Тема 8. Коммутационная аппаратура высокого напряжения. Высоковольтные выключатели. Масляные баковые выключатели. (1/0/0;1/0/0)
План лекции
1 Общие сведения
2Масляные баковые выключатели на напряжение 35 кВ
3 Масляные баковые выключатели на напряжение выше 35 кВ
Выключатель – это коммутационный аппарат, предназначенный для включения и отключения тока.
Выключатели служат 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 КЗ и включение на существующее короткое замыкание.
К выключателям высокого напряжения предъявляют следующие требования:
- надежное отключение любых токов (от десятков ампер до номинального тока отключения);
- быстрота действия, т.е. наименьшее время отключения;
- пригодность для быстродействующего автоматического повторного включения, т.е. быстрое включение сразу же после отключения;
- возможность пофазного (полюсного) управления для выключателей 110 кВ и выше;
- легкость ревизии и осмотра контактов;
- взрыво- и пожаробезопасность;
- удобство транспортировки и эксплуатации.
Выключатели высокого напряжения должны длительно выдерживать номинальный ток Iном и номинальное напряжение Uном.
Основными конструктивными частями выключателей являются: конструктивная система с дугогасительным устройством, токоведущие части, корпус, изоляционная конструкция и приводной механизм.
По конструктивным особенностям и способу гашения дуги различают следующие типы выключателей: масляные баковые (масляные многообъемные), маломасляные (масляные малообъемные), воздушные, элегазовые, электромагнитные, автогазовые, вакуумные выключатели. К особой группе относятся выключатели нагрузки, рассчитанные на отключение токов нормального режима.
По роду установки различают выключатели для внутренней, наружной установки и для комплектных распределительных устройств.
Масляные баковые выключатели
В масляных баковых выключателях масло служит для гашения дуги и изоляции токоведущих частей.
При напряжении до 10 кВ (в некоторых типах выключателей до 35кВ)выключатель имеет один бак, в котором находятся контакты всех трех фаз, при большем напряжении для каждой фазы предусматривается свой бак.
На рисунке 1 схематически показан баковый выключатель без специальных устройств для гашения дуги. Стальной бак 1 выключателя подвешен к литой чугунной крышке 3 с помощью болтов. Через крышку проходят шесть фарфоровых изоляторов 4, на нижних концах токоведущих стержней которых закреплены неподвижно контакты 7. Подвижные контакты 8 находятся на контактном мосте или траверсе. Движение им передается с помощью изолирующей тяги от приводного механизма, расположенного под крышкой выключателя. Во включенном положении траверса поднята и контактный мост замыкает цепь между неподвижными контактами. При этом отключающая пружина 5 сжата. Выключатель во включенном положении удерживается защелкой привода, с которым он связан валом 6. При отключении автоматически или вручную освобождается защелка и под действием пружины траверса быстро опускается вниз, (скорость движения достигает 1,5-2,7 м/с), при этом образуется разрыв цепи в двух точках на каждом полюсе выключателя. Возникшие
дуги разлагают и испаряют масло 2, образуется газопаровой пузырь, содержащий до 70% водорода. Давление внутри пузыря достигает 0,5-1 МПа, что повышает деионизирующую способность газов. Дуга гаснет через 0,08-0,1 с. На стенках бака имеются защитные изоляционные покрытия 9.
Рисунок 1 - Схематический разрез масляного бакового выключателя
Как показано на рисунке 1, масло в бак выключателя заливаетсянеполностью, под крышкой остается воздушная подушка. Это необходимо, чтобы уменьшить силу удара в крышку выключателя, обусловленного высоким давлением, возникающим в процессе гашения дуги.
Если уровень масла будет недопустимо низок, то газы попадут под крышку сильно нагретыми, что может вызывать взрыв смеси водорода с воздухом.
В рассмотренном выключателе нет никаких специальных устройств для гашения дуги, поэтому отключающая способность его невелика. Выключатели такой конструкции (ВМБ-10, ВМЭ-6, ВМЭ-10, ВС-10) применяются в установках 6-10 кВ, но в настоящее время они вытесняются маломасляными выключателями.
Рисунок 2 - Выключатель баковый масляный С-35-630-10:
а - разрез полюса: 1-ввод; 2-трансформатор тока; 3-корпус приводного механизма; 4-штанга; 5-неподвижный контакт; 6-дугогасительная камера; 7-внутрибаковая изоляция; 8-нагревательное устройство; 9-маслоспускное устройство; б - дугогасительная камера в процессе отключения: 1-штанга; 2-металлическая камера с воздушной подушкой; 3,5-выхлопные отверстия; 4-дугогасительная камера; 6-подвижный контакт; 7-контактные пружины;
8-неподвижный контакт
Для наружных установок напряжением 35 кВ и выше баковые масляные выключатели благодаря простоте конструкции применяются достаточно широко и в настоящее время. В отличие от простейшего рассмотренного выключателя они имеют специальные устройства — гасительные камеры.
По принципу действия дугогасительные устройства можно разделить на три группы:
- с автодутьем, в которых высокое давление и большая скорость движения газа в зоне дуги создаются за счет выделяющейся в дуге энергии;
- с принудительным масляным дутьем, у которых к месту разрыва масло нагнетается с помощью специальных гидравлических механизмов;
- с магнитным гашением в масле, в которых дуга под действием магнитного поля перемещается в узкие каналы и щели.
Наиболее эффективным и простым являются дугогасительные устройства с автодутьем. Следует отметить, что устройства с автодутьем работают тем эффективнее, чем больше ток в дуге. При отключении малых токов давление газов может оказаться незначительным, вследствие чего дутье будет неэнергичным, что приведет к затягиванию гашения дуги. По этой причине некоторые гасительные устройства с автодутьем дополнены принудительным масляным дутьем, которое обеспечивает гашение малых токов.
Дугогасительные устройства в виде жестких камер обычно закрепляются на нижнем конце токоведущего стержня ввода высокого напряжения (см. рисунок 3). В некоторых выключателях дугогасительная камера укрепляется на нижней части штанги (рисунок 2,б). В камере может быть один или несколько разрывов в зависимости от номинального напряжения выключателя. Чем выше напряжение, тем больше необходимо разрывов. Для равномерного распределения напряжения между основными разрывами параллельно им включается шунтирующее сопротивление. После гашения дуги на основных разрывах ток, проходящий через шунтирующее сопротивление, гасится на вспомогательных разрывах, обычно вне камеры.
В дугогасительных устройствах с помощью изоляционных пластин и выхлопных отверстий создаются рабочие каналы, по которым происходит движение масла и газов (дутье). В зависимости от расположения каналов различают камеры с поперечным, продольным и встречно-поперечным дутьем.
В баковых выключателях на 35 кВ типа С-35-630-10 на каждый полюс имеется одна двухразрывная подвижная камера. Каждый полюс собран на массивной чугунной крышке (рисунок 3.2,а). К крышке подвешивается бак, внутренние стенки которого изолированы электрокартоном. Под крышкой установлен приводной механизм с системой рычагов, обеспечивающий прямолинейное движение штанги. Механизмы всех трех полюсов соединены тягами между собой и с приводом выключателя. Через отверстие в крышках пропущены вводы, на концах которых укреплены неподвижные Г-образные контакты с металлокерамическими напайками. На каждом вводе под крышкой установлен встроенный трансформатор тока. К нижней части штанги из изолирующего материала прикреплена дугогасительная камера, состоящая из двух корпусов, соединенных стяжными болтами. На рисунке 3.2,б показан корпус дугогасительной камеры. Внутренняя полость камеры облицована дугостойким изоляционным материалом.
В камере установлен подвижный контакт 6 в виде перемычки, опирающийся на четыре контактные пружины 7. В местах соприкосновения с неподвижным контактом 8 напаяны металлокерамические пластины. При отключении штанга 1 опускается вниз вместе с камерой 4, в результате чего образуются два разрыва и загорается дуга в камере (рисунок 3.2, б). Давление в камере резко возрастает, и, как только откроются выхлопные отверстия 5, создается поперечное дутье. При отключении больших токов это дутье энергично и дуга гаснет. Если отключаются малые токи, то после выхода неподвижных контактов из камеры через выхлопные отверстия 3 создается продольное дутье, обеспечивающее гашение дуги. В дугогасительном устройстве есть воздушная подушка - небольшая металлическая камера 2, заполненная воздухом и сообщающаяся с основным объемом дугогаси-тельной камеры, заполненной маслом. В продольном разрезе камеры каналов, по которым осуществляется эта связь, не видно. В первый момент загорания дуги, когда давление резко возрастает, часть масла сжимает воздух, это несколько снижает удар в стенки камеры, а в моменты, когда ток в дуге проходит через нуль и давление в области дуги уменьшается, сжатый воздух выталкивает масло и создает дополнительное дутье.
После гашения дуги продукты разложения масла выходят из камеры, проходят слой масла в баке, охлаждаются и через специальные газоотводы в крышках выбрасываются наружу. Камера заполняется маслом, и выключатель готов к следующему циклу операций.
Кроме серии выключателей С-35 этим же заводом изготовлялись баковые масляные выключатели серии «Урал» У-35, У-110, У-220. Выключатели этих серий рассчитаны на номинальные токи 2000 и 3200 А и токи отключения до 50 кА. Габариты выключателей значительно уменьшены за счет применения современных материалов и пластмасс. Так, выключатель старой серии МКП-220 мощностью отключения 7000 MB-А имел высоту 8295 мм и бак диаметром 2500 мм, а выключатель новой серии У-220 с мощностью отключения 25000 MB-А имеет высоту 7015 мм, а диаметр бака 1800 мм.
На рисунке 3.3 показан разрез полюса выключателя У-220-2000-40У1
(Uном=220 кВ; Iном = 2000 А; Iотк,ном=40 кА).
Несущей частью конструкции каждого полюса является бак 2. На крышках бака смонтированы маслонаполненные вводы 9, коробки приводных механизмов 8, коробки со встроенными трансформаторами тока 7, предохранительные клапаны для защиты бака от разрушения в аварийных ситуациях. Внутренняя поверхность баков изолируется тремя слоями дре-веснослоистого пластика и фибры 6.
Для подогрева масла при низких температурах к днищу крепится устройство электроподогрева 10, которое включается при температурах воздуха ниже - 15 °С. Это необходимо, чтобы не снижалась скорость перемещения подвижных частей выключателя при увеличении вязкости масла.
В выключателе У-220 на три полюса 27000 кг масла.
Основные преимущества баковых выключателей: простота конструкции, высокая отключающая способность, пригодность для наружной установки, возможность установки встроенных трансформаторов тока.
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; непригодность для выполнения быстродействующего АПВ; большая затрата металла, большая масса, неудобство перевозки, монтажа и наладки.
Рисунок 3 - Полюс бакового выключателя У-220-2000-40У1
В каждом полюсе имеются два дугогасительных устройства 4, представляющих собой камеры многократного разрыва. Внутри изоляционного цилиндра камеры расположены три комплекта торцевых контактов и подвижные стержневые контакты, облицован-ные вольфрамосеребряной метал-локерамикой. Для равномерного распределения напряжения по разрывам используются шунти-рующие сопротивления.
Выключатель работает по двухступенчатому циклу: сначала размыкаются контакты дугогаси-тельных камер, происходит гаше-ние дуг и прерывается цепь основного тока, затем в открытом разрыве контактов траверсы 3 и контактов дугогасительных камер прерывается ток, протекающий через шунты.
Траверса 3 приводится в движение изолирующей тягой 5, связанной с приводным механиз-мом 8.
На днище бака установлено льдоулавливающее устройство 1, предотвращающее всплытие замерзшего конденсата.
Рекомендуемая литература:
Рожкова Л.Д., Козулин В.С. Электрооборудование станций и подстанций. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 648 с.: ил.
Чунихин А.А. Электрические аппараты: Общий курс. Учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 720 с.: ил.
Самостоятельная работа студентов:
1. Изучение конструкции баковых выключателей