Конструкция элегазового выключателя.

Рисунок 28. Габаритные, установочные и присоединительные размеры

выключателя ВЭБ-УЭТМ-110 с полимерными изоляторами.

Рисунок 29.Выключатель ВЭБ-220 в однополюсном исполнении.

13.1.3 Вакуумные выключатели

Вакуумный выключатель — высоковольтный выключатель, в котором вакуум служит средой для гашения электрической дуги. Вакуумный выключатель предназначен для коммутаций (операций включения-отключения) электрического тока — номинального и токов короткого замыкания (КЗ) в электроустановках.

Рисунок 30. Вакуумный выключатель на 6-10 кВ

Первые разработки вакуумных выключателей были начаты в 30-е годы XX века, действующие модели могли отключать небольшие токи при напряжениях до 40 кВ. Достаточно мощные вакуумные выключатели в те годы так и не были созданы из-за несовершенства технологии изготовления вакуумной аппаратуры и, прежде всего, из-за возникших в то время технических трудностей по поддержанию глубокого вакуума в герметизированной камере.

Для создания надежно работающих вакуумных дугогасительных камер, способных отключать большие токи при высоком напряжении электрической сети, потребовалось выполнить обширную программу исследовательских работ. В ходе проведения этих работ примерно к 1957 г. были выявлены и научно объяснены основные физические процессы, происходящие при горении дуги в вакууме.

Переход от единичных опытных образцов вакуумных выключателей к их серийному промышленному производству занял ещё два десятилетия, поскольку потребовал проведения дополнительных интенсивных исследований и разработок, направленных, в частности, на отыскание эффективного способа предотвращения опасных коммутационных перенапряжений, возникавших из-за преждевременного обрыва тока до его естественного перехода через нуль, на решение сложных проблем, связанных с распределением напряжения и загрязнением внутренних поверхностей изоляционных деталей осаждавшимися на них парами металла, проблем экранирования и создания новых высоконадежных сильфонов и др.

В настоящее время в мире налажен промышленный выпуск высоконадежных быстродействующих вакуумных выключателей, способных отключать большие токи в электрических сетях среднего (6, 10, 35 кВ) и высокого напряжения (до 220 кВ включительно).

Поскольку разрежённый газ (10⁻⁶…10⁻⁸ Н/см²) обладает электрической прочностью, в десятки раз превышающей прочность газа при атмосферном давлении, то это свойство широко используется в высоковольтных выключателях: в них при размыкании контактов в вакууме сразу же после первого прохождения тока в дуге через ноль изоляция восстанавливается, и дуга вновь не загорается. В момент размыкания контактов в вакуумном промежутке коммутируемый ток инициирует возникновение электрического разряда — вакуумной дуги, существование которой поддерживается за счет металла, испаряющегося с поверхности контактов в вакуумный промежуток. Плазма, образованная ионизированными парами металла, проводит электрический ток, поэтому ток протекает между контактами до момента его перехода через ноль. В момент перехода тока через ноль дуга гаснет, а оставшиеся пары металла мгновенно (за 7—10 микросекунд) конденсируются на поверхности контактов и других деталей дугогасящей камеры, восстанавливая электрическую прочность вакуумного промежутка. В то же время на разведенных контактах восстанавливается приложенное к ним напряжение.

Достоинства вакуумных выключателей:
1. Отсутствие необходимости в замене и пополнении дугогасящей среды и масляного хозяйства.

2. Высокая износостойкость при коммутации номинальных токов и
токов КЗ.

3. Снижение эксплуатационных затрат, простота эксплуатации.

4. Быстрое восстановление электрической прочности.

5. Полная взрыво - и пожаробезопасность.

6. Повышенная устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам.

7. Произвольное рабочее положение вакуумной дугогасительной камеры
(ВДК) в конструкции выключателя.

8. Широкий диапазон температур окружающей среды, в котором может
работать ВДК (от -70° до + 200° С).

9. Бесшумность, чистота, удобство обслуживания, обусловленные
малым выделением энергии в дуге и отсутствием внешних эффектов при отключении токов КЗ.

10. Отсутствие загрязнения окружающей среды.

11. Высокое быстродействие, применение для работы в любых циклах
АПВ.

12. Сравнительно малые массы и габариты, небольшие динамические на
грузки на конструкцию при работе из-за относительно малой мощности
привода.

13. Легкая замена ВДК.

К недостаткам можно отнести:
1. Возможные коммутационные перенапряжения при отключении малых индуктивных токов.

2. Трудности при создании и изготовлении, связанные с созданием

контактных материалов, сложностью вакуумного производства,
склонностью материалов контактов к сварке в условиях вакуума.

3. Большие вложения, необходимые для осуществления технологии

производства, и поэтому большая стоимость.

Принцип работы вакуумной дугогасящей камеры выключателя серии ВВ/TEL

В момент размыкания контактов в вакуумном промежутке коммутируемый ток инициирует возникновение электрического
разряда - вакуумной дуги, существование которой поддерживается за счет металла, испаряющегося с поверхности контактов в вакуумный промежуток.

Плазма, образованная ионизированными парами металла, является проводящей, поэтому она поддерживает протекание тока между контактами до момента его перехода через ноль. В момент перехода тока через ноль дуга гаснет, а оставшиеся пары металла мгновенно (за 7... 10 микросекунд) конденсируются на поверхности контактов и других деталей дугогасящей камеры, восстанавливая электрическую прочность вакуумного промежутка.

В то же время на разведенных контактах восстанавливается приложенное к ним напряжение. В том случае, когда при восстановлении напряжения на поверхности контакта (обычно анода) остаются перегретые участки, они могут служить источником эмиссии заряженных частиц, вызывающих пробой вакуумного промежутка, с последующим протеканием через него тока. Для предотвращения подобных отказов необходимо управлять вакуумной дугой, равномерно распределяя тепловой поток по всей поверхности контактов путем наложения на нее продольного, т.е. совпадающего с направлением тока, магнитного поля, которое индуцируется самим током. Именно этот весьма эффективный способ управления вакуумной дугой был осуществлен в вакуумных дугогасящих камерах выключателей серии BB/TEL.

Рисунок 31. Габаритные и установочные размеры выключателя ВВ/TEL-10-12,5.

13.1.4 Воздушные выключатели

Воздушный выключатель это высоковольтный выключатель, у которого гашение электрической дуги и перемещение контактов производится потоком сжатого воздуха, который создаётся отдельным устройством (в отличие от автогазового выключателя - здесь газы для дугогашения создаются внутри самого аппарата).

Воздушные выключатели подразделяются:

• по конструктивному исполнению:

выключатели с отделителем;

выключатели без отделителя.

• по назначению:

распределительные - номинальное напряжение до 750кВ, номинальный ток - до 3200А, отключающая способность - 40 - 50кА;

генераторные - номинальное напряжение до 25кВ, номинальный ток - до 20кА, отключающая способность - до 160кА.

Дополнительные элементы для воздушных выключателей.

Поскольку воздушный выключатель не способен самостоятельно создавать поток сжатого воздуха, то для его работы необходимы следующие дополнительные элементы:

• устройство создания сжатого воздуха - компрессор;

• система пневмопроводов;

• устройство хранения сжатого воздуха - ресивер.

Принцип работы воздушного выключателя.

Гашение дуги в воздушном выключателе может происходить как продольным, так и поперечным движением воздуха

Количество контактных разрывов в одном полюсе зависит от номинального напряжения выключателя. Параллельно к дугогасящим контактам обычно подключается шунтирующие сопротивления для облегчения гашения дуги. Принципы работы механизмов в выключателях с отделителем и без отделителя несколько отличается.

В выключателях с отделителем дугогасящие контакты соединены с поршнями в контактно - поршневой механизм. Последовательно с дугогасительными контактами включен отделитель. Дугогасящие контакты с отделителем образуют полюс выключателя. Во включённом состоянии выключателя дугогасящие контакты и отделитель замкнуты. При подаче сигнала на отключение срабатывает электромагнитный пневмоклапан, который открывает пневмопровод и воздух от расширителя (ресивера), воздействует на поршни дугогасящих контактов. Контакты размыкаются, и возникающая дуга гасится потоком воздуха, затем отключается отделитель, разрывая остаточный ток. Время подачи воздуха рассчитывается так, чтобы возникшая дуга была гарантированно погашена. Как только подача воздуха прекращается дугогасительные контакты возвращаются во включённое состояние, а разрыв цепи обеспечивается разомкнутым отделителем. Конструктивно отделитель может быть выполнен, открыто - такая конструкция обычно применяется в выключателях вплоть до 35кВ. В выключателях на большее номинальное напряжение отделители изготовляются в виде воздух наполненных камер.

В выключателях без отделителя дугогасящие контакты предназначены, как для дугогашения, так и разрыв цепи в отключённом состоянии

(функции отделителя).

В конструкции выключателей без отделителя применяются воздух наполненные камеры (резервуары) с размещёнными внутри них дугогасительными устройствами. Привод контактов отделён от гасящей среды. Контакты могут выполнены одно- и двухступенчатыми.

Преимущество воздушных выключателей

Воздушные выключатели давно эксплуатируются в энергосистемах России и имеется большой опыт их эксплуатации и ремонта;

• ремонтнопригодность (особенно по сравнению с элегазовыми выключателями).

Недостатки воздушных выключателей

• необходимость наличия развитой пневмосистемы и компрессорного оборудования;

• сильный шумовой эффект при отключении токов КЗ;
• большие габариты (особенно по сравнению с элегазовыми), что вызывает большие размеры ОРУ.

Эксплуатация

В настоящий момент этот тип выключателей в основном используется в энергосистемах (в сетях 35кВ и выше). Имеется тенденция замены воздушных выключателей на вакуумные и элегазовые.

Ниже приведены примеры исполнения выключателей.

Рисунок 32. Конструктивная схема воздушного выключателя ВВП-35

Конструктивная схема воздушного выключателя (ВВП-35) с контактно-поршневым механизмом и открытым отделителем приведена на рис.32. Выключатель состоит из трех механически связанных полюсов (на рисунке приведен разрез одного полюса), смонтированных на общем основании (резервуаре 1), и распределительного шкафа (на рисунке не показан). На резервуаре установлены: дугогасительные устройства 5 на опорных изоляторах 2, неподвижные контакты 12 отделителя 10 на изоляторах 16, электропневматическое устройство 17 (одно на три полюса) для управления встроенным в резервуар дифференциальным клапаном 18 и привод (на рисунке не показан), управляющий отделителем через вал 15 и изоляционные штанги 14. Полюсы выключателя (отделителя) разделены между собой изоляционными перегородками 11 и имеют выводы 7 и 13.
При открытии дифференциального клапана сжатый воздух из резервуара через полость опорного изолятора поступает в дугогасительную камеру, давит на контактно-поршневой механизм 8, размыкает контакты (неподвижный 3, подвижный 6) и через сопло подвижного контакта выдувает и гасит дугу. Пламя дуги охлаждается в пламегасительной решетке 9. Для облегчения гашения дуги контакты шунтированы резистором 4. После погасания дуги отделитель 10 размыкается и отключает оставшийся ток.
Длительность времени подачи дутья в дугогасительную камеру регулируется механизмом пневматической отсечки электропневматического устройства. После того как дифференциальный клапан закроется, подача воздуха в камеру прекратится, давление в ней упадет и подвижный контакт под действием пружины контактно-поршневого механизма возвратится на место, контакты замкнутся. Однако цепь останется разомкнутой отделителем.
Генераторные выключатели. Функциональная электрическая схема полюса и общий вид выключателя ВВГ-20 (Uном = 20 кВ, Iном = 20 кА, Iоткл = 160 кА, сквозной ток 410 кА) с воздух наполненным отделителем приведены на рис. 33. Полюс выключателя состоит из основного токоведущего контура — выводов 1 и 4 и разъединителя (основного контакта) 2, основных дугогасительных контактов 7 и 10, которые шунтированы резисторами 8и 11 соответственно, вспомогательных дугогасительных контактов 6, отделителя 9 и разрядника 3с нелинейным резистором 5. Все устройства монтируются на баке и снабжаются соответствующими электропневматическими приводами. Выключатель состоит из трех одинаковых полюсов, связанных между собой воздуховодами, и распределительного шкафа. Во включенном положении большая часть тока протекает через основной токоведущий контур. При отключении сначала размыкается основной контакт 2 и в ток переходит в дугогасительный контур.

Рисунок 33. Функциональная электрическая схема полюса (а) и общий вид (б) генераторного воздушного выключателяВВГ с воздух наполненным отделителем.

Затем размыкаются основные дугогасительные контакты 7 и 10; ограниченный резисторами 8 и 11 ток протекает через вспомогательные дугогасительные контакты 6. После их размыкания и погасания дуги ток в цепи прекращается и размыкается отделитель 9, обеспечивая необходимый изоляционный промежуток. Разрядник служит для ограничения перенапряжений при отключении (в случае их возникновения). После прекращения подачи сжатого воздуха контакты 6, 7 и 10 под действием пружин возвращаются во включенное положение.
Выключатели серии ВВБ. Общий вид и функциональная схема дугогасительного устройства без отделителя приведены на рис. 34. В металлическом резервуаре (камере) 6, заполненном воздухом под высоким давлением (1.6—2.4 МПа) размещается дугогасительное устройство с двумя разрывами (контакты — подвижные 8, неподвижные 9) одностороннего дутья (сопло 4). Резервуар находится под высоким потенциалом. Напряжение подводится через выводы 13 с эпоксидной изоляцией 14, защищенные снаружи фарфоровыми рубашками 12. Основные разрывы (контакты 8 и 9) шунтированы линейными резисторами 10, что облегчает гашение дуги на них. Оставшийся ток отключается вспомогательными дугогасительными разрывами (контакты — неподвижный 15, подвижный, полый, он же сопло 17 - закрыты кожухом 1). Камеры могут выполняться и без вспомогательных контактов, а, следовательно, и без шунтирующих резисторов. Полное гашение осуществляется на основных разрывах. Конденсаторы (делительные) 11 служат для выравнивания напряжения по разрывам в отключенном положении выключателя.

Рисунок 34. Общий вид (а) и функциональная схема (б) дугогасительного устройства без отделителя выключателей серии ВВБ

Контакты камеры управляются пневмоэлектрическими механизмами 18. При подаче воздуха в цилиндр 2 поршень 3, связанный с траверсой 7, размыкает основные контакты. Одновременно открываются клапаны 19 выхлопных каналов сопел. Сжатый воздух устремляется наружу (показано стрелками), гасит дугу в соплах. Аналогично гасится дуга на вспомогательном разрыве. После погасания дуги выхлопные клапаны сопел закрываются. Давление внутри резервуара несколько снижается. Объем резервуара и давление в нем рассчитаны так, что камера способна выполнить несколько отключений. При этом давление в резервуаре не упадет ниже допустимого для надежного гашения дуги.
В отключенном положении контакты удерживаются давлением в цилиндре 2. Для включения выключателя воздух из цилиндра выпускается через клапан 16. Возвратный механизм 5 замыкает контакты. Соответственно управляются и вспомогательные разрывы.
Камера устанавливается на изоляционную опору 20, через которую проходят воздуховоды — основной 22 (высокого давления) и управления 21.
Приведенное дугогасительное устройство принято как модуль на 110—150 кВ для выключателей до 750 кВ без отделителей. Каждый выключатель состоит из трех полюсов, не имеющих между собой механической связи, и одного (35, 110, 220 кВ) или четырех (330, 500 и 750 кВ) распределительных шкафов. Отсутствие механической связи между полюсами позволяет выполнять трехфазное или пополюсное отключение.
Полюсы выключателей на 35, 110кВ состоят из одной дугогасительной камеры-модуля (одного резервуара 6 — рис. 4), расположенной на изоляционной опоре. Полюс выключателей на 220 кВ (рис. 5) состоит из двух металлических дугогасительных камер 1, разделенных промежуточным изолятором 2 и расположенных на соответствующей изоляционной опоре 3. Полюсы выключателей на 330, 500 и 750 кВ состоят соответственно из двух, трех и четырех однотипных элементов (четырех, шести и восьми модулей), каждый из которых представляет собой полюс выключателя на 220кВ на соответствующей изоляционной опоре,— показано штрихпунктирными линиями.
. Выключатели воздушные серии ВВБК выпускаются на напряжение 110-1150кВ, номинальный ток 3200 и 4000 А, номинальный ток отключения 5-40 кА, номинальное давление сжатого воздуха 4 МПа, время отключения 0.04 с.
Эти выключатели являются дальнейшим шагом в развитии конструктивных принципов, заложенных в серииВВБ. Отличительными их особенностями являются повышенное рабочее давление воздуха и усовершенствованное дугогасительное устройство с несимметричным дутьем, что позволило повысить напряжение модуля (220 и 330 кВ — два модуля, 500 и 750 кВ — четыре модуля, 1150 кВ — шесть модулей). Выключатели снабжены новой быстродействующей системой управления.