Тенденции в развитии современных воздушных выключателей.

1. Модульный принцип построения серий. Этот принцип позволяет строить серии в весьма большом диапазоне напряжений (35—1150 кВ) из одинаковых модулей, производить по модульные испытания и иметь максимально выгодные условия производства, эксплуатации и монтажа. Наметилась тенденция существенного увеличения напряжения, приходящегося на один модуль (250 кВ и выше).

2. Размещение дугогасительных устройств непосредственно в сжатом воздухе. При этом обеспечиваются максимальная коммутационная способность, быстродействие, изоляционная прочность межконтактных промежутков и пропускная способность по номинальному току. Наибольшее применяемое сейчас давление достигает 6-8,5 МПа.

3. Применение быстродействующих систем управления с малым разбросом времени оперирования. Основным назначением таких систем является обеспечение работы выключателей на очень высокие напряжения с временем отключений до одного полупериода, а также выключателей с синхронным отключением или включением.

4. Ограничение коммутационных перенапряжений, что особенно важно для выключателей высших классов напряжения.

5. Повышение надежности и увеличение межремонтных сроков до 15—20 лет.

6. Введение принудительного охлаждения для генераторных выключателей.

1-4. ВЫКЛЮЧАТЕЛИ ЭЛЕГАЗОВЫЕ

Конструкции элегазовых выключателей выполняются в основном с автокомпрессорным дутьем или магнитным дутьем.

При первом способе электрическая дуга охлаждается элегазом, который перетекает из резервуара высокого давления (около 1 МПа) в резервуар низкого давления (0,3 МПа), т. е. используется тот же принцип, что и в воздушном выключателе. Схема дугогасительного устройства с автокомпрессорным продольным дутьем приведена на рис. 1-12, а. Подвижный контакт 2 вместе с изоляционным соплом 3, перегородкой 4 и цилиндром 5, отходя от неподвижного контакта 1, надвигается на поршень 6. Элегаз через отверстия в перегородке и сопло омывает дугу с большой скоростью и гасит ее через 0,02-0,03 с.

Рис. 1-12. Схемы дугогасительных устройств элегазовых выключателей:

а – с явтокомпрессорным дутьем; б – с магнитным дутьем.

Рис. 1-13. Схема полюса элегазового выключателя для КРУЭ на 220 кВ

Избыточное давление в этих выключателях получается за счет энергии привода, и оно значительно. Ввиду этого здесь применяется пневматический привод. Поскольку давление, необходимое для гашения дуги, появляется в процессе движения контактов, то снижение времени гашения дуги (в частности, до 0,01 с) такое дугогасительное устройство не может обеспечить.

Схема дугогасительного устройства с магнитным дутьем приведена на рис. 1-12,6. Устройство размещается в изоляционном цилиндре 1, наполненном элегазом. На дугу, возникающую между расходящимися контактами 2 и 3, действует радиальное магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами 4 (или последовательной катушкой). Дуга быстро перемещается по окружности, усиленно охлаждается и гаснет. Такие устройства применяются в выключателях нагрузки.

Для комплектных распределительных устройств с элегазовой изоляцией (КРУЭ) напряжением 110 и 220 кВ ВЭИ и ЛенПО «Электроаппарат» разработали, изготовили и испытали выключатели с I_ном = 2000 А, I_{о ном} = 40 кА, временем отключения 0,065 с, временем гашения 0,080 с, номинальным давлением элегаза 0,7 МПа, номинальным давлением привода 2,0 МПа [36].

Схема полюса элегазового выключателя для КРУЭ на 220 кВ приведена на рис. 1-13. Неподвижный контакт 5 прикреплен к баку 1 на литом изоляторе 6. Выключатель имеет два дугогасительных устройства 4 с автокомпрессорным дутьем (см. рис. 1-12, а), они же подвижные контакты. Дугогасительные устройства соединены последовательно перемычкой 3, равномерное распределение напряжения между устройствами обеспечивается керамическими конденсаторами 8. Подвижный контакт 4 приводится в движение изоляционной штангой 9 через рычажный механизм 11. Подвижный контакт и конденсаторы закрыты экраном 2. Цилиндр 10 изолирует контакты 4 от бака. Выключатель заполнен элегазом (при давлении 0,55 МПа). Неподвижные контакты 5 выведены из бака через вводы элегаз - элегаз. Изоляционная перегородка 7 ввода герметизирует объем бака и позволяет сохранить элегаз в выключателе при отсоединении его от КРУЭ.

1-5. ВЫКЛЮЧАТЕЛИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ

Выключатели электромагнитные обладают теми достоинствами, что для своей работы не требуют ни масла, ни сжатого воздуха, ни тем более элегаза, они допускают большое число включений. Однако отключающая способность их ограничена по напряжению. Гашение в электромагнитных выключателях основано на воздействии на ствол дуги и достижении падения напряжения на стволе дуги, большего приложенного. Они находят применение как выключатели для КРУ на напряжение 6—20 кВ, токи до 3200 А при частых коммутациях (выключатели нагрузки — выключатели в цепях мощных двигателей и других нагрузок).

Гашение дуги здесь осуществляется при помощи магнитного дутья в камерах с продольными (прямыми, извилистыми и т. п.) щелями. Катушки магнитного дутья и токопроводы к ним обычно при замкнутых контактах не обтекаются током. При отключении возникающая дуга перебрасывается на эти детали и включает их последовательно в цепь тока. Возбуждается поле гашения дуги. Дуга гаснет, ток в цепи обрывается. Таким образом, эти детали находятся под током только на время гашения — примерно 0,02 с.

Рис. 1-14. Контактная и дугогасительная системы электромагнитного выключателя.

На рис. 1-14, а представлена схема контактной и дугогасительной систем электромагнитного выключателя. Контактная система состоит из основных 1 и 2 и дугогасительных 3 и 10 контактов, последние имеют дугостойкие напайки. Дугогасительная система состоит из изоляционной камеры 4 и охватывающего камеру П-образного магнитопровода 5, на среднюю часть которого надета дугогасительная катушка 6. Внутри камеры размещен пакет дугогасительных керамических пла­стин 8, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. В нижней части пластины имеют вырезы, постепенно сужающиеся кверху. Пластины образуют постепенно сужающуюся зигзагообразную щель (рис. 1-14,6). По бокам пакета укреплены дугогасительные рога. Рог 7 электрически соединен только с дугогасительной катушкой. Второй конец катушки присоединен к неподвижному контакту. Рог 9 соединен с подвижным контактом. При замкнутых контактах катушка не обтекается током. Возникающая при размыкании контактов дуга движется сначала под действием только электродинамических сил контура (положения А и Б) и перебрасывается этими силами на рога 7 и 9. При этом в контур тока включается дугогасительная катушка, и созданное ею магнитное поле загоняет дугу в решетку (положения В, Г и Д), где и происходит ее гашение. Многие дугогасительные устройства имеют пламегасительные решетки.

В системах с электромагнитным дутьем затруднено гашение малых токов ввиду соответственно малых электродинамических сил, подчас недостаточных для растяжения дуги и переброса ее на рога. Поэтому многие конструкции снабжаются небольшим автопневматическим устройством, связанным с подвижной системой и действующим на начальном этапе расхождения контактов.

Все три полюса выключателя монтируются на стальной сварной раме, имеющей катки. В нижней части рамы расположен привод. Как правило, привод электромагнитный, но может быть и другой. На опорных фарфоровых изоляторах, закрепленных на вертикальной стойке рамы, укреплены контактная и дугогасительная системы. Токоподводы при встройке выключателя в КРУ снабжаются втычными контактами. Подвижные контакты трех полюсов связаны изоляционными тягами с общим валом выключателя. Дугогасительная камера и контакты каждого полюса закрыты изоляционным кожухом, отделяющим полюсы выключателя друг от друга и от стенок распределительного устройства.

Механическая износостойкость выключателей-до 50000 циклов, коммутационная — 5000 отключений.

1-6. ВЫКЛЮЧАТЕЛИ ВАКУУМНЫЕВ

В вакуумных выключателях гашение дуги происходит в высоком вакууме. Высокие дугогасящие свойства этой среды позволили создать выключатели на напряжение до 35кВ. Благодаря своим преимуществам вакуумные выключатели вытесняют другие выключатели, в том числе и электромагнитные, особенно в диапазоне напряжений 6—10кВ.Основные их преимущества:

отсутствие компрессорных установок, масляного хозяйства, а также необходимости в пополнении и замене дугогасящей среды;

высокая механическая и коммутационная износостойкость (до 5-10⁵ и 10⁶ операций соответственно);

минимум обслуживания, бесшумность и чистота, снижение эксплуатационных затрат (почти в два раза), срок службы 25 лет;

полная взрыво- и пожаробезопасность. Недостатками вакуумных выключателей являются:

трудности разработки и изготовления, связанные с созданием вакуумно-прочных материалов и специальных контактных материалов, сложностью вакуумного производства;

большие капитальные вложения, необходимые для организации массового производства.

Дугогасительное устройство (ДУ) выключателя выполняется как герметичный сосуд, давление внутри которого равно 1,33(10^-4....10^-6) Па. Нажатие подвижного контакта на неподвижный создается за счет атмосферного давления. При больших номинальных токах ставится дополнительная контактная пружина.

Рис. 1-15. Вакуумное дугогасительное устройство.

Рис. 1-16. Выключатель вакуумный на 1600 А серии ВВЭ-10

Пример конструкции вакуумного ДУ приведен на рис. 1-15. ДУ представляет собой изоляционный (керамический) вакуумно-прочный ребристый цилиндр 10, закрытый фланцами 2. Внутри цилиндра расположены неподвижные контакт 8 и токоподвод 9, подвижные контакт 6 и токоподвод 3 (7 — дугогасительные контакты). Для снижения переходного сопротивления применяется многоточечный торцевой контакт. Токоподвод 3 связан с корпусом сильфоном 1, чем и обеспечивается возможность перемещения контакта. Сильфон представляет собой цилиндрическую гармошку, выполненную из нержавеющей стали. Внешние шины присоединяются к токоподводу 9 жестко, а к токоподводу 3 — с помощью гибких проводников. Для выравнивания электрического поля и защиты цилиндра 10 от попадания на него металлических частиц (при отключении) служат экраны 4 и 5.

Выключатели вакуумные серии ВВЭ-10 (рис. 1-16) выпускаются на напряжение 10 кВ частотой 50 и 60 Гц, номинальные токи 630—3200 А, отключаемые токи 20—31,5 кА при включаемых ударных токах 52—80 кА.

На основании (выкатной тележке) 5 установлены дугогасительные устройства 2 полюсов с токоподводами 1 и электромагнитный привод 4. Привод с системой рычагов и пружин осуществляет управление контактами — размыкание, удержание контактов в разомкнутом положении и обеспечение их замыкания. Выключатель снабжен соответствующим числом вспомогательных контактов для цепей управления и сигнализации. На фасадной панели 3 размещаются все вспомогательные устройства.

ГЛАВА 2

Разъединители, отделители и короткозамыкатели. Выключатели нагрузки

2-1. РАЗЪЕДИНИТЕЛИ

Разъединители — аппараты, предназначенные для включения и отключения участков электрических цепей под напряжением при отсутствии нагрузочного тока [З]. Они применяются во всех высоковольтных установках для обеспечения видимого разрыва при отключении какого-либо участка цепи, а также для производства переключении и набора нужной схемы. Все операции с разъединителями, как правило, выполняются при обесточенных цепях.

Кроме того, разъединители наружной установки рассчитываются на возможность разрыва посредством их ножей зарядных токов воздушных и кабельных линий, а также токов холостого хода силовых трансформаторов и токов небольших нагрузок; поэтому их контакты часто снабжаются дугогасительными рогами.

Отличительной чертой разъединителей, а также отделителей и короткозамыкателей в сравнении с выключателями является отсутствие дугогасительных устройств.

Разъединители строятся для внутренней и для наружной установки на всю шкалу токов и напряжений. Они могут выполняться как трехполюсными на общей раме (обычно при напряжениях до 35 кВ), так и однополюсными при более высоких напряжениях. Последнее обусловлено тем, что при напряжениях свыше 35 кВ требуемые расстояния между фазами достаточно велики и общая рама получается чрезвычайно громоздкой и тяжелой.

Рис. 2-1. Разъединитель внутренней установки.

Полюс разъединителя независимо от разнообразия конструкций состоит из неподвижного и подвижного (ножа) контактов, укрепленных на соответствующих изоляторах, опорной плиты или рамы и привода.

Основным элементом разъединителя являются его контакты. Они должны надежно работать при номинальном режиме, а также при перегрузках и. сквозных токах короткого замыкания. В разъединителях применяют высокие контактные нажатия. При больших токах контакты выполняют из нескольких (до восьми) параллельных пластин. Применяют пластины прямоугольного, швеллерного и круглого сечений. Для обеспечения высокой электродинамической устойчивости широко используют электромагнитные и электродинамические компенсаторы (часто говорят «замки»).

Разъединители могут иметь приводы: ручной — оперативную штангу, рычажный или штурвальный и двигательный — электрический, пневматический или гидравлический.

Во избежание ошибочных действий, т. е. размыкания под током, что может привести к крупным авариям и несчастным случаям, разъединитель всегда блокируется с выключателем. Блокировка допускает оперирование разъединителем только при отключенном выключателе. По исполнению блокировка может быть механической, механически-замковой, электромагнитно-замковой или другой. Конструктивное различие между отдельными типами разъединителей состоит прежде всего в характере движения подвижного контакта (ножа). По этому признаку различают разъединители [3]:

вертикально-поворотного (врубного) и горизонтально-поворотного типов с вращением ножа в плоскости, параллельной или перпендикулярной осям поддерживающих изоляторов данного полюса соответственно;

качающегося типа с вращением ножа совместно с поддерживающим его изолятором в плоскости, параллельной осям поддерживающих изоляторов данного полюса;

с прямолинейным движением вдоль размыкаемого промежутка либо только ножа, либо ножа совместно с изолятором (катящегося типа);

со складывающимся ножом, со сложным движением (поворот и складывание) ножа;

подвесного типа с перемещением ножа вместе с поддерживающими изоляторами в плоскости, параллельной осям неподвижных подвесных изоляторов.

Рис. 2-2. Ведущий полюс разъединителя 35 кВ, 3200 А

1-основание; 2-изолятор; 3 - неподвижный контактный вывод; 4 - подвижный контактный нож с ламелями II; 5 - подвижный контактный нож без ламелей; 6 - подвесной контакт ножей заземления; 7 - приводной вал; 8 - привод; 9 — контактный вывод заземляющего контура; 10 - болт заземления

Пример исполнения разъединителя внутренней установки приведен на рис. 2-1. Полюс разъединителя состоит из неподвижных контактов 1, укрепленных на опорных изоляторах 5. Неподвижные контакты охватываются подвижным контактом 2, состоящим из двух ножей. Контактное нажатие создается пружинами 6. Компенсация электродинамических сил в контактах происходит за счет одинаково направленных токов в подвижных ножах. Привод контактов осуществляется через приводной вал 7, соответствующие рычаги и тяговый изолятор 3. Собирается разъединитель на раме 4.

На рис. 2-2 приведена схема ведущего полюса разъединителя горизонтально-поворотного типа.

2-2. ОТДЕЛИТЕЛИ И КОРОТКОЗАМЫКАТЕЛИ

В настоящее время широко применяются высоковольтные подстанции, на которых входной выключатель В2 (рис. 2-3, а) заменяется отделителем О и короткозамыкателем КЗ, что позволяет упростить и удешевить установку, не ухудшая ее надежности. По схеме рис. 2-3, а трансформатор Г при повреждении отключается выключателем В2. По схеме рис. 10-3,б от сигнала защиты замыкается короткозамыкатель КЗ, создавая короткое замыкание на землю, что приводит к срабатыванию выключателя В1 в начале линии. За время бестоковой паузы цикла автоматического повторного включения (АПВ) размыкается отделитель О, отключая поврежденный трансформатор. Выключатель В1 автоматически вновь включается, восстанавливая питание на остальных трансформаторах.

Отделитель предназначен для автоматического отключения поврежденного участка электрической цепи в момент отсутствия в ней тока, т. е. в период бестоковой паузы цикла АПВ выключателя на питающем конце линии.

Короткозамыкатель предназначен для создания искусственного короткого замыкания с целью вызвать отключение выключателя, установленного на питающем конце линии.

По конструкции отделители и короткозамыкатели суть разъединители с быстродействующими приводами, управляемыми от системы защиты. Примеры их устройства показаны ниже.

Короткозамыкатель (рис. 2-4) состоит из основания 3, на котором установлен соответствующий напряжению изолятор 2 с верхним неподвижным контактом 1 (закрыт кожухом), снабженным выводом для присоединения к линии электропередачи. Основание 3 заземлено и при помощи гибкой связи б соединено с подвижным контактом (ножом) 8. Подвижный контакт вращается на оси 7 и связан с приводом и замыкающей пружиной 4. Привод размыкает контакты (отводит нож) и ставит нож под защелку, взводя при этом пружину. По сигналу от защиты защелка освобождает нож, и под действием пружины контакты замыкаются, таким образом достигается фиксированное быстродействие. Буфер 5. служит для амортизации удара в контактах при включении.

Принципиальная схема короткозамыкателя с отделителем приведена на рис. 2-5.

Рис. 2-4. Общий вид (схема) короткозамыкателя.

Рис. 2-3. Схема замещения выключателя