Общее устройство и принцип действия элегазовых выключателей

Изолирующей и гасящей средой выключателей служит гексафторид серы SF6 (элегаз). Выключатели представляют собой трехполюсный аппарат, полюсы которого имеют одну (общую) раму и управляются одним приводом, либо каждый из трех полюсов выключателей имеет собственную раму и управляется своим приводом (выключатель с пополюсным управлением).

Принцип работы аппаратов основан на гашении электрической дуги (возникающей между расходящимися контактами при отключении тока) потоком элегаза.

Источников возникновения потока газа — два:

· повышение давления в одной из заполненных газом полостей дугогасительного устройства, обусловленное уменьшением её замкнутого объема, возможность истечения газа из которой в зону расхождения дугогасительных контактов появляется непосредственно перед их размыканием;

· повышение давления газа в этой же полости вследствие его расширения под действием тепловой энергии самой электрической дуги.

Первый источник превалирует при отключении малых токов, а второй — больших.

Полюс выключателя

Три полюса выключателя 400 кВ

Колонковое исполнение. Полюс представляет собой вертикальную колонну, состоящую из двух (и более) изоляторов, в верхнем из которых размещено дугогасительное устройство (ДУ), а нижний служит опорой ДУ и обеспечивает ему требуемое изоляционное расстояние от заземленной рамы. Внутри опорного изолятора размещена изоляционная штанга, соединяющая подвижный контакт ДУ с приводной системой аппарата.

Баковое исполнение. Полюс представляет собой металлический цилиндрический бак, на котором установлены два изолятора, образующие высоковольтные вводы выключателя. ДУ в таком выключателе размещено в заземленном металлическом корпусе.

Комбинированное исполнение. Полюс представляет собой металлический корпус в виде сферы, на котором установлены фарфоровые изоляторы, образующие высоковольтные вводы выключателя, в одном из которых размещено дугогасительное устройство, а в другом — встроенные трансформаторы тока.

В верхней части изолятора обычно устанавливается фильтр — поглотитель влаги и продуктов разложения элегаза под действием электрической дуги. Фильтрующим элементом в нем служит активированный адсорбент — синтетический цеолит NAX.

Также на всех современных выключателях установлен предохранительный клапан — устройство с тонкостенной мембраной, разрывающейся при давлении возникающем при внутреннем коротком замыкании, но не достигающем значения, при котором испытываются собственно изоляторы.

Дугогасительное устройство

Дугогасительное устройство предназначено обеспечивать быстрое гашение электрической дуги, образующейся между контактами выключателя при их размыкании. Разработка рациональной и надежной конструкции дугогасительного устройства представляет значительные трудности, так как процессы, происходящие при гашении электрической дуги, чрезвычайно сложны, недостаточно изучены и обусловливаются многими факторами, предусмотреть которые заранее не всегда представляется возможным. Поэтому окончательная разработка дугогасительного устройства может считаться завершенной лишь после его экспериментальной проверки.

Современные выключатели оснащены дугогасительным устройством автокомпрессионного типа, которые демонстрируют свои расчетные преимущества при отключении больших токов.

ДУ содержит неподвижную и подвижную контактные системы, в каждой из которых имеются главные контакты и снабженные элементами из дугостойкого материала дугогасительные контакты. Главный контакт неподвижной системы и дугогасительный подвижной — розеточного типа, а главный контакт подвижной системы и дугогасительный неподвижной — штыревые.

Подвижная система содержит, кроме главного и дугогасительного контактов, связанную с токовым выводом ДУ неподвижную токоведущую гильзу; поршневое устройство, создающее при отключении повышенное давление в подпоршневой полости, и два фторопластовых сопла (большое и малое), которые направляют потоки газа из зоны повышенного давления в зону расхождения дугогасительных контактов. Большое сопло, кроме того, препятствует радиальному смещению контактов подвижной системы относительно контактов неподвижной, поскольку никогда не выходит из направляющей втулки главного неподвижного контакта.

Главный контакт подвижной системы представляет собой ступенчатую медную гильзу, узкая часть которой адаптирована ко входу в розеточный главный контакт неподвижной системы, а широкая часть имеет два ручья, в которых размещены токосъемные (замкнутые проволочные) спирали, постоянно находящиеся в контакте с охватывающей их неподвижной токоведущей гильзой.

Газовая система

Газовая система аппаратов включает в себя:

· клапаны автономной герметизации (КАГ) и заправки колонн;

· коллектор, обеспечивающий во время работы аппарата связь газовых полостей колонн между собой и с сигнализатором изменения плотности элегаза;

· сам сигнализатор, представляющий собой стрелочный электроконтактный манометр с устройством температурной компенсации, приводящим показания к величине давления при температуре 20ºС;

· соединительные трубки с ниппелями и уплотнениями.

Сигнализатор изменения плотности элегаза (датчик плотности) имеет три пары контактов, одна из которых, замыкающаяся при значительном снижении плотности элегаза из-за его утечки, предназначена для подачи сигнала (например, светового) о необходимости дозаправки колонн, а две других, размыкающихся при недопустимом падении плотности элегаза, предназначены для блокирования управления выключателем или для автоматического отключения аппарата с одновременной блокировкой включения (что определяется проектом подстанции).

Привод

Приводы выключателей обеспечивают управление выключателем — включение, удержание во включенном положении и отключение. Вал привода соединяют с валом выключателя системой рычагов и тяг. Привод выключателя должен обеспечивать необходимую надежность и быстроту работы, а при электрическом управлении — наименьшее потребление электроэнергии.

В элегазовых выключателях применяют два типа приводов:

Пружинный привод:

· аккумулятором энергии является комплект винтовых цилиндрических пружин

· управляющим органом является кинематическая система рычагов, кулачков и валов.

Пружинно-гидравлический привод:

· аккумулятором энергии является комплект тарельчатых пружин

· управляющим органом является гидросистема.

ВЫБОР ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

При выборе выключателя его номинальные параметры сравниваются с параметрами сети в месте его установки. Выключатель выбирается по наиболее тяжелому режиму работы, который возможен в эксплуатации. 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 короткого замыкания к моменту расхождения контактов. При определении необходимо рассмотреть все возможные варианты КЗ и выбрать наиболее тяжелый вероятный режим. Как правило, наиболее тяжелые режимы создаются при отключении трех- и однофазного КЗ на землю. Расчет апериодической слагающей ведется из условия, что КЗ произошло в момент, когда напряжение в одной из фаз равно нулю. Ток /вкл.ном должен быть не менее ударного тока КЗ, протекающего через выключатель. При выборе выключателя следует иметь в виду, что в момент размыкания контактов выключателя апериодическая составляющая тока КЗ не должна превышать апериодический ток, гарантированный заводом-изготовителем. Обычно этот ток выражается в процентах номинального тока отключения. Расчетное время размыкания берется равным минимально возможному. Наряду с номинальным током отключения необходимо учитывать циклы (последовательность включений и отключений— ВО), при которых выключатель работает. Номинальный ток отключения выключателей без АПВ гарантируется при цикле О—180—ВО—380—ВО. Для выключателей, работающих в циклах многократного быстродействующего АПВ, возможно уменьшение номинального тока отключения, особенно при втором или третьем АПВ. 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. Обычно сравнивают мгновенные значения пика тока. Выпускаемые промышленностью выключатели испытываются при скоростях восстановления напряжения, которые являются типовыми. Однако в некоторых случаях необходимо проводить расчет скорости восстановления напряжения в проектируемых сетях и сравнивать с условиями, которые имели место при испытаниях аппарата. Особенно тяжелые условия с этой точки зрения имеют место при КЗ на зажимах мощных генераторов, трансформаторов и неудаленных КЗ. Иногда требуется установка специальных шунтирующих резисторов для снижения скорости восстановления напряжения. Для мощных системных выключателей, от работы которых зависит устойчивость параллельно работающих сетей, важным параметром является время отключения и время повторного включения. Иногда эти параметры диктуют выбор типа выключателя и его привода. При выборе типа выключателя следует учитывать следующие обстоятельства: 1. 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. 2. При номинальном напряжении 35—110 кВ и номинальных токах отключения до 20 кА целесообразно применять маломасляные выключатели. При больших номинальных напряжениях и больших номинальных токах отключения применяются воздушные и элегазовые выключатели. При экономической оценке выбираемого типа выключателей следует учесть, что, несмотря на то, что вакуумные выключатели имеют большую стоимость, применение их более оправдано ввиду малых расходов на техническое обслуживание и большого срока службы ДУ (до 25 лет).

Имеют малые размеры и массу, достаточно высокие технические данные. Широко применяются в КРУ и КРУН до 35 кВ. По конструктивным особенностям можно их разделить на четыре группы:

• подвесного типа (серии ВМП-10) на напряжение 10 кВ, номинальный ток до 3150 А и ток отключения до 31,5 кА;
• колонкового типа (серии ВК-10) на ток до 3150 А и ток отключения до 31,5 кА;
• горшкового типа для генераторов (серии МГГ и МГ), на номинальный ток до 11200 А, ток отключения до 90 кА и напряжение до 20 кВ;
• для наружной установки серий ВМУЭ-35, ВМТ-110 и ВМТ-220. На номинальный ток до 2000 А и ток отключения до 40 кА.

Преимущества маломасляных выключателей: небольшие габариты и масса; малое количество масла; пожаробезопасны; встроенные пружинные приводы, не требующие мощных источников постоянного тока и имеющие меньшую массу, чем электромагнитные приводы. Применение выключателей серии ВМТ-110 и ВМТ-220 позволяет отказаться от громоздких и тяжелых баковых и воздушных выключателей, а также от схем подстанций с отделителями и короткозамыкателями. Показатели надежности такие же как у баковых масляных выключателей. В настоящее время маломасляные выключатели на 6-35 кВ вытесняются вакуумными и элегазовыми выключателями. Обращаем Ваше внимание, что с 1 января 2004 г сняты с производства следующие виды выключателей:

• С-35-3200-50 БУ1;
• С-35-2000-50 БУ1;
• У-110-2000-50 БУ1;
• Все типоисполнения ВМПЭ-10;
• Все типоисполнения ВМТ-110;
• ВГУ-110II* – 40/2000 У1*;
• ВГУ-220II* – 50/2000 У1*;

Дополнительно сообщаем, что на замену данного оборудования ОАО «УЭТМ» разработаны и успешно эксплуатируются следующие выключатели: вакуумный выключатель ВВПЭ-10 (для замены ВМПЭ-10), элегазовые колонковые выключатели ВГТ-110-40/2500, ВГТ-220-40/2500 (замена ВМТ, ВГУ-110), элегазовый колонковый выключатель на 220 кВ с одним разрывом на фазу ВГК-220, выключатели ВГУГ-220-500 кВ (замена ВГУ), баковый элегазовый выключатель ВЭБ-110-40/2500.

Выключатели воздушные (ВВ) делаятся на две группы. Первая группа – генераторные выключатели серий ВВОА-15 и ВВГ-20, до 20000 А и ток отключения до 160 кА. Вторая группа – выключатели 35 кВ и выше. ВВ для наружных установок выпускаются в четырех сериях на напряжения:

• ВВ (330 и 500 кВ);
• ВВБ (110-750 кВ);
• модернизированная серия ВВБК (110, 220 и 500 кВ);
• серия ВНВ (500, 750 и 1150 кВ).

Номинальные токи до 3150-4000 А, токи отключения до 63 кА. Время отключения доведено до 0,04 с. Недостатки ВВ: сложнее и дороже масляных; требуют сложного и дорогого компрессорного хозяйства для получения чистого осушенного сжатого воздуха с давлением 2-4 МПа. Наши энергосистемы в основном оснащены такими выключателями. Вынужденное применение воздушных выключателей, выпуск которых зарубежными фирмами прекращен 30 лет назад, вместо элегазовых в 6-8 раз увеличивает аварийность, связанную с их отказом, в 10-12 раз повышает трудозатраты на монтаж и ремонт оборудования. Наиболее устойчивая область применения ВВ – генераторные выключатели.