Вакуумные и воздушные выключатели

В вакуумных выключателях контакты расходятся в среде с давлением 10^-4 Па. При таком вакууме дугогасительный промежуток имеет высокую электрическую прочность - примерно 100 кВ/мм. Малая плотность воздуха создает возможность гашения дуги без ДУ за время 0,01 - 0,02 с.

Высокие значения напряжённости электрического поля являются причиной возникновения дуги в вакууме благодаря автоэлектронной эмиссии.

Малая плотность среды обусловливает высокую скорость диффузии зарядов из-за большой разности плотности частиц в разряде и вакууме. Быстрая диффузия частиц, высокая электрическая прочность вакуума позволяют эффективно гасить дугу в выключателе.

При работе выключателя распыленные материалы контактов осаждаются на поверхности изоляционного цилиндра, что создает возможность перекрытия изоляции. Для защиты цилиндра от паров металла электроды защищаются металлическими экранами 8 и 9 (рис. 20.1).

В вакуумной дугогасительной камере контактный стержень 4 с контактным наконечником 1-2 жестко укреплен в металлическом фланце 6 керамического корпуса 10. Контактный стержень подвижного контакта 5 связан с сильфоном 7, выполненным из нержавеющей стали. Сильфон представляет собой цилиндрическую эластичную гармошку. Поэтому стержень 5 имеет возможность осевого перемещения. Внутренняя полость сильфона связана с атмосферой, поэтому контакт 3 верхнего контакта нажимает на контакт 3 нижнего контакта с силой, равной произведению площади сильфона на атмосферное давление.

При больших номинальных токах и для получения необходимой динамической стойкости ставится дополнительная пружина, создающая необходимое нажатие контактов. Металлические экраны 8 и 9 служат для выравнивания электрического поля между контактами с целью повышения электрической прочности. Экран 8 защищает также керамику 10 от напыления паров металла, образующихся при гашении дуги. Касание контактов 1 происходит в шести точках, что позволяет снизить переходное сопротивление и уменьшить температуру контактов. Тепло, выделяемое в контактах 1, 1' и контактных стержнях 4, 5, отводится в основном теплопроводностью к нижнему фланцу 6 и шинам, соединяемым с контактом 5. Из-за высокого вакуума отдача тепла в радиальном направлении идет только за счет излучения.

Рис. 20.1. Вакуумная дугoгасительная камера

Поперечное магнитное поле в месте перехода тока из контакта 1 в контакт 1' быстро перебрасывает дугу на криволинейные сегменты 2. Перемещение дуги по контактам с большой скоростью позволяет уменьшить эрозию контактов и снизить количество паров металла в вакуумной дуге. Однако при больших токах отключения напряжение на дуге начинает расти с увеличением тока (до 100 В и выше). При этом энергия дуги увеличивается, процесс гашения затрудняется.

Общий вид выключателя, использующего ДУ по схеме рис. 20.1, показан на рис. 20.2.

Рис. 20.2. Вакуумный выключатель

Дугогасительные камеры 1, залитые в эпоксидный компаунд, имеют выходные контакты 2 в виде розеток. ДУ укреплены на тележке 3, в которой расположены механизм и привод выключателя.

Преимущества вакуумных выключателей:

· отсутствие специальной дугогасящей среды, требующей замены;

· высокая износостойкость;

· быстрое восстановление электрической прочности междуконтактного промежутка;

· высокое быстродействие, обусловленное малой массой контактов и их малым ходом;

· широкий диапазон рабочих температур: от –70 до +200°С.

К недостаткам можно отнести:

· возникновение больших перенапряжений при отключении индуктивной нагрузки, что может приводить к повреждению изоляции;

· большие трудности при создании выключателей на номинальное напряжение 100 кВ и выше, когда приходится соединять несколько разрывов последовательно;

· сложность разработки и изготовления;

· большие затраты для организации производства.

В воздушном выключателе в качестве гасящей среды используется сжатый воздух, находящийся в баке под давлением 1 – 5 МПа. При отключении сжатый воздух из бака подается в ДУ. Дуга, образующаяся в камере ДУ, обдувается интенсивным потоком воздуха, выходящим в атмосферу.

На рис. 20.3 показан воздушный выключатель типа ВВП-35 для электротермических установок.

Рис. 20.3. Выключатель типа ВВП-35

Принципиальной особенностью выключателя является наличие отделителя 1, включенного последовательно с ДУ3. В ДУ продольного дутья ток отключения зависит от отношения l/d, где l - расстояние между контактами, d - диаметр сопла ДУ. Для одностороннего сопла наибольшее значение тока отключения достигается при l/d=0,33. После отключения обычно в ДУ устанавливается атмосферное давление и расстояние l=0,33d может пробиваться восстанавливающимся напряжением. Поэтому последовательно с ДУ включается отделитель, который создает надёжный изоляционный промежуток после гашения дуги и смыкания контактов ДУ. При отключении сначала расходятся контакты в ДУ и дуга гаснет, затем расходятся контакты разъединителя. После этого подача сжатого воздуха в ДУ прекращается и контакты ДУ смыкаются. Включение выключателя производится замыканием контактов отделителя 1 и 2. Работа узлов выключателя описывается ниже.

Сжатый воздух находится в стальном баке 4. На стеклоэпоксидной трубе 5 расположено ДУ 3. Цепь высокого напряжения присоединяется к выводам 9 и 7. Последовательно с ДУ включены контакты 1 и 2. Неподвижный контакт отделителя 2 укреплен на стеклопластиковом цилиндре 8. Привод ножа отделителя осуществляется через изоляционную штангу 6. Для ограничения перенапряжений дуговой промежуток шунтирован нелинейным резистором 16. При отключении электромагнит воздействует на пусковой клапан 18 и сообщает с атмосферой полость справа от поршня 10.

Под действием сжатого воздуха поршень 10 перемещается вправо вниз и открывает главный клапан 11. Сжатый воздух из бака 4 поступает по трубе 5 в ДУ. В ДУ (рис. 20.4) под действием сжатого воздуха поршень 12 вместе с трубчатым контактом 13 поднимается вверх. Дуга между контактами 13 и 14 интенсивно охлаждается сжатым воздухом. Предельная длина дуги ограничивается электродом 15. Длительность горения дуги составляет 0,5-1,5 полупериода.

После погасания дуги привод приводит нож отделителя 1 в положение, обозначенное пунктиром. После отключения клапан 11 закрывается и под действием пружины 17 контакты ДУ замыкаются. Для включения выключателя изменяется направление потока сжатого воздуха, поступающего в привод отделителя, благодаря чему нож 1 и контакт 2 замыкаются. Из-за невысокой надежности отделителей такие выключатели не применяются в открытых распределительных устройствах (ОРУ). В ОРУ используются выключатели с газонаполненным отделителем (серии ВВН), в которых контакты отделителя защищены от воздействия окружающей среды. В электротермических установках на напряжение 110 и 220 кВ используются выключатели серии ВВБ, в которых дугогасительная камера размещается непосредственно в баке с сжатым воздухом.

На рис. 20.5, а показан полюс выключателя серии ВВБ на напряжение 110 кB. Бак с сжатым воздухом 1 располагается на опорном изоляторе 2, в этом же изоляторе проходят управляющие воздухопроводы, воздух в которых находится под давлением 2,6 МПа. Шкаф управления 3 расположен в основании выключателя. ДУ соединяется с внешней цепью токоведущими частями проходных изоляторов 4. Равномерное распределение напряжения между двумя разрывами устройства обеспечивается с помощью конденсаторов 5.

Рис. 20.4. Дугогасительное устройство

выключателя ВВП-35

Схема устройства представлена на рис. 20.5,б, где 5 - шунтирующие конденсаторы, обеспечивающие равенство напряжений на двух разрывах устройства; 6 - основные контакты; 7 вспомогательные; 8 - шунтирующие резисторы, служащие для снижения скорости восстановления напряжения. Ток через шунтирующие резисторы отключается контактами 7 после гашения дуги в основных разрывах 6.

в

б

а

Рис. 20.5. Баковый воздушный выключатель серии ВВБ-110

В ДУ (рис. 20.5,в) неподвижный контакт 9 укреплен на конце токоведущего стержня изолятора 10. Подвижный контакт 11 укреплен на траверсе 12, связанной с приводным штоком 13. Выступ 14 на штоке 13 служит для фиксации механизма ДУ во включенном положении с помощью защелок 15.

Во включенном положении полость бака отделена от атмосферы с помощью клапана, закрывающего выхлоп 1. При отключении в привод подается сжатый воздух, под действием которого шток 13 перемещается вверх и открывает клапан выхлопа 1, отделяющий полость бака от атмосферы. Дуга между контактами 11 и 9 потоком выходящего воздуха сдувается на точки а и б, где подвергается интенсивному продольному дутью сжатым воздухом. После отключения клапан закрывается и бак разобщается с атмосферой.

В современных выключателях используется модульный принцип. ДУ на рис. 20.5,в, рассчитанное на напряжение 110 кВ, может использоваться при напряжении 220 кВ при том же токе отключения, но два ДУ соединяются последовательно, а опорная изоляция соответственно усиливается. На напряжение 500 кВ соединяются пять ДУ. Выключатели, используемые для расширения номинального напряжения путем последовательного их соединения, называются модулями. Совершенствование модуля ВВБ позволило повысить номинальное напряжение со 110 до 220 кВ. При этом сокращается число разрывов выключателя в 2 раза, что дает большой технико-экономический эффект.

Развитием этой серии выключателей является выключатель ВВБК, в котором давление воздуха поднято до 4 МПа. В результате конструктивных усовершенствований при отключении создается двустороннее несимметричное дутье, повышающее эффективность гашения дуги. Для уменьшения времени отключения в выключателях на напряжение 220 кВ и выше пневматическая система управления заменена механической. Номинальное напряжение выключателя ВВБК достигает 1150 кВ.

Серия воздушных выключателей ВНВ предназначена для напряжений 220-1150 кB и тока отключения до 63 кА. Модуль на напряжение 250 кВ представлен на рис. 20.6, а.

При отключении контакты ДУ расходятся и открывается выхлопной клапан, соединяющий внутреннюю полость ДУ с атмосферой. После гашения дуги контакты остаются в разведенном состоянии, а выхлопной клапан закрывается, ДУ герметизируется.

Расположение трёх полюсов выключателя показано на рис. 20.6,б, где 1 - бак с сжатым воздухом; 2 - опорный изолятор; 3 - основной разрыв; 4 - конденсатор для выравнивания напряжения по разрывам; 5 - шунтирующий резистор с ДУ.

Выключатель на 500 кВ имеет два модуля, включенных последовательно, и три модуля при напряжении 750 кВ. Опорные изоляторы усиливаются соответственно классу напряжения.

б

а

Рис. 20.6. Воздушный выключатель серии ВНВ

В основании модуля выключателя расположен бак 1 с сжатым воздухом (рис. 20.7).

Сжатый воздух по трубопроводу подается в верхний бак, образованный металлическим цилиндром 9 и стеклоэпоксидным цилиндром 11 и содержащий ДУ. Главный контакт создается пальцами 19 неподвижного контакта и внешней поверхностью подвижного цилиндрического контакта 18. Пальцы дугогасительного контакта 20 расположены в прорезях дутьевого сопла неподвижного контакта и скользят по внутренней поверхности контакта 18. Во включенном положении (см. рис. 20.7) контакт 18 прижат к седлу 25. Внутренняя полость контакта 18 соединяется с атмосферой через открытый выхлопной клапан 24, а его внешняя поверхность и пальцы 19 находятся в среде сжатого воздуха. Сопло 17 подвижное. Начальное расстояние между контактом 20 и соплом 17 - оптимальное для данного сечения сопла.

Рис. 20.7. Пневмомеханическая схема полюса выключателя ВНВ-500

(А- к коммутирующему устройству шунтирующего резистора)

После гашения дуги подвижное сопло 17 перемещается под действием давления внутри ДУ вправо, садится на седло 26 и герметизирует камеру. Для уменьшения напряженности электрического поля между контактами в разведенном состоянии они окружены экранами 16, что позволяет поднять электрическую прочность промежутка и номинальное напряжение модуля.

При отключении срабатывает отключающий электромагнит 3, открывающий клапан 6. Сжатый воздух подаётся на поршень 7, воздействующий на тягу 8. Через звенья 5, 4, 2 усилие передается на изоляционные тяги 13, которые перемещаются вниз. Звенья 15 и 37 соединяются с тягой 13, трубкой 14 и перемещают горизонтальную тягу 36, которая связана с подвижным контактом 18. Контакт 18 сначала размыкается с пальцами 19, а затем с пальцами 20. Между последними и внутренней поверхностью контакта 18 загорается дуга, которая быстро перемещается воздушным потоком, вытекающим в атмосферу через дутьевое сопло неподвижного контакта и подвижное сопло 17. Гашение дуги происходит за счёт двустороннего дутья. Шток 31 связан с тягой 13 и при движении тяги вниз действует на рычаг 30 и открывает клапан 34. При этом сжатый воздух, находящийся под поршнем 35, через змеевик 29 выходит в атмосферу. Поршень 35 освобождает рычаги 27 и 28 и с помощью тяг 22, 23 и коромысла 21 закрывает клапан 24. Одновременно подвижное сопло 17 вместе с ограничивающим электродом 41 перемещается вправо, пока не сядет на седло 26. Таким образом, внутренний объем ДУ герметизируется и отделяется от атмосферы. Электрод 41 ограничивает длину дуги, горящий между ним и неподвижным дугогасительным контактом 20, что уменьшает энергию, выделяемую дугой.

При включении срабатывает электромагнит 12. Kлaпан 10 открывается и соединяет полость над поршнем 7 с атмосферой. Одновременно подается сжатый воздух на поршень 38, который отделяет полость бака от поршня 7. Под действием заранее заведенной пружины 33 шток 32 опускается и клапан 34 закрывается. Сжатый воздух подаётся к поршню 35, и он опускается, воздействуя на рычаги 28,27. Клапан 24 открывается, а подвижное сопло 17 устанавливается в положение, показанное на рис. 20.7. При этом внутренняя полость контакта 18 и сопла 17 соединяется с атмосферой. При закрытии клапана 34 сжатый воздух подаётся в контейнер со вспомогательным контактным блоком, который включает резистор. При движении тяги 13 вверх подвижный контакт 18 замыкается с неподвижным, одновременно поршень 7 переходит в положение, указанное на рис. 20.7. После выхода воздуха из полости над поршнем 7 закрываются клапаны 10, 6 и поршень 38 устанавливается в исходное положение соответствующими пружинами.

В выключателе на напряжение 1150 кВ при включении замыкаются вспомогательные контакты и в цепь вводится резистор, сопротивление которого равно волновому сопротивлению коммутируемой линии. Затем, примерно через 10 мс, включается контакт 18, который шунтирует этот резистор. Это ограничивает перенапряжение при включении холостых линий электропередачи.

Конструктивные особенности данного выключателя:

• ДУ расположены внутри прочных стеклоэпоксидных труб, являющихся баком сжатого воздуха выключатeля, что позволяет снять с фарфора воздействие высокого давления воздуха;
• давление сжатого воздуха в ДУ достигает 4 МПа, что обеспечивает ток отключения до 63 кА при напряжении на разрыве 125 кВ;
• ДУ имеет два разрыва. После помещения дуги дугогасительный контакт отходит на расстояние, обеспечивающее необходимую электрическую прочность промежутка, и в своем крайнем положении воздействует на выхлопной клапан ДУ. Камера ДУ герметизируется, и разведенные контакты находятся при давлении 4 МПа;
• Привод контактов расположен на заземленном баке выключателя. Передача силы от привода к механизму контактов осуществляется механически через легкую изоляционную стеклопластиковую тягу, что позволяет получать полное время отключения 0,04 с;
• при тяжелых условиях восстановления напряжения параллельно каждому разрыву включается низкоомный шунтирующий резистор. Ток резистора отключается двухступенчатой контактной системой, расположенной в одном из контейнеров.

Стоимость выключателей с приводами довольно велика. С учетом необходимых для управления выключателем трансформаторов тока и устройств релейной защиты стоимость современного распределительного устройства получается очень высокой.

Если длительный ток установки невелик (400 – 600 А при напряжении 10 кВ) вместо выключателя с релейной защитой целесообразно использовать выключатель нагрузки и предохранители.

Выключатель нагрузки имеет ДУ небольшой мощности для отключения номинальных токов. В случае КЗ используется высоковольтный предохранитель. В выключателях нагрузки для гашения дуги применяются камеры с автогазовым, электромагнитным, элегазовым дутьем и вакуумными элементами.

В камерах с автогазовым дутьем гашение дуги осуществляется газами, которые выделяются под действием высокой температуры дуги стенками из газогенерирующего материала (органического стекла, винипласта и др.). Общий вид автогазового выключателя нагрузки типа ВН-16 на напряжение 10 кВ и отключаемый ток 200 А показан на рис. 20.8.

б

а

Рис. 20.8. Выключатель нагрузки ВН-16

Все три полюса размещаются на сварной раме. На нижнем опорном изоляторе полюса расположены вывод полюса и шарнир подвижного контакта 1. На верхнем изоляторе укреплены неподвижный главный контакт 2, дугогасительная камера 5 и второй вывод полюса. Подвижный главный контакт 1 выполнен из двух стальных пластин. В середине укреплен дугогасительный контакт 4 в виде изогнутой медной шины. Подвижные контакты приводятся в движение валом выключателя 3, который соединен с контактами фарфоровой тягой. Отключение выключателя происходит под действием пружин 6, которые заводятся при включении. В дугогасительной камере (рис. 20.8, б) расположен неподвижный дугогасительный контакт точечного типа 7, соединенный с главным неподвижным контактом 2. Корпус камеры выполнен из пластмассы и состоит из двух половин, стянутых винтами. Внутри корпуса размещены два вкладыша 8 из органического стекла.

Управление выключателем осуществляется ручным рычажным приводом со встроенным электромагнитом для дистанционного отключения.

Во время отключения сначала размыкаются главные контакты и весь ток перебрасывается в цепь дугогасительных контактов, после расхождения которых между вкладышами 8 загорается дуга. Малая толщина подвижного дугогасительного контакта 4 и узкая щель, в которой он перемещается, обеспечивают хороший контакт дуги со стенками вкладышей. Благодаря высокой температуре дуги вкладыши интенсивно выделяют газ, который стремится выйти из камеры через зазор между подвижным контактом и вкладышами. При этом возникает продольный обдув дуги, в результате чего она гаснет. Зона выброса газов из камеры – 200–500 мм. Контакт 4 выходит из камеры тогда, когда дуга погаснет. В отключенном положении дугогасительный контакт отходит от камеры на расстояние, обеспечивающее достаточную электрическую прочность для данного класса напряжения. Последовательно с выключателем нагрузки включаются мощные предохранители типа ПК, которые защищают установку от КЗ.

Bыбoр выключателей

При выборе выключателя его номинальные параметры сравниваются с параметрами сети в месте его установки.

Номинальное напряжение выключателя должно быть равно или больше номинального напряжения защищаемой сети.

Номинальный длительный ток выключателя должен быть больше номинального тока установки.

Номинальный ток отключения выключателя должен быть больше максимального расчетного тока КЗ к моменту расхождения контактов.

При выборе выключателя в момент размыкания контактов выключателя апериодическая составляющая тока КЗ не должна превышать апериодический ток, гарантированный заводом-изготовителем.

Расчетное время размыкания берется равным минимально возможному.

Термическая стойкость проверяется из условия протекания через выключатель тока КЗ в течение максимального времени, обусловленного срабатыванием защиты.

Номинальный ток электродинамической стойкости выключателя должен превышать максимально возможное значение ударного тока КЗ, которое может быть в установке.

При выборе типа выключателя следует учитывать следующие обстоятельства:

• при номинальном напряжении 6 – 10 кВ и редких коммутациях целесообразно применение маломасляных выключателей. При частых коммутациях рекомендуется применять вакуумные и элегазовые, обладающие большим сроком службы.
• при номинальном напряжении 35-110 кВ и номинальных токах отключения до 20 кА целесообразно применять маломасляные выключатели. При больших номинальных напряжениях и больших токах применяются воздушные и элегазовые выключатели.

Лекция № 21