Для получения максимального экономического эффекта необходимо, чтобы широко применяемые аппараты были просты в изготовлении и не содержали неоправданных запасов. Это означает, что в технических условиях должны быть особо оговорены требования к аппаратам массового применения. К ним нельзя предъявить условий, которые могут встретиться лишь в редких случаях, так как излишнее ужесточение параметров может существенно удорожить как сам аппарат, так и привод [115, 116].
Номинальный ток аппаратов определяется как пропускной способностью линий электропередачи, так и предельной мощностью трансформаторов, устанавливаемых на подстанциях.
Исключая предельные случаи, вероятность появления которых невелика, можно ожидать, что для классов напряжения 35— 220 кВток отключения 630 а будет удовлетворять подавляющему большинству случаев, которые могут встретиться на практике.
Непрерывный рост концентраций мощностей привел к тому, что в отдельных точках энергосистем ток короткого замыкания достигает исключительно больших значений. Совершенно очевидно, что на таких узловых подстанциях, если и будут применяться отделители или выключатели нагрузки, то не массовой серии, а специального исполнения. На подстанциях же, находящихся на некотором расстоянии от таких узловых точек, ток короткого замыкания будет существенно ограничен индуктивностью участка линии электропередачи.
В [117] приведены кривые мощности короткого замыкания от длины участка одноцепной линии электропередачи. Они показывают, что, например, при напряжении 110 кВуже на расстоянии 20 км от шин подстанции с мощностью короткого замыкания 10 Гва, установившийся ток трехполюсного короткого замыкания снижается до 8 ка.
Требуемая динамическая устойчивость в этой точке составляет всего лишь 20 ка. В сети 220 кВсоответствующие токи равны 11,5 и 30 ка. Поэтому для аппаратов 35—220 кВмассовой серии можно установить следующие параметры: амплитуды тока динамической устойчивости и тока включения 32 ка·, трехсекундный ток термической устойчивости 12 ка.
Исходя из предельных единичных мощностей трансформаторов классов напряжения 35—220 кв, максимальное значение намагничивающих токов Iх.х и емкостных токов ненагруженных линий электропередачи Iс, которые должны отключать аппараты, соответственно равны:
Время отключения аппаратов определяется условиями совместной их работы с головными включателями при ликвидации аварии на данной подстанции. Для обеспечения безаварийной работы других потребителей, подключенных к линии электропередачи, необходимо, чтобы элегазовый аппарат, выполняющий в данном случае функции отделителя, успел отключаться в бестоковую паузу автоматического повторного включения. Выполнение этого условия возможно, если полное время отключения аппаратов не будет превышать 0,15 сек.
Приводы элегазовых аппаратов не должны иметь аккумуляторных батарей и работать при исчезновении напряжения. Такими приводами являются пружинный двухстороннего действия и пневматический.
Конструкции элегазовых аппаратов. Конструктивная схема выключателя нагрузки на 110 кВна одно направление приведена на рис. 81. Он является трехполюсным аппаратом. Каждый полюс состоит из опорного полого изолятора, на котором смонтирована фарфоровая камера с контактной системой. Все три полюса устанавливаются на общем основании, в котором размещен передаточный механизм.
Подводящие привода присоединяются к зажимам на верхнем и среднем фланцах. В случае необходимости установки короткозамыкателя последний монтируется рядом с одной из крайних фаз.
На рис. 82 показано конструктивное исполнение фазы аппарата на три направления. Аппарат на три направления заменяют собой три аппарата на одно направление и содержат три дугогасительных камеры — по одной на каждом из направлений. Камеры присоединяются к корпусу механизма 2, установленному на опорном полом изоляторе 10, который не отличается от изоляторов дугогасительной камеры.
Через внутреннюю полость опорного изолятора проходят три изоляционные штанги 5, каждая из штанг своим верхним концом связана с рычажным механизмом 3 управления подвижным контактом соответствующего направления. Необходимая в процессе сборки регулировка механизма осуществляется с помощью соединительно-регулировочной трубки 4.
Соединение штанги с металлическими деталями может осуществляться по-разному —в зависимости от формы штанги.
Соединение цилиндрической штанги может осуществляться посредством завальцовки с применением экранов. Нижним концом с помощью штока, проходящего внутри сильфона 6, изоляционная штанга связана с приводным рычажным механизмом 7 соответствующего направления.
Рис. 81. Конструктивная схема отделителя- выключателя нагрузки на 110 кв: 1— камера; 2 — опорный изолятор; 3 — основание; 4 — подвижный контакт; 5 — штанга изоляционная; 6— сильфон; 7 — привод выключателя нагрузки; 8 — короткозамыкатели; 9 — привод короткозамыкателя
Приводные механизмы всех трех направлений находятся в прямоугольном коробе 8, на верхней крышке которого устанавливается опорный изолятор. Механизм соответствующих направлений всех трех фаз между собой и с приводом связаны тягами из стальных труб, защищенных от прямого воздействия осадков и пыли металлическими коробами. Указатели положения (включено — отключено) каждого из направлений аппарата находятся на соответствующем приводе.
Контроль давления элегаза осуществляется с помощью электроконтактного манометра 9.
Аппараты на одно, два и три направления в конструктивном отношении составляют единую серию: дугогасительные камеры, опорная изоляция, штанги, подвижные и неподвижные уплотнения одинаковы во всех аппаратах. Аппараты на два и три направления в конструктивном отношении лишь незначительно отличаются друг
от друга. Много общего и в конструкциях аппаратов на 110 кВна два направления и 220 кВна одно направление.
Конструктивное исполнение камеры аппаратов на 110 кВприведено на рис. 83. Подвод тока к подвижному контакту осуществляется посредством гибких связей. Подшипником для него служит фторопластовое кольцо. Для регулировки неподвижного контакта в верхнем фланце предусмотрен люк, закрываемый крышкой с соответствующим уплотнением.
Рис. 82. Конструктивное исполнение фазы аппарата на три направления
Рис. 83. Камера выключателя нагрузки на 110 кв:
1— крышка люка; 2 — верхний фланец; 3 — регулировочный узел неподвижного контакта; 4 — неподвижный контакт; 5 — подвижный контакт; 6 —гибкая связь; 7 — соединительно-регулировочный узел подвижного контакта
Несмотря на то, что сегменты неподвижного контакта подрессорены пружинами, удар при включении (хотя и ослабленный) может передаваться на верхний фланец и расшатывать армировку изолятора и неподвижные уплотнения. Чтобы практически исключить это, токоведущая труба и верхний фланец, к которому она крепится, выполняются массивными. При большой массе этих элементов они выполняют роль «наковальни».
Камера 110 кВявляется модулем для аппаратов более высоких классов напряжения на одно направление, причем уже в аппаратах на 220 кВс V-образным расположением двух камер появляется высокая степень неравномерности распределения напряжения. Поэтому последовательно соединенные камеры аппаратов на высшие классы напряжения шунтируются емкостями. Следует отметить, что аппараты на два и три направления реально возможны лишь для тех классов напряжений, для которых требуется только одна камера, т. е. на 35 и 110 кв.
Камера аппаратов на 35 кВотличается от камеры на 110 кВлишь размерами (по длине изолятора токоведущих труб подвижного и неподвижного контактов и гибких связей). Нижний конец подвижного контакта связан с передаточным механизмом соответствующего направления. Все три (два) механизма выполнены по схеме точного прямила и заключены в сварном корпусе. Корпус механизма подвижных контактов аппарата на три направления имеет три панели, к которым крепятся дугогасительные камеры. С противоположных сторон, по отношению к этим панелям, имеются монтажные люки, которые после сборки аппарата закрываются крышками. Оси камер с горизонтом составляют угол в 30°. Проекции этих осей на горизонтальную плоскость расположены под углом 120°.
В аппарате на два направления оси камер и передаточных механизмов расположены в одной плоскости, причем конструкция механизма та же самая, что и в аппарате на три направления. В целях унификации целесообразно и в аппарате на 220 кВна одно направление использовать ту же самую конструкцию передаточного механизма с управлением от одной изоляционной штанги. На величину разрядного напряжения изоляционной штанги существенное влияние оказывают экраны и длина промежутка между ними. Соответствующим их выбором можно обеспечить требуемую нормами электрическую прочность изоляции на землю даже при атмосферном давлении элегаза, что существенно повысит эксплуатационную надежность элегазовых аппаратов.
В аппаратах на напряжение 35 кВна два и три направления имелась возможность несколько уменьшить размеры корпусов. Однако в целях унификации производства целесообразно использовать те же корпусы и механизмы, что и в аппаратах на 110 кв. Приводной механизм аппаратов на три и два направления размещен в коробе, представляющем собой сварную конструкцию из угловой стали, боковые стенки которой закрыты металлическими листами. Сверху короб накрыт стальной плитой, на которой устанавливается опорный изолятор. Под этой съемной плитой находится вторая, приваренная к верхней раме короба. К этой плите прикреплены подшипники, являющиеся опорами для трех валов приводного механизма, аппарата на три направления, причем на рис. 84 видны только два вала и связанные с ними элементы механизмов. Посредством вилок валы соединены с тягами, которые связывают механизмы соответствующих направлений всех трех фаз с приводом. При повороте того или иного вала движение передается штоку, верхний конец которого ввернут в головку сильфонного узла.
Основным буфером при включении являются пружины сегментов неподвижного контакта, дополнительным — ограничитель хода. Для смягчения удара и ограничения хода подвижной системы при отключении служит масляный буфер, причем в аппарате на три направления все три буфера смонтированы в одном корпусе. На крышке корпуса установлены шесть стоек, которые попарно являются направляющими для штоков подвижной системы.
Рис. 84. Механизм аппаратами три направления.
Приводной механизм аналогичного аппарата на 35 кВвесьма незначительно отличается от описанного. Изменения вызваны уменьшением хода подвижного контакта со 110 до 60 мм. Оно коснулось лишь нескольких деталей. В основном же механизм остался без изменения. В аппаратах на два направления механизм третьего направления отсутствует; однако короб оставлен без изменения. Весьма ответственными элементами конструкций электрических аппаратов и других газонаполненных устройств высокого напряжения, определяющими их жизнеспособность, являются уплотнения, которые условно можно разделить на неподвижные и подвижные. Неподвижные уплотнения предотвращают утечку газа в местах соприкосновения двух различных деталей, например, между торцом фарфорового изолятора и фланцем, в месте прилегания крышки к корпусу аппарата и т. д. Кольцевые резиновые прокладки при обеспечении нормированных условий их работы создают достаточно надежную герметичность.
Подвижные уплотнения надежно изолируют внутреннюю полость камеры от наружной и в то же время позволяют сообщать перемещение подвижному контакту. Возможны конструкции электрических аппаратов с вращением приводного вала и поступательным движением штока.
В описываемых конструкциях управление подвижными контактами осуществляется вторым способом. Наиболее подходящим подвижным уплотнением в этом случае является сильфонное. Сильфон представляет собой тонкостенную гофрированную трубку из стали марки 1Х18Н9Т, которая в осевом направлении допускает большой прогиб.
Соединение сильфонов с арматурой производится роликовой короткоимпульсной или аргоно-дуговой сваркой. Оба способа обеспечивают вакуумно-плотный шов. В неагрессивных средах сильфоны могут работать при температурах — 194-400° С, а при нормальной температуре в концентрированной азотной кислоте, галогенах и т. д., что очень важно, так как в случае попадания во внутреннюю полость элегазонаполненного электрического аппарата влаги возможно появление следов кислоты. Из серийно выпускаемых отечественной промышленностью сильфонов наиболее подходящим оказался сильфон 52X14X0,14. При нормированных условиях механическая износоустойчивость сильфонов до появления микротрещин превышает 106 циклов.
Рис. 85. Зависимость вероятности безотказной работы сильфонов от деформации и гарантийного числа цик-
Поскольку в аппаратах высокого напряжения гарантированная износоустойчивость не превышает нескольких тысяч циклов, деформации сильфонов можно было увеличить. Результаты исследования влияния деформации сильфонов на их механическую износоустойчивость приведены на рис. 85 [118] в виде кривых вероятности безотказной работы сильфонов Р в зависимости от деформации h и гарантийного числа циклов.
Электрические аппараты на напряжение 110 кВи выше должны обеспечить не менее 1000 операций включения — отключения, а на напряжение 35 кВ— не менее 2000 операций. Из рис. 85 видно, что при величине деформации сильфона h—40 мм 1000 операций обеспечивается с высокой надежностью, равной 0,965. При деформации 35 мм 2000 операций обеспечиваются с надежностью 0,96, а при h=30 мм— 10 000 операций с надежностью 0,96. Таким образом, варьируя деформацию, можно обеспечить такую механическую износоустойчивость сильфонного уплотнения, которая необходима в аппаратах, предназначенных для управления и электрическими печами. Сильфонные уплотнения, следовательно, существенно расширяют область применения элегазовых коммутационных аппаратов, так как изо всех изнашивающихся элементов наиболее ненадежными и в то же время наиболее ответственными являются подвижные уплотнения.
Испытание на механическую износоустойчивость сборок из трех сильфонов на ход 120 мм в условиях, несколько более тяжелых, чем реальные условия (падение на более жесткий упор), показало хорошее совпадение с результатами испытания единичных сильфонов. Так, три испытывавшихся сборки наработали до появления микротрещин 3450, 2970 и 3300 циклов.
Внутренние полости аппаратов заполняются элегазом. Рабочее давление выбирается из условия обеспечения требуемой электрической прочности промежутка, которая зависит от характера электрического поля между контактами, расстояния между ними, давления и отношения внутреннего диаметра фарфора к диаметру электродов.
Совершенно очевидно, что если коммутационный аппарат производит операции, связанные с отключением тока хотя бы и небольшой величины, на поверхности его контактов появятся оплавления-неровности. При включении на короткое замыкание оплавления будут значительными. Электрическое поле в междуконтактном промежутке станет менее равномерным, и вследствие этого прочность понизится. Поэтому нужно обеспечить необходимую электрическую прочность промежутка при оплавленных контактах после проведения испытаний аппарата на коммутационную способность. Экспериментами установлено, что необходимая электрическая прочность промежутка между оплавленными электродами диаметром 75 мм в камере с внутренним диаметром 150 мм, обеспечивается при риз= = 3 кГ/см2, а в камере диаметром 160 мм — при риз=2,2 кГ/см2.
Выбранное рабочее давление оказывает существенное влияние на величину предельно допустимой при эксплуатации отрицательной температуры. Рис. 27 показывает, что при риз = = 3 кГ/см2 сжижение элегаза происходит при температуре —44° С. Эту температуру, очевидно, и следует считать предельно допустимой. При давлении же риз = 2 кГ/см2 эта температура снижается до —50° С. Однако требование обеспечения работы аппарата при предельно низких температурах не является решающим при выборе рабочего давления элегаза, поскольку в аппаратах весьма несложно осуществить систему подогрева.
Известно, что добавление к чистому элегазу значительного количества воздуха мало отражается на электрической прочности промежутка. Так, например, электрическая прочность смеси, состоящей из 75% элегаза и 25% воздуха, всего лишь на 6% ниже прочности чистого элегаза. Поэтому с точки зрения сохранения электрической прочности допустимо заполнение аппаратов элегазом методом вытеснения. Такой метод применялся для заполнения первых аппаратов, выпускавшихся фирмой «Вестингауз». Однако при таком способе заполнения следует считаться с тем, что за время вытеснения элегазом воздуха, некоторое количество его успеет перемешаться (вследствие диффузии) с элегазом и останется во внутренней полости аппарата. Если бы оставшийся воздух был совершенно сухим, то его присутствие было бы неопасным и не влияло бы на электрическую прочность. При наличии же в воздухе влаги возможно появление вредных химических соединений и, в частности, кислот, которые, как указывалось выше, могут вызвать перекрытие изоляции. Кроме того, они разрушающе будут действовать на различные элементы аппарата и прежде всего на контактные соединения. Поэтому воздух из внутренней полости аппарата перед заполнением его элегазом необходимо откачать. Для удаления низших фторидов, возникающих в процессе работы аппарата, в каждую камеру помещается небольшое количество силикагеля и алюмогеля.
Рис. 86. Газовая система полюса аппарата на три и два направления
Рассматриваемые коммутационные аппараты по конструктивному исполнению делятся на однополюсные и трехполюсные. В трехполюсных аппаратах газовая система может быть осуществлена двояким образом: индивидуальной — на каждый полюс или же общей — на все три полюса. Газовая система одного полюса изображена на рис. 86.
Внутренние полости опорного и камерных изоляторов сообщаются между собой через короб механизма подвижных контактов. Опорный изолятор снизу герметически закрыт стальным фланцем 1. В него вварен вентиль 2, через который производится наполнение внутреннего объема съемной части аппарата — короба с четырьмя изоляторами. Этот вентиль с помощью медной трубки 3 соединяется с тройником 6, который может перекрываться двумя вентилями 5 и 7.
Вентиль 5 служит для присоединения манометра 4. При нормальной работе он постоянно открыт и манометр соединен с внутренним объемом аппарата. При вакуумировании внутренней полости аппарата этот вентиль перекрывается во избежание порчи манометра (в случае применения моновакуумметра вентиль 5 не нужен). Посредством вентиля 7 к газовой системе присоединяется либо система заполнения через трубку 8, либо устройство для дополнения элегаза в процессе опытной эксплуатации, включающее запасной баллон с элегазом 10, вентиль 11 и редуктор 9. Общая газовая система на три полюса отличается от описанной тем, что от тройника 6 отходит не одна, а три соединительные трубочки 3. Система заполнения включает вакуумный насос и вакуумметр, с помощью которого контролируется степень разрежения. Когда давление в аппарате снизится до нескольких миллиметров ртутного столба, система откачки соответствующим вентилем перекрывается и открывается вентиль, через который аппарат наполняется элегазом.
Перед отправкой с завода на место эксплуатации аппарат наполняется элегазом до давления, незначительно превышающего атмосферное, после чего вентиль 2 на нижнем фланце закрывается, трубка 3 отсоединяется и съемная часть аппарата однополюсного исполнения снимается и упаковывается для отправки. Контроль за давлением в аппарате осуществляется посредством электроконтактного манометра. В случае работы подстанции без обслуживающего персонала сигнал о снижении давления до предельно допустимого уровня поступает на диспетчерский пульт и дежурный дает распоряжение о высылке ремонтного персонала для дополнения элегаза. Следует отметить, что в замкнутом объеме аппарата давление будет изменяться не только вследствие утечки, но и при изменении температуры окружающей среды. Учет колебания температуры окружающей среды осуществляется соответствующей настройкой контактов манометра на летние и зимние условия работы.
Совершенно очевидно, что уплотнения не будут абсолютно совершенными и, следовательно, в процессе эксплуатации аппарата будут происходить утечки элегаза. Причем в первых образцах аппаратов, когда еще не накоплен опыт изготовления их, утечки могут быть значительными. Поэтому в процессе опытной эксплуатации необходимость дополнения элегаза будет, по-видимому, довольно частой (через несколько месяцев). По мере совершенствования процесса производства и накопления опыта изготовления элегазонаполненных аппаратов необходимость в частом дополнении элегаза отпадает. Так, например, аппараты, изготовленные иностранными фирмами, работают без дополнения газа в течение 3—5 лет. При необходимости частой доливки элегаза система дополнения должна быть предельно простой. В коробке приводного механизма каждой фазы устанавливается баллон с элегазом. В дальнейшем по мере совершенствования системы уплотнений установка в каждой фазе аппарата дополнительного баллона с элегазом окажется излишней.
Полтев Александр Иванович
