Тема 10. Коммутационная аппаратура высокого напряжения. Высоковольтные выключатели. Воздушные выключатели.(1/1/1;1/1/1)
План лекции
1 Конструктивные схемы воздушных выключателей
2 Устройство выключателя ВВБ-110
3 Устройство воздушного выключателя ВНВ-220
В воздушных выключателях гашение дуги происходит сжатым воздухом, а изоляция токоведущих частей и дугогасительного устройства осуществляется фарфором или другими твердыми изолирующими материалами.
Конструктивные схемы воздушных 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 (рисунок 1, а, б) имеются главный и дугогасительный контуры, как и в маломасляных выключателях МГ и ВГМ. 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 лугу. Дутье может быть продольным (рисунок 1, а) или поперечным (рисунок 1, б). Необходимый изоляционный промежуток между контактами в отключенном положении создается в дугогасительной камере путем разведения контактов на достаточное расстояние (рисунок 1, б) или специальным отделителем 5, расположенным открыто (рисунок 1, а). После отключения отделителя 5 прекращается подача сжатого воздуха в камеры и дугогасительные контакты замыкаются. Выключатели, выполненные по такой конструктивной схеме, изготовляются для внутренней установки на напряжение 15 и 20 кВ и ток до 20000 А (серия ВВП, а также на 35 кВ (ВВЭ-35-20/1600УЗ).
Рисунок 1 - Конструктивные схемы воздушных выключателей
В выключателях для открытой установки дугогасительная камера расположена внутри фарфорового изолятора, причем на напряжение 35 кВ достаточно иметь один разрыв на фазу (рисунок 1, б), на 110 кВ — два разрыва на фазу (рисунок 1, г). Различие между этими конструкциями состоит в том, что в выключателе 35 кВ изоляционный промежуток создается в дугогасительной камере 2, а 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 дутогасительную камеру сжатый воздух не подается и контакты в ней замыкаются. По конструктивной схеме (рисунок 1,г) созданы выключатели серии ВВ на напряжение до 500 кВ. Чем выше номинальное напряжение и чем больше отключаемая мощность, тем больше разрывов необходимо иметь в дугогасительной камере и в отделителе (на 330 кВ - восемь; на 500 кВ - десять).
В рассмотренных конструкциях воздух подается в дугогасительные камеры из резервуара, расположенного около основания выключателя. Если контактную систему поместить в резервуар сжатого воздуха, изолированный от земли, то скорость гашения дуги значительно увеличится. Такой принцип заложен в основу серии выключателей ВВБ (рисунок 1, д). В этих выключателях нет отделителя. При отключении выключателя дугогасительная камера 2, являющаяся одновременно резервуаром сжатого воздуха, сообщается с атмосферой через дутьевые клапаны, благодаря чему создается дутье, гасящее дугу. В отключенном положении контакты находятся в среде сжатого воздуха. По такой конструктивной схеме созданы выключатели до 750 кВ. Количество дугогасительных камер (модулей) зависит от напряжения: 110 кВ — одна: 220, 330 кВ — две; 500 кВ — четыре;750кВ - шесть (в серии ВВБК).
Для равномерного распределения напряжения по разрывам используют омические 3 и емкостные 6 делители напряжения. Рассмотрим более подробно конструкции некоторых воздушных выключателей.
В цепях генераторов находят применение специальные выключатели нагрузки (ВНСГ) Uном=15 кВ, рассчитанные на включение генераторов при самосинхронизации (iвкл=115 кА) и выдерживающие большие сквозные токи КЗ (iпр,с=480 кА). Таким выключателем можно включать и отключать генератор под нагрузкой (Iном=12000 А), а также отключать токи КЗ до 31,5 кА. Выключатель ВНСГ компактно встраивается в комплектный токопровод. Гашение дуги осуществляется сжатым воздухом, имеющим давление 0,6 МПа.
В последнее время на энергоблоках 800, 1000 МВт АЭС применяется комплектный аппарат КАГ-24, основной частью которого является выключатель нагрузки, рассчитанный на напряжение 24 кВ, ток 30 кА. Выключатель нагрузки при номинальном давлении воздуха 2 МПа может отключать ток 30 кА и включать ток 75 кА (амплитудное значение). Возможна одна операция включения аварийного тока не более 310 кА (амплитудное значение). При такой операции допускается частичное сваривание контактов. Выключатель нагрузки не предназначен для АПВ и выполнения полного цикла отключение — включение О—180—ВО—1 80-ВО.
Устройство КАГ-24 встраивается в комплектный токопровод генераторного напряжения.
В состав каждого полюса входят выключатель нагрузки QW, разъединитель QS с одним встроенным заземлителем главной цепи QSG, четыре трансформатора напряжения TV.
Комплектное устройство КАГ-24 предназначено для оперативных коммутаций и измерений напряжения в цепи главных выводов генераторов 800 и 1000 МВт при нормальном режиме, а также для создания необходимого изоляционного промежутка в отключенном положении и заземления отсоединенного участка. Комплектное устройство имеет блокировки, запрещающие отключение и включение разъединителя QS при включенном выключателе нагрузки QW, отключение и включение заземляющего разъединителя QSG при включенном выключателе QW или разъединителе QS. КАГ-24-30/30000 УЗ имеет принудительный обдув.
Выключатели нагрузки генераторные значительно увеличивают гибкость и надежность схем блочных ТЭС и АЭС.
Воздушные выключатели ВВ нашли широкое применение в установках 110—500 кВ. Их конструкция соответствует схеме 1 и отличается при разном напряжении количеством дугогасительных камер и камер воздухонаполненного отделителя. Для отключения и гашения дуги в них используется воздух давлением 2 МПа.
В настоящее время выключатели этой серии постепенно вытесняются более совершенными и быстродействующими выключателями.
Во всех рассмотренных выключателях сжатый воздух из заземленного резервуара подается в дугогасительную камеру по изолированному воздухопроводу или внутренней полости изолятора, длина которых зависит от номинального напряжения выключателя. Время заполнения камеры сжатым воздухом зависит от давления воздуха в резервуаре и от длины воздухопровода. В выключателях 35 и 110 кВ это время составляет 0,003-0,005 с, в выключателях 150-220 кВ - 0,007 - 0,01 с, в выключателях 330—500 кВ — 0,013 — 0,014 с. Увеличение времени заполнения камеры увеличивает собственное время отключения выключателя, при этом ухудшается основной показатель воздушного выключателя — быстродействие.
Выключатели серии ВВБ (см. рисунок 1, д) имеют изолированный от земли резервуар сжатого воздуха, внутри которого находится контактная система. Поэтому собственное время отключения этих выключателей сверхвысокого напряжения меньше, чем у выключателей серии ВВ. Давление воздуха в гасительной камере в выключателях ВВ из-за постепенной его подачи к моменту гашения дуги равно примерно половине номинального. В выключателях ВВБ давление воздуха к моменту гашения равно номинальному, поэтому эти выключатели имеют большую мощность отключения.
Основным элементом выключателей серии ВВБ является дугогасительный модуль с двумя разрывами в металлическом резервуаре со сжатым воздухом (2 МПа). При номинальном напряжении 110 кВ на каждый полюс имеется один модуль (рисунок 2). Основанием выключателя служит вертикальный резервуар 1 со сжатым воздухом, на котором сбоку закреплен шкаф управления с элементами электрического и пневматического управления. Запаса воздуха, содержащегося в дугогасительном модуле объемом 1500 л. достаточно для двух отключений. Дополнительный вертикальный резервуар вместимостью 2300 л, предусмотренный в последних конструкциях ВВБ-110, обеспечивает цикл О - Гдт - ВО без подпитки сжатым воздухом из магистрали.
Дугогасительная камера связана с дополнительным резервуаром трубой из изолирующего материала, по которой происходит постоянная подпитка воздухом. Кроме того, в изоляторе проходит вторая труба меньшего диаметра, по которой подается или сбрасывается воздух в процессе включения и отключения. Эта труба называется импульсной.
На электропневматической схеме выключателя ВВБ-110 (рисунок 2) условно показан горизонтальный разрез (кроме вспомогательных контактов). Расположение емкостного делителя 17 также показано условно. На опорном изоляторе 3 укреплен металлический резервуар — дугогасительный модуль, внутри которого находятся подвижные контакты в виде ножей 14, закрепленных на траверсе, и неподвижные контакты 15 внутри металлических стаканов с прорезями для входа ножей. Неподвижные контакты находятся внутри металлических конфузоров 20, экранирующих ножи в отключенном положении и создающих направленный поток воздуха при отключении.
На вводах 18, изолированных эпоксидными втулками 19 и фарфоровой рубашкой, внутри камеры расположены шунтирующие резисторы 16 и вспомогательные контакты 21.
На рисунке 2 выключатель показан в отключенном положении. Для включения подается командный импульс на электромагнит включения YAC. который открывает пусковой клапан 25. Воздух из полости обратного клапана 25 и объема а промежуточного клапана 27 сбрасывается в атмосферу. Промежуточный клапан перемещается вверх и обеспечивает сброс воздуха из объема б клапана управления, который перекрывает доступ сжатому воздуху из резервуара 1 и обеспечивает сброс воздуха из объема в под поршнем дутьевого клапана и из полости г через полый шток 8. При этом за счет разности давлений под поршнем 10 и над ним контактная система идет на включение. Ролики фиксатора 12 переходят через выступ на штоке 13. Контактные ножи 14 входят в пальцевый неподвижный контакт 15. Одновременно через золотники 6 сжатый воздух сбрасывается из полости д и запирающая шайба 7 под действием своей пружины перемещается к поршню 5. При закрытии клапана 2 обеспечивается сброс воздуха из-под поршня привода 23 вспомогательных контактов SQ, которые переводятся в положение «включено».
Вспомогательные контакты 21 включаются с некоторым запаздыванием но отношению к главным с помощью клапана 22.
Во включенном положении ток проходит по токоведущему стержню ввода через неподвижный контакт 18, нож 14, траверсу, нож и контакт второю разрыва во второй ввод.
Для отключения выключателя подается командный импульс на электромагнит отключения YAT, который открывает пусковой клапан 24.Сжатый воздух из резервуара через обратный клапан 26 заполняет объем а. Клапан 27 открывается, обеспечивая доступ сжатому воздуху в объем б, при этом клапан 2 соединяет импульсную трубу с резервуаром 1. Сжатый воздух поступает в полость в, поршень 5 вместе с шайбой 7 перемещаются вверх. Движение поршня через полый шток 8 передается тарелке дутьевого клапана, поршню механической траверсы 10 и через шток 13 траверсе с контактными ножами. Открывается дутьевой клапан, контакты размыкаются и возникает дуга. Мощным потоком воздуха дуга с рабочих контактов перебрасывается на противоэлектрод 11 и концы стаканов неподвижного контакта 12. Время гашения дуги не превышает 0,02 с.
В конце хода поршня 5 шайба 7 закрывает выход в атмосферу из полости д. Начинается переток воздуха из полости в в полость д через регулируемое отверстие в поршне, закрытое иглой 4. Когда давление в полости д увеличится, поршень под действием своей пружины возвратится в исходное положение, а шайба останется прижатой в верхнем положении. Вместе с поршнем опускается тарелка 9, и дутьевой клапан закрывается.
Рисунок 2 - Электропневматическая и электрическая функциональная схема выключателя ВВБ-110.
Отключение вспомогательных контактов, разрывающих ток через шунтирующие сопротивления, происходит с запаздыванием по отношению к главным за счет подачи воздуха в клапан 22 после того как шайба 7 перекроет выход в атмосферу. Возникшая между контактами дуга гасится потоком воздуха, проходящего через полый подвижный контакт.
При подаче воздуха в импульсную трубу в процессе отключения часть воздуха попадает под поршень привода 23 и вспомогательные контакты переводятся в положение, соответствующее отключенному положению выключателя.
В настоящее время выключатели серии ВВБ модернизированы. Новые выключатели ВВБК (кpупномодульные) работают при давлении воздуха 4 МПа, а в камере гашения дуги кроме основною дутья, как и в серии ВВБ, имеется дополнительное дутье через неподвижные контакты с продувкой продуктов горения через полые токоведущие стержни вводов. Это позволило увеличить отключаемый ток до 50—56 кА, а количество модулей в полюсе снизить: на 330 кВ вместо четырех модулей (ВВБ) в серии ВВБК — два модуля, на 500 кВ вместо шести модулей — четыре, на 750 кВ вместо восьми — шесть.
На напряжение выше 750 кВ находят применение воздушные выключатели в подвесном исполнении.
Выключатели серии ВНВ имеют укрупненный двухразрывный дугогасительный модуль на напряжение 220—250 кВ. Все выключатели этой серии на 110—1150 кВ компонуются из резервуара со шкафом управления и опорной изоляционной колонки, на которой смонтирован дугогасительный модуль. Полюс выключателя на 220 кВ имеет одну опорную колонку с одним двухразрывным модулем (рисунок 3), на 500 кВ — две опорные колонки и два модуля, на 750 кВ — три колонки и три модуля, на 1150 кВ — пять колонок и пять модулей. Полюс выключателя на 110 кВимеет одноразрывный модуль.
Рисунок 3 - Полюс воздушного выключателя ВНВ-220: 1 – резервуар; 2 – изолятор; 3 – механизм привода; 4 – блок шунтирующих реакторов
Дугогасительный модуль — это двухразрывная дугогасительная камера, контактная система которой находится постоянно в среде сжатого воздуха (4 МПа) как во включенном, так и в отключенном положении. Контакты смонтированы в металлическом резервуаре, на котором установлены контейнеры с шунтирующими резисторами и коммутирующими их механизмами, также заполненные сжатым воздухом. Токоведущие части присоединены к контактной системе с помощью изолирующих вводов. Гашение дуги в камере осуществляется двусторонним дутьем, сжатым воздухом, выбрасываемым через внутренние полости контактов и выхлопные клапаны в атмосферу. Контакты имеют двухтактное движение: при гашении дуги разрыв между контактами имеет минимальное значение, чем обеспечивается интенсивное дутье, после окончания гашения дуги подвижный контакт перемещается па максимальное расстояние, обеспечивая необходимую электрическую прочность.
На рисунке 4 схематически показано устройство одного разрыва дугогасительного модуля выключателя ВНВ на 500 кВ во включенном положении.
| |
| |
Рисунок 4 - Дугогасительный модуль выключателя ВНВ, пневмомеханическая схема
Отключение происходит при срабатывании электромагнита отключения, который, воздействуя на клапан пневматической системы, связанной с резервуаром 1, создает движение изолированной тяги 2 и рычагов 3, в результате чего подвижный контакт б перемещается вправо.
Вначале размыкаются главные рабочие контакты 7, а затем дугогасительные 8. Дуга возникает между внутренней дугостойкой поверхностью подвижного контакта б и ламелями дугогасительного контакта и потоком сжатого воздуха из камеры сдувается на подвижное сопло 5. Так как внутренние полости контактов связаны с выхлопной полостью 11 и через нее с атмосферой, создается мощное дутье и дуга гаснет. После окончания гашения дуги подвижный контакт перемещается на максимальное расстояние и прячется за электростатический экран 4. Одновременно при движении тяги 2 вниз перемещается шток 12 и, воздействуя выступом на рычаг, открывает оперативный клапан 14. Воздух над поршнем 15 выбрасывается в атмосферу, сам поршень перемещается, и подвижное сопло 5 движется вправо до упора, прекращая выхлоп воздуха в атмосферу. Истечение воздуха из неподвижного контакта также прекращается, так как выхлопной клапан 9, приводимый тягой 10, перекрывает отверстие контакта 8.
При включении срабатывает электромагнит включения, он открывает пусковой клапан, и шток 12 под действием включающей пружины 13 перемещается вверх. Со штоком 12 связана тяга 2 (на рисунке 3.13, а не видно), которая через рычаги 3 передает движение подвижному контакту 6. Он перемещается влево и замыкает цепь.
Пневмомеханическсе устройство, примененное в выключателе ВНВ, уменьшает собственное время отключения до 0.02-0,025 с.
Распределение напряжения между дугогаситсльными разрывами осуществляется с помощью параллельно включенных конденсаторов. При необходимости (большие скорости восстанавливающегося напряжения) выключатели могут оснащаться шунтирующими резисторами 1. В этом случае после гашения дуги в главной цепи на контактах 2 отключаются вспомогательные контакты 4 в среде сжатого воздуха разрывая небольшой ток.
Все фарфоровые покрышки разгружены от воздействия сжатого воздуха и динамических нагрузок стеклоэпоксидными цилиндрами.
Кроме выключателей на опорных изоляторах разработаны конструкции подвесных выключателей с модулями серии ВНВ на 1150 кВ, которые обеспечивают значительную экономию площади ОРУ.
Выключатели серии ВНВ рассчитаны на ток отключения 40—63 кА. По сравнению с выключателями ВВБ эти выключатели имеют меньшую массу и меньшие габариты.
Воздушные выключатели имеют следующие достоинства: взрыво- и пожаробезопасность, быстродействие и возможность осуществления быстродействующего АПВ, высокую отключающую способность, надежное отключение емкостных токов линий, малый износ дугогасительных контактов, легкий доступ к дугогасительным камерам, возможность создания серий из крупных узлов, пригодность для наружной и внутренней установки.
Недостатками воздушных выключателей являются необходимость компрессорной установка, сложная конструкция ряда деталей и узлов, относительно высокая стоимость, трудность установки встроенных трансформаторов тока.
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 воздушных выключателей