Высоковольтные выключатели
Выключатели предназначены для включения и отключения токов:
- нормального, ремонтного и послеаварийного режимов;
- короткого замыкания;
- токов холостого хода трансформаторов;
- зарядных токов линий.
Кроме общих требований, предъявляемых ко всем электрическим аппаратам, выключатели должны иметь:
- высокую отключающую способность;
- высокое быстродействие. (
Выключатели высокого напряжения характеризуют следующими параметрами:
- номинальный ток Iном , А; ;
- номинальное напряжение Uном , кВ;
- номинальный ток отключения.; ; . Номинальный ток отключения характеризует отключающую способность выключателей и определяет наибольшее значение периодической составляющей тока трехфазного тока короткого замыкания в момент расхождения контактов, которое выключатель способен отключить при заданных условиях эксплуатации.
- допустимое относительное содержание апериодической составляющей в токе отключения:
,
,
где - значение апериодической составляющей тока трехфазного короткого замыкания в момент размыкания контактов
,
где - минимальное время действия основной релейной защиты; (
tсв - собственное время отключения выключателя.
Если t>0.09 с, принимают bн=0.
Если t£0.09 с, значение bн определяют по кривой bн%=f (t) [ ].
- цикл операций - выполняемая выключателем последовательность операций включения и отключения при неоднократном включении выключателя на к.з.
Выключатели, для которых предусматривается АПВ, должны выдерживать циклы:
О-180с – ВО – 180с – ВО;
О-tбт – ВО – 180с – ВО;
О- tбт – ВО – 20с – ВО.
Для выключателей без АПВ:
О-180с – ВО – 180с – ВО
В приведенных циклах операций используются обозначения:
О – отключение;
ВО - включение и немедленное отключение после включения на короткое замыкание)
180с, 20с, tбт - паузы между операциями. tбт – минимальная для включателя бестоковая пауза при АПВ.
- ток (Iтерм ) и длительность (tтерм ) термической стойкости при сквозных к.з.
,
где Вк - тепловой импульс тока короткого замыкания. Тепловой импульс определяется по формуле
.
Длительность действия тока короткого замыкания
,
где - полное время отключения выключателя.
- ток динамической стойкости iдин
.
- номинальный ток включения - - ток, который выключатель может включить без сваривания контактов;
- собственное время отключения tсв - интервал времени от подачи команды на отключение до начала расхождения контактов;
- полное время отключения tов- время от подачи команды на отключение до погасания дуги
tов= tсв+ tг ,
где tг- длительность гашения дуги;
- время включения выключателя - время от момента подачи команды на включение до появления тока в цепи.
Масляные выключатели
В масляных выключателях масло используется как среда, обуславливающая гашение дуги, а также как изоляция. обладает свойствами, которые характеризуют как достоинства, так и недостатки МВ:
Процесс отключения в масле происходит следующим образом: при расхождении контактов возникает дуга высокой температуры, при которой масло испаряется и разлагается, образуя вокруг дуги газовый пузырь. Уже при этом дуга охлаждается, отдавая теплоту на испарение и разложение масла. Кроме того, усиливается циркуляция масла и увеличивается давление, что также способствует охлаждению дуги. И направив газы пузыря с большой скоростью вдоль или перпендикулярно стволу дуги, можно еще повысить эффективность гашения дуги.
Давление, возникающее в выключателе при отключении, играет и отрицательную роль и может привести к выбросу масла через выхлопную трубу, взрывам и разрушениям в помещениях распределительных устройств.
Могут возникнуть и так называемые “вторичные взрывы” вследствие взрывоопасности газов (водорода и ацетилена) в продуктах разложения масла. Для предотвращения взрывов и выбросов масла создают воздушную подушку над уровнем масла под крышкой выключателя, а уровень масла должен быть настолько выше разрыва контактов, чтобы водород и ацетилен не выбрасывались в воздушную подушку, образуя горючую смесь.
В многообъемных(баковых) выключателях контакты помещены в бак, залитый маслом (все три полюса в одном баке - при напряжении 6-10 кВ и каждый полюс в отдельном баке - 35 кВ и выше). На напряжение 6 – 10 кВ баковые выключатели имеют свободное гашение дуги в масле. Гашение дуги облегчается созданием двух разрывов на полюс. Кроме того для более надежного гасшения дуги обеспечивают достаточно большое расхождение контактов. Под действием ЭДУ дуга движется, чем обеспечивается более интенсивное охлаждение дуги.
В многообъемном выключателе масло является не только дугогасящей средой, но и изоляцией от заземленных стенок бака между фазами при размещении трех полюсов в одном баке.
При разрыве дуги в большом объеме масла (при открытой дуге) скорость движения газовых частиц недостаточна. Для создания эффективного газового дутья необходимо:
- усилить газообразование;
- придать частицам газа большую скорость движения относительно дуги.
Для этого контакты размещают в дугогасительной камере, погруженной в общий объем масла в баке выключателя (укрепляются в нижней части проходных изоляторов-вводов).
Кроме более эффективного гашения дуги дугогасительные камеры уменьшают давление на стенки бака.
Конструкции дугогасительных камер могут создавать продольное и поперечное дутье.
Большой объем масла в баковых выключателях обусловливает их высокую пожароопасность, усложняет эксплуатацию. Поэтому широкое распространение получили маломасляные выключатели.
Маломасляные выключатели представляют собой дугогасительную камеру бакового выключателя, помещенную вне бака на твердых изоляторах.
Малообъемные выключатели выполняются на все напряжения до 500 кВ включительно. Они имеют небольшие габариты и массу, низкую стоимость. Следствие невысокой взрыво- и пожароопасности могут устанавливаться не только в открытых, но и в закрытых РУ.
Воздушные выключатели
Воздушные выключатели относятся к группе газовых выключателей. Для гашения дуги в них используется сжатый воздух, обеспечивающий продольное или поперечное дутье на ствол дуги. При этом дуга интенсивно охлаждается и уменьшается ее сечение. Одновременно при этом из межконтактного промежутка выносятся заряженные частицы. Ионизированная среда заменяется свежим деионизированным воздухом, обладающим высокой электрической прочностью.
Гашение дуги осуществляется в дугогасительной камере, важным элементом которой является сопло, сжатый воздух из которого выбрасывается с большой скоростью, и в межконтактном промежутке поддерживается необходимое давление.
В выключателях до 35 кВ изоляционный промежуток создается в дугогасительной камере путем разведения контактов на достаточное расстояние, и контакты остаются разомкнутыми за счет давления сжатого воздуха.
Рисунок 5. 2 – Конструкция дугогасительной камеры воздушного выключателя
В дугогасительную камеру подается сжатый воздух через отверстия в перегородке 5. Поток воздуха поднимает поршень 2, на котором укреплен подвижный контакт 3. Происходит размыкание подвижногоконтакта 3 с неподвижным контактом 4. При этом сжимается пружина 1. После прекращения подачи воздуха поршень опускается под давлением пружины и происходит включение. Все время включенного положения выключателя камера должна находиться под давлением воздуха. Существует конструкция выключателей с дополнительным отделителем.
.
Рисунок 5.3 - Воздушный выключатель с отделителем
После отключения и погасания дуги в дугогасительной камере сжатый воздух подается в привод отделителя и создается второй разрыв. После этого прекращается подача воздуха в дугогасительную камеру, контакты в ней замыкаются, а изоляционный промежуток обеспечивается отделителем.
Отделитель может быть установлен, открыто (рис. 5.3) или в воздухонаполненной камере (рис. 5.4 а).
Чем больше напряжение и отключаемая мощность, тем больше разрывов необходимо иметь, как в дугогасительной камере, так и в отделителе.
Рисунок 5.4 – Конструкции воздушных выключателей
Баковые воздушные выключатели (рис. 5.4 б) не имеют отделителей. Они имеют два последовательных разрыва цепи в баке сжатого воздуха. При отключении открываются дутьевые клапаны, сжатый воздух с большой скоростью вырывается в атмосферу и создает дутье, гасящее дугу.
На напряжение выше 750 кВ разработаны выключатели в подвесном исполнении (рис 5.4 в), состоящие из нескольких последовательных модулей (баков).
Воздушные выключатели взрыво и пожаробезопасны, имеют высокое быстродействие, высокую отключающую способность, надежно отключают емкостные токи. Недостатками воздушных выключателей являются: необходимость сооружения компрессорной установки, сложность конструкции; высокая стоимость, трудность установки встроенных трансформаторов тока.
Элегазовые выключатели
Относятся к группе газовых выключателей. В них используется элегаз (шестифтористая сера SF6), который относится к электроотрицательным газам (фреон, элегаз), обладающим свойством захватывать электроны и присоединять их к своим нейтральным частицам. Отрицательные ионы, образующиеся при этом, легко рекомбинируют с положительными ионами. При этом быстро снижается проводимость межконтактного промежутка и повышается скорость нарастания электрической прочности. При равном эффекте для гашения дуги требуется меньший объем элегаза и меньшее давление, чем в воздушных выключателях. Элегаз негорюч, не токсичен, не имеет запаха, инертен к другим веществам.
Элегазовые выключатели имеют недостатки:
- элегаз способен разлагать влагосодержащие изоляционные материалы, поэтому в элегазовых выключателях применяют стойкие изоляционные материалы (тефлон);
- элегаз имеет высокую температуру сжижения, поэтому необходим подогрев уже при 60 С;
- под влиянием дуги элегаз разлагается на ядовитые составляющие, которые устраняются при помещении в дугогасительную камеру небольшого количества активированного алюминия.
В элегазовых выключателях применяются дугогасительные устройства:
- с гашением дуги в открытом объеме. Эффективность такого способа гашения дуги невысока, поэтому применяется редко;
- с перемещением дуги в элегазе под действием магнитного поля (электромагнитное гашение). Такой способ гашения дуги применяют в выключателях 6-10 кВ. Для перемещения дуги могут использоваться полые контакты (рис. 5.5), внутри которых помещены постоянные кольцевые магниты, которые заставляют дугу вращаться по поверхности контактов с большой скоростью;
- с продольным дутьем элегаза, которое создается при перетоке элегаза из резервуара с высоким давлением в резервуар с низким давлением;
- с автопневматическим дутьем. Дутье создается контактами особой конструкции (рис 5.5).
Рисунок 5.6 – Конструкция контактов элегазового выключателя с автопневматическим дутьем
1-неподвижный контакт
2-подвижный контакт
При отключении подвижный контакт (2) идет вправо вместе с соплом (3), которое соединено с контактом (2) посредствам перегородки с отверстиями 4. Поршень (5) при этом остается на месте. Элегаз в объеме между (4) и (5) сжимается и через отверстия в перегородке подается на дугу вдоль нее. Все устройство размещено в резервуаре с элегазом. При таком способе гашения дуги не требуется создавать высокое давление элегаза в резервуаре и не требуется подогрев. Автопневматическое дутье применяется в выключателях напряжением до 220 кВ.