычага управления 7. На задней стенке коробки размещен стальной кронштейн 2 с механизмом свободного расцепления (расцепителем) 3. Последний выполнен в виде системы «ломающихся» рычагов, складывающихся при небольшом силовом воздействии на одно из звеньев, что приводит к устранению жесткой связи между приводом и валом выключателя. Для включения выключателя рычаг управления 1 перемещают вручную снизу вверх.

Рис. 5. Ручной привод типа ПРБА :

1. - рычаг управления; 2 - кронштейн; 3 - расцепитель; 4 - крышка; 5 - блинкер; 6 - катушка реле минимального напряжения; 7 - катушка реле максимального тока; 8 - чугунная коробка; 9 - тяга; 10 - рычаг коробки привода;
2. - контакты сигнализации и автоматики

Рис. 6. Электромагнитный привод типа ПЭ-11 :
1,2- блок-контакты; 3 - рычаг ручного отключения; 4 - электромагнит отключения; 5 - электромагнит включения

Рис. 7. :
1 - кнопки включения и отключения электродвигателя завода пружинного привода; 2 - электродвигатель завода; 3 - механизм привода; 4 - пружины привода; 5 - кулиса

Движение рычага передается тяге связанной с валом выключателя через промежуточные механические передачи.
Автоматическое отключение осуществляется под действием реле максимального тока или минимального напряжения, отключающие катушки 7 и 6 которых расположены в релейной коробке в нижней части привода. Сердечник реле при срабатывании действует на защелку привода, «ломая» систему рычагов свободного расцепления. При автоматическом отключении рычаг управления 7 остается в верхнем положении, поэтому привод снабжен указывающим семафором (блинкером) 5, который при автоматическом отключении выключателя (от реле) занимает горизонтальное положение, показанное на рис. 5 штриховой линией. Рычаг 10 связывает кинематическую систему, расположенную в коробке привода, со вспомогательными контактами 11 сигнализации и автоматики (КСА).
Привод типа ПРБА предназначен для наружной установки, он встраивается в шкаф из листовой стали, защищающий механизмы привода от непосредственного воздействия пыли и влаги.
Электромагнитные приводы предназначены для дистанционного включения и отключения, а также автоматического отключения выключателей. Основной недостаток электромагнитных приводов - значительный ток, потребляемый катушками включения (до 100 А). Повышение мощности и быстродействия выключателей потребовало создания электромагнитных приводов новых конструкций, например типа ПЭ-11 (рис. 6) для выключателей типов ВМГ-10, ВМП-10К, ВМП-10Э, ВМП-35, типа ПЭ- 21 для выключателей типа МГГ-10, ШПЭ-33 (в шкафу) для выключателей типа МКП-110.

В пружинных приводах энергия, необходимая для включения, запасается в спиральной (привод типа ППМ-10) или цилиндрических (привод типа ПП-61) пружинах, встроенных в маховик. Пружины после каждого включения автоматически заводятся через редуктор электродвигателем мощностью до 1 кВт. Пружинные приводы не требуют мощного источника постоянного тока (как электромагнитные) или сжатого воздуха (как пневматические).

В последнее время широко применяют пружинный привод типа ПП-67 (рис. 7). Он предназначен для управления выключателя ми типов ВМГ-10 и ВМП-10 при внутренней установке и типа ВМП-35П при наружной установке.
Привод типа ПП-67 включает выключатель под действием предварительно натянутых электродвигателем 2 пружин привода 4. Отключение происходит за счет энергии, запасенной пружинами выключателя при включении.
Основные технические характеристики выключателей высокого напряжения, наиболее часто применяемых в системах электроснабжения, приведены в табл. .

Среди основных параметров выключателей высокого напряжения следует выделить группу номинальных параметров, присущих всем типам выключателей и определяющих условия их работы. К основным номинальным параметрам выключателей в соответствии с рекомендациями Международной электротехнической комиссии (МЭК) относятся: номинальное напряжение U ном; наибольшее рабочее напряжение U н.р; номинальный уровень изоляции в киловольтах; номинальная частота ном; номинальный ток I ном; номинальный ток отключения I о.ном; номинальный ток включения I в.ном; номинальное переходное восстанавливающееся напряжение (ПВН) при КЗ на выводах выключателя; номинальные параметры при не удалённых КЗ; номинальная длительность КЗ; номинальная последовательность операций (номинальные циклы); нормированные показатели надёжности и др. К параметрам, характерным для воздушных выключателей, следует отнести номинальное давление и расход воздуха, необходимые для проведения операций включения и отключения, нижний предел давления для производства отдельных операций. Рассмотрим некоторые наиболее важные параметры. Номинальное напряжение U ном (линейное) - это базисное напряжение из стандартизованного ряда напряжений, определяющее уровень изоляции сети и электрического оборудования. Действительные напряжения в различных точках системы могут отличаться от номинального, однако они не должны превышать наибольшие рабочие напряжения (номинальное напряжение по МЭК), установленные для продолжительной работы. Номинальные напряжения выключателей соответствуют классам напряжения (таблица 5.1). Номинальный уровень изоляции выключателя характеризуется значениями испытательных напряжений, воздействующих на основную изоляцию выключателя. Номинальный ток - действующее значение наибольшего тока, допустимого по условиям нагрева токоведущих частей выключателя в продолжительном режиме, принимающее следующие значения: 200; 400; 600; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500; 3150; 4000; 5000; 6300; 8000; 10000; 12 500; 16 000; 20 000; 25 000; 31 500 А.

Таблица 5.1 Номинальные напряжения оборудования

Класс номинальных напряжений
Номинальное междуфазное (линейное) напряжение, действующее значение, кВ	Наибольшее рабочее напряжение (номинальное напряжение по МЭК), действующее значение, кВ

Коммутационная отключающая способность выключателя характеризуется номинальным током отключения I о.ном, который может отключить выключатель при наибольшем рабочем напряжении и нормированных условиях восстановления напряжения. Ток отключения характеризуется действующим значением его периодической составляющей I о.п, отнесённой к моменту возникновения дуги (момент размыкания дугогасительных контактов) и называемой номинальным током отключения I о.ном (2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 31,5; 35,5; 40; 45; 50; 56; 63; 71; 80; 90; 100; 112; 125; 140; 160; 180; 200; 224; 250 кА), а также нормированным процентным содержанием β н апериодической составляющей, равным отношению апериодической составляющей i a тока отключения к амплитуде периодической составляющей (I о.п = I о.ном) того же тока в момент размыкания дугогасительных контактов. Ток отключения выключателя определяется суммой периодической и апериодической составляющих:

i о = I о.ном + i а = I о.ном (1 +β н) (5.1)

Номинальный ток включения I в.ном - наибольший ток, который выключатель может включить при наибольшем рабочем напряжении. При возникновении КЗ в цепи за время около 10 мс ток достигает своего максимального значения, называемого ударным током КЗ. Поэтому номинальный ток включения должен быть не менее ударного тока КЗ из условия возможности включения на существующее КЗ в цепи [в режиме автоматического повторного включения (АПВ)].

Номинальная длительность тока КЗ характеризуется способностью выключателя выдерживать во включенном положении без повреждений ток электродинамической стойкости (ударный ток) i уд = 2,55 I о.ном и ток термической стойкости I т = I о.ном. Время протекания тока I т составляет 1 или 2 с для выключателей при U ном 330 кВ и 1 или 3 с для выключателей приU ном 220 кВ.

При отключении тока КЗ на выводах выключателя возникает переходный процесс, который при гашении дуги характеризуется переходным восстанавливающимся напряжением (ПВН), зависящим от собственных параметров отключаемой сети.

Отключающая способность дугогасительных устройств по-разному зависит от характера изменения ПВН. Воздушные и элегазовые выключатели очень чувствительны к скорости нарастания ПВН (du/dt), а масляные - к максимальному ПВН. Этим объясняется нормирование I о.ном.

Рис. 5.2 Предельные режимы работы выключателя.

Отключающая способность выключателя может быть охарактеризована зависимостью допустимой скорости восстановления напряжения du/dt от тока отключения (кривая 1 на рисунке 5.2). Точки пересечения кривой 1 и прямой 2, описывающей зависимость скорости нарастания ПВН на контактах выключателя при отключении не удалённого КЗ от тока отключения, определяют предельный ток I т, который может быть отключён воздушным выключателем без теплового пробоя. При успешном преодолении первого пика напряжения (тепловой пробой не произошёл) возможен пробой на максимальном напряжении. Для каждого типа выключателя может быть определено предельно допустимое максимальное ПВН, зависящее от отключаемого тока - кривая 3. Кривая 4 показывает максимальное ПВН сети, которое не зависит от коммутации. Точка их пересечения указывает предельное значение тока отключения выключателя I э, вызывающее возможный электрический пробой. Выключатель не должен отказывать как при максимальных значениях ПВН при КЗ на контактах выключателя, так и при воздействии ПВН с высокой начальной скоростью роста при удалённых КЗ. Зависимости 3, 4, характеризующие режим возможного электрического пробоя, определяют предельный ток I э, который больше, чем предельный ток при возможном тепловом пробое I т. Область применения выключателя ограничена по току значением I т, а по напряжению - кривой (кривая 3) возможного электрического пробоя.

В большинстве случаев (согласно статистике до 80 %) причина, вызывающая КЗ, самоликвидируется в результате кратковременного отключения напряжения, не превышающего 0,3 с, необходимого для деионизации участка существования открытой дуги КЗ, и появляется возможность повторного включения напряжения системы. Отсюда вытекает определённая последовательность операций, выполняемых выключателем, связанных с отключением КЗ и последующим автоматическим повторным включением (АПВ) этого участка сети. Высоковольтные выключатели по способу гашения дуги подразделяются на воздушные, элегазовые, масляные, электромагнитные и вакуумные.

5.3.1 Воздушные выключатели

Широкое применение воздушных выключателей в энергосистемах обусловливается их высокими, для своего времени, техническими характеристиками. Конструктивно воздушные выключатели оказались хорошо приспособленными для различных условий работы современных распределительных устройств высокого напряжения при внутренней и наружной установке. Недостаточно высокая электрическая прочность воздуха (Е = 20 кВ/см) не позволяет получать модули с напряжением 350-500 кВ, что и приводит в последнее время к интенсивному развитию выключателей с использованием другой дугогасящей среды - элегаза.

По назначению воздушные выключатели разделяются на следующие группы:

1. сетевые выключатели на напряжение 6 кВ и выше, применяемые в электрических сетях и предназначенные для пропуска и коммутации тока в нормальных условиях работы цепи и в условиях К.З.;

2. генераторные выключатели на напряжение 6-24 кВ, применяемые для подключения генераторов и предназначенные для пропуска и коммутации токов в нормальных условиях, а также в пусковых режимах и при К.З.;

выключатели для электротермических установок с напряжениями 6-220 кВ, предназначенные для работы, как в нормальных, так и в аварийных режимах;

выключатели специального назначения.

По виду установки воздушные выключатели можно разделить на следующие группы:

1. опорные;

2. подвесные (подвешиваются к портальным конструкциям на ОРУ);

3.выкатные (имеют приспособления для выкатки из РУ);

4.встраиваемые в комплектные распределительные устройства.

К достоинствам воздушных выключателей можно отнести следующие показатели: высокую отключающую способность; пожаробезопасность; высокое быстродействие; способность коммутации токов К.З. с большим процентом апериодической составляющей (вплоть до коммутации цепей постоянного тока).

Недостатками воздушных выключателей являются наличие дорогостоящего постоянно действующего компрессорного оборудования; высокая чувствительность к скорости восстанавливающегося напряжения при не удалённом К.З.; возможность «среза» тока при отключении малых индуктивных токов (отключение ненагруженных силовых трансформаторов).

Принцип действия дугогасительных устройств (ДУ) воздушных выключателей. Сжатый воздух является эффективной средой, обеспечивающей надёжное гашение электрической дуги. Это достигается интенсивным воздействием с максимально возможными скоростями потока воздуха на дуговой канал. В ДУ воздушных выключателей гашение электрической дуги происходит в дутьевых каналах (соплах), которые конструктивно в совокупности с оконечной частью контактов дугогасителя образуют дутьевую систему. Столб дуги, образовавшейся на размыкающихся контактах, под действием воздушного потока растягивается и быстро перемещается в сопла, где происходит ее гашение.

В зависимости от формы и взаимного расположения контактов и сопл гашение дуги в таких устройствах может происходить при:

одностороннем (продольном) дутье через металлическое сопло (см. рисунок 5.3, а);

одностороннем (продольном) дутье через изоляционное сопло (см. рисунок 5.3, б);

двустороннем симметричном (продольном) дутье через соплообразные полые контакты (см. рисунок 5.3, в);

двустороннем асимметричном (продольном) дутье через соплообразные полые контакты (см. рисунок 5.3, г).

Рис.5.3 Схемы продольного воздушного дутья

Наилучшие показатели получены в выключателях с дугогасительными системами, использующими двустороннее асимметричное дутье. В механизме гашения электрической дуги тесно переплетаются как электрические процессы в столбе дуги, так и газотермодинамические процессы истечения газовой струи.

Своеобразие истечения газа из дугогасительного устройства заключается в том, что поток газа встречает на своём пути мощный источник теплоты, каким является дуга и который тормозит воздушный поток, т.е. уменьшается расход воздуха, протекающего через сопло с дугой. Это явление, называемое «термодинамический эффект», может приводить к полной закупорке сопла электрической дугой, что вызывает разрушение дугогасительной системы. Таким образом, размер (диаметр сопла d c на рисунках 5.3 а, г) дутьевой системы определяет максимально возможный ток отключения выключателя.

Высокая эффективность охлаждения канала столба дуги аксиальным потоком газа объясняется возникновением интенсивной турбулентной конвекции на границе двух потоков (см. рисунок 5.4). Увеличение сопротивления дугового промежутка, определяющего электрическую прочность в воздушных выключателях, в большой степени зависит от отключаемого тока.

Конструкция воздушных выключателей. Отличительной особенностью современных выключателей высокого напряжения является модульный принцип построения. Это обеспечивает возможность применения однотипных элементов (модулей) для создания выключателей на напряжения 110-1150 кВ. Широко распространены воздушные выключатели с металлическими дугогасительными камерами, заполненными сжатым воздухом. В целях увеличения отключающей способности повышают давление сжатого воздуха. В настоящее время это давление достигает 6-8,5 МПа. На рисунке 5.5предсставлен общий вид воздушного выключателя ВВБ-220-12.

Рис.5.5 Общий вид воздушного выключателя ВВБ-220-12:

1 – рама; 2 – шкаф управления; 3 – опорный изолятор; 4 – воздухопровод из стеклопластика; 5 – люк; 6 – шунтирующий конденсатор; 7 – промежуточный опорный изолятор; 8 – токоведущая перемычка; 9, 10 – металлическая дугогасительная камера

На рисунке 5.5 представлен общий вид выключателя ВВБ-220-12 с номинальным напряжением U ном = 220 кВ, номинальным током отключения I о.ном = 31,5 кА, номинальным током I ном = 2000 А. Выключатель установлен на раме 1, к которой крепятся шкаф управления 2 и опорный изолятор 3 с двумя металлическими дугогасительными камерами 9, 10, разъединёнными промежуточным опорным изолятором 7. Внутри дугогасительная камера содержит два главных контакта, соединенных единой траверсой, и два вспомогательных контакта. Каждый из главных контактов зашунтирован резистором сопротивлением 100 Ом, служащим для облегчения гашения дуги в главных контактах, выравнивания напряжения между разрывами в процессе отключения и снижения скорости восстановления напряжения. Для тех же целей используются и шунтирующие конденсаторы 6. Вспомогательные контакты отключают ток, протекающий через шунтирующие резисторы. Внутри фарфорового опорного изолятора и в промежуточном изоляторе проходят два воздухопровода из стеклопластика 4. Один служит для постоянной подачи сжатого воздуха в дугогасительные камеры, второй - для импульсной подачи сжатого воздуха в систему управления. Камеры снабжены люками 5, предназначенными для проведения ревизии и ремонта контактной и дугогасительной систем. Дугогасительные камеры 9, 10 включены последовательно токоведущей перемычкой 8.

Внутренние полости имеют незначительный перепад давления по отношению к окружающей среде (6-12) · 10 3 Па. Этим достигается необходимая диэлектрическая прочность по внутренней поверхности фарфоровых элементов, не имеющих прочного глазурованного покрытия. Поэтому все воздушные выключатели должны иметь соответствующее компрессорное хозяйство, обеспечивающее непрерывный расход воздуха (до 1500 л/ч) на вентиляцию.

На фото 5.I представлены воздушные выключатели на напряжение 330 кВ.

Фото. 5. I Высоковольтные выключатели на напряжение 330 кВ

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.

Различают масляные выключатели двух видов – баковые и маломасляные. Методы деионизации дугового промежутка в этих выключателях одинаковы. Различие заключается лишь в изоляции контактной системы от заземленного основания и в количестве масла.

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 (горшковые) получили широкое распространение 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.

Конструктивные схемы маломасляных выключателей 1 – подвижный контакт; 2 – дугогасительная камера; 3 – неподвиж-ный контакт; 4 – рабочие контакты

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.

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 воз-душных выключателей 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.

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.

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)

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 гасительной камере 2 МПа. Номинальное напряжение модуля выключателя серии ВВБК (крупномодульного) составляет 220 кВ, а давление воздуха в гасительной 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 соответст-венно в два раза меньше.

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 со-бой 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 выключа-тели 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.

Базовая модель выключателя состоит из следующих элементов:

– корпуса выключателя, в котором расположены все три полюса, представляющего собой "сосуд под давлением", заполненный элегазом под низким избыточным давлением (0,15 МПа или 1,5 атм.);

– механического привода типа RI;

– передней панели привода с рукояткой для ручного взвода пружин и индикаторами состояния пружины и выключателя;

– высоковольтных силовых контактных площадок;

– многоштырьевого разъема для подключения цепей вторичной коммутации.

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.

Восстанавливающаяся электрическая прочность промежутка длиной 1/4" 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 3/8" 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. Уровень вакуума (остаточное давление газов) в современных промышленных дугогасительных камерах обычно составляет Па. В соответствии с теорией электропрочности газов, не-обходимые изоляционные качества вакуумного промежутка достигаются и при меньших уровнях вакуума (порядка Па), однако для современного уровня вакуумных технологий, создание и поддержание в течение времени жизни вакуумной камеры уровня Па не составляет проблемы. Это обеспечивает вакуумным камерам запасы электропрочности на весь срок эксплуатации (20-30 лет).

Типовая конструкция вакуумной дугогасительной камеры приведена на рисунке.

Конструкция вакуумной камеры состоит из пары контактов (4; 5), один из которых является подвижным (5), заключенных в ваккумноплотную оболочку, спаянную из керамических или стеклянных изоляторов (3; 7), верхней и нижней металлических крышек (2; 8) и металлического экрана (6). Перемещение подвижного контакта относительно неподвижного обеспечивается путем применения сильфона (9). Выводы камеры (1; 10) служат для подключения ее к главной токоведущей цепи выключателя.

Надо отметить, что для изготовления оболочки вакуумной камеры применяются только специальные вакуумноплотные, очищенные от растворенных газов металлы – медь и специальные сплавы, а также специальная керамика. Контакты вакуумной камеры изготавливаются из металлокерамической композиции (как правило, это медь-хром в соотношении 50 %-50 % или 70 %-30 %), обеспечивающей высокую отключающую способность, износостойкость и препятствующей возникновению точек сваривания на поверхности контактов. Цилиндрические керамические изоляторы, совместно с вакуумным промежутком при разведенных контактах обеспечивают изоляцию между выводами камеры при отключенном положении выключателя.

Таврида-электрик выпустила новую конструкцию вакуумного выключателя с магнитной защелкой. В основу его конструкции заложен принцип соосности электромагнита привода и вакуумной дугогасительной камеры в каждом полюсе выключателя.

Включение выключателя осуществляется в следующей последовательности.

В исходном состоянии контакты вакуумной дугогасительной камеры разомкнуты за счет воздействия на них отключающей пружины 7 через тяговый изолятор 5. При прикладывании напряжения положительной полярности к катушке 9 электромагнита, в зазоре магнитной системы нарастает магнитный поток.

В момент, когда сила тяги якоря, создаваемая магнитным потоком, превосходит усилие пружины отключения 7, якорь 11 электромагнита вместе с тяговым изолятором 5 и подвижным контактом 3 вакуумной камеры начинает движение вверх, сжимая пружину отключения. При этом в катушке возникает двигательная противо-ЭДС, которая препятствует дальнейшему нарастанию тока, и даже несколько уменьшает его.

В процессе движения якорь набирает скорость около 1 м/с, что позволяет избежать предпробоев при включении и исключить дребезг контактов ВДК. При замыкании контактов вакуумной камеры, в магнитной системе остается зазор дополнительного поджатия равный 2 мм. Скорость движения якоря резко падает, так как ему приходится преодолевать еще и усилие пружины дополнительного контактного поджатия 6. Однако под воздействием усилия, создаваемого магнитным потоком и инерцией, якорь 11 продолжает двигаться вверх, сжимая пружину отключения 7 и пружину 6 дополнительного контактного поджатия.

В момент замыкания магнитной системы якорь соприкасается с верхней крышкой привода 8 и останавливается. После окончания процесса включения ток катушки привода отключается. Выключатель остается во включенном положении за счет остаточной индукции, создаваемой 10, который удерживает якорь 11 в притянутом к верхней крышке 8 положении без дополнительной токовой подпитки.

Для отключения выключателя необходимо приложить к выводам катушки напряжение отрицательной полярности.

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, и в 1997 году превысила 50 %-ю отметку. Основными преимуществами ВВ (по сравнению с масляными и газовыми выключателями), определяющими рост их доли на рынке, являются:

– более высокая надежность;

Занятие 22

Тема 3.2 Основное электрооборудование подстанций

Выключатель является основным аппаратом в электрических установок, он служит для отключения и включения цепи в любых режимах: длительная нагрузка, перегрузка, короткое замыкание, холостой ход, несинхронная работа. Наиболее тяжелой и ответственной операцией является отключение токов короткого замыкания и включение на существующее короткое замыкание. Четкая работа выключателя ограничивает распространение аварии в электрической установке. Отказ выключателя может привести к развитию аварии.

Одной из основных характеристик выключателя является его отключающая способность, т.е. наибольший ток к.з. который выключатель способен отключить при наибольшем рабочем напряжении в заданном цикле операций.

По конструктивным особенностям и способу гашения дуги различают масляные баковые, масломаслянные, воздушные, элегазовые, электромагнитные, автогазовые, вакуумные выключатели.

К основной группе относятся выключатели нагрузки, рассчитанные на отключение токов нормального режима. Кроме того по роду установки различают выключатели для внутренней, наружной установки и для комплектных распределительных устройств.

Масляные баковые выключатели находят применение в открытых распределительных устройствах подстанций.

Уровень масла в баке выключателя строго контролируется по маслоуказателю если уровень масла низок, то газы попадут в буферное пространство сильно нагретыми, ионизированными и произойдет взрыв смеси водорода с воздухом. Если уровень масла высок, то возможен сильный удар в крышку, повреждение выключателя, выброс горячего масла и его загорание. Таким образом, масляные баковые выключатели взрыво- и пожароопасны, размещать их можно только в специальных камерах или на открытом распределительном устройстве. Это особенность баковых выключателей привела к тому, что в установках 6 кВ они применяются редко.

Баковые выключатели содержат большой объем масла. В выключатели МКП-35-1000-25 -800 кг, У-110-2000-8000 кг.

Масло в баковых выключателях служит изоляцией между контактной системой и заземленными стенками бака, а также является дугогасящей средой. В процессе эксплуатации необходим постоянный контроль за качеством масла.

Недостатки масленых баковых выключателей: большой объем масла, пожаро- и взрывоопасность.

Достоинства: простота конструкции, достаточно высокая надежность работы и наличие встроенных трансформаторов тока.

Маломасляные выключатели получили широкое распространение в закрытых и комплектных распределительных устройствах. Масло в этих выключателях в основном служит дугогасящей средой и только частично изоляцией между разомкнутыми контактами. Токоведущие части изолируются друг от друга и от заземленных частей фарфором, стеклопластиком или другими твердыми изолирующими материалами.

Достоинства: небольшое количество масла; более удобный, чем у баковых выключателей, доступ к дугогасительным контактам; возможность создания серии выключателей на разное напряжение с применением унифицированных узлов. Недостатки: взрыво- и пожароопасность, хотя значительно меньшая, чем у баковых выключателей; необходимость периодического контроля, доливки, замены масла; трудность установки трансформаторов тока; относительно малая отключающая способность.

Воздушные выключатели получили широкое распространение в установках высокого напряжения. В воздушных выключателях для гашения дуги используется сжатый воздух который создается дутье в продольном или поперечном направлении, охлаждает дугу, удаляет продукты горения и быстро гасит ее. Для получения сжатого воздуха необходима компрессорная установка, а для его очистки и сушки – специальные устройства.

В электроустановках 10-35 кВ находят применение воздушные выключатели с отделителем. Такие выключатели имеют гасительные камеры шунтированные резисторами, которые служат для облегчения условий гашения дуги и равномерного распределения напряжения между двумя разрывами цепи, и нож отделителя 2. во включенном положении ток проходит по контактам гасительных камер и включенному отделителю. При отключении подается воздух с давлением 0,8-2 МПа в гасительные камеры, размыкают контакты и возникающая дуга гасится потоком холодного воздуха. После гашения дуги в цепи проходит небольшой ток, ограниченный двумя шунтирующими резисторами. Этот ток разрывается отделителем, в привод которого подается воздух после отключения контактов в камерах. Выключатели на большие номинальные токи снабжаются разъединителем, который отключается последним. После завершения операции отключения прекращается подача воздуха в дугогасительные камеры и контакты в них замыкаются под действием пружин.

Достоинства воздушных выключателей их взрыо- и пожаробезопасность, возможность создания серий из крупных узлов, пригодность для наружной и внутренней установки. Недостатки: сложность конструкции, высокая стоимость, необходимость компрессорной установки, отсутствие встроенных трансформаторов тока.

Электромагнитные выключатели. Выключатели с электромагнитным гашением дуги имеют ряд преимуществ по сравнению с малообъемными выключателями: не требуют масла для гашения дуги, пожаро- и взрывобезорасны, создают низкий уровень коммутационных перенапряжений и имеют повышенную износоустойчивость дугогасящих частей выключателя. Эти преимущества предопределяют их использование в установках с частыми отключениями.

Гашение дуги в электромагнитных выключателях производится в специальных камерах, в которых дуга постепенно растягивается в узкой щели между изоляционными стенками из термодугостойкого материала. Этим увеличивается сопротивление дуги и создаются благоприятные условия ее гашения.

Достоинства электромагнитных выключателей: полная взрыво- и пожаробезопасность; малый износ дугогасительных контактов пригодность для работы в условиях частых включений и отключений; относительно высокая отключающая способность.

Недостатки: сложность конструкции дугогасителя с системой магнитного дутья; ограниченный верхний предел номинального напряжения (15-20 кВ); ограниченная пригодность для наружной установки.

Вакуумные выключатели. Их изготавливают на напряжение 10 кВ, номинальные токи 320 А. основным элементом вакуумного выключателя является вакуумная дугогасительная камера, в которой происходит гашение дуги.

Трехполюсные вакуумные выключатели нагрузки ВНВП-10/320 и ВВТЭ-10/630 нормального и тропического исполнений устанавливают в шкафах КРУ для открытых горных разработок.

Преимущества вакуумных включателей: высокая электрическая прочность вакуума, что обеспечивает быстрое восстановление электрической прочности между контактами при разрыве дуги; быстродействие и большой срок службы при большом числе отключений; малые габариты и удобство обслуживания; наиболее пригодны в электропечных и конденсаторных установках при частых операциях включения и отключения.

Элегазовые выключатели. Их изготавливают на напряжение 35,110,220,330 кВ. контактная система таких выключателей состоит из подвижного и неподвижного контактов с встроенными герметически закрытого корпуса, заполненного элегазом давления 0,30 МПа. Образовавшаяся дуга при разрыве контактов вращается за счет взаимодействия тока дуги с магнитным полем ферромагнитов. При этом происходит интенсивное гашение дуги.

Достоинством элегазовых выключателей нагрузки является их пожаро- и взрывобезопасность быстрота действия и высокая отключающая способность. К недостаткам относятся их большая стоимость и необходимость устанавливать дополнительные приборы для получения элегаза.

Отделитель – это коммутационный аппарат, предназначенный для автоматического отключения поврежденного участка линии или трансформатора после искусственного КЗ, а также для отключения и включения участков схемы, находящихся без напряжения, отключения и включения индукционных токов холостого хода трансформаторов и емкостных токов ненагруженных линий. Внешне отделитель не отличается от двухколонкового разъединителя, но у него для отключения имеется пружинный привод, который обеспечивает автоматическое или дистанционное со щита управления отключение за 0,4-0,5 с.

Включение отделителя производится в ручную. Отделители могут иметь заземляющие ножи с одной или двух сторон. Отделители не могут отключать ток нагрузки и тем более ток КЗ, возникающий при создании искусственного КЗ короткозамыкателем, поэтому в схемах управления отделителями и короткозамыкателями имеется блокировка, которая запрещает отключение отделителя QR, если через трансформаторы тока ТА проходит ток.

Отделители и короткозамыкатели открытой конструкции недостаточно надежно работают в неблагоприятных погодных условиях. Для повышения надежности работы возможно применение закрытых отделителей и короткозамыкателей. Контактная система их расположена внутри фарфорового корпуса, заполненного элегазом с избыточным давлением 0,3 МПа. Высокая электрическая прочность элегаза обеспечивает небольшие габориты и надежную работу аппаратов.

Короткозамыкатель – это коммутационный аппарат предназначенный для создания искусственного КЗ в электрической цепи.

Короткозамыкатели применяются в упрощенных схемах подстанций для того чтобы обеспечить отключение поврежденного трансформатора подстанции релейной защитой питающей линии 35-220 кВ.

Короткозамыкатели типа КЗ-35 на напряжение 35 кВ выполняются в виде двух отдельных полюсов, соединенных при монтаже в один двухполюсный аппарат. Короткозамыкатели типа КЗ-110 и КЗ-220 изготавливаются в виде однополюсных аппаратов. При включении короткозамыкателя КЗ-35 происходит двухфазное к.з. на землю.

Короткозамыкатель включается автоматически под действием пружинного механизма при срабатывании привода от релейной защиты. Отключается в ручную.

Разъединитель – это коммутационный аппарат предназначенный для коммутации цепи без тока.

Основное назначение разъединителя – создание надежного видимого разрыва цепи для обеспечения безопасного проведения ремонтных работ на оборудовании и токоведущих частях электроустановки.

Используют их в системах электроснабжения напряжением выше 1000 В для разъединения и переключения участков сети, находящихся под напряжением. Разъединители создают необходимый видимый разрыв электрической цепи, требуемый условиями эксплуатации электроустановок.

Разъединители не имеют специальных устройств для гашения дуги. Отключение разъединителем больших токов может вызвать опасное короткое замыкание между фазами из –за возникшей электрической дуги. Поэтому разъединители снабжают блокировкой, предохраняющей от отключения тока нагрузки. Разъединителями допускается отключать ток холостого хода трансформаторов, ток заземления нейтралей трансформаторов и дугогасящих катушек; уравнительный ток линий, ток замыкания на землю.

Разъединители подразделяются на разъединители внутренней и наружной установки. Разъединители внутренней установки выполняют одно – и трехполюсными. Разъединители наружной установки с одним заземляющим ножом, изготавливают повышенной механической прочности, с отдельными полюсами горизонтально – поворотного типа, которые управляются вращением одного или двух изоляторов, связанных с тягами.

Разрядники – это аппараты предназначенные для защиты электроустановок от перенапряжений. Разрядники выполняются вентильными и трубчатыми.

Вентильные разрядники. Такие разрядники представляют собой колонки искровых промежутков и нелинейных сопротивлений. В качестве последних наиболее распространен велит, основным компонентом которого является карборунд, обработанный дугой; при этом на поверхности кристаллов карборунда образуется запорный слой.

Основные рабочие узлы вентильного разрядника – многократные искровые промежутки и нелинейные рабочие резисторы, размещаемые внутри фарфоровой герметизированной покрышки.

Вентильные разрядники изготавливают различной конструкции и назначения: РВС – вентильный стационарный на 10-220 кВ для защиты от атмосферных перенапряжений; РВМ, РВМГ, РВМА - вентильные с магнитным гашением дуги; модификации Г и А предназначены для защиты от атмосферных и кратковременных внутренних перенапряжений возникающих в изоляции электрооборудования станций и подстанций при номинальном напряжении 15-500 кВ.

Трубчатые разрядники представляют собой гасительную трубку изготовленную из фибробакелита или винипласта, внутри которой находятся стержневой и кольцевой электроды, причем между ними в момент перенапряжения образуется пробой разрядного промежутка и гашение дуги сопровождающего ее тока.

Трубчатые разрядники выполняют фибробакелитовыми типа РТФ на напряжение 3-110 кВ, винипластовыми типа РТВ на 6-35 кВ. в маркировке трубчатых разрядников в числители указывается номинальное напряжение (кВ), в знаменатели пределы отключаемых токов например РТВ 35/2-10.

Изоляторы для вл применяют следующие типы изоляторов:

При напряжении 6-10 кВ – штыревые фарфоровые и стеклянные типов ШФ6-А и ШФ10-А;

При напряжении 20-35 кВ- штыревые фарфоровые типов ШФ20-А, ШФ20-Б, ШФ-35А ШФ-35Б

При напряжении от 35 кВ и выше - подвесные фарфоровые изоляторы типов ПФ-6А, ПФ-6Б (цифры указывают нагрузку).