Параметры некоторых отечественных воздушных выключателей

НОМИНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВОЗДУШНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Первые промышленные образцы воздушных ВВ на 10 кВ появились в 1929 г. В настоящее время область применения воздушных ВВ — выключатели высокого и сверхвысокого напряжения. Большой опыт проектирования и эксплуатации воздушных ВВ был использован при разработках и внедрении в эксплуатацию более совершенных элегазовых ВВ.

Для ОРУ напряжением 110 кВ и выше используются баковые воздушные ВВ, где гашение дуги осуществляется потоком сжатого воздуха с давлением в ДУ до 4,1 МПа (абс.) через сопловые конструкции ДУ. Параметры некоторых отечественных воздушных ВВ приведены в табл. 3.1 [8].

Таблица 3.1

Параметры некоторых отечественных воздушных выключателей

Тип выключа- теля	Номина- льное напряже- ние , кВ	Номина- льный ток, А	Номина- льный ток от ключе- ния, кА	Номиналь- ное давле- ние сжато- го воздуха, р, МПа (изб.)	Время отклю-чения, сек	Число дугогаси- тельных разрывов
ВВБ			31,5		0,06
ВВБК					0,06
ВВБ			31,5; 40	2; 3,2	0,08
ВВБК					0,04

Для воздушных ВВ на 110 кВ и выше требуется сложная компрессорная установка с давлением 16-28 МПа. Большое количество подвижных элементов силовой пневмомеханики высокого давления со сложными механическими связями и уплотнительными соединениями (неподвижными и подвижными) понижает надежность таких ВВ в эксплуатации. Согласно инструкции по эксплуатации необходим осмотр воздушных ВВ под напряжением не реже одного раза в сутки (проверка давления сжатого газа, наличия загрязненности изоляторов, наличия вентиляции, отсутствия утечек воздуха, наличия подогрева при температуре ниже –10 ^оС и т. д.). Предусмотрен также «средний ремонт» один раз в три года (если не исчерпан механический или коммутационный ресурс), который предполагает разборку и ремонт выключателя (смена контактов, сопел, уплотнений и т. д.).

Отключение НКЗ возможно данным типом ВВ только с введением шунтирующих резисторов (при номинальном токе отключения 40 кА и выше), что потребовало введения шунтирующих резисторов в конструкцию ВВ с дополнительными собственными контактами. Ресурс по отключению номинального тока — 500 циклов ВО, что является недостаточным для современного уровня развития коммутационной аппаратуры. Значительное количество разрывов для воздушных ВВ сверхвысокого и ультравысокого напряжения понижают их надежность в эксплуатации. Действительно, если современный элегазовый ВВ на 500 кВ на = 40 –50 кА имеет один разрыв и один привод на фазу, то для воздушного ВВ типа ВВБ 500 кВ на фазу необходимо иметь 12 разрывов с 3 отдельными силовыми пневмоприводными системами для коммутации.

В первых воздушных ВВ воздух поступал в ДУ только в процессе отключения (во время гашения дуги), а дутьевой клапан, как правило, располагался на входе в ДУ (например, выключатели типа ВВН).

Наибольшее распространение получили воздушные ВВ, в которых ДУ находится в металлическом резервуаре со сжатым воздухом (баковые ВВ). В таких ВВ силовая пневмомеханика при отключении и включении контактов выключателя, гашение электрической дуги в дугогасительном устройстве, создание изоляции между элементами конструкции и контактами обеспечивается сжатым воздухом. Наибольшее применяемое в настоящее время номинальное давление составляет 4,0 –5,0 МПа.

ДУ таких выключателей постоянно заполнены сжатым воздухом, и обдув электрической дуги отключения между контактами начинается после открытия дутьевого клапана, расположенного в выхлопной части камеры. Для класса напряжения 110 кВ в таких ВВ используется стандартный модуль, в котором два разрыва (два межконтактных промежутка с соплами) расположены в одном резервуаре со сжатым воздухом. Для более высокого класса напряжения ВВ количество модулей увеличивается, и они снабжаются делительными конденсаторами для выравнивания распределения напряжения между разрывами.

На рис. 3.1 в упрощенном виде представлены наиболее характерные конструктивные схемы воздушных ВВ.

В первой схеме (рис. 3.1, а)сжатый воздух находится в заземленном резервуаре 1, который одновременно является основанием ВВ. На основании установлен изоляционный воздухопровод 3, по которому сжатый воздух подается к дугогасительному устройству 4, расположенному в изоляционной покрышке. Дутьевой клапан 2 укреплен на резервуаре в нижней части воздухопровода, длина которого зависит от номинального напряжения. С ростом номинального напряжения расстояние между ДУ, находящимся под высоким потенциалом, и заземленным резервуаром сжатого воздуха увеличивается. Это приводит к уменьшению быстродействия ВВ. Падение давления воздуха в канале опорной колонки 3 отрицательно сказывается на гашении дуги. Отсюда вытекает нецелесообразность применения таких ВВ на сверхвысокие напряжения. При расположении дутьевого клапана в верхней части воздухопровода ДУ заполняется воздухом быстрее, но давление воздуха в этом случае ниже, что может привести к снижению отключающей способности ВВ.

Рис. 3.1. Принципиальные схемы воздушных выключателей

В ВВ (рис. 3.1, б)дугогасительное устройство 4 находится непосредственно в металлическом резервуаре 1 со сжатым воздухом. В этом случае для ввода высокого напряжения в дугогасительную камеру необходимы специальные изоляторы 6, работающие в тяжелых условиях: сильнонеоднородное электрическое поле, высокое давление газовой среды. ДУ таких ВВ постоянно заполнены сжатым воздухом, и обдув дуги начинается с момента открытия дутьевого клапана 2, расположенного в выхлопной части камеры. При использовании ДУ с двухсторонним дутьем может возникнуть необходимость в дополнительных дутьевых клапанах 5.

В ВВ (рис. 3.1, в) изоляционная дугогасительная камера 1 со сжатым воздухом выполняется из высокопрочного стеклопластика (остальных элементов ВВ: 2, 3, 4, 5, соответствуют конструкции на рис. 3.1, б). Применение изоляционной дутогасительной камеры позволяет отказаться от изоляционных вводов, являющихся самым ненадежным элементом в конструкции ВВ, а также уменьшить массу и габариты частей, находящихся под высоким напряжением.

Воздушные баковые выключатели серии ВВБ (рис. 3.2) рассчитаны на напряжения 110–750 кВ. ДУ состоят из одного или нескольких двухразрывных модулей с металлической камерой на напряжение 110 кВ. В ДУ используется система одностороннего продольного воздушного дутья.

Рис. 3.2. Воздушный баковый выключатель 500кВ

Напряжение подводится к контактам ДУ с помощью эпоксидных вводов, защищенных снаружи фарфоровыми покрышками. Снаружи ДУ находятся конденсаторы, служащие для выравнивания распределения напряжения по разрывам.

На рис. 3.2 приведена принципиальная схема ВВ серии ВВБК на 500 кВ, где 1 —шкаф управления; 2 — опорная колонка; 3 — колонка управления; 4 — ввод (изоляционный) модуля ДУ: 5 — промежуточные изоляторы; 6 — бак модуля: 7 — токоведущие перемычки.

Выключатели ВВБК имеют большие номинальные токи и номинальные токи отключения, меньшее число модулей. В ВВБК применяются быстродействующая механическая система управления и усовершенствованное ДУ с системой несимметричного дутья, а также повышенное до 4 МПа рабочее давление [8].

3.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ СЖАТОГО ВОЗДУХА
ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ В ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВАХ

Номинальные параметры воздушных ВВ соответствуют ГОСТ 52565-06. К специфическим номинальным (нормированным) параметрам, характерным для воздушных ВВ (ВВ с двумя ступенями давления), следует отнести номинальное давление сжатого воздуха р_ном (высокое давление в баке ВВ).

Номинальное давление сжатого воздуха (избыточные давления по манометру в мегапаскалях)— это давление, при котором определены условия гашения дуги и оперирования приводом ВВ. Приведем принятые в России номинальные давления 0,5; 1,0; 1,6; 2,0; 2,6; 3,0; 4,0.

Важной характеристикой сжатого воздуха, применяемого для ВВ, является его относительная влажность a_вл. (%), определяемая как отношение количества влаги g_вл, содержащегося в воздухе при данной температуре, к наибольшему количеству влаги g₁₀₀, которое в нем может содержаться при этой же температуре (100 %-ная влажность):

a_вл = g_вл100/g₁₀₀. (3.1)

При большой влажности сжатого воздуха и значительных перепадах температуры окружающего воздуха в течение короткого времени часть влаги может выпасть на изоляционных частях ВВ и привести к перекрытию по поверхности.

На рис. 3.3 показано изменение относительной влажности сжатого воздуха a_вл, измеренное в двух резервуарах (кривые 1 и 2) ВВ при изменении температуры окружающего воздуха от – 1 до – 20 °С в течение 5 суток. Влажность воздуха, подаваемого в ВВ, составляла 50 %. Следует отметить, что ГОСТ 15150-69 нормирует более существенное изменение температуры, а именно,
40 ^оК в течение 8 часов, и более низкий нижний предел температуры (до – 60 °С). Из рис. 3.3 видно, что уже при окружающей температуре – 20 °С часть водяных паров конденсируется, приводя к существенному ухудшению изоляции [8].

Влажность сжатого воздуха мало сказывается на разрядном напряжении U_пер в промежутке между электродами. Однако она существенно влияет на U_пер по поверхности изоляционных элементов конструкции ДУ во влажном сжатом воздухе. В частности, при значительном увлажнении поверхности изолятора поверхностная пленка влаги обусловливает возникновение токов утечки; из-за загрязнения образуются зоны низкой проводимости, между которыми возникает коронный разряд. Высокое содержание азота в сжатом воздухе приводит к образованию оксидов азота, которые, взаимодействуя с влагой, образуют азотную и азотистую кислоты. В результате увеличивается поверхностная проводимость. Процесс развивается лавинообразно и заканчивается перекрытием по поверхности.

Рис. 3.3. Изменение относительной влажности сжатого воздуха и
температуры в резервуарах ВВ при эксплуатации

В эксплуатации применяются три способа осушки воздуха, подаваемого в ВВ: химический, абсорбционный и термодинамический.

Первый основан на пропускании влажного воздуха через химические осушители, содержащие влагопоглощающее вещество, например, силикагель, а второй — на пропускании воздуха через специальные, например, керамические фильтры. Оба способа включают в себя обязательный процесс регенерации влагопоглощающего вещества, обычно при помощи подогревателей. Из-за относительно низкой пропускной способности и сложности эксплуатации эти способы не получили широкого распространения, однако к преимуществам их следует отнести отсутствие необходимости компрессоров высокого давления. Более распространена термодинамическая сушка, заключающаяся в комбинированном охлаждении и затем в пропускании сжатого воздуха через редукторный клапан.

Электрическая прочность воздуха высокого давления.Электрическая прочность промежутков, находящихся в сжатом воздухе, существенно зависит от материала, площади и состояния контактов (чистоты обработки), от давления, степени очистки и т. д. Перечисленные выше факторы снижают электрическую прочность промежутка. От этих факторов зависят статистические характеристики разрядных напряжений, а также вольт-секундные характеристики.

Рис. 3.4. Разрядная напряженность сжатого воздуха для различных
электродных систем от избыточного давления

Материал электродов практически начинает сказываться на разрядном напряжении при давлениях свыше 1 МПа. Материалы, наиболее широко применяемые для электродов при одинаковой их конфигурации и одном и том же размере промежутка, можно в порядке возрастания разрядного напряжения расположить в следующий ряд: алюминий, медь, никель, латунь и сталь. Сравнение средней разрядной напряженности Е в сжатом воздухе для электродов из стали и алюминия при изменении избыточного давления р приведено на рис. 3.4 (кривые 1 и 2 — постоянное напряжение, предварительная очистка камеры, электроды из нержавеющей стали и алюминия соответственно; кривые 3 и 4 — импульсное напряжение (1,5/40 мкс, максимальное значение) и напряжение 50 Гц (амплитуда) соответственно (значения Е соответствуют 50 % вероятности разряда), применены сетчато-войлочный фильтр, предварительная очистка камеры, латунные электроды, шлифованные наждачной бумагой; 5 — то же, что и 4, но без фильтра [8].

Очистка сжатого воздуха от механических примесей является весьма эффективным средством повышения его электрической прочности. Из сравнения кривых 4 и 5 на рис. 3.4 видно, что при давлении 1 МПа очистка сжатого воздуха увеличивает его электрическую прочность на 20 %, а при давлении 2 МПа это увеличение составляет уже примерно 70 %. Таким образом, эффективность очистки воздуха резко увеличивается с повышением его давления. В указанных случаях очистка воздуха осуществлялась сетчато-войлочным фильтром, установленным на входе в камеру, многократной продувкой камеры.

Влияние температуры на разрядное напряжение промежутка в сжатом воздухе между двумя симметричными полыми медными электродами диаметром 70/40 мм при атмосферном давлении, из которых один подвергался нагреву, показано в табл. 3.2. Как видно из таблицы, разрядное напряжение U_раз промежутка при повышении температуры t одного из электродов от 20 до 500 °С снижается в 2,6 раза при длине промежутка l = 5,7 мм и в 2 раза при длине промежутка 30 мм.

Таблица 3.2