Коммутационные аппараты выше 1000 В.

План.

3.3.1. Коммутационные аппараты выше 1000 В.

3.3.2. Выключатели нагрузки.

3.3.3. Вакуумные выключатели.

3.3.4. Элегазовые выключатели.

3.3.5. Приводы выключателей.

3.3.6. Выбор выключателей при проектировании. Новые тенденции применения выключателей.

Коммутационные аппараты на напряжение выше 1000 В

Высоковольтные выключатели (включая их приводы) предназначены для коммутации электрических цепей при нормальных и аварийных режимах в сетях трехфазного переменного тока частотой 50 Гц с номинальным напряжением от 6 до 750 кВ включительно (ГОСТ 687-78).

Выключатели должны эксплуатироваться в условиях предусмотренных климатическим исполнением и категорией размещения по ГОСТ 15150-69, и удовлетворять в части воздействия климатических факторов внешней среды требованиям ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543.1-89. Для маломасляных, воздушных, генераторных, элегазовых и электромагнитных выключателей климатического исполнения У, категории размещения 3 нижнее значение рабочей температуры окружающего воздуха принимается равным минус 25 °С.

Выключатели предназначены для работы на высоте над уровнем моря до 1000 м, за исключением выключателей на номинальное напряжение 750 кВ, предназначенных для работы на высоте до 500 м.

Выключатель должен выполнять следующие механические операции и циклы операций при условиях, указанных ниже, с характеристиками работы механизма выключателя, обеспечивающими нормированные параметры коммутационной способности выключателя:

а) включение (В);

б) отключение (О);

в) включение-отключение (ВО), в том числе без преднамеренной выдержки времени В и О;

г) отключение-включение (ОВ) при любой бесконтактной паузе;

д) отключение-включение-отключение (ОВО).

Конструкция выключателя, прежде всего, определяется способом гашения дуги. По этому признаку современные включатели можно разделить на следующие группы:

1. Масляные выключатели — гашение дуги происходит в масле: баковые (с большим объемом масла, которое служит также изоляцией) и маломасляные или горшковые (с малым объемом масла, являющимся только дугогасящей средой).

2. Воздушные выключатели — гашение дуги осуществляется сжатым воздухом, запасенным в резервуаре выключателя.

3. Автогазовые выключатели — гашение дуги осуществляется газами, которые выделяются из стенок камер под действием высокой температуры дуги.

4. Выключатели со сжатым элегазом — гашение дуги происходит под давлением (в среде шестифтористой серы — SF₆).

5. Электромагнитные выключатели — гашение дуги осуществляется при помощи магнитного дутья в различных камерах.

6. Вакуумные выключатели — гашение дуги происходит в вакууме.

Выключатели нагрузки

Выключатель нагрузки представляет собой трехполюсный коммутационный аппарат переменного тока для напряжения свыше 1 кВ, рассчитанный на отключение номинального рабочего тока и снабженный приводом для неавтоматического или автоматического управления, рис. 3.18.

Рис. 3.18. Выключатель нагрузки с гасительным устройством газогенерирующего типа

Выключатели нагрузки не предназначены для отключения тока КЗ, но их включающая способность соответствует электродинамической стойкости при КЗ.

Выключатели нагрузки применяют в присоединениях силовых трансформаторов на стороне высшего напряжения вместо силовых выключателей, если это возможно по условиям работы электроустановки. Поскольку они не рассчитаны на отключение тока КЗ, функции автоматического отключения трансформаторов в случае их повреждения возлагают на плавкие предохранители либо на выключатели, принадлежащие предшествующим звеньям системы.

Отечественные заводы выпускают выключатели нагрузки (рис 3.18) для номинальных напряжений 6 и 10 кВ. На опорных изоляторах разъединителя укреплены гасительные камеры. К ножам разъединителя прикреплены вспомогательные ножи. Изменен также привод разъединителя, чтобы обеспечить необходимую скорость движения ножей при включении и отключении, не зависящую от оператора.

В положении «включено» вспомогательные ножи входят в гасительные камеры. Контакты разъединителя и скользящие контакты гасительных камер замкнуты. Большая часть тока проходит через контакты разъединителя. В процессе отключения сначала размыкаются контакты разъединителя; при этом ток смещается через вспомогательные ножи в гасительные камеры. Несколько позднее размыкаются контакты в камере. Зажигаются дуги, которые гасятся в потоке газов – продуктах разложения вкладышей из органического стекла. В положении «отключено» вспомогательные ножи находятся вне гасительных камер, при этом обеспечиваются достаточные изоляционные разрывы.

Вакуумные выключатели

Вакуумные выключатели состоят из вакуумных дугогасительных камер (ВДК), приводов с приводными механизмами и схем управления (рис. 3.19).

Вакуумные дугогасительные камеры являются важнейшей частью выключателей, определяющей их технические характеристики.

Принцип действия вакуумных дугогасительных камер основан на гашении электрической дуги в вакууме, при давлении остаточных газов 10^-3¾10^-6 Па. В вакуумных дугогасительных устройствах (ДУ) реализуется два очень важных свойства вакуумных промежутков: высокая электрическая прочность (выше, чем у трансформаторного масла) и высокая дугогасительная способность.

В глубоком вакууме дугогасительной камеры выключателя длина свободного пробега молекул и электронов составляет десятки и сотни метров, т. е. во много раз больше, чем расстояние между контактами выключателя.

Ударная ионизация в вакуумном промежутке практически отсутствует, поэтому вакуумный промежуток не может служить источником заряженных частиц. Заряженные частицы могут появиться при определенных условиях с поверхностей контактов и других частей вакуумной камеры.

Процесс отключения происходит следующим образом. При размыкании контактов 2 и 3 количество контактных точек между ними уменьшается, а плотность тока, протекающего через контактные точки, растет.

В результате этого на завершающей стадии размыкания происходит расплавление и испарение материала контактов. В парах металла возникает электрический разряд, переходящий в дуговую стадию. Благодаря низкому давлению в камере происходит интенсивная диффузия (деионизация) дугового столба и дуга гаснет. Частицы испарившегося материала контактов оседают на поверхностях вакуумной камеры. При этом быстро, со скоростью 5¾50 кВ/мкс, восстанавливается электрическая прочность между контактами. Скорость восстановления электрической прочности в вакуумных выключателях выше, чем у других типов выключателей.

Герметичность камеры при перемещении подвижного контакта обеспечивается сильфоном 4, который плотно связан с токовводом 5 подвижного контакта и фланцем 6 камеры.

Материал контактов оказывает большое влияние на характеристики выключателя. В настоящее время применяют сплавы меди и хрома или меди с небольшими количествами висмута, железа и бора. Эти сплавы отличаются более высокой электро- и теплопроводностью по сравнению с ранее применявшимися тугоплавкими материалами, например вольфрамом.

При использовании тугоплавких материалов для контактов в газообразное состояние переходит меньшее количество вещества, поэтому дуговой столб распадается быстрее. Однако в этом случае при отключении малых токов погашение дуги возможно при токе до момента перехода тока через нуль. Происходит «срез» тока, что вызывает перенапряжение на оборудовании и может привести к нежелательным последствиям.

Поэтому в настоящее время применяют сплавы меди в качестве материала контактов, чтобы предотвратить перенапряжения в отключаемой цепи. Для защиты изоляционных поверхностей камеры от загрязнения продуктами эрозии контактов устанавливают специальные экраны. Так как контакты находятся в глубоком вакууме, они не окисляются, благодаря чему достигается высокая износостойкость контактов. Они работают без обслуживания в течение всего срока службы камеры.

Благодаря высокой электрической прочности вакуумных промежутков ход подвижных контактов невелик, в пределах 8¾20 мм. Ход контактов у маломасляных выключателей с теми же параметрами, что и у вакуумных выключателей, примерно в 10 раз больше (около 200 мм у выключателя типа ВМП-10).

Характеристики вакуумных выключателей определяются работой контактной системы. При коммутациях происходит эрозия контактных поверхностей. Она тем больше, чем больше отключаемый ток, длительность горения дуги, ниже температура плавления материала контактов и хуже теплоотвод.

Чтобы быстрее погасить дугу, необходима высокая скорость движения подвижного контакта при отключении и включении. Такая необходимость при включении вызвана тем, что при сближении контактов перед замыканием происходит пробой межконтактного промежутка с переходом в дугу так же, как и при отключении. При медленном сближении контактов тепловыделение увеличивается, может возникнуть оплавление контактов. По этой же причине нежелательна вибрация контактов после замыкания, так называемый дребезг контактов. Достаточно большое сжатие контактов в замкнутом состоянии устраняет дребезг и способствует уменьшению переходного электрического сопротивления.

Преимущества вакуумных выключателей: высокая износостойкость при коммутации номинальных токов и токов КЗ; снижение эксплуатационных затрат, простота эксплуатации; быстрое восстановление электрической прочности — (10¾50) х 10³ В/мкс; взрыво- и пожаробезопасность; повышенная устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам; произвольное рабочее положение вакуумной дугогасительной камеры (ВДК) в конструкции выключателя; бесшумность, чистота (удобство обслуживания), отсутствие загрязнения окружающей среды; высокое быстродействие, применение для работы в любых циклах АПВ; сравнительно малые массы и габариты, небольшие динамические нагрузки на конструкцию при работе из-за относительно малой мощности привода; легкая замена ВДК.

К недостаткам можно отнести: возможные коммутационные перенапряжения при отключении малых индуктивных токов; трудности при создании и изготовлении, связанные с созданием контактных материалов, сложностью вакуумного производства, склонностью материалов контактов к сварке в условиях вакуума; большие вложения, необходимые для осуществления технологии производства, и поэтому большая стоимость по сравнению с масляными выключателями.

Элегазовые выключатели

В элегазовых выключателях (рис. 3.20) в качестве дугогасящей среды применяется элегаз — SF₆.

Рис. 3.20. Внешний вид элегазового выключателя на 500 кВ. (Siemens)

Элегаз в 5 раз тяжелее воздуха, очень стойкий, негорючий, электроотрицательный, инертный, с превосходными изолирующими свойствами и прекрасной теплопроводностью..

При атмосферном давлении диэлектрические свойства элегаза в 3 раза выше, чем воздуха, а при давлении 0,2 МПа ¾ такие же, как у изоляционного масла. Дугогасящие свойства более чем в 10 раз превосходят таковые для воздуха. Продукты разложения элегаза под действием дуги нестойкие, и его изоляционные свойства восстанавливаются. Если элегаз не подвергается длительному воздействию короны, старение газа не происходит

При низких температурах элегаз может сжижаться в зависимости от его давления и плотности (например при давлении 1,5 МПа и температуре + 6 °С). Для обеспечения нормальной работы выключателей при температуре – 30 °С и ниже необходимо подогревать помещение, в котором КРУЭ будет устанавливаться. При наружной установке КРУЭ следует проверять возможность возникновения указанных низких температур.

В нормальном положении контакты выключателя замкнуты и ток проходит от верхнего токопровода к нижнему через главные контакты и компрессионный цилиндр (рис. 3.21).

При операции отключения подвижные части главного и дугогасящего контактов, а также компрессионный цилиндр и сопло сдвигаются в разомкнутое положение. Важно учитывать, что подвижные контакты, сопло и компрессионный цилиндр составляют один подвижный узел. Другими словами, процесс компрессорного дугогашения, применяемый в выключателях (серии HPL) компании АББ, имеет конструкцию с одноходовым движением для размыкания контактов.

Когда подвижный узел двигается в направлении разомкнутого положения контактов, клапан заполнения закрывается и элегаз начинает сжиматься между подвижным компрессионным цилиндром и неподвижным поршнем. Первыми разделяются главные контакты. Благодаря тому, что размыкание главных контактов происходит за время, достаточное до начала размыкания дугогасящих контактов, любая дуга будет зажигаться только между дугогасящими контактами в объеме, ограниченном геометрией сопла.

Когда начинают размыкаться дугогасящие контакты, между подвижным и неподвижным дугогаcящими контактами зажигается дуга. Во время горения дуги тело плазмы в некоторой степени блокирует движение элегаза через сопло, в результате чего в компрессорном объеме продолжает увеличиваться давление газа до того момента, когда токовая кривая проходит через нулевое значение и дуга становится сравнительно слабой.

В этот момент поток сжатого под большим давлением элегаза вырывается из компрессионного объема через сопло и гасит дугу.

В разомкнутом положении расстояние между неподвижным и подвижным контактами выбрано достаточным для того, чтобы выдерживать нормированные уровни диэлектрической прочности промежутка.

При операции включения клапан наполнения открывается и элегаз может свободно проходить в компрессионный объем.

Следует отметить, что давление элегаза, необходимое для гашения дуги, поднимается чисто механическим способом. Таким образом, выключатели с компрессионным методом гашения нуждаются в достаточно мощном приводе, чтобы преодолеть создаваемое газом давление в сжимаемом объеме, которое необходимо для отключения номинальных токов КЗ, но при этом обеспечить определенную скорость движения контактов, чтобы в образующемся межконтактном изоляционном промежутке выдерживать без повторных пробоев восстанавливающееся на контактах напряжение.

В разомкнутом положении между неподвижным и подвижным контактами существует достаточный изоляционный промежуток, способный обеспечить номинальные уровни диэлектрической прочности.

Элегазовые выключатели обладают следующими достоинствами:

· высокая электрическая прочность и дугогасящая способность элегаза позволяют создать дугогасительное устройство на ток отключения 40 кА при напряжении 220 кВ на один разрыв при высокой скорости восстановления напряжения сети;

· элегаз позволяет повысить нагрузку токоведущих частей и уменьшить их массу за счет своих охлаждающих свойств;

· выключатели удобно использовать в элегазовых КРУЭ, в которых элегаз используется для изоляции;

· по сравнению с воздушными выключателями имеют меньший размер, массу;

· не требуют сжатого воздуха для гашения дуги;

· гашение дуги происходит в замкнутом объеме без выхлопа в атмосферу.

Недостатками элегазовых выключателей являются:

высокие требования к качеству заполняющего элегаза; работоспособность выключателя зависит от температуры окружающей среды и при понижении температуры ниже определенного значения выключатель может отказать в гашении; при давлении 0,35 МПа и плотности элегаза 28 кг/м³ предельная рабочая температура минус 40 °С, что затрудняет применение элегазовых выключателей при более низких температурах окружающего воздуха.

Расположение выключателей в ЗРУ улучшает условия работы выключателей и расширяет область их применения.

В настоящее время за рубежом и в России созданы и применяются комплектные распределительные устройства с элегазовой изоляцией (КРУЭ) на напряжения 110¾1150 кВ.

В таких РУ все электрические аппараты — выключатели, разъединители, заземлители, а также разрядники, токопроводы и измерительные трансформаторы – заключены в алюминиевую оболочку, заполненную инертным газом – элегазом (шестифтористой серой SF₆). Эти РУ комплектуются из стандартных элементов схемы электрических соединений с аппаратурой управления, контроля, сигнализации, измерений и блокировки, что позволяет собрать любую схему КРУЭ. Изоляция – элегаз и литые из смол изоляторы, служащие для фиксации токоведущих частей в герметичном корпусе. Герметичность алюминиевой заземленной оболочки и работа по замкнутому циклу обеспечивает безопасность и отсутствие выбросов горячих газов и пламени в атмосферу, а также заметного шума при отключениях.

Приводы выключателей

Надежная работа и безопасное обслуживание выключателей высокого напряжения невозможны без надежного привода, обеспечи­вающего безотказное выполнение операций включения и отключения выключателей и разъединителей вручную и автоматически. Монтаж привода должен быть по возможности простым и не требовать спе­циальных знаний, он не должен требовать и точных работ по уста­новке и регулировке привода.

При выборе типа привода прежде всего необходимо определить, для автоматических или неавтоматических операций он предназна­чается. Неавтоматические выключатели с более простыми приводами требуются в относительно редких случаях, например для размыка­ния шлейфов в сетях высокого напряжения. Как правило, выключа­тели работают автоматически.

Многие конструкции выключателей требуют наличия в их при­водах механизма свободного расцепления, который служит двоякой цели: обеспечивает быстрое отключение и при включении на неустраненное КЗ автоматически отключает выключатель, несмотря на то, что орган управления находится в положении «Включено».

В настоящее время существуют следующие типы приводов: руч­ные — с предварительным запасанием энергии включения и без него; электрические — также с запасанием энергии включения и без него; пневматические — работающие на сжатом воздухе; гидравлические — работающие на масле под давлением.

Электрические приводы подразделяются на электромагнитные (соленоидные) и моторные. В некоторых случаях моторные приводы снабжаются аккумулятором энергии, в этом случае их называют инерционными приводами.

Выключатели с автоматическими приводами допускают дистан­ционное управление, а выключатели с ручным приводом могут управляться дистанционно только после ручного завода пружины на месте установки выключателя.

К различным типам приводов предъявляются следующие требо­вания: а) пневматические и гидравлические приводы должны рабо­тать надежно при отклонениях давления рабочей среды перед управ­ляющим клапаном в пределах от +10 до 0%; б) двигательные приводы прямого действия должны надежно работать при отклоне­ниях напряжения на зажимах двигателя в пределах от +10 до -20%; в) инерционные двигательные приводы должны надежно запасать энергию в накопителе энергии (маховике) при отклоне­ниях напряжения на зажимах двигателя в пределах от +10 до -20%; г) электромагнитные (соленоидные) приводы прямого дейст­вия должны надежно работать при отклонениях напряжения на их зажимах в пределах от +10 до -20%.

У всех приводов при недопустимом понижении или даже полном исчезновении давления или напряжения подвижные элементы не должны оставаться в промежуточном положении.

Ручной привод прямого действия допускается устанавливать для выключателей с отключаемой мощностью не более 200 MBА и мак­симальным включаемым током не более 10 кА.

Ручной привод применяется для выключателей нагрузки, разъединителей и заземляющих разъединителей всех напряжений, для выключателей, однако, только для напряжений до 35 кВ. Для выключателей с номинальным напряжением 35 кВ ручные приводы по большей части служат в качестве аварийного резерва к основному автоматическому приводу.

Приведение в действие ручного привода осуществляется рычагом или маховиком. В ручном маховичном приводе типа ПМ-10 соеди­нение привода с валом выключателя производится при помощи ры­чага, шарнирно соединенного с пальцем на валу выключателя. Вклю­чение таким приводом производится поворотом маховика вручную, отключение — либо вручную, либо автоматически от реле мини­мального напряжения. Привод имеет механизм свободного расцеп­ления.

Рычажные приводы типа ПРБА и ПРА включают выключатели при повороте рычага, соединенного с валом выключателя, отключе­ние может производиться либо вручную, либо автоматически. В обоих типах приводов имеются механизмы свободного расцепления, позволяющие отключать выключатель в любом его положении как вручную, так и автоматически при помощи встроенных в привод отключающих элементов.

Ручные приводы имеют простую и надежную конструкцию, удобны в эксплуатации, но имеют ограниченное применение. Глав­ным и существенным их недостатком является невозможность вклю­чения при их помощи выключателей дистанционно и автоматически.

Электрические приводы подразделяются на электромагнитные (соленоидные) и двигательные.

В электромагнитных приводах применяют электромагниты с перемещением сердечника вверх или вниз, а также с поворотными сердечниками. В СССР нашли широкое применение приводы с дви­жением сердечника вверх. Для приведения в действие электрических приводов требуется достаточно мощный источник постоянного тока (до 50 кВт), например, аккумуляторная батарея, так как электро­магниты переменного тока требуют слишком большой реактивной мощности. Электромагниты с линейным перемещением сердечника имеют то преимущество, что в конце хода сердечника тяговая сила электромагнита увеличивается и это способствует более сильному прижатию контактов выключателя друг к другу.

Электромагниты с поворотным сердечником допускают непосред­ственное соединение последнего с валом выключателя.

Для двигательного привода можно использовать как постоян­ный, так и переменный ток. Потребление мощности двигательными приводами примерно наполовину меньше, чем электромагнитными. Включение производится через червячную передачу, усиливающую момент привода. В двигательных приводах, применяемых для выключателей, часть энергии запасается в маховике, так как в конце про­цесса включения требуется развивать большие моменты, чем в нача­ле. При исчезновении напряжения в процессе включения не должно возникать нежелательных последствий. Отключение выключателя производится пружиной, которая заводится при включении.

Двигательные приводы прямого действия в настоящее время не выпускаются и не применяются, однако на некоторых старых установках их еще можно встретить.

Инерционные двигательные приводы в СССР также не изготов­ляются, так как их конструкция сложна, они дороги и в надежности уступают электромагнитным приводам.

Пневматические приводы работают на сжатом воздухе и состоят из преобразователя энергии сжатого воздуха в механическую и из системы рычагов, передающих включающее усилие приемному рычагу выключателя. Их преимуществами по сравнению с электри­ческими приводами являются: простота конструкции, малые габа­риты, высокая скорость включения, мягкое (безударное) включение, легкость накопления энергии в простых воздушных резервуарах. Поэтому в последнее время пневматический привод распростра­няется также в электроустановках, в которых нет воздушных выклю­чателей. Для получения сжатого воздуха устанавливают малые компрессоры на 0,5—1,0 МПа и соответствующие резервуары сжа­того воздуха.

Приводы воздушных выключателей обычно эксплуатируются на том же давлении, что и давление дутья (1,5—2,0 МПа). В этих выключателях в зависимости от их конструкции сжатый воздух может непосредственно приводить в движение подвижный контакт, без промежуточного преобразования энергии сжатого воздуха в ме­ханическую в специальном приводном механизме.

Сжатый воздух может также применяться в приводах других конструкций для предварительного завода включающих или отклю­чающих пружин.

Для современных сверхмощных выключателей 500—750 кВ с отключающей мощностью 20—50 ГВА требуются приводы, спо­собные совершать весьма большую работу и производить операции включения и отключения чрезвычайно быстро: собственное время должно быть сведено практически к нулю. Такими возможностями не обладают пневматические приводы, которые к тому же имеют пониженную надежность в электрическом отношении из-за возмож­ности конденсации влаги на внутренних поверхностях воздухо­проводов. Эти недостатки отсутствуют у гидравлических приводов, в которых для передачи силовых импульсов к валу выключателя используется жидкость, преимущественно масло, под давлением.

Благодаря практической несжимаемости жидкости эти импульсы передаются мгновенно, и собственное время такого привода беско­нечно мало. В СССР пока созданы только опытные образцы пневмо-гидравлических приводов, но, несомненно, они имеют большую перспективу применения. За рубежом пневмогидравлические приводы наиболее распространены во Франции, где они применяются с 1954 г. Французские пневмогидравлические приводы работают при давлениях масла до 30,0 МПа, что оказывается возможным при при­менении прочноплотных труб из изоляционного материала, армиро­ванного стекловолокном. Вязкость масла в системе остается неиз­менной до температуры –50° С. В системе привода установлен гидропневматический аккумулятор, в котором запасается достаточ­ная энергия для нескольких циклов работы привода.

Энергия расходуется только на включение, отключение выклю­чателя производится пружиной. Давление в резервуаре поддержи­вается автоматически периодической подкачкой насосом мощностью 0,3 кВт. Для повышения надежности параллельно с автоматическим установлен также ручной насос, который используется для ручной подкачки масла при отсутствии электрической энергии.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: