Высоковольтные выключатели назначение основные характеристики

ЛЕКЦИЯ № 5

По дисциплине «Электрооборудование электрических станций и подстанций»

для специальности «Нетрадиционные источники электроэнергии»

Тема: Выключатели переменного тока высокого напряжения.

Цель:Сформировать у слушателей знания в части конструкции и принципа действия выключателей высокого напряжения.

ПЛАН

1. Назначение, классификация и требования, предъявляемые к высоковольтным выключателям.

2. Основные элементы конструкции высоковольтных выключателей.

3. Высоковольтные воздушные выключатели.

Литература:

1. А.А. Чунихин Электрические аппараты, М.:Энергоатомиздат, 1998, учебник для ВУЗов. 718 с.

2. Л.А. Родштейн. Электрические аппараты, Л.:Энергоиздат, 1981, учебник для техникумов. 304 с.

3. В.М.Яшутин, О.Ю.Анисимов "Электрические аппараты СИЯиП, Учебное пособие, 200.

4. В.М.Яшутин, "Альбом рисунков к учебному пособию", "Электри­ческие аппа­раты", СИЯиП, 1997.

5. Б.К. Буль и др. Основы теории электрических аппаратов. М.: Высшая школа 1990. 230 с

Назначение, классификация и требования, предъявляемые к высоковольтным выключателям

Выключатель — это коммутационный аппарат, предназначенный для включения и отключения электрической цепи с током.

Выключатель является основным аппаратом в электрических установках переменного тока с напряжением выше 1000 В и пред­назначен для включения и отключения электрической цени с то­ком во всех режимах, возможных в эксплуатации: включение и отключение номинальных токов, токов холостого тока силовых трансформаторов и емкостных токов конденсаторных батарей и длинных линий, токов перегрузки, токов КЗ. Наиболее тяжелой и ответственной операцией является отключение токов КЗ и включение выключателя на существующее в цепи короткое замыкание.

Выполняются выключатели на номинальные токи от несколь­ких сотен ампер до 30 кА и номинальное напряжение от 3 до 750 кВ.

Основным фактором, определяющим конструкцию выключате­ля, является способ гашения, электрической дуги при отключении выключателя. Исходя из этого, современные выключатели можно разделить на следующие основные группы:

—воздушные выключатели — гашение электрической дуги осуществляется потоком сжатого воздуxa под давлением 2. 4 МПа, получаемого от специального источника;

—воздушные автопневматические выключатели — гашение электрической дуги осуществляется сжатым воздухом, создавае­мым за счет энергии отключающей пружины;

—масляные выключатели – гашение электрической дуги осуществляется в трансформаторном масле. Масляные выключатели подразделяются на баковые (масляные) — с боль­шим объемом масла. Масло служит дугогасящей средой и изоляцией дугогасительных камер и вводов относительно земли: маломасляные выключатели — выключатели с малым объе­мом масла. Масло служит только дугогасящей средой;

—автогазовые выключатели — гашение дуги осуществляется газами, которые выделяются из стенок камеры под действием вы­сокой температуры электрической дуги;

—элегазовые выключатели — гашение электрической дуги происходит в среде инертного газа (элегаза — электротехнического газа) под давлением 0,2. 0,55 Мпа;

-электромагнитные выключатели — гашение электрической дуги осуществляется в дугогасительных камерах. В таких выключателях для увеличения длины дуги используются дугогасительные рога, для увеличения скорости передвижения электри­ческой дуги в дугогасительной камере используется магнитное поле (магнитное дутье) и автопневматическое воздушное дутье;

—вакуумные выключатели — гашение электрической дуги осуществляется в вакууме.

Каждая группа выключателей может подразделяться:

-по времени действия — быстродействующие, ускоренного действия и небыстродействующие;

-по числу фаз — однофазные и трехфазные. В зависимости от числа разрывов цепи на фазу выключатели могут быть с од­ним разрывом, двумя разрывами и многократными разрывами;

-по конструктивной связи с приводом — с отдельным при­водом и со встроенным приводом, каждый из которых может вы­полняться либо с ручным, либо с двигательным включением;

-по роду установки — для внутренней и наружной устано­вок и для взрывоопасной среды;

-по наличию автоматического повторного включения (АПВ) — однократные, многократные, пофазного и быстродействующего включения;

-по назначению — генераторные, подстанционные, фидерные. Генераторные выключатели предназначены для подключения и отключения генераторов к блочному трансформатору. Они характеризуются большими значениями токов и мощностей отключе­ния и сравнительно небольшими значениями напряжений (6. 24кВ).

Подстанционные выключатели предназначены для подключе­ния и отключения линий электропередачи. Они характеризуются вы­сокими номинальными напряжениями (110. 1150кВ), большой мощностью отключения, быстродействием и наличием АПВ одно­кратного, многократного и пофазного действия.

Фидерные выключатели предназначены для распределения электроэнергии по отдельным мощным потребителям либо группам потребителей. Они характеризуются сравнительно малыми зна­чениями номинальных токов (300. 600 А) и мощностей отключе­ния (100. 300мВА) и наличием АПВ;

-по выполняемым функциям в системах распределения элек­троэнергии — высоковольтные выключатели, выключатели нагруз­ки, разъединители, отделители и короткозамыкатели.

Высоковольтные выключатели производят коммутацию, как номинальных токов, так и токов КЗ и осуществляют функции за­щиты в аварийных режимах в системах распределения электро­энергии.

Выключатели нагрузки производят только коммутацию номинальных токов, они не предназначены для коммутации токов КЗ и не осуще­ствляют защитных функций.

Разъединители производят коммутацию электрических цепей без тока или с незначительным током, не приводящим к образо­ванию электрической дуги. Разъединителями нельзя отключать но­минальные токи. так как контактная система не имеет дугогасительного устройства. Они выполняют функцию защиты обслужи­вающего персонала от поражения электрическим током и выво­дят выключатели и выключатели нагрузки из-под действия высо­кого напряжения в отключенном их положении.

Отделители производят коммутацию электрических цепей без тока. В высоковольтных выключателях они выполняют функции разъединителей в дугогасительных контурах. Отделители при сов­местной работе с короткозамыкателями могут выполнять функции выключателей со стороны высокого напряжения в некоторых схе­мах подключения трансформаторных групп.

Короткозамыкатели (заземлители) в высоковольтных выклю­чателях выполняют функции защиты обслуживающего персонала от поражения электрическим током.

Кроме того, короткозамыкатели предназначены для создания искусственного КЗ на землю для отключения поврежденного трансформатора со стороны высокого напряжения действием ре­лейной защиты выключателя питающего фидера и отделителя.

Все высоковольтные выключатели характеризуются основными параметрами: номинальное напряжение, номинальный (длитель­ный) ток I_н, номинальный ток отключения I_он, номинальный ток термической стойкости, номинальный ток электродинамической стойкости, номинальный ток включения, собственное время вклю­чения и отключения, полное время включения и отключения.

Номинальное напряжение выключателя должно соответство­вать номинальному напряжению сети, в которой он устанавли­вается.

Номинальный (длительный) ток I_н выключателя должен быть больше или равным номинальному току нагрузки, протекающей в сети, в которой он устанавливается.

Номинальный ток отключения I_н — наибольший ток КЗ (дейст­вующее значение), который выключатель способен отключить при возвращающемся напряжении между фазами, равном наиболь­шему рабочему напряжению сети. Номинальный ток отключения определяется действующим значением периодической составляющей в момент расхождения контактов.

Допустимое относительное содержание апериодической сос­тавляющей в номинальном токе отключения

,

где — значение апериодической составляющей тока в момент расхождения контактов:

,

где — время действия релейной защиты;

— собственное время отключения выключателя, представ­ляющее coбoй время с момента подачи команды на отключение до начала расхождения контактов.

Если t₁>0,09 с, то =0. При t₁

Высоковольтный выключатель представляет собой специальный коммутационный аппарат, с помощью которого производится оперативное включение и отключение как отдельных электрических цепей, так и различного оборудования. При этом возможны как нормальные, так и аварийные режимы функционирования трехфазных (со стандартной частотой 50 Гц) энергосистем, предусматривающие ручное, дистанционное или автоматическое управление.

Главная проблема коммутации высоковольтных цепей – образование в момент размыкания контактов электрической дуги, которая приводит к разрушению последних. Поэтому в конструкции высоковольтного выключателя изначально заложены определенные конструктивные решения, позволяющие решить эту проблему. В частности, на контактах применяется керамическое покрытие, используются различные дугогасительные устройства и различные приводы (электромагнитные, пружинные, гидравлические и пневматические).

Решение проблемы с гашением дуги решается несколькими способами:

-в воздушных выключателях это происходит за счет сжатого воздуха;

— в масляных выключателях для этих целей используются пары масла;

— в элегазовых выключателях применяется специальный «электропрочный» газ SF6;

— и наконец, в вакуумных установках используется специальная дугогасильная камера (ВДК).

Такие выключатели, способные работать при номинальных напряжениях от 6-ти до 1150 кВ, и возникающих при этом токах отключения до 50 кА, нашли широкое применение на различных электрических станциях. Также эффективно их используют и на подстанциях, которые позволяют донести до потребителя электроэнергию в наиболее оптимальной форме.

По значению можно выделить следующие типы:

— сетевые выключатели, выполняющие свои функции при напряжениях в сети более 6 кВ;

— генераторные выключатели (работают в диапазоне 6… 20 кВ), главное отличие которых от стандартной конструкции – это способность выдерживать очень большие (до 10000 А) значения тока;

— высоковольтные выключатели (в диапазоне от 6-ти до 220 кВ), используемые в электрических цепях обеспечения таких энергоемких производств, как стале- и рудоплавильные печи;

— номинальные выключатели, характеристики которых предназначены для коммутации цепей со стандартными параметрами, без возможности реагирования на кратковременные сверхтоки.

Так как отказ выключателя в случае аварийной ситуации в электрической сети может привести к весьма серьезным последствиям, к его надежности предъявляются повышенные требования. В первую очередь это касается такой характеристики, как минимальное время срабатывания, которое должно быть по возможности минимальным.

Немаловажное значение имеет и такой параметр, как ремонтопригодность, который выражается, прежде всего, в возможности быстрого и своевременного доступа к поврежденному блоку, позволяющая максимально быстро устранить возникшие неисправности.

С помощью высоковольтных выключателей выполняется оперативное включение и отключение оборудования энергетической системы, а также ее отдельные цепи в случае ручного или автоматического управления в аварийном или нормальном режиме. В конструкцию стандартного выключателя входит корпус, контактная система, токоведущие части, устройство для гашения дуги, приводной механизм.

Классификация высоковольтных выключателей

Все высоковольтные выключатели классифицируются по различным параметрам. В зависимости от способа гашения дуги, они могут быть автогазовыми и автопневматическими, вакуумными, воздушными, а также масляными и электромагнитными.

По своему назначению эти устройства классифицируются следующим образом:

• Сетевые. Используются в электрических цепях с напряжением 6 кВ и выше. Основной функцией является пропуск и коммутирование тока в обычных условиях или в ненормальной ситуации в течение установленного времени, например, при коротких замыканиях.
• Генераторные. Предназначены для работы с напряжением 6-20 кВ. Применяются в цепях электродвигателей с высокой мощностью, генераторов и других электрических машин. Пропускают и коммутируют ток не только в обычном рабочем режиме, но и в условиях пуска и коротких замыканий. Отличаются большим значением тока отключения, а номинальный ток может составлять до 10 тыс. ампер.
• Устройства для электротермических установок. Рассчитаны на значение напряжений от 6 до 220 кВ и применяются в цепях с крупными электротермическими установками. Как правило, это рудотермические, сталеплавильные и другие печи. Могут пропускать и коммутировать ток в различных эксплуатационных режимах.
• Выключатели нагрузки. Их основное назначение состоит в работе с обычными номинальными токами, они используются в сетях с напряжением от 3 до 10 кВ и осуществляют коммутацию незначительных нагрузок. Данные устройства не рассчитаны на разрыв сверхтоков.
• Реклоузеры. Подвесные секционные выключатели, управляемые дистанционно. Они снабжены защитой и предназначены для установки на опорах воздушных линий электропередачи.

Высоковольтный выключатель может устанавливаться разными способами. С соответствии с этим они бывают опорными, подвесными, настенными, выкатными. Кроме того, эти приборы могут встраиваться в КРУ – комплектные распределительные устройства.

Основные требования к высоковольтным выключателям

Все коммутирующие устройства, работающие с высокими токами, должны обладать следующими качествами:

• Быть надежными и безопасными для персонала и других лиц.
• Обладать быстродействием, затрачивая минимальное время на отключение.
• Простой монтаж и удобное дальнейшее обслуживание.
• Низкий уровень шума в процессе работы.
• Относительно небольшая стоимость, оптимальное соотношение цены и качества.

Наиболее распространенные конструкции высоковольтных выключателей следует рассмотреть более подробно.

Баковые и маломасляные выключатели

Оба устройства представляют собой масляные типы высоковольтных выключателей. Деионизация дуговых промежутков в каждом из них осуществляется одними и теми же методами. Они отличаются друг от друга лишь количеством используемого масла, а также способами, с помощью которых контактная система изолируется от заземленного основания.

Баковые устройства в настоящее время сняты с производства, поскольку у них имелись серьезные недостатки. Уровень масла в баке требовалось постоянно контролировать. Оно использовалось в большом объеме, из-за чего замена масла отнимала много времени. Эти приборы относились к категории взрыво- и пожароопасных и не могли устанавливаться внутри помещений.

На смену им пришли маломасляные или горшковые выключатели, рассчитанные на все виды напряжений. Они могут устанавливаться в любые распределительные устройства, как закрытого, так и открытого типа. Масло в данном случае выступает прежде всего в качестве дугогасящей среды и лишь частично выполняет функции изоляции между разомкнутыми контактами.

Токоведущие части изолируются между собой с помощью фарфора и других твердых изолирующих материалов. Выключатели для внутренней установки оборудованы контактами, помещенными в стальной бачок или горшок. Эта конструктивная особенность дала название всему устройству. В зависимости от модели, приводы высоковольтных выключателей могут различаться между собой.

Приборы, рассчитанные на работу при напряжении 35 кВ, помещаются в фарфоровом корпусе. Наибольшее распространение получили подвесные устройства ВМГ-10 и ВМП-10 на 6-10 кВ. У них крепление корпуса осуществляется с помощью фарфоровых изоляторов к основанию, общему для всех полюсов. В свою очередь, каждый полюс оборудуется одним разрывом контактов и камерой для гашения дуги.

При работе с большими номинальными токами недостаточно одной пары контактов, которые одновременно являются рабочими и дугогасительными. Поэтому снаружи выключателя отдельно устанавливаются рабочие контакты, а внутри металлического бачка – дугогасительные.

Маломасляные выключатели используются в закрытых распределительных устройствах на подстанциях и электростанциях напряжением 6, 10, 20, 35 и 110 кВ. Кроме того, они устанавливаются в комплектных и открытых распределительных устройствах.

Выключатели воздушные

Для гашения дуги в выключателях воздушного типа используется сжатый воздух под давлением 2-4 Мпа. Дугогасительное устройство и токоведущие части изолируются с помощью фарфора и других аналогичных материалов. Воздушные выключатели конструктивно различаются между собой в зависимости от таких факторов, как номинальное напряжение, способ подачи сжатого воздуха и других.

Устройства высокого номинального тока, аналогично маломасляным выключателям, оборудованы главным и дугогасительным контурами. При включении основной ток попадает на главные контакты, расположенные открыто. После отключения они размыкаются первыми и далее ток попадает уже на дугогасительные контакты, расположенные в другой камере. Непосредственно перед их размыканием из резервуара в камеру осуществляется подача сжатого воздуха, гасящего дугу, в продольном или поперечном направлении.

В отключенном положении между контактами создается изоляционный зазор необходимых размеров. С этой целью контакты разводятся на достаточное расстояние. Выключатели для внутренней установки рассчитаны на ток до 20 тыс. ампер и напряжение 10-15 кВ. Они имеют отделитель открытого типа, после отключения которого сжатый воздух перестает поступать в камеры и происходит замыкание дугогасительных контактов.

Типовая конструктивная схема воздушного выключателя состоит из дугогасительной камеры, резервуара со сжатым воздухом, главных контактов, шунтирующего резистора, отделителя и емкостного делителя напряжения на 110 кВ, обеспечивающего два разрыва на фазу. В выключателях открытой установки, рассчитанных на напряжение 35 кВ, вполне достаточно одного разрыва на фазу.

Элегазовые высоковольтные выключатели

Элегазом называется смесь серы и фтора в определенной пропорции. В результате образуется инертный газ с плотностью выше чем у воздуха примерно в 5 раз и электрической прочностью в 2-3 раза больше воздушной.

Данный вид выключателей, используя элегаз, способен погасить дугу, ток которой примерно в 100 раз выше тока, отключаемого в обычном воздухе, в тех же самых условиях. Такая способность объясняется возможностями молекул улавливать электроны, находящиеся в дуговом столбе, с одновременным созданием относительно неподвижных отрицательных ионов. При потере электронов дуга становится неустойчивой и очень легко гаснет. Если элегаз подается под давлением, то электроны из дуги поглощаются еще быстрее.

Конструкция элегазового выключателя включает в себя корпус с тремя полюсами, наполненный элегазом. Внутри создается низкое избыточное давление в пределах 1,5 атмосфер. Сюда же входит механический привод и передняя панель привода, где находится рукоятка ручного взвода пружин. Устройство дополнено высоковольтными силовыми контактными площадками и разъемом для подключения вторичных коммутационных цепей.

Выключатели вакуумного типа

Вакуум обладает электрической прочностью, многократно превышающей этот показатель у масла, элегаза и других сред, используемых в высоковольтных выключателях. Здесь увеличивается средний свободный пробег электронов, молекул, атомов и ионов при снижении давления.

Вакуумная камера включает в себя подвижный и неподвижный контакты, помещенные в плотную оболочку из керамического или стеклянного изоляционного материала. Сверху и снизу установлены металлические крышки и общий металлический экран. Подвижный контакт перемещается относительно неподвижного контакта с помощью специального сильфона. К выводам камеры подключается главная токоведущая цепь выключателя.

Вакуумный выключатель работает в следующем порядке.

• В исходном положении контакты находятся разомкнутыми, поскольку на них через тяговый изолятор воздействует отключающая пружина.
• Под действием приложенного к катушке электромагнита напряжения со знаком «плюс», в зазоре магнитной системы происходит нарастание магнитного потока.
• Поток воздействует на якорь с силой, превышающей усилие отключающей пружины, после чего начинается движение якоря вверх совместно с тяговым изолятором и подвижным контактом вакуумной камеры.
• Пружина отключения сжимается, в катушке возникает противо-ЭДС, снижающая ток и препятствующая его дальнейшему нарастанию.

Высокая скорость движения якоря исключает появление пробоев и шума работы контактов. Когда контакты замыкаются, якорь резко замедляет движение, поскольку на него начинает действовать пружина дополнительного поджатия контактов. Однако, по инерции он все равно двигается вверх, сжимая пружины отключения и дополнительного поджатия контактов. Чтобы отключить устройство к выводам катушки прикладывается напряжение с отрицательной полярностью.