Выключатели нагрузки

Отчет о научно-исследовательской работе

Выключатели нагрузки

коммутационный высоковольтный напряжение выключатель

В настоящее время состояние распределительных устройств (РУ) требует замены устаревшего морально и физически оборудования на современное. Мировая тенденция развития электротехнического оборудования такова, что ранее широко распространённые масляные и маломасляные выключатели на напряжение 6−35 кВ повсеместно заменяются на вакуумные выключатели, а на смену масляным и воздушным класса 35 кВ и выше приходят элегазовые выключатели и комплектные РУ с элегазовой изоляцией (КРУЭ). Уже в 1990 году по зарубежным данным соотношение между различными типами выключателей, установленных в сетях и электроустановках до 36 кВ, составляло в процентах: масляные — 3, маломасляные — 12, электромагнитные — 5, вакуумные — 65, элегазовые — 15.

Как известно, основным коммутационным аппаратом в электрических установках, служащим для включения и отключения электрических цепей высокого напряжения в нормальных и аварийных режимах является выключатель.

1. Выключатели нагрузки высокого напряжения

Изобретение относится к энергетике, а именно к трехфазным высоковольтным аппаратам, и может быть использовано для коммутации отдельных участков электрических распределительных сетей на 6-10 кВ при токах нагрузки до нескольких сотен ампер и при отсутствии тока, а также для защиты электрических сетей от токов короткого замыкания. Технический результат - повышение надежности работы выключателя при одновременном снижении веса. Для этого выключатель нагрузки высокого напряжения содержит два опорных изолятора, установленную на изоляторах пространственную раму, на которой размещены верхние проходные и нижние закрытые камеры гашения дуги, токопроводящие стержни, обеспечивающие электрическую связь верхних и нижних камер гашения дуги, планку, жестко связанную с токопроводящими стержнями. Планка установлена с возможностью перемещения между верхними и нижними камерами гашения дуги. Кроме того, выключатель содержит привод перемещения планки, выполненный в виде тяги и пружин сжатия, одним концом связанных с планкой, а другим - с тягой. Нижний конец тяги жестко связан с планкой, верхний - с пружинами с возможностью разъединения. Рама и планка выполнены из изоляционного материала. 2 ил.

Изобретение относится к энергетике, а именно к трехфазным аппаратам, и может быть использовано для коммутации отдельных участков электрических распределительных сетей 6-10 кВ при токах нагрузки до нескольких сотен ампер и при отсутствии тока, а также для защиты электрических сетей от токов короткого замыкания. В последнем случае к выключателю нагрузки последовательно присоединяют высоковольтные предохранители.

Известны выключатели высокого напряжения, содержащие дугогасительную камеру с неподвижным контактом, вывод и токопровод для соединения вывода с контактом (Каталог фирмы EIB № 21,5 01e, 1975, фиг. 1).

Рисунок 1 — Выключатель высокого напряжения В этом выключателе положение камеры с неподвижным контактом жестко фиксировано, без возможности регулировки, что затрудняет взаимодействие неподвижного контакта с подвижным из-за возможной несоосности этих элементов, что снижает надежность работы устройства.

Известен выключатель высокого напряжения, содержащий дугогасительную камеру с неподвижным контактом, вывод и токопровод, соединяющий вывод с неподвижным контактом, причем сочленение двух элементов токопровода выполнено по рабочим контактам, имеющим форму тел вращения (SU 442 525, 1975).

Недостатком этого технического решения является невысокая надежность работы, вследствие того, что при многократных операциях включения и выключения может нарушиться регулировка и контактное натяжение между соединяемыми элементами токопровода.

В настоящее время известны выключатели нагрузки двух типов: автогазовые (например, ВНП-10/630−20) и вакуумные (ВНВП-10/320−2). Изготовление вакуумных выключателей требует больших затрат материала, рабочего времени, оборудования. Поэтому данный тип выключателей большого распространения в странах СНГ не получил.

Размыкание дугогасительных контактов автогазовых выключателей нагрузки в этих выключателях происходит в камерах, выполненных из пластмассы, имеющих вкладыши из органического стекла. Конструкция камер позволяет производить отключение до 200 раз при токе в 100 А и 3 раза при токе в 400 А, после чего необходима замена вкладышей, которая требует полного снятия напряжения цепи и демонтажа камер гашения. В соответствии с этим основным недостатком существующих автогазовых выключателей является:

— необходимость частой замены вкладышей из оргстекла в дугогасительных камерах;

— частые аварии из-за непопадания дугогасительных контактов в узкую щель рога выключателя нагрузки, а также частое заклинивание этих же контактов;

— наличие только одного контактного разрыва на фазу;

— сложность опорной конструкции привода;

— большой вес аппарата.

Кроме того, описанные выше выключатели нагрузки встраиваются в ячейки распределительных устройств неподвижно, т. е. стационарно, что затрудняет их эксплуатацию.

Известен выключатель высокого напряжения, содержащий дугогасительную камеру, которая состоит из неподвижной плиты, выполненной из жаростойкого изоляционного материала в виде усеченного конуса, на которой смонтирована контактная система, и подвижного цилиндра, выполненного из того же изоляционного материала, внутри которого вырезана поверхность конической формы, соответствующая усеченному конусу неподвижной плиты. В нижнюю часть подвижного цилиндра вмонтированы контакты (SU 729 680, 1980). При срабатывании, надвигаясь на неподвижную плиту, а следовательно, и на дугу, подвижный цилиндр осуществляет быстрое сужение узкой щели коническими поверхностями, чем достигается охлаждение и гашение дуги.

Недостатком данного технического решения является:

— наличие только одного контактного разрыва на фазу;

— сложность опорной конструкции привода;

— большой вес аппарата.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении надежности работы выключателя при одновременном снижении веса.

Сущность изобретения заключается в достижении указанного технического результата в выключателе нагрузки высокого напряжения, который содержит два опорных изолятора, установленную на изоляторах пространственную раму, на которой размещены верхние проходные и нижние закрытые камеры гашения дуги, токопроводящие стержни, планку, жестко связанную с токопроводящими стержнями и установленную с возможностью перемещения между верхними и нижними камерами гашения дуги, и привод перемещения планки, выполненные в виде пружин растяжения, одним концом связанных с планкой, а другим — с тягой, при этом нижний конец тяги жестко связан с планкой, верхний — с пружинами с возможностью разъединения, а рама и планка выполнены из изоляционного материала Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен выключатель нагрузки высокого напряжения; на фиг. 2 — токопроводящий стержень.

Выключатель согласно изобретению содержит два изолятора 1, установленную на изоляторах пространственную раму 2, имеющую верхнюю 3 и нижнюю 4 поперечины. На верхней поперечине 3 установлены проходные камеры 5 гашения дуги, на нижней поперечине 4 — нижние закрытые камеры 6 гашения дуги. Между верхними и нижними камерами гашения дуги установлены токопроводящие стержни 7, имеющие контактную (без штриховки) и покрытую изоляцией (например, фторопласт) необходимой толщины (заштрихован) части. Кроме того, токопроводящие стержни со стороны верхних камер гашения дуги завершаются концовкой конической формы из того же изоляционного материала. Длина стержней такова, что после их перемещения вниз при отключении устройства у верхних камер образуются видимые разрывы.

2. Вакуумные выключатели

Вакуумный выключатель (рисунок 1) — 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 2 — Вакуумные выключатели

2.1 История создания

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 году 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 еще 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.

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 500 кВ включительно).

2.2 Принцип действия

Поскольку разрежённый газ 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

2.3 Достоинства и недостатки

Достоинства:

— простота конструкции;

— надежность;

— высокая коммутационная износостойкость;

— малые размеры;

— пожарои взрывобезопасность;

— отсутствие шума при операциях;

— отсутствие загрязнения окружающей среды;

— удобство эксплуатации;

— малые эксплуатационные расходы.

Недостатки:

— сравнительно небольшие номинальные токи и токи отключения;

— возможность коммутационных перенапряжений при отключении малых индуктивных токов;

— небольшой ресурс дугогасительного устройства по отключению токов короткого замыкания.

3. Высоковольтные выключатели

Высоковольтный выключатель — коммутационный аппарат, предназначенный для оперативных включений и отключений отдельных цепей или электрооборудования в энергосистеме в нормальных или аварийных режимах при ручном дистанционном или автоматическом управлении.

Высоковольтный выключатель состоит из: контактной системы с дугогасительным устройством, токоведущих частей, корпуса, изоляционной конструкции и приводного механизма (например, электромагнитный привод, ручной привод).

3.1 Классификация высоковольтных выключателей

По способу гашения дуги:

— элегазовые выключатели (баковые и колонковые);

— вакуумные выключатели;

— масляные выключатели (баковые и маломасляные);

— воздушные выключатели.

По назначению:

— сетевые выключатели на напряжения от 6 кВ и выше, применяемые в электрических цепях (кроме цепей электрических машин и электротермических установок) и предназначенные для пропускания и коммутирования тока в нормальных условиях работы цепи, а также для пропускания в течение заданного времени и коммутирования тока в заданных ненормальных условиях, таких как условия короткого замыкания;

— генераторные выключатели на напряжения от 6 до 20 кВ, применяемые в цепях электрических машин (генераторов, синхронных компенсаторов, мощных электродвигателей) и предназначенные для пропускания и коммутаций тока в нормальных условиях, а также в пусковых режимах и при коротких замыканиях. Отличаются, как правило, большими значениями номинального тока (до 10 000 А) и тока отключения;

— выключатели на напряжение от 6 до 220 кВ для электротермических установок, применяемые в цепях крупных электротермических установок (например, сталеплавильных, руднотермических и других печей) и предназначенные для пропускания и коммутаций тока в нормальных условиях, а также в различных эксплуатационных режимах и при коротких замыканиях;

— выключатели специального назначения.

По виду установки:

— опорные, имеющие основную изоляцию на землю опорного типа;

— подвесные, имеющие основную изоляцию на землю подвесного типа;

— настенные, укрепленные на стенах закрытых распредустройств;

— выкатные, имеющие приспособления для выкатки из ячеек распредустройств;

— встраиваемые в комплектные распределительные устройства.

4. Вакуумные коммутационные аппараты

Коммутационные аппараты, принцип гашения дуги в которых осуществляется в воздушной или масляной среде, достигли своего предела в области повышения технических характеристик, особенно в части коммутационного ресурса и надежности.

По этой причине находят широкое применение вакуумные коммутационные аппараты (выключатели и контакторы).

Вакуумные коммутационные аппараты (ВКА), принцип действия которых основан на гашении электрической дуги в вакууме, в сравнении с воздушными и масляными выключателями имеют следующие преимущества:

— высокую коммутационную способность (в 3−4 раза больше по количеству циклов коммутаций);

— возможность применения в широком диапазоне токов и напряжений при небольших габаритах и массе;

— длительный срок эксплуатации без ремонтов и ревизий;

— быстродействие за счет небольшого хода подвижных частей;

— стабильность переходного сопротивления на протяжении всего срока эксплуатации;

— повышенный уровень взрывои пожаробезопасности.

Сфера применения ВКА довольно широка, практически не существует такой отрасли производства, где не было бы необходимости в применении вакуумных выключателей и контакторов. Учитывая значительную коммутационную способность и надежность, ВКА находят применение не только на предприятиях угольной, химической, нефтеперерабатывающей и других отраслей промышленности, но также на электротранспорте, в сельскохозяйственных электросетях и электропитании коммунальных объектов, а именно в станциях управления лифтами, грузоподъемных механизмах, сетях внешнего освещения и т. д.

Ведущими фирмами США, Англии, Японии и Германии изготавливается до 80% мирового производства ВКА, при этом в объемах производства всех типов коммутационных аппаратов, вакуумные составляют в США — 60%, Англии — 50%, Японии — 80%, Германии — 30%.

Учитывая, что основным элементом ВКА являются вакуумные дугогасительные камеры (ВДК) изготовление их возможно только на предприятиях, владеющих технологиями электровакуумного производства.

Анализ состояния проведения разработок и организации серийного производства указывает на значительное отставание предприятий Украины от производителей Российской Федерации, не говоря об известных западных фирмах.

Фактически разработчиками и изготовителями ВДК в Украине заняты три предприятия используя при этом для комплектации своих аппаратов дугогасительные камеры зарубежных фирм ABB и Siemens.

По имеющейся информации в последнее время проявляется повышенный спрос на низковольтные вакуумные контакторы рудничного исполнения.

Потребности угольной промышленности в контакторах не обеспечиваются. Отсутствие производственных мощностей и высокопроизводительного технологического оборудования не позволяет нарастить объемы производства ВДК и низковольтных контакторов общепромышленного применения.

Применение низковольтных вакуумных контакторов общепромышленного исполнения в сетях внешнего освещения и станциях управления лифтами позволяет получить пополнение, а бюджет любого города за счет значительного срока эксплуатации аппаратов без ремонтов и ревизий, что следовательно уменьшит затраты на обслуживание.

5. Недостатки вакуумных коммутационных аппаратов

К недостаткам можно отнести:

— более высокая стоимость по сравнению с маломасляными выключателями;

— генерация перенапряжений;

— для вакуумных выключателей характерен очень маленький разрыв между контактами и высокая скорость отключения. То есть выключатель может разрывать дугу до перехода тока через ноль. От этого и возникают перенапряжения. В ранее использовавшихся маломасляных выключателях было большое расхождение контактов, и пока дуга разрывалась, синусоида успевала проходить через ноль, перенапряжения не было. А перенапряжение для кабельной сети — это опасно. Необходимо иметь ограничители перенапряжения. Проблема коммутационных перенапряжений сформировалась на основе раннего опыта эксплуатации первых вакуумных камер в ряде стран. С тех пор имеются большие достижения в разработке контактных материалов, дающих малый ток среза и, следовательно, обеспечивающих низкий уровень перенапряжений при отключении нагрузки. Кроме того, проблема коммутационных перенапряжений при необходимости может быть эффективно решена путем применения достаточно простых защитных устройств. Следует учитывать также, что коммутационные перенапряжения не являются специфической особенностью вакуумных коммутационных аппаратов, а присущи и другим типам выключателей;

— возможность потери вакуума и вызываемые этим последствия. Имевшие место на начальном этапе освоения вакуумных выключателей опасения из-за возможной потери вакуума в ВДК оказались несущественными, так как накопленный мировой опыт эксплуатации ВВ в распределительных сетях показал, что потеря вакуума не создает серьезных проблем и не приводит к создания аварийных ситуаций.

Преимущества вакуумных коммутационных аппаратов в наибольшей степени проявляются в электроустановках с частыми коммутациями. С этой точки зрения эффективным является применение их в схемах управления электродвигателями и печными трансформаторами.

Характерным признаком элегазовых баковых выключателей является расположение дугогасительной камеры в заземленном металлическом корпусе. Благодаря такой конструкции, имеющийся внутри элегаз изолирует все токоведущие части контактной группы от корпуса.

Подключение к высокому напряжению происходит через ввод, также наполненный элегазом. Трансформаторы тока укрепляются непосредственно на вводном изоляторе, благодаря чему отпадает необходимость их отдельной установки. Элегазовый баковый выключатель имеет преимущества в том случае, если для защиты конструкции требуется применение нескольких трансформаторов тока на один полюс выключателя. Возможность установки трансформаторов тока перед и после дугогасительной камеры позволяет выполнить схему защит на данном выключателе в экономичном исполнении. Более того, так относительно проще производить замену трансформатора тока.

Заключение

Вакуумные выключатели являются одними из наиболее перспективных направлений развития коммутационных аппаратов. Полупроводниковые выключатели занимают область наименьших напряжений и отключаемых токов, и их использование оправдано только в случаях, когда требуется чрезвычайно частое оперирование. Из-за относительно низких параметров тиристоров приходится соединять их в последовательные и параллельные цепочки, что удорожает выключатель и усложняет схему управления им. К недостаткам полупроводниковых выключателей относят также значительные тепловые потери в тиристорах.

В сетях средних классов напряжений (до 35 кВ) основным типом коммутационных аппаратов скоро станут вакуумные выключатели, хотя на сегодня серьёзную конкуренцию здесь создают элегазовые выключатели. По техническим параметрам эти выключатели в основном равноценны, но вакуумные выключатели имеют большие преимущества в установках с частыми коммутациями.

Основные трудности, сдерживающие развитие вакуумных коммутационных аппаратов связаны с теплоотводом от контактов как при длительной нагрузке номинальным током, так и в процессе отключения. Это обусловлено тем, что теплопередача от контактов через объём камеры к её стенкам чрезвычайно низка, передача тепла конвекцией отсутствует. В связи с этим, вся выделяемая в контактах и токоведущих стержнях теплота должна быть отведена практически лишь посредством теплопроводности в аксиальном направлении к выводам камеры, присоединяемым, как правило, к охлаждающим радиаторам.

Другим важным направлением в развитии вакуумных коммутационных аппаратов является расширение области применения по классу напряжения электрических сетей.

Список использованных источников

1 Орлова И. Н. Электротехнический справочник. — М.: Энергоатомиздат, 1986. — 711 с.

2 Чунихин А. А. Электрические аппараты. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 720 с.

3 Афонин В. В. Элегазовые выключатели распределительных устройств высокого напряжения / В. В. Афонин, К. А. Набатов. — Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2009. — 96 с.

4 Румянцев Д. Е. Современное вакуумное коммутационное электротехническое оборудование сетей и подстанций. — М.: ИПК госслужбы, 2000. — 71 с.

5 Вакуумные коммутационные аппараты / Г. Н. Александров, В. В. Борисов, Г. А. Евдокимов. — СПб., 1995. — 62 с.