Выключатели высокого напряжения

Масляные выключатели — первые выключатели высокого напряжения, которые стали использовать для защиты в системах электроснабжения. Они относительно просты по конструкции, удобны в эксплуатации и надежны. Срок службы масляных выключателей превышает 25 лет и, при их правильной эксплуатации, они будут использоваться еще долго. Однако такие выключатели имеют достаточно большие проблемы, связанные с поддержанием масла в рабочем состоянии, его хранением и регенерацией, с пожароопасностью масла. Поэтому постепенно масляные выключатели выводят из эксплуатации, заменяя вакуумными и элегазовыми выключателями.

Масляные выключатели делятся на две группы: баковые и маломасляные. Принципиальное отличие первых от вторых заключается в роли масла в процессе функционирования выключателя. В баковых (многообъемных) выключателях масло играет роль изолятора и дугогасительной среды одновременно. Оно полностью заполняет зону контактов, и при их размыкании между ними возникает дуга, а вокруг нее газовый пузырь, состоящий из продуктов разложения масла (70% водорода, 20% этилена). Давление в газовом пузыре составляет 0,2—0,4 МПа. Водород обладает большой тепловодностью и высокой электрической прочностью, что используется для гашения дуги. Одновременно масло играет роль изолятора между контактами и заземленным стальным баком выключателя. Время выключения многообъемных выключателей достигает 0,15—0,2 с, что является еще одним их недостатком. Баковые выключатели продолжают широко эксплуатироваться в классе напряжений 110—220 кВ (рис. 9.4).

Рис. 9.4. Масляный баковый выключатель серии ВМ.

Маломасляные выключатели, как правило, используются в установках 6 (10) кВ и используют ограниченный объем масла только для гашения электрической дуги. Дугогасительное устройство может располагаться в верхней или нижней части полюса выключателя. Дуга гасится путем ее эффективного охлаждения в потоке газонаровой смеси, которая появляется в результате разложения и испарения масла. Создание направленного потока и является задачей дугогасительной камеры выключателя. На первом этапе гашения дуги (этап «замкнутого пузыря») она горит в замкнутом объеме высокого давления (до 10 МПа), на втором этапе — происходят истечение газа (этап «газового дутья») и охлаждение дуги парами газопаровой смеси, на третьем этапе происходят удаление продуктов распада масла и горения дуги, подготовка к следующему отключению. Система дугогашения достаточно эффективна в указанном классе напряжений. На рис. 9.5 показан маломасляный горшковый выключатель серии ВМГ-10. Выключатель изготавливается на номинальные тока 630 и 1000 А и номинальный отключаемый ток 20 кА, выполнен с пружинным приводом и контактной системой розеточного типа, расположенного в нижней части выключателя.

Рис. 95. Маломасляный выключатель серии ВМГ-10.

Наиболее перспективным направлением развития в классе напряжений 6—35 кВ являются вакуумные выключатели.

Вакуумные выключатели отличаются высоким быстродействием, взрывои пожаробезопасностью, широким диапазоном температур, при котором они используются, надежностью, малыми габаритными размерами, высокой износостойкостью.

В выключателях используется принцип гашения дуги в вакууме до 1,3 (10^—2—10^-5) Па. Процесс гашения дуги в вакууме изложен в гл. 8.

Основной элемент вакуумного выключателя — вакуумная дугогасительная камера (ВДК). Как отмечалось ранее, из-за высокой скорости деионизации столба дуги (диффузная деионизация носителей тока электронов и ионов) обеспечивается высокая скорость восстановления прочности межконтактного промежутка после ее погасания, превышающая скорость роста переходного восстанавливающегося напряжения (ПВН) и выполнение условий гашения дуги. Таким образом, время горения дуги в ВДК не превышает 10 мс.

Разработаны специальные конструкции контактных систем с целью создания радиальных и аксиальных магнитных полей, обеспечивающих высокую скорость перемещения опорных точек дуги по электродам [3|.

В настоящее время разработаны конструкции контактной системы ВДК, позволяющие коммутировать токи до 50 кА.

Интенсивный рост прочности межконтактного промежутка из-за недостатка паров металла в зоне дуги может вызывать ее гашение до момента перехода тока через естественный нуль. Это явление называется срезом тока и характеризуется высокой скоростью изменения тока, а при наличии даже небольшой индуктивности в цепи это приводит к росту перенапряжений, опасных для аппарата и отключаемой цени. Максимальный срез тока наблюдается на контактах из молибдена (14 А), наименьший — из висмута (0,3 А), медь имеет ток среза 2 А. Поэтому, чтобы снизить эффект среза тока, контакты ВДК выполняют из комбинации различных металлов, обладающих высокими проводящими свойствами и снижающих ток среза, например медь и висмут.

11а рис. 9.6 показаны две конструкции вакуумных выключателей на 10 кВ серии ВВЭ-М-10 (а) и BB-TEL (6).

Рис. 9.6. Вакуумные выключатели серии:

а — ВВЭ-М-10; 6 — BB/TEL-10−20/1000.

Выключатель BB/TEL-10−20/1000 У2 (см. рис. 9.6, б) выполнен на поминальное напряжение, кВ, поминальный ток 1000 А и номинальный ток отключения 20 кА. Полное время отключения выключателя составляет 25 мс. Срок службы до списания — 25 лет. Выключатель предназначен для эксплуатации в сетях трехфазного переменного тока частотой 50 Гц номинальным напряжением с изолированной и компенсированной нейтралью в нормальных и аварийных режимах. Выключатели BB/TEL применяются в ячейках КРУ внутренней и наружной установки, а также в камерах КСО. В основе конструктивного решения выключателя лежит использование иофазных электромагнитных приводов с «магнитной защелкой» и механически связанных валом. Такая конструкция позволяет достичь ряда преимуществ по сравнению с традиционными вакуумными выключателями. К ним относятся:

• • высокий коммутационный и механический ресурс;
• • малое потребление мощности по цепи оперативного питания;
• • высокое быстродействие при включении и отключении;
• • возможность отключения при потере оперативного питания;
• • малые габариты и вес и др.

Выключатели BB/TEL выпускаются на номинальные напряжения 10, 20 кВ, номинальные токи 630, 800, 1000, 1600, 2000 А и номинальные токи отключения 16, 20, 31,5 кА. Необходимо отметить, что ресурс по коммутационной стойкости при номинальном токе отключения может достигать 100 циклов включений/отключений (ВО).

Выключатель снабжен блоками питания BP/TEL-220−02A и управления BP/TEL-220−02A, обеспечивающими наиболее гибкое и удобное сопряжение с вторичными цепями защиты и управления, выполненными с применением, как традиционных электромеханических, так и современных микропроцессорных реле.

Вакуумные выключатели подобного типа предназначены также для замены маломасляных выключателей в действующих распределительных устройствах путем реализации программы ретрофитинга (восстановление и модернизация устаревшего оборудования).

Класс напряжений 110—330 кВ и выше традиционно заполнен воздушными выключателями, которые отличаются высокими техническими характеристиками (высокой отключающей способностью, быстродействием, пожаробезопастностью) несмотря на низкую начальную восстанавливающуюся прочность (всего 20 кВ/см), чувствительность к неудаленным КЗ и к отключению ненагруженных силовых трансформаторов. Кроме того, для воздушных выключателей требуется дорогостоящее компрессорное оборудование. Тем не менее, они широко используются в настоящее время, хотя и постепенно заменяются на более перспективный вид выключателей — элегазовые.

По виду установки воздушные выключатели делятся на опорные, подвесные и выкатные.

Как отмечалось ранее (см. гл. 8), принцип гашения дуги в воздушных выключателях основан на интенсивном воздействии потока сжатого воздуха на канал дуги в зоне сопла, его охлаждении и создании условия гашения дуги. Для этой цели создаются различные формы сопла и способы воздействия на дуговой канал (например, с использованием продольного воздушного дутья). Используются дутьевые устройства с давлением 6—8 МПа, а скорость истечения газовой среды в зоне горения дуги может достигать скорости звука (подробнее см. работу [ 1 ]).

Для использования воздушных выключателей в классах напряжения до 1150 кВ применяется модульный принцип построения, основанный на последовательном соединении нескольких однотипных модулей по 110 кВ с выравнивающими емкостными элементами.

На рис. 9.7 приведен воздушный выключатель серии ВВБ-330. Подобные выключатели выпускаются на класс напряжений 110—750 кВ.

Рис. 9.7. Воздушный выключатель серии ВВБ-330

Контактная система полюса выключателя вместе со своим механизмом и дутьевым клапаном находится внутри металлической камеры, наполненной сжатым воздухом и изолированной от земли фарфоровой опорной колонкой. Камера находится под высоким потенциалом. Она имеет два главных и два дополнительных разрыва. Главные контакты отключают полный ток электрической цепи. Они шунтированы резисторами, которые служат для выравнивания распределения напряжения между разрывами в процессе отключения и для снижения скорости восстанавливающего напряжения. Дополнительные контакты отключают остаточный ток, проходящий через резисторы после гашения дуги на главных контактах. Питание воздушных выключателей сжатым воздухом производится через шкафы управления, где размещены элементы пневматического и электрического управления — системы клапанов, электромагниты управления, вспомогательные контакты с пневмоприводом. Включение и отключение выключателя производится путем воздействия на соответствующий электромагнит включения или отключения, который, в свою очередь, воздействует на пусковой клапан. Действие клапанных систем приводит к открытию дутьевых клапанов дугогасительных камер. Затем размыкаются главные контакты, и на обоих разрывах полюса возникает электрическая дуга, которая под действием электродинамических сил и сжатого воздуха, вытекающего из камер, перебрасывается на неподвижные контакты и дополнительные электроды и гасится при переходе тока через нуль. Если выключатель имеет шунтирующие резисторы, то после погасания дуги на главных контактах происходит размыкание дополнительных контактов и отключение ими сравнительно небольшого остаточного тока. После отключения выключателя его траверса с подвижными контактами удерживается в отключенном положении специальным фиксирующим механизмом.

Несмотря на развитие перспективных элегазовых выключателей, существуют устойчивые тенденции дальнейшего совершенствования современных воздушных выключателей. К ним относятся: модульный принцип построения воздушных выключателей, наметилась тенденция существенного увеличения напряжения, приходящегося на один модуль (250 кВ и выше); размещение дугогасительных устройств непосредственно в сжатом воздухе. Наибольшее применяемое сейчас давление достигает 6—8,5 МПа; применение быстродействующих систем управления с временем отключений до одного полупериода, а также применение выключателей с синхронным отключением или включением; ограничение коммутационных перенапряжений, что особенно важно для выключателей высших классов напряжения; повышение надежности и увеличение межремонтных сроков до 15—20 лет.

Элегазовые выключатели призваны заменить воздушные в широком классе напряжений. Это обусловлено свойствами элегаза (шестифтористая сера SF₆). Использование среды элегаза для повышения прочности межконтактного промежутка и улучшение условий гашения дуги изложено в гл. 8 и, хотя элегаз имеет высокие теплопроводящие свойства, он крайне чувствителен к понижению уровня температуры (температура сжижения равна -64°С при 0,1 МПа).

К еще одним достоинствам элегаза следует отнести его негорючесть, инертность и высокую нагревостойкость (до 800°С).

В элегазовых выключателях применяются различные способы гашения дуги в зависимости от номинального напряжения, номинального тока отключения и жесткости сети. В элегазовых ДУ, в отличие от воздушных ДУ, при гашении дуги истечение газа через сопло происходит не в атмосферу, а в замкнутый объем камеры, заполненный элегазом при относительно небольшом избыточном давлении. По способу гашения дуги в элегазе различают элегазовые выключатели:

• — с дутьем в элегазе (автокомпрессионные), создаваемым посредством компрессионного устройства (элегазовые выключатели с одной ступенью давления);
• — электромагнитным дутьем, в которых гашение дуги в дугогасительных устройствах обеспечивается вращением ее по кольцевым контактам нод действием поперечного магнитного ноля, создаваемого отключаемым током;
• — ДУ продольного дутья, в котором предварительно сжатый газ поступает из резервуара с относительно высоким давлением элегаза (элегазовые выключатели с двумя ступенями давления);

ДУ продольного дутья, в котором повышение давления элегаза происходит за счет разогрева газовой среды дугой отключения в специальной камере (элегазовые выключатели с автогенерирующим дутьем).

Рассмотрим автокомпрессионный элегазовый выключатель высокого напряжения (выключатель с одной ступенью давления), который вытесняет воздушные и маломасляные выключатели различного назначения, а также успешно конкурирует с вакуумными выключателями на средние классы напряжения. Автокомпрессионные элегазовые выключатели выпускаются как отдельно стоящие выключатели для открытых распределительных устройств (ОРУ) и различных электроэнергетических, установок, так и для элегазовых газораспределительных устройств (ГРУ). Такие выключатели имеют простую конструкцию, малое количество движущихся элементов, малый уровень шума и не выбрасывают пламени и газов в окружающее пространство. Автокомпрессионные элегазовые выключатели по сравнению с воздушными выключателями отличаются более высокой отключающей способностью на один разрыв, меньшими массой и объемом, более высокой надежностью, в таких выключателях отсутствуют многие механические, пневмомеханические элементы и системы воздушных выключателей, которые в совокупности вызывают более 40% всех аварий по механическим причинам. Для таких элегазовых выключателей нет необходимости в компрессорной станции высокого давления, аварийность которой составляет 10%.

При отключении элегазового выключателя за счет движения подвижного штока приводного силового механизма в полости под контактной системой создается повышенное давление элегаза, что обеспечивает истечение газовой среды через сопло и интенсивное охлаждение электрической дуги, возникающей между контактами при отключении. В ряде конструкций автокомпрессионных элегазовых выключателей используются пружинные, гидравлические силовые приводные механизмы, а организация истечения элегаза через сопла в дугогасительной камере осуществляется по принципу двухстороннего несимметричного дутья.

В подобных элегазовых выключателей один разрыв выдерживает: напряжение 174—245 кВ, номинальный ток 1,25—4 к, А и номинальный ток отключения 31,5—50 к А. Исходное давление элегаза составляет 0,3—0,6 МПа. В настоящее время проводятся интенсивные исследования и испытания для достижения более высоких номинальных параметров на один разрыв.

На рис. 9.8 приведен автокомпрессионный элегазовый выключатель иеразборного типа серии FG фирмы Merlin Genn (Франция) на номинальные напряжение 8—24 кВ, номинальный ток 0,6—3 кА, номинальный ток отключения 25—60 к А, давление в камере 0,2—0,65 МПа, время отключения 0,06—0,1 с. Гарантированное количество операций ВО без ревизии достигает 10 000.

Рис. 9.8. Элегазовый выключатель неразборного типа на 330 кВ серии FG фирмы Merlin Gerin.

Выключатели нагрузки Выключатели нагрузки используются для подключения и выключения участков цепей переменного тока под нагрузкой и, кроме того, они могут выполнять заземления отсоединенных участков посредством заземлителей. Выключатель серии ВНА/ТЕ рассчитан на номинальное напряжение до 10 кВ и номинальный ток 400, 630 А. Применяется для эксплуатации в шкафах КРУ, камерах стационарных одностороннего обслуживания (КСО) и комплектных трансформаторных подстанциях (КТП, БКТП).

На выключателе могут устанавливаться кварцевые предохранители ПКТ 101, 102, 103, выполняющие функцию защиты цепей от короткого замыкания. На рис. 9.9 приведена конструкция подобного выключателя с предохранителями.

Рис. 9.9. Выключатель нагрузки ВН/ТЕ с предохранителями.