Лекция 8. коммутационные электрические аппараты высокого напряжения
План лекции:
1. Предохранители и масляные выключатели.
2. Воздушные выключатели.
3.Элегазовые выключатели.
4. Вакуумные выключатели
5. Выключатели нагрузки. Разъединители. Отделители. Короткозамыкатели.
Предохранители и масляные выключатели
Предохранители высокого напряжения имеют то же назначение и тот жепринцип работы, что и предохранители до 1 кВ. Для защиты силовых трансформаторов, воздушных и кабельных линий напряжением 3-35 кВ применяют предохранители токоограничивающие типов ПКТ, а для защиты трансформаторов напряжения – ПКН.
Эффект токоограничения заключается в том, что средства дугогашения позволяют погасить дугу за миллисекунды и отключается не установившийся ток КЗ, а ток, определяемый временем плавления вставки.
Высоковольтные выключатели представляют собой специальный коммутационный аппарат, с помощью которого производится оперативное включение и отключение как отдельных электрических цепей, так и различного оборудования
Требования, предъявляемые к выключателям, заключаются в следующем:
1) надежность в работе и безопасность для окружающих;
2) быстродействие – возможно малое время отключения;
3) удобство в обслуживании;
4) простота монтажа;
5) бесшумность работы;
6) сравнительно невысокая стоимость.
Применяемые в настоящее время выключатели отвечают перечисленным требованиям в большей или меньшей степени. Однако конструкторы выключателей стремятся к более полному соответствию характеристик выключателей выдвинутым выше требованиям.
Масляные выключатели.Различают масляные выключатели двух видов – баковые и маломасляные (рис.8.1).
Методы деионизации дугового промежутка в этих выключателях одинаковы. Различие заключается лишь в изоляции контактной системы от заземленного основания и в количестве масла.
Баковый масляный выключатель без специального устройства для гашения дуги (рис. 8.1.а) выполняют в виде стального бака 1, залитого трансформаторным маслом 2. Проходные изоляторы 3с токоведущими стержнями, на концах которых укреплены неподвижные контакты 4, пропущены внутрь бака. Под крышкой бака размещается буферное воздушное пространство 5, из которого воздух отводится в газоотводную трубу 6.
Включается и отключается масляный выключатель приводом, воздействующим на вал выключателя 7. При включении выключателя подвижные контакты 8 замыкаются с неподвижными, укрепленными на концах токоведущих частей проходных изоляторов.
 |
Рис.8.1. Конструктивные схемы масляных выключателей
До недавнего времени в эксплуатации находились баковые выключатели следующих типов: ВМ-35, С-35, а также выключатели серии У напряжением от 35 до 220 кВ. Баковые выключатели предназначены для наружной установки, в настоящее время не производятся.
Основные недостатки баковых выключателей: взрыво- и пожароопасность; необходимость периодического контроля за состоянием и уровнем масла в баке и вводах; большой объем, масла, что обусловливает большую затрату времени на его замену, необходимость больших запасов масла; непригодность для установки внутри помещений.
Маломасляные выключатели (рис.8.1.б: 1 – подвижный контакт; 2 – дугогасительная камера; 3 – неподвижный контакт; 4 – рабочие контакты) получили широкое распространение в закрытых и открытых распределительных устройствах всех напряжений. Масло в этих выключателях в основном служит дугогасящей средой и только частично изоляцией между разомкнутыми контактами.
Изоляция токоведущих частей друг от друга и от заземленных конструкций осуществляется фарфором или другими твердыми изолирующими материалами. Контакты выключателей для внутренней установки находятся в стальном бачке (горшке), отсюда сохранилось название выключателей "горшковые".
Маломасляные выключатели напряжением 35 кВ и выше имеют фарфоровый корпус. Самое широкое применение получили выключатели 6-10 кВ подвесного типа (ВМГ-10, ВМП-10). В этих выключателях корпус крепится на фарфоровых изоляторах к общей раме для всех трех полюсов. В каждом полюсе предусмотрен один разрыв контактов и дугогасительная камера.
При больших номинальных токах обойтись одной парой контактов (которые выполняют роль рабочих и дугогасительных) трудно, поэтому предусматривают рабочие контакты снаружи выключателя, а дугогасительные – внутри металлического бачка. При больших отключаемых токах на каждый полюс имеется два дугогасительных разрыва. По такой схеме выполняются выключатели серий МГГ и МГ на напряжение до 20 кВ включительно. Массивные внешние рабочие контакты 4 позволяют рассчитать выключатель на большие номинальные токи (до 9500 А). При напряжениях 35 кВ и выше корпус выключателя выполняется фарфоровым, серия ВМК – выключатель маломасляный колонковый). В выключателях 35, 110 кВ предусмотрен один разрыв на полюс, при больших напряжениях – два разрыва и более.
Недостатки маломасляных выключателей: взрыво- и пожароопасность, хотя и значительно меньшая, чем у баковых выключателей; невозможность осуществления быстродействующего АПВ; необходимость периодического контроля, доливки, относительно частой замены масла в дугогасительных бачках; трудность установки встроенных трансформаторов тока; относительно малая отключающая способность.
Область применения маломасляных выключателей – закрытые распределительные устройства электростанций и подстанций 6, 10, 20, 35 и 110 кВ, комплектные распределительные устройства 6, 10 и 35 кВ и открытые распределительные устройства 35 и 110 кВ.
Воздушные выключатели
В воздушных выключателях гашение дуги происходит сжатым воздухом при давлении 2-4 МПа, а изоляция токоведущих частей и дугогасительного устройства осуществляется фарфором или другими твердыми изолирующими материалами. Конструктивные схемы воздушных выключателей (рис.8.1.б) различны и зависят от их номинального напряжения, способа создания изоляционного промежутка между контактами в отключенном положении, способа подачи сжатого воздуха в дугогасительное устройство.
В выключателях на большие номинальные токи имеется главный и дугогасительный контур подобно маломасляным выключателям МГ и МГГ. Основная часть тока во включенном положении выключателя проходит по главным контактам 4, расположенным открыто. При отключении выключателя главные контакты размыкаются первыми, после чего весь ток проходит по дугогасительным контактам, заключенным в камере 2. К моменту размыкания этих контактов в камеру подается сжатый воздух из резервуара 1, создается мощное дутье, гасящее дугу. Дутье может быть продольным или поперечным.
 |
Рис.8.2. Конструктивные схемы воздушных выключателей: 1 – резервуар со сжатым воздухом; 2 – дугогасительная камера; 3 – шунтирующий резистор; 4 – главные контакты; 5 – отделитель; 6 – емкостный делитель напряжения на 110 кВ – два разрыва на фазу (г)
Необходимый изоляционный промежуток между контактами в отключенном положении создается в дугогасительной камере путем разведения контактов на достаточное расстояние. Выключатели, выполненные по конструктивной схеме с открытым отделителем, изготовляются для внутренней установки на напряжение 15 и 20 кВ и ток до 20000 А (серия ВВГ). В данном типе выключателей после отключения отделителя 5 прекращается подача сжатого воздуха в камеры и дугогасительные контакты замыкаются.
В воздушных выключателях для открытой установки на напряжение 35 кВ (ВВ-35) достаточно иметь один разрыв на фазу.
В выключателях напряжением 110 кВ и выше после гашения дуги размыкаются контакты отделителя 5 и камера отделителя остается заполненной сжатым воздухом на все время отключенного положения. При этом в дугогасительную камеру сжатый воздух не подается и контакты в ней замыкаются.
По данной конструктивной схеме созданы выключатели серии ВВ на напряжение до 500 кВ. Чем выше номинальное напряжение и чем больше отключаемая мощность, тем больше должно быть разрывов в дугогасительной камере и в отделителе.
По конструктивной схеме рис, г выполняются воздухонаполненные выключатели серии ВВБ. Напряжение модуля ВВБ 110 кВ при давлении сжатого воздуха в дугогасительной камере 2 МПа. Номинальное напряжение модуля выключателя серии ВВБК (крупномодульного) составляет 220 кВ, а давление воздуха в дугогасительной камере 4 МПа. Аналогичную конструктивную схему имеют выключатели серии ВНВ: модуль напряжением 220 кВ при давлении 4 МПа.
Для выключателей серии ВВБ количество дугогасительных камер (модулей) зависит от напряжения (110 кВ – одна; 220 кВ – две; 330 кВ – четыре; 500 кВ – шесть; 750 кВ – восемь), а для крупномодульных выключателей (ВВБК, ВНВ) количество модулей соответственно в два раза меньше.
8.3.Элегазовые выключатели
Элегаз (SF6 – шестифтористая сера) представляет собой инертный газ, плотность которого превышает плотность воздуха в 5 раз. Электрическая прочность элегаза в 2 – 3 раза выше прочности воздуха; при давлении 0,2 МПа электрическая прочность элегаза сравнима с прочностью масла.
В элегазе при атмосферном давлении может быть погашена дуга с током, который в 100 раз превышает ток, отключаемый в воздухе при тех же условиях. Исключительная способность элегаза гасить дугу объясняется тем, что его молекулы улавливают электроны дугового столба и образуют относительно неподвижные отрицательные ионы. Потеря электронов делает дугу неустойчивой, и она легко гаснет. В струе элегаза, т. е. при газовом дутье, поглощение электронов из дугового столба происходит еще интенсивнее.
В элегазовых выключателях применяют автопневматические (автокомпрессионные) дугогасительные устройства, в которых газ в процессе отключения сжимается поршневым устройством и направляется в зону дуги. Элегазовый выключатель представляет собой замкнутую систему без выброса газа наружу.
В настоящее время элегазовые выключатели применяются на всех классах напряжений (6-750 кВ) при давлении 0,15 – 0,6 МПа. Повышенное давление применяется для выключателей более высоких классов напряжения. Хорошо зарекомендовали элегазовые выключатели следующих зарубежных фирм: ALSTOM; SIEMENS; Merlin Gerin и др. Освоен выпуск современных элегазовых выключателей ПО "Уралэлектротяжмаш": баковые выключатели серии ВЭБ, ВГБ и колонковые выключатели серии ВГТ, ВГУ.
В качестве примера рассмотрим конструкцию выключателя серии LF фирмы Merlin Gerin напряжением 6-10 кВ.
В выключателе LF применены принцип вращения дуги в элегазовой среде и метод автокомпрессии. Это обеспечивает сокращение мощности привода выключателя, снижение износа дугогасительных контактов и, таким образом, повышает механический и электрический ресурсы.
Основные этапы гашения дуги представлены на рис. (рис. 8.3). 
Рис.8.3. Этапы гашения дуги в элегазовом выключателе фирмы Merlin Gerin
На рис. 8.3.а показан выключатель во включенном положении. Основные контакты разомкнуты. При размыкании основных контактов а ток проходит через дугогасительные контакты б. Процесс гашения дуги представлен на рис. 8.3.в. При расхождении дугогасительных контактов в дугогасительной камере происходит загорание дуги. Воздействие магнитного поля, создаваемого катушкой d, вызывает закручивание дуги и ее охлаждение. Избыточное давление в расширительном объеме c, обусловленное повышением температуры, вызывает охлаждение дуги потоком элегаза, направленным из зоны с высоким давлением в зону с более низким давлением, что приводит к удлинению дуги и ее затягиванию в полость цилиндрического дугогасительного контакта e. При прохождении тока через нуль дуга гарантированно гаснет. Выключатель выключен (рис. 8.3. г).
Вакуумные выключатели
Электрическая прочность вакуума значительно выше прочности других сред, применяемых в выключателях. Объясняется это увеличением длины среднего свободного пробега электронов, атомов, ионов и молекул по мере уменьшения давления. В вакууме длина свободного пробега частиц превышает размеры вакуумной камеры. На рис. 8.4.б приведена восстанавливающаяся электрическая прочность промежутка длиной 6 мм после отключения тока 1600 А в вакууме и различных газах при атмосферном давлении.
В этих условиях удары частиц о стенки камеры происходят значительно чаще, чем соударения между частицами. На рисунке показаны зависимости пробивного напряжения вакуума и воздуха от расстояния между электродами диаметром 1 см из вольфрама. При столь высокой электрической прочности расстояние между контактами может быть очень малым (2 – 2,5 см), поэтому размеры камеры могут быть также относительно небольшими.
Процесс восстановления электрической прочности промежутка между контактами при отключении тока протекает в вакууме значительно быстрее, чем в газах. Это обеспечивает вакуумным дугогасительным камерам (ВДК) запасы электропрочности на весь срок эксплуатации (20-30 лет).
На рис. рис. 8.4.в приведен общий вид выключателя BB/TEL-10-20/1000 производства предприятия "Таврида Электрик", разрез полюса - рис. 8.4.г и вид дуги КЗ - рис. 8.4.д.
В состав полюса входят: ВДК 2 с неподвижным 1 и подвижным 3 контактами и сильфоном 4, гибкий токосъем 5, тяговый изолятор 6 и электромагнитный привод. Он состоит из электромагнита 9, крышки 7, якоря 13, катушки 12, пружин отключения 11 и поджатия 10, тяги 8 устройства ручного отключения и межполюсного вала 14. Корпуса полюсов изготовлены из прозрачного механически прочного и дугостойкого полимерного материала.
Отличительной особенностью выключателя BB/TEL является пофазный электромагнитный привод с магнитной защелкой для удержания ВВ во включенном положении после прерывания тока в катушке электромагнита. Для включения и отключения ВВ используется одна и та же катушка 12, создающая при включении магнитный поток, под действием которого якорь движется вверх до упора и остается во включенном положении за счет остаточной индукции электромагнита. Вместе с якорем 13 вдоль одной оси движутся пружина поджатия 10, тяговый изолятор 6 и подвижный контакт 3, После замыкания контактов пружина сжимается на 2 мм, создавая необходимое контактное нажатие.
Отключение происходит путем подачи на катушку 12 напряжения противоположной полярности, которое размагничивает магнитную систему, после чего якорь под действием пружин отключения и поджатия перемещается вниз. Подвижные части ВВ удерживаются в отключенном положении усилием отключающей пружины. Исключительно простая кинематическая схема, небольшое число деталей, незначительное трение движущихся частей, способных работать без смазки, и замена механической защелки на магнитную обеспечивают ВВ большую механическую стойкость и надежность в течение всего срока службы без проведения ремонтных работ.
Фактический механический ресурс выключателя BB/TEL определяется ресурсом сильфона 4, который составляет не менее 100 тыс. операций "ВО". Ресурс по коммутационной стойкости BB/TEL составляет 50 тыс. операций"ВО" тока 1000 А, 100 операций "ВО" или 150 операций "О" тока 20 кА. Выключателям BB/TEL не требуется проводить в эксплуатации проверки и регулировки, характерные для других типов выключателей.
Рис. 8.4. Вакуумный выключатель
Отключение происходит путем подачи на катушку 12 напряжения противоположной полярности, которое размагничивает магнитную систему, после чего якорь под действием пружин отключения и поджатия перемещается вниз. Подвижные части ВВ удерживаются в отключенном положении усилием отключающей пружины. Исключительно простая кинематическая схема, небольшое число деталей, незначительное трение движущихся частей, способныхработать без смазки, и замена механической защелки на магнитную обеспечивают ВВ большую механическую стойкость и надежность в течение всего срока службы без проведения ремонтных работ.
Фактический механический ресурс выключателя BB/TEL определяется ресурсом сильфона 4, который составляет не менее 100 тыс. операций "ВО". Ресурс по коммутационной стойкости BB/TEL составляет 50 тыс. операций "ВО" тока 1000 А, 100 операций "ВО" или 150 операций "О" тока 20 кА.
Выключателям BB/TEL не требуется проводить в эксплуатации проверки и регулировки, характерные для других типов выключателей.
В настоящее время вакуумные выключатели стали доминирующими аппаратами для электрических сетей с напряжением 6-36 кВ. Так, доля вакуумных выключателей в общем количестве выпускаемых аппаратов в Европе и США достигает 70 %, в Японии – 100 %. В России в последние годы эта доля имеет постоянную тенденцию к росту.