Электромагнитные выключатели

Электромагнитный выключатель — высоковольтный коммутационный аппарат, в котором гашение электрической дуги производится взаимодействием плазмы дуги с магнитным полем (т. н. магнитным дутьём) в дугогасительных камерах с узкими щелями (прямыми или извилистыми) или с камерами с дугогасительными решётками.

Устройство Электромагнитный выключатель состоит из рамы, на которой установлены на изоляторах три полюса, связанные с включающим валом диэлектрическими тягами. Каждый полюс состоит из подвижных и неподвижных контактов, на каждом из них установлена пара основных и дугогасительных контактов из металлокерамики. Сверху контактов установлена дугогасительная камера из дугостойкого материала (асбест) и керамических или стальных, покрытых слоем меди, дугогасительных пластин. Снаружи камеру охватывает П-образный магнитопровод, на которую надета дугогасительная катушка, подключаемая с одной стороны к силовой шине с неподвижным контактом, а другой — к дугогасительному рогу, располагающемуся внутри дугогасительной камеры перед пакетом и пластинами решётки; второй дугогасительный рог располагается также внутри камеры с другой стороны дугогасительной решётки и подключается к второму выводу выключателя. Для лучшего гашения дуги при коммутации малых токов может быть предусмотрено в конструкции устройство автопневматического поддува (состоящего из поршня и цилиндра, механически соединённых с силовыми контактами). Кроме того выключатель укомплектовывается приводом (обычно пружинно-моторного типа), который по сигналам во вторичной цепи производит коммутацию силовых контактов посредством вращением включающего вала.

Принцип действия

При подаче сигнала на отключения происходит поворот вала и движение через тяги передаётся подвижным контактам, при это сначала размыкаются основные контакты, затем — дугогасительные. Образующаяся электрическая дуга под действием собственных электродинамических сил движется вверх по дугогасительным рогам, при этом выдавливаясь в сторону решётки, кроме того дуга замыкает цепь дугогасительной катушки (через дугогасительные рога), магнитное поле которой ещё сильнее ускоряет дугу (т. н. «магнитное дутьё»). Попадая в решётку, дуга разбивается на множество малых дуг (между пластинами решётки), которые начинают двигаться вверх независимо и быстро гаснут (за счёт отдачи тепла пластинам и деионизации; за счёт прикатодного падения напряжения увеличивается напряжённость электрического поля в дуги. Вверху дугогасительной камеры может располагаться пластины второй решётки, (т. н. «пламегасительная решётка»), для исключения выхода ионизированной плазмы вне аппарата и перекрытия ей токоведущих частей. При малых токах отключения электродинамические силы могут быть малы и не способны выдавить дугу в решётку и для этих целей иногда применяется автопневматический поддув в виде струи сжатого воздуха, которая осуществляет охлаждение и деионизацию электрической дуги.

Преимущества

Электромагнитные выключатели имеют ряд преимуществ перед масляными и пневматическими. Они не требуют для работы масла или сжатого воздуха, допускают большое количество включений и отключений без ремонта. Отсутствие масла упрощает эксплуатацию выключателя, делает его полностью взрыво- и пожаробезопасным.

Электромагнитные выключатели нашли широкое применение в электроустановках с частыми коммутационными операциями. Гашение дуги в электромагнитном выключателе происходит за счет увеличения сопротивления ее вследствие интенсивного удлинения под действием магнитного поля и охлаждения.

Недостатки

Сложность дугогасительной камеры с системой магнитного дутья, ограниченный диапазон номинальных напряжений (до 15-20 кВ), ограниченная пригодность для наружной установки

Применение

Электромагнитные выключатели выпускаются в основном для использования в сетях 6—10 кВ с номинальным током до 2000 А (с коммутируемой мощностью до 400—200 МВА соответственно) для внутренней установки навесного и выкатного типа — для ячеек КРУ (комплектных распределительных устройств).

Ниже приведены рисунки конструкции электромагнитного выключателя.

Рисунок 35. Выключатель типа ВЭМ-10Э-1000/12.5-УЗ:
1 — счетчик единиц; 2— изоляционный кожух; 3 — электромагнитный привод ПЭГ-7; 4 — изоляционная тяга; 5 и 11 — выводы; 6 — подвижный контакт; 7 — изолятор; 8 — неподвижный контакт; 9 — магнитопровод; 10 — катушка магнитного дутья; 12 — дугогасительная камера; 13 — рама (тележка); 14 — контактор КМВ-621

Для управления выключателями применяются электромагнитные и пружинные приводы.

Трехполюсные электромагнитные выключатели типа ВЭМ-10Э-У3 со встроенным электромагнитным приводом предназначены для работы в районах умеренного климата в ЗРУ переменного тока до 10 кВ при высоте над уровнем моря не более 1000 м, температуре воздуха не ниже — 25 и не выше +35 °С при относительной влажности воздуха до 80 %.

На рисунках 35, 36 и 37 показаны соответственно общий вид выключателя типа ВЭМ-10Э-УЗ, его контактная система и дугогасительное устройство. Расположение всех деталей легко установить с помощью подрисуночных подписей. Ниже описаны основные детали и главные операции по ремонту выключателя со ссылками на все три указанных рисунка.
В нижней части рамы 13 (см. рис. 35) встроен электромагнитный привод 3. В верхней ее части на фарфоровых изоляторах 7 смонтированы контакты 6 и 8 и дугогасительная камера 12. Контактная система (см. рис. 36) состоит из неподвижных и подвижных контактов. Неподвижные и подвижные контакты состоят в свою очередь из главных 3, 4 и дугогасительных 9, 10 контактов. Наконечники дугогасительных контактов выполнены из дугостойкого материала — квирита. Подвижный контакт вращается на опорном изоляторе с помощью изоляционной тяги 4 (см. рис. 35).

Рисунок 36. Контактная система электромагнитного выключателя:
1 — шарнирный контакт; 2 — шина; 3 —главный подвижный контакт; 4 — главный неподвижный контакт; 5, 13, 17 — пружина; 6 — корпус контакта; 7 —винт; 8 — пластина; 9 — дугогасительный неподвижный контакт; 10 — дугогасительный подвижный контакт; 11 — цилиндр воздушного дутья; 12 — прокладка (поршень); 14 — гайка: 15 — стойка шарнирного контакта; 16 — стакан; 18 — шайба.

Над неподвижными контактами размещаются дугогасительные камеры (см. рис. 35), опирающиеся на полюсные наконечники электромагнита. На сердечник П-образного магнитопровода 9 электромагнита надета катушка магнитного дутья 10. Дугогасительная камера представляет собой изоляционный короб, внутри которого расположен пакет из керамических пластин 2 (см. рис. 37) с Л-образными вырезами. Пластины обладают высокой дугостойкостью и теплопроводностью, выдерживая температуру до 2000⁰ С. По концам пакета закреплены медные электроды — рога 4 и 5, по которым перемещается основание дуги, во время отключения выключателя. Передний рог 4 электрически соединен с катушкой магнитного дутья, второй конец которой присоединяется к неподвижному контакту. Задний рог 5 соединяется шиной с нижним выводом.

Быстрый переход дуги с контактов на рога и дугостойкие наконечники дугогасительных контактов приводит к высокой износоустойчивости контактных частей выключателя.

Рисунок 37. Дугогасительное устройство:
1—козырьки; 2— пакет керамических пластин: 3 — магнитопровод; 4 — передний рог; 5 — задний рог; 6 — вывод; 7 — керамическая плита; 8 — пластина; 9, 10, 11 — дугогасительные контакты; 12 — шина

При отключении выключателя сначала размыкаются главные контакты, а затем шунтирующие их дугогасительные. При включении контакты замыкаются в обратной последовательности, предохраняя от обгорания главные контакты. При размыкании дугогасительных контактов между ними возникает электрическая дуга. Дуга возникает в нижней части камеры (положение А, Б, на рис. 37). При этом участок дуги А шунтируется катушкой магнитного дутья. Так как сопротивление катушки мало, то дуга на этом участке гаснет и катушка включается последовательно в цепь.
Через катушку проходит полный ток отключаемой цепи и между полюсными наконечниками электромагнита создается интенсивное магнитное поле.

Взаимодействуя с током дуги, магнитное поле заставляет перемещаться основание дуги по медным рогам камеры. Дуга втягивается вверх по узким щелям между холодными керамическими пластинами камеры (положение В, Г, Д), отдает им свое тепло, удлиняется (сопротивление увеличивается) и при очередном переходе тока через нуль гаснет.
Гашению дуги способствует также то, что в электромагнитном выключателе ток резко уменьшается за счет активного сопротивления дуги. Уменьшается также угол сдвига фаз между током и напряжением сети. Это в свою очередь снижает скорость восстановления напряжения на контактах. Время горения дуги при отключении токов короткого замыкания не превышает 0,02 с.

Быстродействие уменьшает вредные термические и динамические воздействия токов КЗ на элементы электроустановок.
При малых величинах отключаемого тока электродинамическая сила, действующая на дугу, мала. Для того чтобы обеспечить при этих условиях быстрое перемещение дуги вверх, в дугогасительной камере на подвижных контактах выключателя закреплены цилиндры воздушного дутья (см. рис. 36).

При отключении выключателя и повороте подвижных контактов поршни перемещаются в цилиндрах, вытесняют воздух между размыкающими дугогасительными контактами. Таким образом, создается дополнительно система принудительного дутья, способствующая перемещению дуги, ее удлинению и погасанию.
Дугогасительная камера и все детали выключателя, находящиеся под напряжением, закрыты изоляционным защитным кожухом 2 (см. рис. 35).
На выкатной части — раме укреплены механизм перемещения, блокировка выключателя и разъединяющие контакты вторичных цепей.

13.2 Выключатели нагрузки

Выключатели нагрузки являются простейшими высоковольтными выключателями, предназначенными для отключения и включения цепей. находящихся под нагрузкой. Дугогасительные устройства этих выключателей рассчитаны только на гашение маломощной дуги, возникающей при отключении тока нагрузки, поэтому их нельзя использовать для отключения цепей при коротких замыканиях.
Для отключения цепей при коротких замыканиях совместно с выключателями нагрузки применяют высоковольтные предохранители, например, кварцевые.
В последние годы выключатели нагрузки получили очень большое применение в тех установках сравнительно небольшой мощности (на цеховых, городских, сельскохозяйственных подстанциях), где возможно ограничиться защитой от токов короткого замыкания при помощи плавких предохранителей и, где выключатели нужны только для включения и отключения цепей при нагрузке.
Выключатели нагрузки даже с учетом высоковольтных предохранителей дешевле и обычно требуют меньше места в распределительном устройстве, нежели мощные высоковольтные выключатели на те же напряжения.
В качестве дугогасительных устройств в включателях нагрузки могут быть применены дугогасительные камеры с масляным заполнением, камеры с твердым газогенерирующим материалом, дугогасительные решетки с металлическими или керамическими пластинами.
В настоящее время отечественной промышленностью изготовляются выключатели нагрузки только на напряжение 6 и 10 кВ, снабженные дугогасительными камерами с вкладышами из органического стекла.

Рис. 39. Выключатель нагрузки типа ВН

Выключатель нагрузки с пружинным приводом и усиленной контактной системой типа ВНПу-10/400-10зУЗсоздан на номинальное напряжение 10 кВ. номинальный ток и номинальный ток отключения 400 А, действующее значение сквозного тока 10 кА, с заземляющими ножами. В основу конструкции выключателей нагрузки положен нормальный трехполюсный разъединитель для внутренних установок (рисунок 39 а) с пристроенными дугогасительными камерами и отключающими пружинами (рисунок 39 6).

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 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 тонкой 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 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 газогенерирующего материала - органического стекла.
Управление выключателем осуществляется ручным рычажным приводом со встроенным электромагнитом для дистанционного отключения. Если необходимо дистанционное включение, то может быть использован дополнительный электромагнитный привод.
Во включенномположении выключателя ток проходит через контур главных и дугогасительных контактов. Во время отключения сначала размыкаются главные контакты, и весь ток перебрасывается в цепь дугогасительных контактов. После расхождения дугогасительных контактов междувкладышами 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.
Выключатель может снабжаться дополнительным устройством, которое автоматически отключает его после срабатывания предохранителей. Это устройство приводится в действие указателем срабатывания предохранителя.
Без замены вкладышей выключатель нагрузки допускает 75 отключений тока 200 А при напряжении 10 кВ.
Автогазовый выключатель нагрузки типа ВНПР-10/400-20с пружинным приводом (П), с ручным заводом - местным управлением (Р), на напряжение 10 кВ, номинальный ток 400 А, номинальную периодическую составляющую
сквозного тока короткого замыкания 20 кА, в климатическом исполнении и категории размещения У2. Выключатели нагрузки используются в шкафах комплектных распределительных устройств (КРУ), камерах стационарных одностороннего обслуживания (КСО), комплектных трансформаторных подстанциях (КТП).
Выключатели относятся к коммутационным аппаратам, снабженным автогазовым дугогасительным устройством.
Принцип работы выключателей основан на гашении электрической дуги, возникающей при размыкании дугогасительных контактов, потоком газа, образующегося в результате воздействия высокой температуры дуги на вкладыши камеры.
Выключатель типа ВНПР-10/400-20 У2, (рисунок 40), состоит из рамы, на которой установлены шесть опорных изоляторов. На трех изоляторах, расположенных в нижней части рамы, крепятся шарнирно главные подвижные контакты совместно с подвижными дугогасительными контактами, а в верхней части — главные и дугогасительные неподвижные контакты и дугогасительная камера.

Рисунок 40. Выключатель нагрузки типа ВНРПР-10/400-20У2

Для включения и отключения выключателя имеется энергоноситель в виде пружин и тяга для передачи движения к подвижным контактам.
Выключатели нагрузки поставляются в собранном и отрегулированном на заводе-изготовителе виде. Дополнительные полурамы для установки предохранителей входят в комплект поставки.

13.3 Разъединители