Выключатели высокого напряжения
Выключатель высокого напряжения является основным коммутационным аппаратомв электрических установках. Он служит для отключения и включения цепи в разныхрежимах: длительная нагрузка, перегрузка, короткое замыкание, холостой ход,несинхронная работа. Наиболее тяжелой и ответственной операцией являетсяотключение токов КЗ и включение на существующее короткое замыкание.
К выключателям высокого напряжения предъявляют следующие требования:
- надежное отключение расчетных токов и токов короткого замыкания;
- быстрота действия, т.е. наименьшее время отключения;
- пригодность для быстродействующего автоматического повторноговключения;
- возможность пофазного управления для выключателей 110 кВ и выше;
- легкость ревизии и осмотра контактов;
- взрыво- и пожаробезопасность;
- удобство транспортировки и эксплуатации.
Выключатели высокого напряжения должны длительно выдерживатьноминальный ток Iном и номинальноенапряжение Uном.
Для выключателей задаются следующие параметры:
1. Номинальныйток отключения Iотк ном — наибольший ток КЗ(действующее значение), который выключатель способен отключить при напряжении,равном наибольшему рабочему напряжению при заданных условияхвосстанавливающегося напряжения и заданном цикле операций. Номинальный токотключения определяется действующим значением периодической составляющей вмомент расхождения контактов (t)
/>
где tрз – время действиярелейной защиты,
tсв – собственное времясрабатывания выключателя.
2. Допустимоеотносительное содержание апериодической составляющей тока в токе отключения
/>, которое определяется по кривой />.
Нормированное значение /> определяется для моментарасхождения контактов />. Если /> > 0,09 с, то принимают />.
3. Цикл операций – выполняемая выключателем последовательностькоммутационных операций с заданными интервалами между ними.
В эксплуатации выключатель может неоднократно включаться насуществующее КЗ с последующим отключением, поэтому для выключателейпредусматривается определенный цикл операций.
Если выключатели предназначены для автоматического повторноговключения (АПВ), то должны быть обеспечены циклы:
О — 180 с — ВО — 180 с – ВО,
О — /> - ВО — 180 с — ВО.
О – операция отключения, ВО – включения и немедленного отключения,20(180) с – промежутки времени.
/> – гарантируемая для выключателейбестоковая пауза при АПВ (для выключателей с АПВ эта величина находится впределах (0,3-1,2) с, без АПВ – 0,3с)
4. Стойкость при сквозных токах, характеризующаяся токами термическойстойкости Iтер и электродинамическойстойкости Iдин (действующее значение),iдин — наибольший ток(амплитудное значение);
Эти токи выключатель должен выдерживать во включенном положениибез повреждений, препятствующих дальнейшей работе.
Завод-изготовитель должен производить выключатели способныевыдерживать ток электродинамической стойкости равный />.
5. Номинальный ток включения — ток КЗ, который выключатель с соответствующимприводом способен включить без приваривания контактов и других повреждений, приUном и заданном цикле. Вкаталогах приводится действующее значение этого тока /> и его амплитудное значение />.Выключателиконструируются таким образом, что соблюдаются условия:
/>.
6. Собственное время отключения tcв — интервал времени от момента подачи команды на отключение домомента прекращения соприкосновения дугогасительных контактов.
Время отключения /> — интервал времени от подачикоманды на отключение до момента погасания дуги во всех полюсах аппарата.
Время включения /> — интервал времени от моментаподачи команды на включение до возникновения тока в цепи.
7. Параметры восстанавливающегося напряжения — в соответствиис нормированными характеристиками собственного переходного восстанавливающегосянапряжения.
Основными конструктивными частями выключателей являются:контактная система с дугогасительным устройством, токоведущие части, корпус,изоляционная конструкция и приводной механизм.
По конструктивным особенностям и способу гашения дуги различаютследующие типы выключателей: масляные баковые (масляные многообъемные),маломасляные (масляные малообъемные), воздушные, элегазовые, электромагнитные,автогазовые, вакуумные. К особой группе относятся выключатели нагрузки,рассчитанные на отключение токов нормального режима.
/>
Рис.1
выключатель высокое напряжение
По способу установкиразличают выключатели для внутренней, наружной установки и для комплектныхраспределительных устройств (КРУ).
Масляные выключатели с открытой дугой
Конструктивные особенности выключателей и их эксплуатационныесвойства и характеристики в основном определяются способами гашения дуги, атакже средой, в которой дуга горит в процессе отключения. Обычно выключателипеременного тока делят на две большие группы: жидкостные и газовые. Вакуумныевыключатели составляют отдельную, третью, группу. Жидкостные выключатели, всвою очередь, делятся на масляные и водяные.
Масляные выключатели в течение многих десятилетий являлисьосновным типом выключателей, обеспечивавшим надежную работу электрическихстанций и сетей. И в настоящее время благодаря значительным усовершенствованиямих конструкции они успешно соревнуются во многих областях применения (вплоть досамых высоких напряжений) с другими типами выключателей. В некоторых случаяхони даже предпочитаются в эксплуатации из-за простоты конструкции иотносительно низкой стоимости.
Главный недостаток масляных выключателей заключается в опасностипожаров и даже взрывов. Этот недостаток ограничивает их применение длявнутренних установок.
/>
Рис.2. Заполнение камерымаслом послепогасаниядуги
Процесс отключения в масле протекает следующим образом. Прирасхождении контактов выключателя между ними возникает дуга, которая испаряет иразлагает масло, образуя вокруг себя газовый пузырь (рис. 1(а, б)). Отдаваятеплоту на испарение и разложение масла, ствол дуги интенсивно охлаждается.Охлаждение способствует ее деионизации и увеличивает восстанавливающуюсяпрочность остаточного ствола дуги.
Давление, возникающее в выключателе в процессе отключения, играети отрицательную роль, вызывая чрезмерные механические напряжения в стенках бакаи приводя при отключении очень тяжелых КЗ к выбросу масла через выхлопнуютрубу, расположенную на крышке выключателя. Значение этого давления зависит,прежде всего, от количества энергии, выделяющейся на единицу длины дуги, и отколичества возникающих при этом газов. Важную роль играет также циркуляциямасла, электромагнитные и другие количественно и качественно трудно оцениваемыепроцессы.
Давления, возникающие в масляных выключателях при отключениимощностей КЗ, находящихся в пределах их отключающей способности, обычно непревосходят 0,5—0,7 МПа. При несоответствии отключающей способности выключателяотключаемой мощности эти давления значительно выше и иногда приводят к взрывамбака, пожарам и разрушениям в помещениях распределительных устройств.
Подобные взрывы, называемые иногда первичными, могут возникатьтакже из-за отказов механизма, отключающего шунтирующие сопротивления. Не отключенныесопротивления, находящиеся в масле, остаются в этом случае под током,перегреваются н в конце концов сгорают. Образующаяся при этом дуга испаряетогромные количества масла, что и приводит к разрушительным последствиям.
Отключающая способность масляного выключателя с открытой дугой независит от длины межконтактного раствора. Эта длина определяется главнымобразом значением восстанавливающегося напряжения (рис. 3). Зато отмечаетсясильная зависимость отключающей способности таких выключателей от отключаемоготока, так как эта величина непосредственно влияет на электромагнитныевоздействия тока и на интенсивность ионизации ствола дуги (рис.4).
/> />
Рис. 3 Рис.4
/>
Рис.5. Конструктивные схемы масляных выключателей:
а — однобаковый с открытойдугой;
б — один полюс трехбаковоговыключателя с двумя дугогасительными камерами на полюс;
в — полюс трехбаковоговыключателя счечевицеобразными баками
Достоинства и недостатки выключателей с открытой дугой,относящиеся частично и к другим типам масляных выключателей, заключаются вследующем: конструкция выключателей относительно проста, их стоимость сравнительноневелика, их можно устанавливать на открытых подстанциях, эксплуатациявыключателей несложна. Этим достоинствам противостоят серьезные недостатки,главным из которых является воспламеняемость и горючесть масла и продуктов егоразложения (водорода и ацетилена) в присутствии кислорода воздуха. При выхлопегорячих масляных паров и продуктов разложения масла из выхлопной трубы можетпроизойти вспышка выхлопных газов при простом соприкосновении их с кислородомвоздуха.
Применение не воспламеняющихся негорючих изолирующих жидкостей,например хлорированных дифенилов, давно уже с успехом используемых втрансформаторах и сильноточных конденсаторах, в выключателях недопустимо, таккак продукты их разложения очень ядовиты. Кроме того, эти жидкости разрушаюторганическую изоляцию и образуют на поверхности фарфоровой изоляции при ееувлажнении проводящий слой.
Другим крупным недостатком масла является его обуглероживание пригорении в нем дуги. Присутствие углерода в масле не ухудшает его дугогасящихсвойств, но уменьшает его электрическую прочность. К этому добавляется ещезашламование бака выключателя частицами углерода, выпадающими в осадок, всвязи, с чем возникает необходимость частых регулярных ревизийвыключателя и замены в нем масла.
Масляные выключатели с дугогасительными камерами
/>
Рис. 6. Дугогасительная камера масляного выключателяс продольнымдутьем
1 — неподвижный контакт; 2 — дуга; 3 — подвижный контакт
Значительного увеличения отключающей способности баковыхвыключателей и повышения их надежности удалось достигнуть, размещая контактывыключателя в небольшой дугогасительной камере, располагаемой в общем объемемасла, находящегося в баке выключателя. На рис. 6 показана схема работыдугогасительной камеры с продольным дутьем. Такие камеры из изолирующегоматериала укрепляются в нижней части проходного изолятора. В верхней частикамеры жестко укреплен неподвижный контакт, в который при включении входитподвижный контактный стержень. В процессе отключения при выходе стержневогоконтакта из неподвижного, в камере возникает дуга которая испаряя и разлагаямасло создает в ней высокое давление. Это давление (6—7 МПа) на порядок больше,чем в выключателях с открытой дугой, благодаря малому объему дугогасительнойкамеры. Это давление уменьшает сечение дуги и повышает электрическую прочностьдугового промежутка после перехода тока через нуль, что ускоряет гашение дуги.После того как стержень покинет камеру, происходит выхлоп газов черезосвободившееся отверстие, при этом захватывается масло из камеры. Это приводитк интенсивному охлаждению ствола дуги и усиленной его деионизации.
Действие дугогасительной камеры тем эффективней, чем большеотключаемый ток. При отключении малых токов выключатель с дугогасительнойкамерой действует, как обычный выключатель с открытой дугой.
/>
Рис.7 Выключатель масляный баковый 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 – выхлопныеотверстия; 4 – дугогасительная камера; 6 – подвижный контакт; 7 – контактные пружины;8 – неподвижный контакт
Другим преимуществом выключателя с дугогасительной камеройявляется отсутствие воздействия давления, развивающегося в нем при горении дуги,на стенки бака. Это давление воспринимается только стенками дугогасительнойкамеры, высокая прочность которой может быть легко обеспечена ввиду ее малыхразмеров.
Баковые выключатели с дугогасительными камерами удовлетворяют всемсовременным требованиям по напряжениям, номинальному току, мощностям отключенияи быстродействию. Они изготавливаются в широком диапазоне номинальных мощностейотключения (до 25 ГВА) на напряжения до 330 кВ включительно.
В баковых выключателях на 35 кВ типа С-35-630-10 (рис. 7) накаждый полюс имеется двухразрывная подвижная камера. Каждый полюс собран на массивнойчугунной крышке, к которой подвешивается бак с маслом и под крышкой приводноймеханизм с системой рычагов, обеспечивающий прямолинейное движение штанги.Механизмы всех трех полюсов соединены между собой и приводом выключателя. Черезотверстие в крышках пропущены вводы, на каждом из них под крышкой установленвстроенный трансформатор тока.
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 басе ивводах; большой объем масла, что обусловливает большую затрату времени на егозамену, необходимость больших запасов масла; непригодность для установки внутрипомещений; непригодность для выполнения быстродействующего АПВ; большая затратаметалла, большая масса, неудобство перевозки, монтажа и наладки.
Маломасляные выключатели (горшковые)
В этих выключателях масло служит только для гашения дуги и невыполняет изоляционных функций. Изоляция полюсов между собою и по отношению кземле выполняется из фарфора, стеатита, литой смолы. Изоляцией между полюсамивыключателя служит также воздух. По существу малообъемный выключательпредставляет собою как бы дугогасительную камеру бакового выключателя,помещенную вне бака на изолирующих опорах.
Во всех конструкциях малообъемных выключателей с продольным,поперечным или смешанным дутьем при размыкании контактов возникает сильнаяструя масла, которая интенсивно охлаждает ствол дуги и деионизирует его. Приэтом наиболее эффективным оказалось поперечное масляное дутье.
Малообъемные масляные выключатели изготавливаются на всенапряжения до 110 кВ включительно и номинальные мощности отключения до 10 ГВА.Их несомненным достоинством является малое количество масла, небольшие габаритыи масса, а также относительно низкая стоимость. Значительно меньшая взрыво- ипожароопасность делает возможным их установку не только в открытых, но и взакрытых распределительных устройствах. Однако сильная зависимость отключающейспособности от отключаемого тока, сложность осуществления многократных АПВ инеприспособленность для работы с частыми отключениями ограничивает ихприменение менее ответственными узлами системы, где требования к выключателямоблегчены.
По такому типуизготовляют выключатели ВМГ-10 (выключательмасляный горшковый) и ВПМ-10, а ранее изготовлялись выключатели ВМГ-133.
ВМП (выключатель маломасляный подвесной). Прибольшихноминальных токах обойтись одной парой контактов (которые выполняют рольрабочих и дугогасительных) трудно, поэтому предусматривают рабочие контактыснаружи выключателя, а дугогасительные — внутри металлического бачка.
Выключатели масляные колонковые серии ВМК, ВМУЭ применяются в установках35 кВ.
В установках. 110 и 220 кВ находят применение выключатели серииВМТ (рис.8, а). Три полюса выключателя ВМТ-110 установлены на общемсварном основании 4 и управляются пружинным приводом 1. Полюсвыключателя представляет собой маслонаполненную колонну, состоящую из опорногоизолятора 2, дугогасительного устройства 3, механизма управления 5 иэлектроподогревательных устройств.
/>
Рис.8. Выключатель маломасляный ВМТ-110:
Выключатель ВМТ-220 состоит из трех отдельных полюсов,установленных на отдельных рамах. Каждый полюс управляется пружинным приводом.Полюс выключателя имеет две маслонаполненные колонны, на которых установленыдугогасительные модули такой же конструкции, как и для выключателя ВМТ-110. Вседетали ВМТ-220 максимально унифицированы с выключателем ВМТ-110, что позволяетвзаимозаменять сменные части и эксплуатационные принадлежности.
Конструкция маломасляных выключателей 35 кВ и выше продолжаетсовершенствоваться с целью увеличения номинальных токов и отключающейспособности. В мировой практике маломасляные выключатели изготовляются на напряжениядо 420 кВ.
Достоинствами маломасляных выключателейявляются небольшоеколичество масла, относительно малая масса, более удобный, чем у баковых выключателей,доступ к дугогасительным контактам, возможность создания серии выключателей наразное напряжение с применением унифицированных узлов.
Недостатки маломасляных выключателей: взрыво- и пожароопасность, хотяи значительно меньшая, чем у баковых выключателей; невозможность осуществлениябыстродействующего АПВ; необходимость периодического контроля, доливки,относительно частой замены масла в дугогасительных бачках; трудность установкивстроенных трансформаторов тока; относительно малая отключающая способность.
Область применения маломасляных выключателей — закрытыераспределительные устройства электростанций и подстанций 6, 10, 20, 35 и 110кВ, комплектные распределительные устройства 6, 10 и 35 кВ и открытыераспределительные устройства 3-5, 110 и 220 кВ.
Малообъемные масляные выключатели получили преимущественноераспространение в установках до 20 кВ, а также выше 110 кВ, где они успешноконкурируют своздушными выключателями.Воздушные выключатели
Воздушные выключатели принадлежат ко второй группе выключателей —к газовым. В них для гашения дуги и деионизации дугового промежуткаиспользуется сжатый воздух, обдувающий дугу в продольном или поперечном направлении.
Принцип гашения дуги сжатым воздухом заключается в том, чтомежконтактный промежуток обдувается чистым сжатым воздухом, лишенным заряженныхчастиц. При этом дуга и ее опорные поверхности интенсивно охлаждаются, а еесечение уменьшается. Одновременно этот же поток воздуха выносит измежконтактного промежутка продукты горения дуги, представляющие собой хорошопроводящую среду. Место этих продуктов теперь занимает свежий неионизированныйвоздух, способный выдержать напряжение, восстанавливающееся на контактахвыключателя. Задача дугогасительной камеры заключается в быстром и полномзамещении ионизированной среды свежим, обладающим высокой электрическойпрочностью воздухом.
/>
Рис. 9. Конструктивная схема воздушного выключателя внутреннейустановки на 6—20 кВ— с одним разрывом в камере продольного дутья
Существует два типа дугогасительных камер, получившихраспространение на практике. В камерах первого типа поток сжатого воздухапараллелен стволу дуги. Это так называемая камера продольного дутья (рис.11 б,в). В других — поток гасящего воздуха перпендикулярен оси ствола дуги. Ихназывают камерами поперечного дутья (рис. 11 а).
/>
Рис. 10. Конструктивные схемы воздушныхвыключателей наружной установки на 110 кВ
а — с отделителем; б — с двумя разрывами на полюс, с воздухо-наполненным отделителем
Камеры продольного дутья имеют преимущественное распространение вовсем диапазоне напряжений от 3 до 750 кВ, на которые строятся выключатели, таккак они позволяют создать аппарат, отвечающий самым жестким требованиям пономинальной мощности отключения, номинальному току и быстродействию. Камерыпоперечного дутья из-за громоздкости конструкции и больших габаритовприменяются ограниченно, лишь в выключателях 6—20 кВ.
Отключающая способность воздушного выключателя ограничиваетсяпоявлением обратного подпора давления. Большие токи короткого замыканиядросселируют поток дутья, создавая за соплом противодавление из-за чрезмерногонагревания сжатого воздуха. При этом возникает «закупорка» сопла, и дутье резкоухудшается. Число повторных зажиганий дуги зависит от того, будет ли противодавление,возникшее после первой полуволны тока, повышаться дальше. Хорошо рассчитанные исконструированные выключатели гасят дугу уже после первой полуволны, самоепозднее — после третьего перехода тока через нуль.
/> />
Рис. 11. Схемы дугогасительных устройств с воздушным дутьем
1 – контакты, 2 — изоляционный корпус; 3 — дуга;
4 — изоляционное сопло
Было предложено для ускорения повышения электрической прочности дуговогопромежутка добавлять в свежий воздух электроотрицательные газы, жаднопоглощающие электроны (например, фтор и его соединения). Однако практическогоиспользования этого предложения не было.
Простым средством повышения отключающей способности воздушныхвыключателей и улучшения их эксплуатационных свойств является повышениедавления воздуха, применяемое в последних конструкциях.
Воздушные выключатели строятся на все напряжения от 3 до 750 кВ,на номинальные токи до 4 кА (генераторные выключатели до 12 кА) и на широкийдиапазон мощностей отключения от 300 MBА (10 кВ) до 50 000 MBА (750 кВ).
В выключателях на большие номинальные токи (рис. 12, , б) имеютсяглавный и дугогасительный контуры, как и в маломасляных выключателях МГ и ВГМ.Основная часть тока во включенном положении выключателя проходит по главнымконтактам 4, расположенным открыто.
В выключателях для открытой установки дугогасительная камерарасположена внутри фарфорового изолятора, причем на напряжение 35 кВ достаточноиметь один разрыв на фазу (рис. 12, в), на 110 кВ — два разрыва на фазу (рис. 12, г). Различие между этими конструкциями состоит в том, что в выключателе 35 кВ изоляционныйпромежуток создается в дугогасительной камере 2, а в выключателях напряжением110 кВ и выше после гашения дуги размыкаются контакты отделителя 5 и камераотделителя остается заполненной сжатым воздухом на все время отключенногоположения, при этом в дугогасительную камеру сжатый воздух не подается иконтакты в ней замыкаются. По конструктивной схеме (рис. 12, г) созданы выключатели серии ВВ на напряжение 110- 500 кВ. Чем выше номинальное напряжение и чембольше отключаемая мощность, тем больше разрывов необходимо иметь вдугогасительной камере и в отделителе (на 330 кВ — восемь; на 500 кВ — десять).
/>
Рис. 12. Конструктивные схемы воздушныхвыключателей (д—д):
1 — резервуар со сжатым воздухом; 2 — дугогасительная камера;3 — шунтирующий резистор; 4— главные контакты; 5— отделитель; 6—емкостный делитель напряжения
В рассмотренных конструкциях воздух подается в дугогасительныекамеры из резервуара, расположенного около основания выключателя. Если контактнуюсистему поместить в резервуар сжатого воздуха, изолированный от земли, тоскорость гашения дуги значительно увеличится. Такой принцип заложен в основусерии выключателей ВВБ (рис. 12, д). В этих выключателях нет отделителя. Приотключении выключателя дугогасительная камера 2, являющаяся одновременнорезервуаром сжатого воздуха, сообщается с атмосферой через дутьевые клапаны,благодаря чему создается дутье, гасящее дугу. В отключенном положении контактынаходятся в среде сжатого воздуха. По такой конструктивной схеме созданывыключатели до 750 кВ. Количество дугогасительных камер (модулей) зависит отнапряжения: 110 кВ — одна; 220, 330кВ — две; 500 кВ — четыре; 750 кВ — шесть (всерии ВВБК).
Для равномерного распределения напряжения по разрывам используютомические 3 и емкостные 6 делители напряжения.
В цепях генераторов находят применение специальные выключателинагрузки (ВНСГ) UHM= 15 кВ, рассчитанные навключение генераторов при самосинхронизации (при токе равном 115 кА) ивыдерживающие большие сквозные токи КЗ (480 кА). Таким выключателем можновключать и отключать генератор под нагрузкой (IНОМ = 12000 А), а также отключать токи КЗ до 31,5 кА. ВыключательВНСГ компактно встраивается в комплектный токопровод. Гашение дугиосуществляется сжатым воздухом, имеющим давление 0,6 МПа.
Выключатели серии ВВБ (см. рис. 12,д) имеют изолированныйот земли резервуар сжатого воздуха, внутри которого находится контактнаясистема. Поэтому собственное время отключения этих выключат сверхвысокогонапряжения меньше, чем у выключателей серии ВВ. Давление воздуха вдугогасительной камере в выключателях ВВ из-за постепенной его подачи к моментугашения дуги равно примерно половине номинального. В выключателях ВВБ давлениевоздуха к моменту гашения равно номинальному, поэтому эти выключатели имеютбольшую мощность отключения.
В настоящее время выключатели серии ВВБ модернизированы. Новыевыключатели ВВБК (крупномодульные) работают при давлении воздуха 4 МПа, а вкамере гашения дуги кроме основного дутья, как и в серии ВВБ, имеетсядополнительное дутье через неподвижные контакты с продувкой продуктов горениячерез полые токоведущие стержни вводов. Это позволило увеличить отключаемый токдо 50 — 56 кА, а количество модулей в полюсе снизить: на 330 кВ вместо четырехмодулей (ВВБ) в серии ВВБК — два модуля, на 500 кВ вместо шести модулей —четыре, на 750 кВ вместо восьми — шесть.
Воздушные выключатели имеют следующие достоинства: взрыво-и пожаробезопасность, быстродействие и возможность осуществлениябыстродействующего АПВ, высокую отключающую способность, надежное отключениеемкостных токов линий, малый износ дугогасительных контактов, легкий доступ кдугогасительным камерам, возможность создания серий из крупных узлов,пригодность для наружной и внутренней установки.
/>
Рис. 13. Полюс воздушного выключателяВНВ-220
1 — резервуар: 2 — изолятор: 3— механизм привода: 4 — блок шунтирующих резисторов
Недостатками воздушных выключателей являютсянеобходимостькомпрессорной установки, сложная конструкция ряда деталей и узлов, относительновысокая стоимость, трудность установки встроенных трансформаторов тока.
Наибольшее распространение среди масляных имеют малообъемныевыключатели. Опыт показал, что оба типа выключателей — воздушные и малообъемныемасляные — пригодны для всех напряжений и мощностей короткого замыкания. Однаковнутри определенного диапазона напряжений каждый из этих типов имеет своипреимущества, вытекающие из технических и экономических соображений.
Нормально для отключения больших токов КЗ, оба типа выключателейподходят одинаково хорошо. Отключающая способность выключателей, которыеустанавливаются до реактора или за ним, т.е. в кабельных сетях среднего напряжения,должна быть по возможности не зависимой от частоты восстанавливающегосянапряжения. В этом отношении определенное преимущество имеют малообъемныемасляные выключатели. Лишь воздушный выключатель среднего напряжения с однимразрывом и с двухступенчатым гашением дуги может конкурировать в этих сетях смалообъемными масляными выключателями.Элегазовыевыключатели
Элегазовые выключатели принадлежат к группе газовых выключателей.Известные преимущества, которыми обладают электроотрицательные газы с ихвысокой электрической прочностью при гашении дуги побудили конструкторовприменить в газовых выключателях элегаз (шестифтористую серу SF6). Электроотрицательные газы, такие как элегаз, фреон (CC1F2) и другие, обладают свойством захватывать свободные электроны иприсоединять их к своим нейтральным молекулам. Возникающие при этомотрицательные ионы имеют примерно такую же скорость, что и положительные ионы,и поэтому легко рекомбинируют с ними, снова превращаясь в нейтральные молекулы.Вероятность такой рекомбинации на несколько порядков выше, чем вероятностьрекомбинации быстрых электронов и медленных положительных ионов.
Другим недостатком элегаза является высокая температура сжижения.При давлении 1,5 МПа температура сжижения элегаза составляет всего 6° С. Чтобыизбежать сжижения элегаза в выключателях с высоким давлением гасящей средыпредусматривают автоматические нагреватели, поддерживающие необходимуюпостоянную температуру элегаза.
Наиболее эффективно применение элегаза для гашения дуги в томслучае, когда его струя поступает в дуговой промежуток с большой скоростью, т.е. когда осуществляется интенсивное продольное дутье.
В настоящее время разработаны и применяются несколько конструкцийэлегазовых дугогасящих устройств. Среди них можно отметить дугогасительнуюкамеру интенсивного продольного дутья. Продольное дутье в этом устройствесоздается при переходе элегаза из резервуара с высоким давлением (1,5—2,0 МПа),в камеру, где поддерживается низкое давление (0,2—0,3 МПа). После гашения дуги«отработанный» элегаз проходит осуше ние и очистку и перекачиваетсякомпрессором в резервуар высокого давления. Вся система циркуляции элегазаявляется замкнутой.
/>
Рис. 14. Автопневматическое дугогасительноеустройство элегазовоговыключателя
Существуют и другие системы гашения дуги в элегазе, напримерэлектромагнитное гашение, при котором дуга перемещается в элегазе под действиеммагнитного поля и охлаждается при этом встречным потоком газа. Такая системаэффективна в выключателях на большие номинальные токи отключения и нанапряжения 6—20 кВ.
В нашей стране разработаны конструкции выключателей нагрузки сэлегазом на 35, 110, 220 кВ. Выключатели 35 и 110 кВ имеют по одной камере наполюс, в выключателе 220 кВ — две камеры на полюс. Кроме того, разработаныконструкции выключателей на два и три направления. Такой аппарат заменяет дваили 4. три выключателя, что дает значительную экономию при установке их наподстанциях.
Достоинства элегазовых выключателей: пожаро- ивзрывобезопасность, быстрота действия, высокая отключающая способность, малыйизнос дугогасительных контактов, возможность создания серий с унифицированнымиузлами, пригодность для наружной и внутренней установки.
Недостатки: необходимость специальных устройств длянаполнения, перекачки и очистки SF6, относительно высокаястоимость SF6.Автогазовыевыключатели
Гашение дуги в автогазовых выключателях производится потокомгазов, образующихся при разложении изоляционного материала стенок дугогасительнойкамеры под действием дуги. Стенки камеры изготовляются из синтетическихматериалов (органическое стекло, формальдегидная смола, фибра), обладающиххорошими газогенерирующими характеристиками и не склонными к коптеобразованию.Фибра применяется менее широко из-за ее способности сильно деформироваться подвлиянием влаги.
В автогазовом дутьевом устройстве со щелевым каналом. Дуга,возникшая при отключении, вытягивается подвижным контактом в узкий кольцевойканал. Давление газов внутри канала повышается до тех пор, пока контакт присвоем движении вниз не откроет боковое выхлопное отверстие. После этогоначнется интенсивное истечение газов через зону дуги в это отверстие, что иприведет к гашению дуги.
В системах электроснабжения городов и промышленных предприятийдостаточно широко распространены выключатели нагрузки ВН-16, ВН-17 на 6—10 кВ спростейшей дугогасительной камерой, имеющей вкладыши из органического стекла.Однако эти выключатели не могут включаться на ток КЗ, равный току динамическойстойкости, и допускают сравнительно малое количество отключений номинальноготока.
/>
Рис. 15
Достоинстваавтогазовых выключателей: отсутствие масла;небольшая масса.
Недостатки: быстрый износ твердого дугогасителя,относительно большой износ контактов или их разрушение (в выключателе УПС).Электромагнитныевыключатели
Электромагнитные выключатели для гашения дуги не требуют ни масла,ни сжатого воздуха, что является большим преимуществом их перед другими типамивыключателей. Выключатели этого типа выпускают на напряжение 6—10 кВ,номинальный ток до 3600 А и ток отключения до 40 кА.
В этих выключателях дуга горит в воздухе при атмосферном давлениии гасится магнитным дутьем. Дуга при помощи магнитного дутья быстро удлиняетсянастолько, что напряжение на ней становится выше напряжения сети, и она гаснет.
Магнитное дутье создается электромагнитом, катушка котороговключается последовательно в контур дуги. Важным элементом выключателя являетсякамера гашения, которая способствует растягиванию и охлаждению дуги.Конструктивные схемы наиболее распространенных типов щелевых камер гашенияэлектромагнитных выключателей приведены на рис. 15.
На рис. 15, а показана камера с плоской узкой щелью, вкоторую дуга затягивается магнитным дутьем из широкой части камеры. Отдаваятеплоту стенкам камеры, дуга гаснет.
На рис. 15, б изображена камера с зигзагообразной щелью,образованной ребристой поверхностью стенок (лабиринтная камера) иобеспечивающая удлинение дуги до 2 м.
Большое значение для надежной работы электромагнитного выключателяимеет материал стенок камеры гашения. Этот материал должен обладать большойтеплоемкостью и жаростойкостью. В настоящее время для этой цели используютжаростойкую керамику. Хорошие результаты дала керамика с небольшим содержаниемциркония.
На выхлопной части камеры гашения обычно устанавливаетсядеионизатор, представляющий собой гребенчатую решетку из изолированных друг отдруга металлических пластин. Горячие ионизированные газы, выбрасываемые изкамеры, попадают в решетку и, охлаждаясь, денонсируются там, ограничивая зонуионизации над верхним срезом камеры. Кроме того, деионизатор демпфирует звукивыхлопа при работе камеры.
Выключатели серии ВЭ на различные токи отключения отличаютсяразмерами дугогасительных камер.
При малых отключаемых токах значение электродинамической силы,затягивающей дугу в камеру, недостаточно и для перемещения дуги используютсявоздушные поршневые устройства.
Большим преимуществом электромагнитных выключателей является ихполная взрыво- и пожаробезопасность. Также к достоинствам можно отнести малыйизнос дугогасительных контактов, пригодность для работы в условиях частыхвключений/ отключений, относительно высокая отключающая способность. Большиеразмеры камеры гашения в этих выключателях ограничивают их применение навысоких напряжениях (выше 15 кВ). У нас в стране электромагнитные выключателивыпускаются на номинальные напряжения 6 и 10 кВ с номинальной мощностьюотключения 200 и 400 MBA. Эти выключатели используются главным образом в установкахсобственных нужд электрических станций и для коммутации косинусныхконденсаторных батарей. Также к недостаткам можно отнести сложность конструкциидугогасительной камеры, ограниченный предел номинального напряжения,ограниченная пригодность для наружной установки.Вакуумные выключатели
В последние годы, кроме хорошо себя зарекомендовавших масляных ивоздушных выключателей, в энергетических системах начали применятьсявыключатели, действие которых основано на совершенно новых принципах гашениядуги. И хотя эти так называемые вакуумные выключатели занимают пока еще оченьскромное место среди выключателей высокого напряжения, они несомненно имеютбольшие перспективы применения на электрических станциях и подстанциях.
В этих выключателях контактная система помещена в глубокий вакуум,примерно 104 Па, вследствие чего они и получили название вакуумных.
Процесс отключения в вакуумном выключателе протекает следующимобразом. В момент расхождения контактов площадь их соприкосновения уменьшается,плотность тока резко возрастает, и металл контактов плавится и испаряется ввакууме. При этом между контактами образуется проводящий мостик, состоящий изпаров металла электродов. Загорается так называемая вакуумная дуга, котораягаснет при первом же переходе тока через нуль. Электрическая прочность вакуумавосстанавливается очень быстро, так как малая плотность газа в колбевыключателя обусловливает исключительно высокую скорость диффузии электрическихзарядов из ствола дуги. Уже через 10 мкс после перехода тока через нульэлектрическая прочность вакуума достигает своего полного значения 100 МВ/м.Если к этому времени раствор контактов окажется достаточным для того, чтобыэлектрическая прочность межконтактного промежутка стала большевосстанавливающегося напряжения, дуга погаснет окончательно. В противном случаепроизойдет повторный пробой промежутка и повторное зажигание дуги.
Достоинства вакуумных выключателей: простота конструкции; высокаястепень надежности, высокая коммутационная износостойкость, малые размеры,пожаро- и взрывобезопасность, отсутствие шума при операциях, отсутствие загрязненияокружающей среды, малые эксплуатационные расходы.
Недостатки вакуумных выключателей: сравнительно небольшиеноминальные токи и токи отключения, возможность коммутационных перенапряженийпри отключении малых индуктивных токов.