Высоковольтные выключатели: масляные баковые, маломасляные, воздушные, электромагнитные, элегазовые. Назначение, устройство, достоинства и недостатки, условия выбора

Высоковольтные выключатели – коммутационный аппарат, предназначенный для включения и отключения тока в любых режимах: длительная нагрузка; перегрузка; короткое замыкание; холостой ход; несинхронная работа.

К высоковольтным выключателям предъявляют следующие требования:

надежное отключение любых токов (от десятков ампер до номинального тока отключения);

быстрота действия, т.е. наименьшее время отключения;

пригодность для быстродействующего АПВ , т.е. быстрое включение выключателя сразу же после отключения;

возможность пофазного (пополюсного) управления для выключателей 110 кВ и выше;

легкость ревизии и осмотра контактов;

взрыво- и пожаробезопасность;

удобство транспортировки и эксплуатации.

Масляные баковые.Масло в этих выключателях служит для гашения дуги и изоляции токоведущих частей.

Существуют выключатели с дугогасительными устройствами и без них.

По принципу действия дугогасительные устройства можно разделить на три группы.

1.с автодутьем, в которых высокое давление и большая скорость движения газа в зоне дуги создаются за счет выделяющейся энергии.

2.с принудительным масляным дутьем, у которых к месту разрыва масло нагнетается с помощью специальных механизмов.

3.с магнитным гашением в масле, в которых дуга под действием магнитного поля перемещается в узкие каналы и щели.

Наиболее простым и эффективным является дугогасительные устройства с автодутьем.

Основные приемущества баковых выключателей. Простота конструкции, высокая отключаюшая способность, пригодность для наружной установки встроенных трансформаторов тока.

Недостатки баковых выключателей. Взрыво-пожаро опасность; необходимость периодического контроля за состоянием масла в баке и в вводах; большой объем масла, что обуславливает большую затрату времени на замену, необходимость больших запасов масла; непригодность для установки внутри помещений ; непригодность для выполнения быстродействующего АПВ; большая затрата металла, большая масса, неудобство перевозки, монтажа и наладки.

Маломасляные выключатели.Маломасляные выключатели (горшковые) получили широкое распространение в закрытых и открытых распредилительных устройствах всех напряжений. Масло в этих выключателях служит в основном дугогасящей средой и только частично изоляцией между разомкнутыми контактами. Изоляция токоведущих частей друг от друга и от заземленных конструкций осуществляется фарфором или другим твердым изолирующими материалами. Контакты выключателей для внутренней установки находятся в стальном бачке (горшке), отсюда сохранилось название выключателей «горшковые». Маломаслянные выключатели напряжением 35 кВ и выше имеют фарфоровый корпус. Самое широкое применение имеют выключатели 6-10 кВ подвесного типа. В этих выключателях корпус крепится на фарфоровых изоляторах к общей раме для всех трех полюсов. В каждом полюсе предусмотрен один разрыв контактов и дугогасительная камера. – главный и дугогасительный контуры.

Различают выключаели: ВМП (выкл маломасл подвесной) – широко применяется в ЗРУи КРУ 6-10 кВ. Выключатели для КРУ имеют встроенный пружинный или электромагнитный привод (ВМПП и ВМПЭ). Номинальный ток 630- 3150 А и токи отключения 20 и 31,5 кА.

ВК-10 Маломаслянные выключатели колонкового типа. Работа выключателя основана на гашении электрической дуги, возникшей при размыкании контактов, потоком газомасляной смеси, образующейся в результате интенсивного разложения трансформаторного масла, под действием высокой температуры дуги. Этот поток получает свое напрявление в специальном дугогасительном устройстве, размещенном в зоне горения дуги.

МГГ, МГ и ВМГ Выключатели маслянные горшковые. Изготавливаются на большие номинальные токи. Выключатели этих серий имеют два стальных бачка на полюс и по две пары рабочих дугогасительных контактов.

ВМК и ВМУЭ Выключатели масляные колонковые. ВМТ (110 кВ).
Достоинствами маломасляных выключателей являются небольшое количество масла, относительно малая масса, более удобный, чем у баковых выключателей, доступ к дугогасительным контактам, возможность создания серии выключателей на разное напряжение с применением унифицированных узлов.

Недостатки маломасляных выключателей: взрыво- и пожароопасность, хотя и значительно меньшая, чем у баковых выключателей; невозможность осуществления выстродействующего АПВ; необходимость периодического контроля, доливки, относительно частой замены масла в дугогасительных бачках; трудность установки встроенных трансформаторов тока; относительно малая отключающая способность. Область применения мааломаслянных выключателей – ЗРУ электростанций и подстанций 6, 10, 20, 35 и 110 кВ, КРУ 6, 10, 35 кВ и ОРУ 35, 110, 220 кВ.

Воздушные выключатели.В воздушных выключателей гашение дуги происходит сжатым воздухом, а изоляция токоведущих частей и дугогасительного устройства осуществляется фарфором или другими твердыми материалами. Конструктивные схемы воздушных выключателей различны и зависят от их номинального напряжения, способа создания изоляционного промежутка между контактами в отключенном положении, способа подачи сжатого воздуха в дугогасительное устройство.

В выключателя на большие номинальные токи имеются главный и дугогасительный контуры. Основная часть тока во включенном положении выключателя проходит по главным контактам, расположенным открыто. При отключении выключателя главные контакты размыкаются первыми, после чего весь ток проходит по дугогасительным контактам, заключенным в камере. К моменту размыкания этих контактов в камеру подается сжатый воздух из резервуара, создается мощное дутье, гасящее дугу. И т.д.

Достоинства. взрыво- пожаробезопасность, быстродействие и возможность осуществления быстродействующего АПВ, высокую отключающую способность, надежное отключение емкостных токов линий, малый износ дугогасительных контактов, легкий доступ к дугогасительным камерам, возможность создания серий из крупных узлов, пригодность для наружной и внутренней установки.

Недостатки. Необходимость компрессорной установки, сложная конструкция ряда деталей и узлов, относительно высокая стоимость, трудность установки встроенных трансформтаторов тока.

Электромагнитные выключатели. Электромагнитные выключатели для гашения дуги не требуют ни масла, ни сжатого воздуха, что является большим преимуществом их перед другими типами выключателей. Выключатели этого типа выпускают на напряжения 6-10 кВ, номинальный ток до 3600 А и ток отключения до 40 кА.

Достоинства. Полная взрыво- и пожаробезопасность, малый износ дугогасительных контактов, пригодность для работы в условиях частых включений и отключений, относительно высокая отключающая способность.

Недостатки. Сложность конструкции дугогасительной камеры с ситемой магнитного дутья, ограниченный верхний предел номинального напряжения (15-20 кВ), ограниченная пригодность для наружной установки.

Вакуумные выключатели. (рис.1)Электрическая прочность вакуумного промежутка во много раз больше, чем воздушного промежутка при атмосферном давлении. Это свойство используется в вакуумных дугогасительных камерах КДВ. Рабочие контакты имеют вид полых усеченных конусов с радиальными прорезями. Такая форма контактов при размыкании создает радиальное электродинамическое усилие, действующее на возникшую дугу и заставляющее перемещаться ее через зазоры на дугогасительные контакты. Контакты представляют собой диски, разрезанные спиральными прорезями на три сектора, по которым движется дуга. Материал контактов подобран так, чтобы уменьшить количество испаряющегося металла. Вследствие глубокого вакуума происходит быстрая диффузия заряженных частиц в окружающее пространство и при первом переходе тока через нуль дуга гаснет.

Достоинства вакуумных выключателей.Простота конструкции; высокая степень надежности, высокая коммутационная износостойкость, малые размеры, пожаро- и взрывобезопасность, отсутствие шума при операциях, отсутствие загрязнения окружающей среды, малые эксплуатационные расходы.

Недостатки вакуумных выключателей. Сравнительно небольшие номинальные токи и токи отключения, возможность коммутационных перенапряжений при отключении малых индуктивных токов.

Элегазовые выключатели.Элегаз SF6 обладает высокими дугогасящими свойствами, которые используются в аппаратах высокого напряжения. Выключатели во многом напоминают конструкцию отделителей. Однако, для успешного отключения тока в них предусматривается устройства для вращения дуги в элегазе. В подвижный и неподвижный контакт встроены постоянные магниты, которые создают магнитные поля, направленные встречно. При размыкании контактов образуется дуга, ток которой взаимодействует с радиальным м.п., в результате чего создается сила F, перемещающая дугу по кольцевым электродам. Вращение дуги в элегазе способствует быстрому гашению. Чем больше ток, тем больше скорость перемещения дуги, это защищает контакты от обгорания. Контактная система описанной конструкции помещается внутри фарфорового корпуса, заполненного элегазом и герметически закрытого.

Достоинства элегазовых выключателей: пожаро- взрывобезопасность, быстрота действия, высокая отключающая способность, малый износ дугогасительных контактов, возможность создания серий с унифицированными узлами, пригодность для наружной установки и внутренней.

Недостатки: необходимость спец устройств для наполнения, перекачки и очистки SF6, относительно высокая стоимость SF6.

Выбор выключателей.

1. по U установки: U_УСТ ≤ U_НОМ;

2. по длительному I: I_MAX ≤ I_НОМ; I_НОРМ ≤ I_НОМ;

3. по отключающей способности на симметричный ток отключения

, где I_П.τ– периодическая составляющая тока КЗ в момент расхождения контактов τ; I_{ОТК. НОМ} – номинальное допустимое значение периодической составляющей, кА; U_НОМ, I_НОМ– номинальные Uи Iвыключателя;

4. по отключающей способности на возможность отключения апериодической составляющей тока КЗ: i_a,τ≤ i_{a, ном}, где i_{a, ном}– номинальное допускаемое значение апериодической составляющей в отключаемом токе для времени τ, кА; i_a,τ– апериодическая составляющая тока КЗ в момент расхождения котактов τ, кА; τ – наименьшее время от начала КЗ до момента расхождения дугогасительных контактов,с;

5. по включающей способности: i_у≤ i_вкл, I_п,0≤ I_вкл– где i_у– ударный ток КЗ в цепи выключателя, кА; I_п,0– начальное значение периодической составляющей тока КЗ в цепи выключателя, кА; I_вкл– номинальный ток включения (действующее значение периодической составляющей), кА; i_вкл– наибольший пик тока включения, кА.

Заводами – изготовителями соблюдается условие: i_вкл= k_у√2 I_вкл, где k_у– 1,8 – ударный коэф. нормированный для выключателей.

6. на электродинамическую стойкость: i_у≤ i_дин , I_п,0≤ I_дин– где I_дин– действующее значение периодической составляющей предельного сквозного тока КЗ; i_дин– наибольший пиковый ток (ток электродинамической стойкости).

7. на термическую стойкость: В_К ≤ I²_ТЕРt_ТЕР, где В_К – тепловой импульс тока КЗ по расчёту, А²с; I_ТЕР– среднеквадратичное значение тока за время его протекания (ток термической стойкости) по каталогу, кА; t_ТЕР– длительность протекания тока термической стойкости по каталогу, с.

 

34Автоматические выключатели ( А.В.): назначение, основные характеристики, виды выключателей, условия выбора. Карта селективности.

Предназначены для коммутации цепей при аварийных режимах, а также нечастых (от 6 до 30 в сутки) оперативных включений и отключений электрических цепей.

А.В. имеют реле прямого действия, называемые расцепителями. Они могут снабжаться следующими встроенными в них расцепителями:

1. Электромагнитным или электронным расцепителем максимального тока мгновенного или замедленного действия с практически независимой от тока выдержкой времени;

2. Электротермическим или электронным инерционным расцепителем максимального тока с зависимой от тока выдержкой времени;

3. Расцепителем тока утечки;

4. расцепителем минимального напряжения;

5. расцепителем обратного тока или обратной мощности;

6. независимый расцепитель (дистанционное отключение выключателя).

Первые два типа устанавливаются во всех трех полюсах, остальные - по одному на выключатель. Токи уставки, а также выдержки времени токовых расцепителей могут быть регулируемыми. В одном выключателе могут применять один или несколько типов токовых расцепителей и дополнительно к ним расцепитель минимального напряжения, независимый расцепитель и электромагнит включения.

По времени срабатывания электромагнитные и аналогичные им электронные расцепители имеют четыре разновидности:

1.расцепители, обеспечивающие срабатывание А.В. за время намного меньше 0,01с, и отключение тока КЗ раньше, чем он достигнет своего ударного значения. Такие А.В. называют токоогораничивающие.

2.расцепители, обеспечивающие отключение тока КЗ при первом прохождении тока через нулевое значение tc=0,01с.

3.нерегулируемые расцепители, время срабатывания которых превышает 0,01с;

4.расцепители с регулируемой выдержкой времени (0,1-0,7с), позволяющие добиться замедленной работы относительно других А.В. той же сети, называют селективными.

Расцепители тока утечки применяют для быстрого отключения участков сети, в которых из-за нарушения изоляции или прикосновения людей к проводникам возник ток утечки на землю. При этом ток уставки расцепителя выбирают в пределах от 10 до30 мА, а время зависимости от напряжения в пределах от 10 до100мс. Эту защиту в наст. время считают более эффективной от защиты людей от поражения электрическим током.

Расцепители минимального напряжения применяют в целях отключения источников питания при прекращении ими питания сети ( перед АВР), а также в целях отключения электроприемников, самозапуск которых при автоматическом восстановлении напряжения нежелателен. Напряжение срабатывания расцепителя выбирают в пределах от 0,8 до 0,9 Uном, время срабатывания – в соответствии с требованиями систем автоматического восстановления питания сети.

Независимые расцепители применяют для местного дистанционного и автоматического отключения А.В. при срабатывании внешних защитных устройств.

Расцепители обратного тока или обратной мощности применяют для защиты генераторов, работающих на электрическую систему от выпадения синхронизма.

Отключение может происходить без выдержки времени или с выдержкой. По собственному времени отключения (промежуток от момента, когда контролируемый параметр превзошел установленное для него значение, до момента начала расхождения контактов) различают нормальные выключатели (tсо=0,02-1с), выключатели с выдержкой времени (селективные) и быстродейтвующие выключатели tсо< 0,005 с.

Нормальные и селективные А.В. токоограничивающим действием не обладают. Быстродействующие выключатели, так же как и предохранители, обладают токоограничивающим действием, т.к. отключают цепь до того, как ток в ней достигнет значения iу.

Селективные А.В. позволяют осуществить селективную защиту сетей путем установки А.В. с разными выдержками времени.

А.В. изготавливают с ручными и двигательными приводами, в стационарном и ручном исполнении.

Выбор выключателей.

1.Соответствие номинального напряжения А.В. U_ном.в номинальному напряже-нию сети

U_{ном в} ³ U_{ном. с}.

2. Соответствие номинального тока выключателя I_{ном в} расчетному току защищаемой цепи

I_{ном в} ³ I_р.

3. Токовую отсечку А.В. отстраивают от пиковых токов электроприемника по выражению

I_со ³ 1,05 · k_з ·k_а · k_р ·I_пик = k_н ·I_пик,

где k_н = 1,05 · k_з ·k_а · k_р - коэффициент надежности отстройки; 1,05 - коэффициент, учитывающий, что в нормальном режиме может быть на 5% выше номинального напряжения электроприемника; k_з - коэффициент запаса; k_а - коэффициент, учитываю- щий наличие апериодической составляющей в пиковом токе электроприемника; k_р - коэффициент, учитывающий возможный разброс тока срабатывания отсечки относительно уставки. Значения коэффициентов - справочная величина.

4. Защита от перегрузки. Согласно ПУЭ защиту от перегрузки должны иметь следующие сети внутри помещений:

I_{с. п} £ (1,2 ¸ 1,4) · I_{ном дв},

Для защиты от перегрузки трансформаторов уставки выбирают исходя из перегрузочной способности трансформатора:

I_{с. п} £ 1,4 · I_{ном тр}.

Для защиты от перегрузки конденсаторной установки уставку тока перегрузки выбирают

I_{с. п} £ 1,3 · I_{ном КУ}.

В сетях, защищаемых от перегрузки, сечения проводников должны быть выбраны так, чтобы токи аппаратов защиты к длительно допустимым токовым нагрузкам проводников имели кратность не более

I_{с. п} £ 1,25 · I_доп.

Для электроустановок во взрывоопасных зонах

I_{с. п} £ I_доп.

5. Выбор времени срабатывания отсечки.

А.В. могут иметь следующие защитные характеристики (рис.2):

- зависимую от тока характеристику времени срабатывания (тепловой расцепитель) (кривая 1);

- независимую от тока характеристику времени срабатывания (электромагнит-ный расцепитель) (кривая 2);

Рис.2. Защитные характеристики автоматических выключателей

- ограничено зависимую от тока двухступенчатую характеристику времени срабатывания (комбинированный расцепитель) без вы- держки времени (кр. 3) или с выдержкой времени (кр.4), называемые селективными АВ;

- селективные А.В. могут иметь и 3-хступенчатую защитную характеристику (кр.5).

Выбор А.В. следует начинать с защиты ЭП. Время срабатывания отсечки этих выключателей должно быть наименьшим. А.В. с комбинированным расцепителем - неселективные. Время срабатывания отсечки определяется собственным временем отключения выключателя, выбранные по каталогам: у неселективных А.В. типов АП50, А3700 и т.д. t_со£ 0,02 с, у токоограничивающих типов А3700Б, ВА52 и т.д. - t_со £ 0,01с.

Линейные выключатели КТП могут быть неселективными, если они защищают одиночные крупные ЭП. Время срабатывания отсечки А.В., защищающих группу ЭП (шинопроводы, кабельную сеть с распределительными шкафами), секционных и вводных выключателей определяется по условию

t_со ³ t_{со, п} + Dt,

где t_{со, п} - наибольшее время срабатывания отсечки предыдущей от источника питания защиты; Dt - степень селективности, применяется для выключателей А3700С, ВА55, ВА75 равной 0,1 ... 0,15с; для серии «Электрон» - 0,2 ... 0,25 с; для ВА2М - 0,15...0,2 с.