Высоковольтная коммутационная аппаратура

Высоковольтная коммутационная аппаратура состоит из разъединителей и высоковольтных выключателей. Разъединители - электрические коммутационные аппараты, предназначенные для включения и отключения отдельных элементов оборудования или целых участков электрической сети высокого напряжения при отсутствии тока нагрузки. Характерной особенностью разъединителей является наличие видимого разрыва между контактами, чем обеспечивается безопасность работы обслуживающего персонала. У разъединителя отсутствует дугогасительное устройство, и дуга, возникающая на контактах, гасится в результате ее растяжения ножом подвижного контакта. На рис.1.7 показаны зависимости максимального вылета дуги на контактах разъединителя в функции тока при разных номинальных напряжениях. Даже при относительно небольших отключаемых токах вылет дуги таков, что может привести к перебросу дуги на соседние фазы и заземленные части и к возникновению междуфазного к.з. или

Рис. 1.7

замыкания на землю. Поэтому разъединители применяются для коммутации ранее обесточенных с помощью выключателей участков цепи, для переключения в нормальных условиях присоединения распределительного устройства с одной ветви на другую без прерывания тока и для коммутации очень малых токов ненагруженных силовых трансформаторов.

Коммутация нагруженных силовых цепей осуществляется высоковольтными выключателями нагрузки. Исполнение этих аппаратов различно. Они могут быть, в зависимости от конструктивных особенностей и способов гашения дуги, автогазовыми с гашением дуги газами, выделяемыми газогенерирующими материалами дугогасительной камеры; масляными с гашением дуги в масле; вакуумными; элегазовыми с гашением дуги в среде элегаза (SF₆).

Основным элементом любого высоковольтного выключателя нагрузки является дугогасительное устройство (ДУ). Это устройство, обеспечивающие быстрое гашение дуги в коммутационном аппарате. Время горения дуги зависит от коммутационного тока, интенсивности горения дуги и электрической прочности газа, в котором существует дуга.

Характеристики ДУ сильно зависят от среды гашения дуги: масло, газ, вакуум. Среди газов наибольшей дугогасительной способностью обладает элегаз (SF₆ ), меньшей - водород; еще меньшей – воздух.

В высоковольтных выключателях разрыв цепи производится в среде масла или газа. Рассмотрим гашение дуги в масляном выключателе с продольным дутьем (рис.1.8). Стрелками показано движение газа и масла вдоль дуги и дальше через зазоры между подвижными контактами и перегородками. Камера действует следующим образом. Когда подвижный контакт 1 отходит от неподвижного 2, между ними возникает дуга 3, вокруг которой образуется газовый пузырь (главным образом водорода - продукт распада масла), в результате чего давление в верхней части камеры сильно повышается. Это давление заставляет масло перемещаться через зазоры между подвижными контактами и перегородками.

Когда подвижный контакт минует одну-две перегородки, начинается газовое дутье вдоль дуги и ее интенсивное охлаждение. В процессе разрыва дуги будут существовать два газовых потока: поток горячей плазмы (собственно дуга) и поток газов – продуктов распада масла. Скорости этих потоков различны: скорость газов достигает нескольких сот метров в секунду, в то время как скорость плазмы достигает нескольких тысяч метров в секунду. За счет разности скоростей на границах этих потоков будут образовываться завихрения и горячая плазма будет интенсивно охлаждаться газом. Камера выполняется из прочного материала, так как давление в ней может достигать 3*105– 5*105 н/м2(30 - 50 атм.) и более.

В ТП устанавливаются маломасляные выключатели типов ВМГ-10, ВМП-10, ВК-10, рассчитанные на рабочее напряжение 10 кВ и номинальные токи от 630 до 1600А. Помимо этих параметров, выключатель также характеризуется отключающей способностью для токов кротких замыканий, которая составляет 20, 31,5 кА и временем их отключения (не более 0.12с). Время отключения номинальных токов - 0,02 с.

К недостаткам масляных выключателей следует отнести большие габариты и ограниченный ресурс отключения коротких замыканий, так как каждое отключение сопровождается загрязнением масла продуктами дуги.

В автогазовом выключателе камера выполняется из газогенерирующего материала (например, оргстекла или фибры). Под действием высокой температуры дуги стенки камеры выделяют большое количество газов, при выбрасывании которых из дугогасительной камеры дуга разрывается и гасится в течении долей секунды. Такие выключатели используются на напряжение до 6 кВ.

В настоящее время наиболее совершенными являются выключатели нагрузки вакуумного типа. На рис.1.9 показаны зависимости разрядного напряжения от расстояния между контактами для различных сред. Из этого рисунка следует, что вакуум обладает максимальной электрической прочностью, что позволяет создавать коммутационные аппараты с минимальными габаритами. Помимо этого вакуумные выключатели

Рис. 1.10

Рис. 1.9

обладают высоким быстродействием, не требуют пополнения и замены дугогасящей среды, значительно дешевле в эксплуатации и обладают большим сроком службы (до 25 лет). Конструкция вакуумного выключателя представлена на рис.1.10. В цилиндрическом сосуде 1 из изоляционного материала расположен неподвижный контакт 2, укрепленный в металлическом фланце 3, герметически соединенным с цилиндром 1. Там же находится подвижный контакт 4, соединенный с фланцем 5 с помощью сильфона 6. Сильфон представляет собой цилиндрическую гармонику, выполненную из нержавеющей стали. Она имеет достаточную механическую прочность и позволяет подвижному контакту, связанному с ним, иметь перемещение до 20 мм. Из ДУ выкачен воздух. В современных выключателях давление внутри ДУ равно 1,33(10^-4 10^-6) Па (10^-4 10^-6 мм рт. ст.). Нажатие подвижного контакта на неподвижный создается за счет атмосферного давления.

При расхождении контактов возникает дуга, которая горит в среде паров металла электродов. При прохождении тока через ноль дуга гаснет. Малая плотность газа в ДУ обуславливает исключительно высокую скорость диффузии зарядов из-за большой разницы плотностей частиц в погасшей дуге и окружающем пространстве - вакууме. После прохождения тока через ноль за время 10 мкс между контактами восстанавливается электрическая прочность вакуума.

Для защиты стенок изоляционного корпуса 1 от паров металла электродов служат экраны 7 и 8. При отсутствии экранов пары металла электродов осаждаются на поверхности цилиндра 1, что впоследствии приводит к перекрытию изоляции между контактами 2 и 4. Недостатком вакуумных выключателей является их повышенная стоимость.

Для включения высоковольтного выключателя, удержания его во включенном положении и отключении используется обычно отдельный или встроенный механизм, называемый приводом к выключателю. Приводы бывают ручные и двигательные. Двигательные приводы подразделяются на приводы прямого действия - электрические (электромагнитные и электродвигательные) и приводы косвенного действия - маховые (инерционные), пружинные, пневматические, совершающие включение за счет энергии, запасаемой в приводе до совершения операции коммутации.

Для контроля применяют следующие виды сигнализации аппаратов и устройств: визуальную положения разъединителя или выключателя нагрузки, действия релейной защиты (блинкер), световую положения масляных выключателей, звуковую отключения масляного выключателя (сирена), звуковую отключения нормального режима работы электроустановки и неисправности оперативных цепей (звонок).