Основные типы силовых высоковольтных выключателей, принцип действия, устройство, выбор.

Основные типы силовых высоковольтных выключателей, принцип действия, устройство, выбор.

Выключатель — это коммутационный аппарат, предназначен­ный для включения и отключения тока. Выключатель является основным аппаратом в электрических установках, он служит для отключения и включения в 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 выключателя 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 I _ном и номинальное напряжение U _ном. Масляные баковые выключатели. Первыми выключателями в цепях высокого напряжения были масляные баковые выключатели без специальных устройств для гашения дуги. Контактная система размещалась в стальном зазем­ленном баке, залитом изоляционным маслом, которое служило для гашения дуги и изоляции токоведущих частей друг от друга и от заземленного бака. При отключении возникает дуга между кон­тактами, которая разлагает и испаряет масло, образуется газопа­ровой пузырь с давлением внутри 0,5—1 МПа, в котором охлаж­дается и гаснет дуга. Отключающая способность таких выключате­лей невелика, например выключатель ВМЭ-6-200 имеет I _{откл.ном} = 4 кА. Значительного увеличения отключающей способно­сти можно достигнуть применением дугогасительных камер. 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. Указанные недостатки баковых выключателей привели к тому, что на вновь сооружаемых объектах они не применяются, а на действующих заменяются маломасляными и элегазовыми. Конструкция: Каждый полюс собран на массивной чугунной крышке. К крышке подвешивается бак, внутренние стенки которого изолированы электрокартоном. По крышкой установлен приводной механизм с системой рычагов, обеспечивающих прямолинейное движение штанги. Механизмы всех трех полюсов соединены тягами между собой и с приводом выключателя. Через отверстия 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. Внутренняя полость камеры облицована дугостойким изоляционным материалом. В камере установлен подвижный контакт в виде перемычки, опирающийся на четыре контактные пружины. В местах соприкосновения с неподвижным контактом напаяны металлокерамические пластины. При отключении штанга опускается вниз вместе с камерой, в результате чего образуются два разрыва и загорается дуга в камере. Давление в камере резко возрастает, и как только откроются боковые выхлопные отверстия, 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 создается продольное дутье, обеспечивающее гашение дуги. В дугогасительном устройстве есть воздушная подушка – небольшая металлическая камера, заполненная воздухом и сообщающаяся с основным объемом дугогасительной 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. Маломасляные выключатели. Маломасляные выключатели (горшковые) получили широкое распространение в закрытых и открытых распределительных уст­ройствах всех напряжений. Масло в этих выключателях в основном служит дугогасящей средой и только частично изоляцией между разомкнутыми контактами. Изоляция токоведущих частей друг от друга и от заземленных конструкций осуществляется фарфором или другими твердыми изолирующими материалами. Контакты выключателей для внутренней установки находятся в стальном бачке (горшке), отсюда сохранилось название выключателей «гор­шковые». Маломасляные выключатели напряжением 35 кВ и выше имеют фарфоровый корпус. Самое широкое применение имеют выключатели 6—10 кВ подвесного типа. В этих выключателях корпус крепится на фарфоровых изоляторах к об­щей раме для всех трех полюсов. В каждом полюсе предусмотрен один разрыв контактов и дугогасительная камера. Выключатели серии ВМПшироко применяются в закры­тых и комплектных распределительных устройствах 6—10 кВ. Вы­ключатели для КРУ имеют встроенный пружинный или электро­магнитный привод (типы ВМПП и ВМПЭ). Выключатели этих се­рий рассчитаны на номинальные токи 630 — 3150 А и токи отклю­чения 20 и 31,5 кА. Эти выключатели имеют два параллельных токовых контура. Выключатели серий МГГ, МГ и ВГМ изготовляются на большие номинальные токи. Выключатели этих серий имеют два стальных бачка на полюс и по две пары рабочих и дугогасительных контактов. Мощные рабочие контакты позволяют увеличить номинальный ток этих вык­лючателей, а двукратный разрыв тока и специальные камеры гаше­ния приводят к увеличению отключающей способности. Маломасляные выключатели колонкового типа ВК-10 с пружинным приводом и ВКЭ-10 с электромагнитным приводом предназначены для применения в КРУ внутренней и наружной установки. Выключатели масляные колонковые серии ВМК, ВМУЭ применяются в установках 35 кВ. В установках 110 и 220 кВ находят применение выключатели серии ВМТ. Три полюса выключателя ВМТ-110 установлены на общем сварном основании и управляются пружин­ным приводом. Полюс выключателя представляет собой маслонаполненную колонну, состоящую из опорного изолятора, дугогасительного устройства, механизма управления и электроподог­ревательных устройств. Достоинства маломасляных выключателей:небольшое количе­ство масла; относительно малая масса; более удобный, чем у ба­ковых выключателей, доступ к дугогасительным контактам; воз­можность создания серии выключателей на разные напряжения с применением унифицированных узлов. Недостатки маломасляных выключателей:взрыво- и пожароопасность, хотя и значительно меньшая, чем у баковых выключа­телей; невозможность осуществления быстродействующего АПВ; необходимость периодического контроля, доливки, относитель­но частой замены масла в дугогасительных бачках; трудность уста­новки встроенных трансформаторов тока; относительно малая от­ключающая способность. Область применения маломасляных выключателей — закрытые распределительные устройства электростанций и подстанций 6, 10; 20, 35 и 110 кВ, комплектные распределительные устройства 6, КB и 35 кВ и открытые распределительные устройства 35, 110, 220 кВ. Воздушные выключатели. 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 и способа подачи сжатого воздуха в дугогасительное устройство. Воздушные выключателиВВ нашли широкое приме­нение в установках 110 — 500 кВ. Их конструкция отличается при разном напряжении количе­ством дугогасительных камер и камер воздухонаполненного отде­лителя. Для отключения и гашения дуги в них используется воздух давлением 2—4 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. Увели­чение времени заполнения камеры увеличивает собственное время отключения выключателя, при этом ухудшается основной показа­тель воздушного выключателя — быстродействие. Выключатели серии ВВБ 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. В настоящее время выключатели серии ВВБ модернизированы. Новые выключатели ВВБК (крупномодульные) работают при давлении воздуха 4 МПа, а в камере гашения дуги, кро­ме основного 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. 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 который смонтирован дугогасительный модуль. 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 установки, сложная конструкция ряда де­талей и узлов, относительно высокая стоимость, трудность уста­новки встроенных трансформаторов тока. Электромагнитные выключатели. Электромагнитные выключатели для гашения дуги не требуют ни масла, ни сжатого воздуха, что является большим преимуще­ством их перед другими типами выключателей. Выключатели это­го типа выпускают на напряжение 6—10 кВ, номинальный ток до 3600 А и ток отключения до 40 кА. Достоинства электромагнитных выключателей:полная взрыво- и пожаробезопасность, малый износ дугогасительных контактов, пригодность для работы в условиях частых включений и отключе­ний, относительно высокая отключающая способность (20-40 кА). Недостатки:сложность конструкции дугогасительной камеры с системой магнитного дутья, ограниченный верхний предел но­минального напряжения (15-20 кВ), ограниченная пригодность для наружной установки. Вакуумные выключатели. Электрическая прочность вакуумного промежутка во много раз больше, чем воздушного при атмосферном давлении. Это свойство используется в вакуумных дугогасительных камерах КДВ. Рабочие контакты имеют вид полных усеченных конусов с радиальными прорезями. Такая форма контактов при размыкании со­здает радиальное электродинамическое усилие, заставляющее пе­ремещаться дугу через зазоры на дугогасительные контакты. Ма­териал контактов подобран так, чтобы уменьшить количество ис­паряющегося металла. Вследствие глубокого вакуума происходит быстрая диффузия заряженных частиц в окружающее пространство, и при первом переходе тока через нуль дуга гаснет. На основе рассмотренной выше вакуумной дугогасительной камеры выпускаются выключатели напряжением 6-110 кВ с но­минальным током до 3200 А и током отключения до 40 кА. Вакуумные выключатели 6-10 кВ широко применяются для замены маломасляных и электромагнитных выключателей в комплектных распределительных устройствах, для чего они комплектуются на выкатных тележках. Вакуумные выключатели устанавливаются для управления трансформаторами сталеплавильных печей, тяговых подстанций, насосных, на мощных экскаваторах. Отключение мощных синх­ронных двигателей вызывает срез тока при быстром разрыве цепи, отключение малых индуктивных токов может привести к пере­напряжению, поэтому вакуумные выключатели снабжаются встро­енными ограничителями перенапряжений или предусматривает­ся установка ОПН (ограничитель перенапряжения). Достоинства вакуумных выключателей:простота конструкции, вы­сокая степень надежности, высокая коммутационная износостой­кость, малые размеры, пожаро- и взрывобезопасность, отсутствие заг­рязнения окружающей среды, малые эксплуатационные расходы. Недостатки вакуумных выключателей:сравнительно небольшие номинальные токи и токи отключения, возможность коммутаци­онных перенапряжений. Элегазовые выключатели. Элегаз SF6 представляет собой инертный газ, плотность кото­рого в 5 раз превышает плотность воздуха. Электрическая проч­ность элегаза в 2-3 раза выше прочности воздуха. В элегазовых выключателях применяются автокомпрессионные дугогасительные устройства. При отключении цилиндр вместе с контактом перемещается вниз, образуется разрыв между подвижным и неподвижным контактами и загорается дуга. Пор­шень остается неподвижным, поэтому при движении цилиндра вниз элегаз над поршнем сжимается, создается дутье в объем каме­ры и полый контакт, столб дуги интенсивно охлаждается, и она гаснет. При включении цилиндр перемещается вверх, контакт оказывается в верхней камере цилиндра и цепь замыкается. Элегазовый выключатель представляет собой замкнутую систе­му без выброса газа наружу. Более эффективным является двустороннее дутье, именно та­кие дугогасительные камеры применяются в современных элега­зовых выключателях, построенных на модульном принципе. Так, в выключателях на 110 кВ — один дугогасительный модуль, на 220 кВ — два, на 500 кВ — четыре. Соответственно меняется изоля­ция относительно земли. Достоинства элегазовых выключателей:пожаро- и взрывобезопасность, быстрота действия, высокая отключающая способность, малый износ дугогасительных контактов, возможность создания серий с унифицированными узлами (модулями), пригодность для наружной и внутренней установки. Недостатки:необходимость специальных устройств для наполне­ния, перекачки и очистки SF6, относительно высокая стоимость SF6. Выбор выключателей. В общих сведениях о выключателях рассмотрены те параметры, которые характеризуют выключатели по ГОСТ 687- 78Е. При выборе выключателей необходимо учесть 12 различных параметров, но так как заводами-изготовителями гарантируется определенная зависимость параметров, например

I _{вкл.ном} ≥ I _{откл.ном}; i _{вкл.ном} ≥1,8 I _{откл.ном},

допустимо производить выбор выключателей по важнейшим параметрам:

напряжению U _ном ≥ U _{сет.ном};

длительному току I _ном ≥ I _{норм.расч}; k _пг I _ном≥ I _{прод.расч}.

Проверку выключателей следует производить на симметричный ток отключения по условию

I _{откл.ном} ≥ I _пτ.

Затем проверяется возможность отключения апериодической составляющей тока КЗ

i _а.ном = β_норм I _{откл.ном}/100 ≥ i _аτ,

где i _а.ном – номинальное допускаемое значение апериодической составляющей в отключаемом токе для времени τ; β_норм – нормированное значение содержания апериодической составляющей в отключаемом токе, % (по каталогам или по рис. 4.33); i _аτ – апериодическая составляющая тока КЗ в момент расхождения дугогасительных контактов

τ = i _{з min} + i _с.в,

где i _{з min} = 0,01 с – минимальное время действия релейной защиты; i _с.в – собственное время отключения выключателя. Если условие I _{откл.ном} ≥ I _пτ соблюдается, а i _аτ > i _а.ном, то допускается проверку по отключающей способности производить по полному току КЗ:

I _{откл.ном} (1 + β_норм /100) ≥ I _пτ + i _аτ.

По включающей способности проверка производится по условию

i _вкл ≥ i _уд; I _вкл ≥ I _п0,

где i _вкл – наибольший пик тока включения (по каталогу); i _уд – ударный ток КЗ в цепи выключателя; I _вкл – номинальный ток включения (действующее значение периодической составляющей); I _п0 – начальное значение периодической составляющей тока КЗ в цепи выключателя. Заводами-изготовителями соблюдается условие i _вкл = 1,8 I _вкл, где k _уд = 1,8 – ударный коэффициент, нормированный для выключателей. Проверка по двум условиям необходима потому, что для конкретной системы k _уд может быть более 1,8.

На электродинамическую стойкость выключатель проверяется по предельным сквозным токам КЗ:

i _пр.скв ≥ i _уд; I _пр.скв ≥ I _п0,

где i _пр.скв – наибольший пик (ток электродинамической стойкости) по каталогу; I _пр.скв – действующее значение периодической составляющей предельного сквозного тока КЗ (по каталогу). На термическую стойкость выключатель проверяется по тепловому импульсу тока КЗ:

I ²_тер t _тер ≥ В _к,

где I _тер – ток термической стойкости по каталогу; t _тер – длительность протекания тока термической стойкости по каталогу, с; В _к – тепловой импульс тока КЗ (интеграл Джоуля) по расчету. Если t _откл ≤ t _тер, то условие проверки:

I ²_тер t _откл ≥ В _к.

Проверка выключателей по параметрам восстанавливающегося напряжения на контактах выключателя в учебном проектировании обычно не производится, так как в большинстве энергосистем реальные условия восстановления напряжения соответствуют условиям испытания выключателя. Если возникает необходимость проверки выключателя по параметрам восстанавливающегося напряжения, то по конкретным данным электроустановки – мощности источников, реактивным сопротивлениям, емкостям трансформаторов, шин, аппаратов и т.д. – производится расчет и построение кривой переходного процесса восстанавливающегося напряжения (ПВН). Согласно ГОСТ 687 – 78Е эта кривая не должна пересекаться с нормированными кривыми ПВН.