Выключатели высокого напряжения

Нормально для  отключения больших токов КЗ, оба типа выключателей подходят одинаково хорошо. Отключающая способность выключателей, которые устанавливаются до реактора или за ним, т.е. в кабельных сетях среднего напряжения, должна быть по возможности не зависимой от частоты восстанавливающегося напряжения. В этом отношении определенное преимущество имеют малообъемные масляные выключатели. Лишь воздушный выключатель среднего напряжения с одним разрывом и с двухступенчатым гашением дуги может конкурировать в этих сетях с малообъемными масляными выключателями.

Элегазовые выключатели

Элегазовые  выключатели принадлежат к группе газовых выключателей. Известные  преимущества, которыми обладают электроотрицательные газы с их высокой электрической прочностью при гашении дуги побудили конструкторов применить в газовых выключателях элегаз (шестифтористую серу SF₆). Электроотрицательные газы, такие как элегаз, фреон (CC1F₂) и другие, обладают свойством захватывать свободные электроны и присоединять их к своим нейтральным молекулам. Возникающие при этом отрицательные ионы имеют примерно такую же скорость, что и положительные ионы, и поэтому легко рекомбинируют с ними, снова превращаясь в нейтральные молекулы. Вероятность такой рекомбинации на несколько порядков выше, чем вероятность рекомбинации быстрых электронов и медленных положительных ионов.

Другим недостатком  элегаза является высокая температура  сжижения. При давлении 1,5 МПа температура сжижения элегаза составляет всего 6° С. Чтобы избежать сжижения элегаза в выключателях с высоким давлением гасящей среды предусматривают автоматические нагреватели, поддерживающие необходимую постоянную температуру элегаза.

Наиболее эффективно применение элегаза для гашения  дуги в том случае, когда его  струя поступает в дуговой промежуток с большой скоростью, т. е. когда осуществляется интенсивное продольное дутье.

В настоящее  время разработаны и применяются  несколько конструкций элегазовых дугогасящих устройств. Среди них  можно отметить дугогасительную  камеру интенсивного продольного дутья. Продольное дутье в этом устройстве создается при переходе элегаза  из резервуара с высоким давлением (1,5—2,0 МПа), в камеру, где поддерживается низкое давление (0,2—0,3 МПа). После гашения дуги «отработанный» элегаз проходит осуше ние и очистку и перекачивается компрессором в резервуар высокого давления. Вся система циркуляции элегаза является замкнутой.

 

Рис. 14. Автопневматическое дугогасительное устройство элегазового выключателя

 

Существуют и другие системы  гашения дуги в элегазе, например электромагнитное гашение, при котором  дуга перемещается в элегазе под  действием магнитного поля и охлаждается при этом встречным потоком газа. Такая система эффективна в выключателях на большие номинальные токи отключения и на напряжения 6—20 кВ.

В нашей стране разработаны конструкции выключателей нагрузки с элегазом на 35, 110, 220 кВ. Выключатели 35 и 110 кВ имеют по одной камере на полюс, в выключателе 220 кВ — две камеры на полюс. Кроме того, разработаны конструкции выключателей на два и три направления. Такой аппарат заменяет два или 4. три выключателя, что дает значительную экономию при установке их на подстанциях.

Достоинства элегазовых выключателей: пожаро- и взрывобезопасность, быстрота действия, высокая отключающая способность, малый износ дугогасительных контактов, возможность создания серий с унифицированными узлами, пригодность для наружной и внутренней установки.

Недостатки: необходимость специальных устройств для наполнения, перекачки и очистки SF₆, относительно высокая стоимость SF₆.

Автогазовые выключатели

Гашение дуги в  автогазовых выключателях производится потоком газов, образующихся при разложении изоляционного материала стенок дугогасительной камеры под действием дуги. Стенки камеры изготовляются из синтетических материалов (органическое стекло, формальдегидная смола, фибра), обладающих хорошими газогенерирующими характеристиками и не склонными к коптеобразованию. Фибра применяется менее широко из-за ее способности сильно деформироваться под влиянием влаги.

В автогазовом  дутьевом устройстве со щелевым каналом. Дуга, возникшая при отключении, вытягивается подвижным контактом  в узкий кольцевой канал. Давление газов внутри канала повышается до тех пор, пока контакт при своем движении вниз не откроет боковое выхлопное отверстие. После этого начнется интенсивное истечение газов через зону дуги в это отверстие, что и приведет к гашению дуги.

В системах электроснабжения городов и промышленных предприятий  достаточно широко распространены выключатели нагрузки ВН-16, ВН-17 на 6—10 кВ с простейшей дугогасительной камерой, имеющей вкладыши из органического стекла. Однако эти выключатели не могут включаться на ток КЗ, равный току динамической стойкости, и допускают сравнительно малое количество отключений номинального тока.

 

Рис. 15

 

Достоинства автогазовых выключателей: отсутствие масла; небольшая масса.

Недостатки: быстрый износ твердого дугогасителя, относительно большой износ контактов или их разрушение (в выключателе УПС).

Электромагнитные  выключатели

Электромагнитные  выключатели для гашения дуги не требуют ни масла, ни сжатого воздуха, что является большим преимуществом  их перед другими типами выключателей. Выключатели этого типа выпускают на напряжение 6—10 кВ, номинальный ток до 3600 А и ток отключения до 40 кА.

В этих выключателях дуга горит в воздухе при атмосферном  давлении и гасится магнитным  дутьем. Дуга при помощи магнитного дутья быстро удлиняется настолько, что напряжение на ней становится выше напряжения сети, и она гаснет.

Магнитное дутье  создается электромагнитом, катушка  которого включается последовательно  в контур дуги. Важным элементом  выключателя является камера гашения, которая способствует растягиванию и охлаждению дуги. Конструктивные схемы наиболее распространенных типов щелевых камер гашения электромагнитных выключателей приведены на рис. 15.

На рис. 15, а показана камера с плоской узкой щелью, в которую дуга затягивается магнитным дутьем из широкой части камеры. Отдавая теплоту стенкам камеры, дуга гаснет.

На рис. 15, б изображена камера с зигзагообразной щелью, образованной ребристой поверхностью стенок (лабиринтная камера) и обеспечивающая удлинение дуги до 2 м.

Большое значение для надежной работы электромагнитного выключателя имеет материал стенок камеры гашения. Этот материал должен обладать большой теплоемкостью и жаростойкостью. В настоящее время для этой цели используют жаростойкую керамику. Хорошие результаты дала керамика с небольшим содержанием циркония.

На выхлопной  части камеры гашения обычно устанавливается  деионизатор, представляющий собой  гребенчатую решетку из изолированных  друг от друга металлических пластин. Горячие ионизированные газы, выбрасываемые из камеры, попадают в решетку и, охлаждаясь, денонсируются там, ограничивая зону ионизации над верхним срезом камеры. Кроме того, деионизатор демпфирует звуки выхлопа при работе камеры.

Выключатели серии  ВЭ на различные токи отключения отличаются размерами дугогасительных камер.

При малых отключаемых  токах значение электродинамической  силы, затягивающей дугу в камеру, недостаточно и для перемещения дуги используются воздушные поршневые устройства.

Большим преимуществом  электромагнитных выключателей является их полная взрыво- и пожаробезопасность. Также к достоинствам можно отнести малый износ дугогасительных контактов, пригодность для работы в условиях частых включений/ отключений, относительно высокая отключающая способность. Большие размеры камеры гашения в этих выключателях ограничивают их применение на высоких напряжениях (выше 15 кВ). У нас в стране электромагнитные выключатели выпускаются на номинальные напряжения 6 и 10 кВ с номинальной мощностью отключения 200 и 400 MBA. Эти выключатели используются главным образом в установках собственных нужд электрических станций и для коммутации косинусных конденсаторных батарей. Также к недостаткам можно отнести сложность конструкции дугогасительной камеры, ограниченный предел номинального напряжения, ограниченная пригодность для наружной установки.

Вакуумные выключатели

В последние  годы, кроме хорошо себя зарекомендовавших  масляных и воздушных выключателей, в энергетических системах начали применяться  выключатели, действие которых основано на совершенно новых принципах гашения дуги. И хотя эти так называемые вакуумные выключатели занимают пока еще очень скромное место среди выключателей высокого напряжения, они несомненно имеют большие перспективы применения на электрических станциях и подстанциях.

В этих выключателях контактная система помещена в глубокий вакуум, примерно 10⁴ Па, вследствие чего они и получили название вакуумных.

Процесс отключения в вакуумном выключателе протекает  следующим образом. В момент расхождения  контактов площадь их соприкосновения  уменьшается, плотность тока резко возрастает, и металл контактов плавится и испаряется в вакууме. При этом между контактами образуется проводящий мостик, состоящий из паров металла электродов. Загорается так называемая вакуумная дуга, которая гаснет при первом же переходе тока через нуль. Электрическая прочность вакуума восстанавливается очень быстро, так как малая плотность газа в колбе выключателя обусловливает исключительно высокую скорость диффузии электрических зарядов из ствола дуги. Уже через 10 мкс после перехода тока через нуль электрическая прочность вакуума достигает своего полного значения 100 МВ/м. Если к этому времени раствор контактов окажется достаточным для того, чтобы электрическая прочность межконтактного промежутка стала больше восстанавливающегося напряжения, дуга погаснет окончательно. В противном случае произойдет повторный пробой промежутка и повторное зажигание дуги.

Достоинства вакуумных выключателей: простота конструкции; высокая степень  надежности, высокая коммутационная износостойкость, малые размеры, пожаро- и взрывобезопасность, отсутствие шума при операциях, отсутствие загрязнения окружающей среды, малые эксплуатационные расходы.

Недостатки вакуумных  выключателей: сравнительно небольшие  номинальные токи и токи отключения, возможность коммутационных перенапряжений при отключении малых индуктивных токов.