Электрические приборы. Коммутационные аппараты выше 1000 В

План.

3.3.1. Коммутационные аппараты выше 1000 В.

3.3.2 Выключатели нагрузки.

3.3.3. Вакуумные выключатели.

Коммутационные аппараты на напряжение выше 1000 В

Высоковольтные выключатели (включая их приводы) предназначены для коммутации электрических цепей при нормальных и аварийных режимах в сетях трехфазного переменного тока частотой 50 Гц с номинальным напряжением от 6 до 750 кВ включительно (ГОСТ 687–78).

Выключатели должны эксплуатироваться в условиях предусмотренных климатическим исполнением и категорией размещения по ГОСТ 15150–69, и удовлетворять в части воздействия климатических факторов внешней среды требованиям ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543.1–89. Для маломасляных, воздушных, генераторных, элегазовых и электромагнитных выключателей климатического исполнения У, категории размещения 3 нижнее значение рабочей температуры окружающего воздуха принимается равным минус 25 °С.

Выключатели предназначены для работы на высоте над уровнем моря до 1000 м, за исключением выключателей на номинальное напряжение 750 кВ, предназначенных для работы на высоте до 500 м.

Выключатель должен выполнять следующие механические операции и циклы операций при условиях, указанных ниже, с характеристиками работы механизма выключателя, обеспечивающими нормированные параметры коммутационной способности выключателя:

а) включение (В);

б) отключение (О);

в) включение-отключение (ВО), в том числе без преднамеренной выдержки времени В и О;

г) отключение-включение (ОВ) при любой бесконтактной паузе;

д) отключение-включение-отключение (ОВО).

Конструкция выключателя, прежде всего, определяется способом гашения дуги. По этому признаку современные включатели можно разделить на следующие группы:

1. Масляные выключатели – гашение дуги происходит в масле: баковые (с большим объемом масла, которое служит также изоляцией) и маломасляные или горшковые (с малым объемом масла, являющимся только дугогасящей средой).

2. Воздушные выключатели – гашение дуги осуществляется сжатым воздухом, запасенным в резервуаре выключателя.

3. Автогазовые выключатели – гашение дуги осуществляется газами, которые выделяются из стенок камер под действием высокой температуры дуги.

4. Выключатели со сжатым элегазом – гашение дуги происходит под давлением (в среде шестифтористой серы – SF₆).

5. Электромагнитные выключатели – гашение дуги осуществляется при помощи магнитного дутья в различных камерах.

6. Вакуумные выключатели – гашение дуги происходит в вакууме.

Выключатели нагрузки.

Выключатель нагрузки представляет собой трехполюсный коммутационный аппарат переменного тока для напряжения свыше 1 кВ, рассчитанный на отключение номинального рабочего тока и снабженный приводом для неавтоматического или автоматического управления, рис. 3.18.

Выключатели нагрузки не предназначены для отключения тока КЗ, но их включающая способность соответствует электродинамической стойкости при КЗ.

Рис. 3.18. Выключатель нагрузки с гасительным устройством газогенерирующего типа

Выключатели нагрузки применяют в присоединениях силовых трансформаторов на стороне высшего напряжения вместо силовых выключателей, если это возможно по условиям работы электроустановки. Поскольку они не рассчитаны на отключение тока КЗ, функции автоматического отключения трансформаторов в случае их повреждения возлагают на плавкие предохранители либо на выключатели, принадлежащие предшествующим звеньям системы.

Отечественные заводы выпускают выключатели нагрузки (рис 3.18) для номинальных напряжений 6 и 10 кВ. На опорных изоляторах разъединителя укреплены гасительные камеры. К ножам разъединителя прикреплены вспомогательные ножи. Изменен также привод разъединителя, чтобы обеспечить необходимую скорость движения ножей при включении и отключении, не зависящую от оператора.

В положении «включено» вспомогательные ножи входят в гасительные камеры. Контакты разъединителя и скользящие контакты гасительных камер замкнуты. Большая часть тока проходит через контакты разъединителя. В процессе отключения сначала размыкаются контакты разъединителя; при этом ток смещается через вспомогательные ножи в гасительные камеры. Несколько позднее размыкаются контакты в камере. Зажигаются дуги, которые гасятся в потоке газов – продуктах разложения вкладышей из органического стекла. В положении «отключено» вспомогательные ножи находятся вне гасительных камер, при этом обеспечиваются достаточные изоляционные разрывы.

Вакуумные выключатели

Вакуумные выключатели состоят из вакуумных дугогасительных камер (ВДК), приводов с приводными механизмами и схем управления.

Вакуумные дугогасительные камеры являются важнейшей частью выключателей, определяющей их технические характеристики.

Принцип действия вакуумных дугогасительных камер основан на гашении электрической дуги в вакууме, при давлении остаточных газов 10^-3-10^-6 Па. В вакуумных дугогасительных устройствах (ДУ) реализуется два очень важных свойства вакуумных промежутков: высокая электрическая прочность (выше, чем у трансформаторного масла) и высокая дугогасительная способность.

В глубоком вакууме дугогасительной камеры выключателя длина свободного пробега молекул и электронов составляет десятки и сотни метров, т. е. во много раз больше, чем расстояние между контактами выключателя. Ударная ионизация в вакуумном промежутке практически отсутствует, поэтому вакуумный промежуток не может служить источником заряженных частиц. Заряженные частицы могут появиться при определенных условиях с поверхностей контактов и других частей вакуумной камеры.

Процесс отключения происходит следующим образом. При размыкании контактов 2 и 3 количество контактных точек между ними уменьшается, а плотность тока, протекающего через контактные точки, растет (рис. 3.19).

В результате этого на завершающей стадии размыкания происходит расплавление и испарение материала контактов. В парах металла возникает электрический разряд, переходящий в дуговую стадию. Благодаря низкому давлению в камере происходит интенсивная диффузия (деионизация) дугового столба и дуга гаснет. Частицы испарившегося материала контактов оседают на поверхностях вакуумной камеры. При этом быстро, со скоростью 5-50 кВ/мкс, восстанавливается электрическая прочность между контактами. Скорость восстановления электрической прочности в вакуумных выключателях выше, чем у других типов выключателей.

Герметичность камеры при перемещении подвижного контакта обеспечивается сильфоном 4, который плотно связан с токовводом 5 подвижного контакта и фланцем 6 камеры.

Материал контактов оказывает большое влияние на характеристики выключателя. В настоящее время применяют сплавы меди и хрома или меди с небольшими количествами висмута, железа и бора. Эти сплавы отличаются более высокой электро- и теплопроводностью по сравнению с ранее применявшимися тугоплавкими материалами, например вольфрамом.

При использовании тугоплавких материалов для контактов в газообразное состояние переходит меньшее количество вещества, поэтому дуговой столб распадается быстрее. Однако в этом случае при отключении малых токов погашение дуги возможно при токе до момента перехода тока через нуль. Происходит “срез” тока, что вызывает перенапряжение на оборудовании и может привести к нежелательным последствиям.

Поэтому в настоящее время применяют сплавы меди в качестве материала контактов, чтобы предотвратить перенапряжения в отключаемой цепи. Для защиты изоляционных поверхностей камеры от загрязнения продуктами эрозии контактов устанавливают специальные экраны. Так как контакты находятся в глубоком вакууме, они не окисляются, благодаря чему достигается высокая износостойкость контактов. Они работают без обслуживания в течение всего срока службы камеры.

Благодаря высокой электрической прочности вакуумных промежутков ход подвижных контактов невелик, в пределах 8-20 мм. Ход контактов у маломасляных выключателей с теми же параметрами, что и у вакуумных выключателей, примерно в 10 раз больше (около 200 мм у выключателя типа ВМП-10).

Характеристики вакуумных выключателей определяются работой контактной системы. При коммутациях происходит эрозия контактных поверхностей. Она тем больше, чем больше отключаемый ток, длительность горения дуги, ниже температура плавления материала контактов и хуже теплоотвод.

Чтобы быстрее погасить дугу, необходима высокая скорость движения подвижного контакта при отключении и включении. Такая необходимость при включении вызвана тем, что при сближении контактов перед замыканием происходит пробой межконтактного промежутка с переходом в дугу так же, как и при отключении. При медленном сближении контактов тепловыделение увеличивается, может возникнуть оплавление контактов. По этой же причине нежелательна вибрация контактов после замыкания, так называемый дребезг контактов. Достаточно большое сжатие контактов в замкнутом состоянии устраняет дребезг и способствует уменьшению переходного электрического сопротивления.

Преимущества вакуумных выключателей: высокая износостойкость при коммутации номинальных токов и токов КЗ; снижение эксплуатационных затрат, простота эксплуатации; быстрое восстановление электрической прочности - (10-50) х 10³ В/мкс; взрыво- и пожаробезопасность; повышенная устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам; произвольное рабочее положение вакуумной дугогасительной камеры (ВДК) в конструкции выключателя; бесшумность, чистота (удобство обслуживания), отсутствие загрязнения окружающей среды; высокое быстродействие, применение для работы в любых циклах АПВ; сравнительно малые массы и габариты, небольшие динамические нагрузки на конструкцию при работе из-за относительно малой мощности привода; легкая замена ВДК.

К недостаткам можно отнести: возможные коммутационные перенапряжения при отключении малых индуктивных токов; трудности при создании и изготовлении, связанные с созданием контактных материалов, сложностью вакуумного производства, склонностью материалов контактов к сварке в условиях вакуума; большие вложения, необходимые для осуществления технологии производства, и поэтому большая стоимость по сравнению с масляными выключателями.

Самостоятельная работа:

4. Масляные, воздушные выключатели и КАГ (1час).

Литература:

Коваленко И.В. Электроэнергетика. Производство электроэнергии: учеб. пособие / И.В. Коваленко, А.А. Егонский. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. – 176 с.

ЛЕКЦИЯ 9.

ТЕМА 3.3 (2 часа)