Глава третья
КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕГАЗОВЫХ АППАРАТОВ И УСТРОЙСТВ
Элегазовые коммутационные аппараты
Возможные принципы построения дугогасительных камер элегазовых коммутационных аппаратов. Элегазовые выключатели в настоящее время выпускаются рядом зарубежных фирм: «Вестингауз Электрик Корпорейшн» и «Дженерал Электрик» (США), «Асек Шарлеруа» (Бельгия), «Делль» и «Мерлен Жерен» (Франция), «Сименс» (ФРГ), «Магрини» (Италия), «Мицубиси» (Япония) и другими и находятся в эксплуатации уже во многих сетях.
Во всех конструкциях элегазовых аппаратов предусмотрена хорошая герметизация и работа по замкнутому циклу, что обеспечивает надежность аппаратов в эксплуатации и практическую их бесшумность. Опыт зарубежной эксплуатации элегазовых аппаратов показывает, что при соответствующей герметизации необходимость дополнения их элегазом возникает не ранее, чем через 3—5 лет. В иностранной практике применяются неподвижные уплотнения в виде двойных кольцевых прокладок.
В элегазовых коммутационных аппаратах используются следующие способы гашения дуги: гашение дуги при простом разведении контактов; гашение дуги в потоке, возникающем при тепловом расширении элегаза под действием вспомогательной дуги; гашение дуги при дутье из-под поршня; гашение дуги при дутье из резервуара высокого давления; принципиально возможно гашение дуги в жидком элегазе.
Способ гашения дуги при простом разведении контактов, как уже отмечалось выше, не эффективен. Он может быть применен для гашения лишь маломощной дуги, возникающей, например, при отключении ненагруженных линий электропередачи или холостого трансформатора или же конденсаторной батареи сравнительно небольшой мощности. В [62] отмечается, что при довольно большой скорости разведения контактов, равной 6 м/сек, и ρаб= 1 кГ/см2 удавалось отключать емкостные токи 150 а при восстанавливающемся напряжении 20 кв; при давлении же Раб= 5 кГ/см2 восстанавливающееся напряжение составляло 55 кв. Однако в литературе нет сведений о том, что аппараты с гашеним дуги при простом разведении контактов выпускаются какой-либо фирмой.
Способ гашения дуги в потоке, возникающем при тепловом расширении элегаза под действием вспомогательной дуги, использован в первом экспериментальном элегазовой выключателе на напряжение 115 Кв и мощность отключения 1000 Мва, который был построен фирмой «Вестингауз» в 1955 г. [63]. Фаза этого выключателя состоит из двух идентичных полых изоляторов, установленных один на другом.
В верхнем изоляторе каждой фазы помещено дугогасительное устройство, состоящее из двух идентичных элементов, один из которых показан на рис. 35.
Дуга, возникающая при отключении на контакте 5, нагревает газ, находящийся в камере, вследствие чего давление повышается. Под действием этого давления образуется дутье, которое при выходе контакте 2 из сопла 3 вызывает погасание дуги в момент перехода тока через нуль.
Малые токи отключаются при простом разведении контактов. Из-за наличия шунтирующего сопротивления, обеспечивающего равномерное распределение напряжения по главным промежуткам, предусмотрен изолирующий промежуток, образованный контактом /, обладающий повышенной электрической прочностью, который одновременно способствует отключению емкостных токов без повторных пробоев.
Рис. 35. Дугогасительное устройство выключателя фирмы «Вестингауз» на 115 кв, 1000 Мва: 1 — контакт, создающий изоляционный промежуток; 2 — дугогасительный
барьер; 3- сопло; 4- барьер; 5 — генерирующий контакт; 6 — неподвижные контакты; 7 —равномерное распределения напряжения
Все шесть подвижных контактов закреплены на вращающемся изоляционном валу. Последний проходит через нижний опорный изолятор и через соответствующее герметизирующее уплотнение в нижнем фланце опорного изолятора выходит наружу.
Концы валов всех трех фаз посредством рычагов и тяг связаны между собой и с пневматическим приводом. Сообщающиеся между собой внутренние полости изоляторов заполнены элегазом при раб= 3,5 кГ/см2. Однако выключатель сохраняет полную работоспособность и при давлении, сниженном на 25%.
Выключатель испытывался как на включение и отключение токов короткого замыкания, так и коммутирование конденсаторных батарей. При испытаниях на отключение емкостных токов (16—290 а) проверялось влияние на коммутационную способность момента размыкания контактов. Ни в одном из опытов не было зарегистрировано повторных зажиганий дуги.
Один элемент без изолирующего промежутка дугогасительного устройства выключателя на 110 Кв использован в выключателе на 46 кв. Рабочее давление этого аппарата риз=2,2—3,2 кГ/см2 [64].
В патентной литературе предлагаются выключатели с одним разрывом. Давление в камерах этих аппаратов вследствие теплового расширения повышается в то время, пока подвижный контакт закрывает отверстие сопла, выполненного из изоляционного материала [65].
Гашение дуги при дутье из-под поршня применено в авто- пневматических выключателях. Аппараты, в которых гашение дуги происходит в потоке воздуха, созданном поршнем, механически связанным с подвижным контактом, известны с давних пор. В этих аппаратах воздух сжимается поршнем при перемещении его в цилиндре за счет силы упругости предварительно заведенной отключающей пружины.
Автопневматический принцип гашения дуги, не требующий дорогой компрессорной установки, резервуара со сжатым воздухом и системы его очистки, значительно упрощает и удешевляет конструкцию аппарата. Однако вследствие того, что под поршнем удается получить сравнительно небольшие давления Риз = 2-6 кГ/см2, а также из-за невысокой дугогасительной способности воздуха, область применения автопневматических выключателей ограничивается конструкциями на напряжения 6—20 Кв и на небольшие мощности отключения. По существу — это выключатели нагрузки.
Дугогасительная способность подобного устройства резко возрастает при замене воздуха элегазом. В настоящее время разработаны элегазовые выключатели с указанным принципом гашения дуги на высшие классы напряжения и очень большие мощности отключения. Этот принцип гашения дуги используется также и в выключателях нагрузки на напряжение до 420 кв.
Разнообразные конструкции дугогасительных камер элегазовых автопневматических выключателей осуществляются практически в двух приведенных на рис. 36 вариантах исполнения: с неподвижным металлическим соплом и с подвижным изоляционным соплом.
Устройство с металлическим соплом состоит из изоляционного цилиндра, во внутренней полости которого смонтирована дугогасительная камера. Она включает неподвижный контакт 6, укрепленный на изоляционной трубе 5. Последняя установлена на металлическом цилиндре 3 дутьевого устройства. Подвижной контакт 4 жестко связан с поршнем 2. При отключении газ под поршнем сжимается и через внутреннюю полость подвижного контакта перетекает в цилиндр 5, откуда через сопло в неподвижном контакте выходит во внутреннюю полость изолятора, интенсивно обдувая при этом дугу и осуществляя ее гашение.
Недостатком этого устройства является наличие изоляционной трубы, поддерживающей контакт. В отключенном состоянии эта труба все время находится под напряжением, что требует соответствующего выбора материала и длины. При повышенных напряжениях и, следовательно, довольно большой длине трубы
дугогасительная способность устройства уменьшается из-за демпфирующего действия возросшего внутреннего ее объема. Поэтому подобного рода устройства применяются, как правило, в аппаратах на относительно невысокие классы напряжения.
Дугогасительное устройство с подвижным изоляционным соплом, изображенное на рис. 36, б, состоит из неподвижного контакта 6, розеточного подвижного контакта 4 с жестко прикрепленным к нему цилиндром 3 и изоляционным соплом 8 и неподвижного поршня 7.
Рис. 36. Конструктивные схемы дугогасителей элегазовых автопневматических выключателей: а — с неподвижным металлическим соплом; б — с подвижным изоляционным соплом
При отключении подвижной контакт вместе с соплом и цилиндром движется вниз и газ, заключенный между неподвижным поршнем 7 и соплом, сжимается. Как только контакт 6 выйдет из сопла 8 при их относительном перемещении, сжатый газ начнет выходить из сопла, осуществляя интенсивную деионизацию дуги. Ток к розеточному контакту подводится с помощью скользящих контактов 9.
Выключатель с гашением дуги при дутье из резервуара высокого давления принципиально не отличается от воздушного, разница лишь та, что в воздушных выключателях отработанный газ выбрасывается в атмосферу, а в элегазовых — в объем низкого давления. После срабатывания элегазового выключателя автоматически включается компрессор, который перекачивает необходимый объем элегаза из резервуара низкого давления, в резервуар высокого давления. Таким образом, в выключателе необходимы две газовые системы: высокого и низкого давления с соответствующим оборудованием. На рис. 37, где изображена газовая система выключателя, выпускаемого фирмами «Вестингауз» и «Асек», элементы, относящиеся к системе высокого давления, затемнены.
Рис. 37. Газовая система выключателя с двумя давлениями
1—основной и промежуточный резервуары высокого давления; 2 — бак низкого давления; 3- нагревательный элемент; 4 -фильтры; 5 — компрессор; 6 — предохранительный клапан; 7 — управление компрессором; 8 — манометры; 9 — сигнализация
Элегаз, поступающий из системы низкого давления к компрессору и от компрессора в резервуар высокого давления, проходит через очищающие фильтры. Газовая циркуляционная система работает автоматически от реле давления, установленных в системах высокого и низкого давления. Реле давления дополнены термокомпенсаторами. Аналогичные реле подают сигнал о снижении давления элегаза и в некоторых аппаратах блокируют привод выключателя, если в системе высокого давления оно падает до уровня, опасного для нормальной работы дугогасительного устройства.
Система высокого давления содержит два резервуара: промежуточный, расположенный на высоком потенциале вблизи от дугогасительного устройства, и основной, находящийся на потенциале земли.
Оба резервуара соединяются между собой механически прочной изоляционной трубой.
При давлениях свыше риз=13 кГ/см2 элегаз сжижается уже при положительных температурах. Поэтому резервуары высокого давления теплоизолированы, а основной резервуар, кроме того, снабжен нагревателем. Схема подогрева элегаза в выключателе Н912 показана на рис. 38.
Конденсат, образующийся при пониженных температурах в промежуточном резервуаре высокого давления 1, стекает по соединительной трубе 5 в основной резервуар 6, где собирается в специальном углублении. С наружной стороны резервуара укреплен нагреватель 7, работой которого управляет прибор контроля температуры 8. Жидкий элегаз испаряется и нагревается. Нагретый газ 4 по соединительной трубе вновь поднимается в промежуточный резервуар.
Таким образом в системе высокого давления при пониженных температурах совершается непрерывный круговой цикл в виде встречных потоков жидкого 3 и газообразного элегаза 4. Для уменьшения мощности нагревателя резервуары высокого давления имеют тепловую изоляцию 2.
Конструкции дугогасительных камер будут описаны при рассмотрении выключателей с данным принципом гашения дуги.
Рис. 38. Схема подогрева элегаза в системе высокого давления
В патентной литературе встречаются проекты выключателей, в которых в качестве дугогасительной среды применен жидкий элегаз. Механизм гашения дуги в таких выключателях не отличается от такового в масляных выключателях. Баттагли [42] подчеркивает, что при использовании этого способа гашения дуги получены хорошие результаты. Однако элегаз довольно дорогой продукт. В жидком же состоянии он имеет больший вес, чем в газообразном при одной и той же электрической прочности междуконтактного промежутка. Ввиду отсутствия экономических преимуществ дугогасительные устройства с жидким элегазом вряд ли получат широкое распространение.
