Электрические аппараты высокого напряжения

Классификация АВН

Коммутационные аппараты. В эту группу входят высоковольтные выключатели, предохранители, выключатели нагрузки, разъединители, отделители и короткозамыкатели.

• 1) Высоковольтный выключатель — важнейший из АВН. Он служит для включения и отключения токов любых режимов: номинальных, токов КЗ, токов холостого хода (XX) силовых трансформаторов, токов холостых линий и кабелей. Характерной особенностью этого аппарата является наличие дугогасительного устройства (ДУ), которое обеспечивает гашение дуги, возникающей в цепи высокого напряжения при ее размыкании.
• 2) Разъединитель служит для включения и отключения цепей высокого напряжения при отсутствии тока. Эти аппараты необходимы для изменения электрических схем энергоустановки и создания безопасных условий при ремонте и ревизии АВН и силового оборудования (трансформаторов, генераторов и др.). Отличительной особенностью разъединителя является видимый разрыв между контактами в положении «отключено». Разъединитель не имеет ДУ. После снятия напряжения с оборудования необходимо заземлить токоведущие части. Для этого разъединители часто снабжаются заземляющими устройствами.
• 3) Высоковольтный предохранитель — аппарат, производящий отключение защищаемой цепи при КЗ и недопустимой перегрузке путем плавления металлического проводника малого сечения и последующего гашения дуги высокого напряжения в ДУ.
• 4) Выключатель нагрузки. Этот аппарат служит только для включения и отключения номинальных токов установки. Отключение токов КЗ и перегрузок производит высоковольтный предохранитель, включенный с выключателем нагрузки последовательно. В отличие от разъединителя выключатель нагрузки имеет ДУ, рассчитанное на коммутацию номинальных токов и токов XX трансформаторов и линий электропередачи.
• 5) Отделители и короткозамыкатели. В связи с возрастанием мощности приемников напряжение 35—220 кВ подается непосредственно на территории заводов, фабрик, городов. Выключатели на это напряжение имеют значительные габаритные размеры и высокую стоимость. В связи с этим разработаны упрощенные схемы энергоснабжения, в которых выключатели на повышенное напряжение заменяются простыми и дешевыми аппаратами — отделителями и короткозамыкателями, не требующими большого помещения.

Отделитель — это коммутационный аппарат, который служит для отключения обесточенной цепи высокого напряжения за малое время. По своей конструкции отделитель похож на разъединитель, но имеет быстродействующий привод, который отключает его за относительно малое время (не более 0,1 с).

Короткозамыкатель — это коммутационный аппарат, который служит для создания КЗ в цепи высокого напряжения. По своей конструкции он напоминает заземляющее устройство разъединителя. Включение и отключение короткозамыкателя производится также с помощью быстродействующего привода. Время включения с момента подачи управляющего сигнала до момента замыкания контактов не превышает 0,1 с. Согласованная работа отделителя и замыкателя производится от специальной схемы автоматики.

Ограничивающие аппараты. 1) Токоограничивающий реактор — катушка индуктивности, которая служит для ограничения тока КЗ и поддержания необходимого напряжения на сборных шинах распредустройства. Реакторы позволяют применить высоковольтные выключатели и другие АВН облегченного типа, а также повысить надежность работы электроустановки. Наряду с токоограничивающими реакторами в установках высокого напряжения нашли применение реакторы иного назначения: шунтирующие, нагрузочные, дугогасящие и др.

2) Разрядники — аппараты, ограничивающие напряжение в электроустановке при коммутационных и атмосферных перенапряжениях. Они позволяют снизить требования к прочности электрической изоляции аппаратов и оборудования, уменьшить габаритные размеры электроустановки и значительно удешевить ее.

Измерительные аппараты. В эту группу входят высоковольтные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН). Они изолируют силовые цепи высокого напряжения от токовых цепей и цепей напряжения измерительных приборов и релейной защиты. Кроме того, они позволяют различные номинальные токи и номинальные напряжения силовых цепей высокого напряжения привести к стандартным значениям тока (1 и 5 А) и напряжения (100 В).

Комплектные распределительные устройства (КРУ) представляют собой совокупность АВН (выключатель, разъединители, ТТ, ТН, реактор и др.), которая позволяет осуществлять управление потоком энергии и защиту от аварийных режимов. КРУ изготовляются на аппаратном заводе и поставляется на подстанцию в готовом виде. Определенный набор ячеек КРУ позволяет на месте монтажа создать распределительное устройство высокого напряжения по одной из типовых схем. КРУ позволяет резко сократить время монтажа распределительного устройства, повысить надежность работы электроустановки, уменьшить затрату активных материалов и трудоемкость.

Выключатели высокого напряжения. Выключатель является одним из основных видов ЭА, обеспечивающих включение и отключение электрических цепей с различными токами, в том числе токами перегрузки и коротких замыканий.

В начале XX в. появились первые выключатели, в которых гашение дуги происходило под воздействием продуктов разложения минерального масла. Поэтому такие выключатели получили название масляных. Конструктивно первые выключатели были выполнены в виде бака с трансформаторным маслом, в котором располагались неподвижные части контактов. Подвижная часть контактов прикреплялась к траверсе, подвешенной на вертикальных бакелитовых трубках. Эти стержни соединялись с конструктивными элементами приводного механизма. В каждой фазе контакт обеспечивался двумя неподвижными контактами и одной траверсой. В результате обеспечивалось два разрыва цепи на каждую фазу и соответственно в процессе коммутации возникало две дуги. Гашение дуги обеспечивалось за счет увеличения ее длины при движении траверсы и воздействия продуктов разложения масла, возникающих под воздействием высокой температуры дуги. Эти продукты в виде газового пузыря создавали дугогасящую среду, и при прохождении тока через нуль происходил процесс деионизации и восстановления электрической прочности между разрывными контактами. Трансформаторное масло служило одновременно изоляцией токоведущих частей от заземленного корпуса бака.

Первые отечественные масляные выключатели были разработаны на напряжение от 6 до 110 кВ. Среди них были как однобаковые выключатели тина МЛ-5, ВМ-12, -гак и трехбаковые типа МВ-18, МВ-24.

Большое значение при создании ЭА имеет теория электрической дуги. Исследования методов гашения электрической дуги для ЭА были проведены в период 1910— 1914 гг. М.О. Доливо-Добровольским, и им впервые предложено использовать для этих целей магнитное дутье, обеспечивающее гашение длинной дуги в узких щелях специальных дугогасительных камер.

В начале XX в. были заложены основы теории электрической дуги по результатам исследований, выполненных в 1902 г. англичанкой Гертой Айртон и в 1905 г. русским ученым В. Ф. Миткевичсм. Основополагающими для развития теории дуги явились выводы об ее электронной природе, а также установление зависимостей между током дуги, ее длиной и напряжением.

По мере развития ЭА, расширялись исследования и в области электрической дуги. Наиболее существенные результаты исследований в этой области были получены в 20-х годах XX в, американскими учеными Комптоном и Слепяном, В развитии теории дуги и разработке методов ее эффективного гашения принимали участие многие ученые, среди которых значительное место принадлежит отечественным специалистам.

Особенно плодотворным был период 30—40-х годов. Так, например, Д. А. Рожанским впервые (1937 г.) разработана математическая модель дуги, учитывающая тепловую инерцию и тепловой баланс в различных режимах ее существования. А. Я. Буйлов впервые исследовал в 1933— 1935 гг. процесс деионизации при высоком напряжении и установил зависимость изменения диэлектрической прочности от скорости восстановления напряжения. Г. А. Буткевич в период 1929—1936 гг. установил температуры дуг переменного и постоянного тока. Е. М. Цейров в 1941 г. предложил аналитический метод расчета дуги. В 30-е годы большой вклад в исследование электрической дуги внес М-М, Акодис, которым предложено много оригинальных конструкций дугогасительных устройств. М. А. Бабиковым в 1934—1939 гг. исследованы переходные процессы при изменениях дуги. Всесторонние исследования поведения дуги низкого напряжения, щелевых дугогасительных камерах выполнены О. Б. Броном и его учениками.

В более поздние периоды большой вклад в развитие теории дуги внесли А. М. Залесский, Г. А, Кукеков, И. С. Таев, А. А. Чунихин и многие другие отечественные ученые. Следует также отметить работы Г. Г. Нестерова в области гашения дуги в жидких средах нагруженных аппаратов.

Для уменьшения габаритов и снижения массы масляных выключателей были разработаны конструкции маломасляных выключателей, в которых масло использовалось только как дугогасящая среда. Изоляция же между токоведущими частями обеспечивалась твердыми изоляционными материалами — фарфором и бакелитами.

Совершенствование масляных выключателей, повышение их коммутационной способности шло различными путями. Одним из таких путей являлось использование деионной решетки, погруженной в масло, что позволяло более эффективно осуществлять дугогашение при более высоких напряжениях. Другим способом стало применение дугогасительных камер из изоляционного материала. Возникновение дуги повышало давление в этих камерах. Поэтому при выходе подвижного контакта из камеры происходил более интенсивный обдув дуги и ускорялся процесс ее деионизации. В дальнейшем конструкции сдугогасительными камерами были усовершенствованы за счет создания процесса так называемого масляного дутья. Масляные выключатели с дугогасительными камерами продольного масляного дутья были впервые разработаны в 1931 г. в США фирмой «Дженерал электрик».

Рис. 1 Маломасляный выключатель на напряжение 110 кВ колонкового типа

С поперечным масляным дутьем — в 1930 г. в Британской научно-исследовательской электротехнической ассоциации.

Одним из направлений совершенствования масляных выключателей являлось применение многоразрывных дугогасительных систем.

Факторами, ограничивающими развитие масляных выключателей, явились их пожароопасность, относительно большие габариты, повышенные эксплуатационные расходы и др.

Практически параллельно с масляными выключателями начали развиваться воздушные, которые впоследствии составили им серьезную конкуренцию. Принцип действия воздушного выключателя основан на гашении дуги потоком сжатого воздуха под давлением 2—4 МПа. Первый воздушный выключатель высокого напряжения создан в 1929 г, в Германии фирмой АЕГ (АЕО). В 1935 гвоздушный выключатель создан в Швейцарии, различные его модификации разрабатывались фирмой «Броун Бовери». Общий вид воздушного выключателя этой фирмы с дугогасительным устройством на 12 разрывов, созданного в 1940 г., представлен на рис. 37.2.

Первые отечественные конструкции выключателей со сжатым воздухом типаВВ-110 на напряжение 110 кВ были разработаны в ВЭИ и выпущены в период 1940—1948 гг. заводом «Электроаппарат».

Рис. 2 Воздушный выключатель фирмы «Броун Боверн» с дугогасительным устройством на 12 разрывов

В дальнейшем воздушные выключатели совершенствовались за счет улучшения аэродинамических качеств сопловых систем подачи воздуха, увеличения числа разрывов дуги, введения металлических камер с постоянно сжатым воздухом, что позволило поднять уровень их рабочего напряжения до 750 кВ при токах до 63 кА.

Воздушные выключатели разрабатывались также и без применения сжатого воздуха на основе использования деионных решеток и электромагнитного воздействия на дугу. Так, например, в 1929 г. Слепяном (фирма «Вестингауз») была разработана дугогасительная система с деионной решеткой для гашения дуги в воздухе при атмосферном давлении. Принцип действия системы был основан на разбиении дуги на ряд коротких дуг посредством решетки из металлических пластин, электрически изолированных одна от другой. Дуга при отключении втягивалась в эту решетку под воздействием внешнего магнитного поля.

В электромагнитных выключателях фирмы «Дженерал электрик» (1940 г.) был применен принцип дугогашения за счет затягивания дуги под воздействием магнитного поля в щелевые лабиринты специальных камер, где происходило ее удлинение и более интенсивное охлаждение.

Развитие выключателей высокого напряжения в направлении уменьшения их габаритов и повышения удельных коммутирующих показателей связано с использованием вместо воздуха элегаза (шестифтористой серы).

Наиболее мощным стимулом для широкого использования элегаза стало требование о минимизации влияния оборудования высокого напряжения на окружающую среду. Поэтому реально первыми элегазовыми аппаратами энергетического назначения стали выключатели высокого напряжения. Применение элегаза позволило сохранить преимущества воздушного выключателя перед пожароопасным баковым масляным выключателем и в то же время уйти от одного из основных недостатков воздушных выключателей в условиях населенных пунктов—сильного шума при выхлопе отработавшего воздуха. Первый элегазовый выключатель был построен фирмой «Вестингауз» в 1955 г. С этого момента все большее число фирм подключается к разработке и производству элегазовых выключателей, а их номинальные параметры непрерывно повышаются.

Первые работы по применению элегаза в коммутационных аппаратах начались почти одновременно в ВЭИ, Москва (А.М. Бронштейн, В.С. Чемерис) и ЛПИ, Ленинград (А.М. Залесский, А.И. Полтев) с 1962—1963 гг. Хотя исследовательские работы и продолжались, но реального освоения производства элегазовых коммутационных аппаратов за последующие 15 лет так и не произошлоВ эксплуатацию были поставлены небольшие партии выключателей нагрузки. отделителей, выключателей для железнодорожных подстанций. Лишь в конце 70-х годов в результате совместных усилий ВЭИ им. В. И. Ленина и ЛенПО «Электроаппарат» (Ю.И. Вишневский) появляются первые сильноточные элегазовые выключатели высокого напряжения.

Первые ячейки комплектно распределительных устройств с элегазовой изоляцией (КРУЭ) на напряжение 110 кВ были созданы в России в 1975—1977 гг. сначала на Опытном заводе ВЭИ, а затем на ЛенПО «Электроаппарат». К середине 80-х годов в ВЭИ был создан первый в мире макет КРУЭ на напряжение 1150 кВ.

Создание комплектных распределительных устройств потребовало разработки не только коммутационных элегазовых аппаратов, но и других типов элегазового и совместимого с ним оборудования — вводов с элегазовой изоляцией и муфт масло—элегаз, трансформаторов тока и напряжения, ограничителей перенапряжения, токопроводов. До появления потребности в КРУЭ развитие работ, но этим видам оборудования происходило весьма медленно: в ВЭИ (М.И. Сысоев, А.Г. Арсон) были созданы элегазовые трансформаторы для метрополитена, там же (И.М. Бортник, А.А. Панов) и в ЭНИН им. Г. М. Кржижановского (В.И. Попков, А.Г. Ляпин), велись работы, но созданию первых образцов токопроводов (линий) с газовой изоляцией.

В результате элегазовые выключатели имеют мощные приводы и существенно более компактные конструкции, а также позволяют легче реализовать высокое быстродействие процесса коммутации.

Из экономических соображений и экологических требований элегазовые выключатели разрабатываются с замкнутым циклом функционирования без выбросов отработанных газон в атмосферу.

Развитие дугогасительных систем происходило не только с использованием дутья газами повышенного давления, но и созданием вакуума. Так как вакуум обладает высокой электрической прочностью, поддержание дуги в вакуумных выключателях происходит не за счет ионизированных частиц газов, а за счет ионизированных паров металлов электродов контактных систем.

Вакуумные выключатели заняли прочное место в классах средних напряжений 3—35 кВ. В этих классах напряжений они наиболее полно соответствуют современным требованиям. Высокие электрическая прочность и дугогасительная способность вакуумных промежутков дают возможность создать вакуумные выключатели с малыми габаритами и массой, большими ресурсом, надежностью и сроком службы. Они экологически чисты и взрывопожаробезопасны, вибростойки и сейсмостойки, работоспособны в условиях холодного и тропического климата, характеризуются предельно малыми эксплуатационными расходами.

Первая попытка создать вакуумный выключатель была сделана в Калифорнийском технологическом институте (США) в 1923 г. Однако только в 60-х годах после решения научных и технологических проблем был начат промышленный выпуск вакуумных выключателей. В нашей стране систематические исследования и разработки вакуумных дугогасительных камер и выключателей были начаты В. Л. Грановским и его сотрудниками в 1956 г, В настоящее время в России и за рубежом созданы выключатели на все требуемые потребителю параметры в классах напряжения 3—35 кВ (с номинальными токами до 3150 А).

Наибольший вклад вдело становления отечественной вакуумной коммутационной аппаратуры был внесен сотрудниками ВЭИ, такими как В. Н. Тихонов, В. Б. Козлов, И. А. Лукацкая, ГС. Белкин, В. С. Потокин, А. А. Перцев, Ю. Г Ромочкин и др.

Разъединители. Этот вид ЭА предназначен для отключения цепи высокого напряжения без тока. Первые разъединители на напряжение 6—10 кВ и номинальный ток 600—800 А появились в начале XX в. и представляли собой трехфазную систему с общим ручным приводом.

Развитие конструкций разъединителей шло по пути повышения их рабочего напряжения и уменьшения габаритов. Среди отечественных разъединителей следует отметить конструкцию разъединителя с подвижным контактом и электроприводом. В настоящее время разработаны разъединители на напряжение до 1150 кВ и токи до 3200 А.

Улучшение механических и электрических характеристик фарфоровых изоляторов, разработка полимерных изоляторов позволили существенно усовершенствовать конструкции разъединителей, в первую очередь сверхвысокого и ультравысокого напряжения.

В создании отечественных разъединителей наиболее существенную роль сыграли завод «Электроаппарат», Великолукский завод высоковольтных аппаратов, завод «Уралэлектротяжмаш», ВЭИ, НИИПТ, ЛПИ.

Разрядники и реакторы. Эти виды ЭА используются для защиты оборудования энергосистем и потребителей в различных аварийных режимах. Разрядники — ЭА, предназначенный для защиты оборудования от перенапряжений.

Первые разрядники были рассчитаны на защиту от атмосферных перенапряжений посредством искрового пробоя воздушного промежутка между двумя металлическими электродами. Такие электроды имели форму рогов, закрепленных на фарфоровых изоляторах (рис. 37.3). Такая форма электродов способствовала отводу от изоляторов электрической дуги, которая может возникать при пробое разрядника под воздействием молнии.

В дальнейшем функции разрядников расширились, и они стали использоваться для защиты от внутренних перенапряжений, возникающих в энергосистеме, в частности, из-за коммутации цепей с индуктивным характером сопротивления. С расширением функций одновременно усовершенствовались технические характеристики разрядников и их техническая реализация.

Начиная с 30-х годов стали широко использоваться трубчатые разрядники многократного действия. Такой разрядник состоял из дугогасительной трубки, содержащей электроизолирующие материалы, например фибру или винипласт, которые генерируют газы под воздействием дуги. Эти газы повышали давление и создавали эффект газового дутья для гашения дуги.

Рнс. 3 Роговой разрядник на напряжение 6 кВ.

В дальнейшем получили распространение разрядники на основе нелинейных резисторов, способных поглощать кратковременные импульсы энергии при перенапряжениях. Большая часть таких резисторов имеет вентильные вольтамперные характеристики и создавалась на основе специальных материалов — тирита, вилита и др. В настоящее время в качестве разрядников преимущественно используются нелинейные резисторы, созданные на основе оксида цинка.

Для защиты электрооборудования в системах высокого напряжения также используются ограничивающие и шунтирующие реакторы.

Реакторы без стали для ограничения токов короткого замыкания начали использоваться с 20-х годов. Отечественные реакторы такого типа на напряжения 3—6—10 кВ и токи до 100 А были созданы в период 1921—1927 гг. Конструкция первых реакторов была сборной, а в качестве конструктивных элементов использовались деревянные прокладки, стягиваемые при помощи изолирующих болтов (шпилек). В дальнейшем для повышения динамической прочности провода реакторов стали помещать в специальные бетонные колонки, а для улучшения технико-экономических характеристик реакторов стали использовать ферромагнитные материалы.

Шунтирующие реакторы для снижения перенапряжений первоначально подключались к токопроводам или отключались от них посредством выключателей высокого напряжения для компенсации избытка реактивной мощности и снижения возникающего при этом перенапряжения. В дальнейшем в целях повышения быстродействия стали использовать управляемые шунтирующие реакторы с подмагничиванием. В настоящее время на основе полупроводниковых приборов (тиристоров) созданы шунтирующие реакторы с быстродействием не более 0,01 с на частоте 50 Гц. Большой вклад в развитие отечественных аппаратов высокого напряжения внес Г. Н. Александров.