Комплектные РУ (КРУ) с вакуумными выключателями весьма компактны и выпускаются в выкатном (рис. 1) и стационарном (рис. 2) исполнениях. В конструкциях КРУ выкатного исполнения на выкатной тележке размещается выключатель с приводом. В корпусе шкафа содержатся отсеки сборных шин, измерительных ТТ и кабельной разделки, измерительной аппаратуры и релейной защиты. Роль высоковольтных разъединителей выполняют втычные контакты. Они создают видимый разрыв при выводе выключателя в ремонт. Соединение оперативных цепей тележки и корпуса осуществляется с помощью штепсельных разъемов. Выкатная тележка с выключателем может занимать три положения: рабочее, испытательное и ремонтное. Рабочее положение соответствует режиму, при котором замкнуты втычные контакты и соединены оперативные цепи с помощью штепсельного разъема. В испытательном положении производится испытание выключателя. При этом втычные контакты разомкнуты, а оперативные цепи замкнуты. В рабочем и испытательном положениях тележка фиксируется внутри корпуса шкафа.
Рис. 1. Шкаф КРУ с вакуумным выключателем выкатного исполнения: а — рабочее положение, б — испытательное положение, в — ремонтное положение; А — втычные контакты: I — отсек измерительных трансформаторов и кабельной разделки; II — отсек сборных шин: III — отсек измерительной аппаратуры и защиты; IV — отсек выкатной тележки; 1 — трансформатор тока; 2 — опорный изолятор; 3 — сборные шин; 4 — проходной изолятор; 5 — штепсельный разъем: 6 — вакуумный выключатель: 7 — привод вакуумного выключателя: 8 — выкатная тележка; 9 — заземляющий разъединитель; 10 — шторки; 11 — скользящий контакт заземления тележки.
Рис. 2. Шкаф КРУ стационарного исполнения с вакуумным выключателем (серия КРУН-102):
1 — рычаг-изолятор; 2 — опорный изолятор; 3 — тяга электромагнитного привода; 4 — отсек измерительной аппаратуры и защиты; 5 — рама выключателя; б — проходной изолятор; 7 — трансформатор тока; 8 — шина; 9 — кронштейн дугогасительной камеры: 10 — изоляционный барьер; 11 — вакуумная дугогасительная камера; 12 — шина с гибким дугоотводом; 13 — монтажный люк; 14 — отсек выключателя
Для производства ремонтных работ тележка выдвигается из пределов корпуса шкафа, при этом токоведущие силовые части шкафа, включая неподвижные втычные контакты, автоматически ограждаются шторками для защиты персонала от случайного прикосновения, а выводы ТТ заземляются специальными разъединителями.
Для обеспечения безопасности труда и предотвращения аварий предусматриваются специальные блокировки, которые делают невозможным:
вкатывание тележки в корпус при включенном выключателе; включение выключателя в нефиксированном положении тележки;
выкатывание тележки из рабочего положения при включенном выключателе;
включение заземляющих разъединителей при рабочем положении тележки;
вкатываиие тележки в рабочее положение при включенных заземляющих ножах.
Если выключатель не зафиксирован в рабочем положении, то возможен перегрев втычных контактов из-за плохого контакта или возникновения дугового разряда при разрыве цепи (если выключатель включен, а шины под напряжением).
Шкаф КРУ разделен на отсеки с помощью металлических перегородок и проходных изоляторов для локализации возникших в шкафу аварий в пределах поврежденного участка.
Комплектные распределительные устройства на 6 — 35 кВ с вакуумными выключателями п элегазовой изоляцией. Одним из недостатков вакуумных выключателей являются перекрытия по наружной поверхности изоляционного корпуса при перенапряжениях, что объясняется малой высотой изоляционного корпуса дугогасительной камеры. По этой причине первоначально вакуумные выключатели погружали в масло, что затрудняло условия их эксплуатации. Целесообразнее размещать их в специальных отсеках, заполненных элегазом. В этом случае не только облегчаются условия эксплуатации, но и повышается их надежность по сравнению с вакуумными выключателями, устанавливаемыми на воздухе, поскольку даже в случае потери вакуума в вакуумных дугогасительных камерах гашение дуги в элегазе происходит эффективнее, чем в воздухе.
Комплектное РУ с вакуумным выключателем и элегазовой изоляцией состоит из четырех отсеков: 1, 2, 7 и 9 (рис. 2). В отсеке 1 размещаются кабельные муфты 10, трансформаторы напряжения 11 и трансформаторы тока 12. Объем отсека 4 позволяет в случае необходимости разместить в нем разрядники или ограничители перенапряжения. В отсеке 2, заполненном элегазом при давлении Р = 0,25 МПа, размещается вакуумный выключатель 3. Отсеки 7 и 9 предназначены для двух систем сборных шин и соответствующих шинных разъединителей 5 и 8.
В отсеке 5, не заполняемым элегазом, расположены приводы выключателя и разъединителей и аппаратуры б управления, защиты и сигнализации.
Рис. 3. Ячейка КРУ на 6 — 35 кВ с вакуумными выключателями и элегазовой изоляцией
Трансформаторы тока и напряжения с литой эпоксидной изоляцией.
Трансформаторы тока снабжены емкостным делителем напряжения. Их выводы присоединены к внешним зажимам. Это позволяет в любое время проводить
испытания изоляции и проверку фазировки без необходимости вскрытия отсека 1. К ячейке можно присоединить любой тип кабеля сечением до 625 мм2. Имеются также специальные вводы для проведения периодических испытаний изоляции.
Разработаны и отдельностоящие вакуумные выключатели, размещенные в герметичных корпусах, заполненных элегазом (рис. 1).
Рис. 1. Вакуумный выключатель на 25 кВ, установленный в герметическом корпусе с элегазом
Поскольку вакуумный выключатель обладает весьма высоким коммутационным ресурсом, затраты на эксплуатационные расходы такого комбинированного выключателя существенно уменьшаются.
Новые разработки КРУ с вакуумными выключателями. Новая концепция КРУ с вакуумными выключателями для установки внутри помещений отличается от традиционных решений наличием самоотделяющегося выключателя, выполняющего также функцию разъединителя, и продольным расположением фаз всех функциональных элементов.
Разработанная для распределительных сетей XXI века ячейка КРУ представляет собой новое поколение оборудования среднего напряжения, имеющее высокие характеристики по длительности непрерывной работы, надежности и безопасности, где все функциональные элементы смонтированы на одной прямой линии между шинами и кабельными подсоединениями.
Основой данной концепции является выключатель, оригинальным образом сочетающий функции выключателя и разъединителя в едином модуле. Техническая реализация этого модуля стала возможной при использовании вакуумной дугогасительной камеры. Изоляция между отсеками выключателя и кабелей обеспечивается специальной многофункциональной траверсой, в которую встроены трансформаторы тока и емкостный делитель для индикации напряжения. Механический привод выключателя, который располагается за дверцей ячейки, управляется с лицевой стороны. Заземляющий нож также управляется с лицевой стороны ячейки прямым поворотом его главной оси.
В конструкции КРУ шины, выключатель и кабели располагаются один над другим. Как и в традиционных ячейках, приборы зашиты, управления и сигнализации расположены в ее верхней части. Сзади имеется вытяжное устройство для отвода горячих газов в случае короткого замыкания внутри ячейки. В отсеке кабелей выводы их контактных зажимов и заземляющий нож смонтированы с правой стороны ячейки с тем, чтобы освободить слева максимум пространства для операций по подсоединению кабельных зажимов. Ячейки "ввода", "шинного перехода" (шиносоединительного выключателя) и "измерения" могут быть снабжены отключаемыми ТН. Они располагаются продольно с левой стороны отсека кабелей. Оригинальности ячейки заключается в том, что отделение шин от кабелей осуществляется с помощью поворота на 90 ° полюсов и механизма привода выключателя.
Перенапряжения при работе вакуумных выключателей. При коммутации вакуумными выключателями индуктивных токов (например, при отключении мало нагруженных трансформаторов и пусковых токов электродвигателей) возникают перенапряжения трех видов: вызванные срезом тока, многократными повторными пробоями межконтактного промежутка и одновременным отключением трех фаз. Следует отметить, что коммутационные перенапряжения носят случайный характер и зависят от структуры электрической сети и статистических свойств вакуумного выключателя.
В процессе отключения в межконтактном промежутке вакуумных дугогасительных камер возникает вакуумная дуга промышленной частоты (горящая в парах металла). Вследствие высокой скорости нарастания электрической прочности межконтактного промежутка в вакууме (рис. 3) дуга может погаснуть до естественного перехода тока через нулевое значение, т.е. происходит срез тока. В результате среза тока энергия, запасенная в индуктивной нагрузке, переходит в емкость нагрузки и возникают большие перенапряжения, которые могут привести к пробою изоляции электрооборудования, срабатыванию защит от замыканий на землю, что сокращает срок службы электрических аппаратов.
Срез тока вакуумными выключателями может привести к чрезвычайно высоким перенапряжениям, недопустимым для изоляции двигателей и кабелей. При отключении вакуумными выключателями пусковых токов перенапряжения могут быть еще больше, поскольку при этом индуктивность двигателя на порядок меньше. В связи с этим необходимо обеспечить защиту изоляции от таких перенапряжений. Наиболее совершенная защита изоляции обеспечивается нелинейными ограничителями перенапряжений (ОПН).
Кроме того, средствами защиты от перенапряжений могут быть RC-цепочки и устройства, регулирующие момент коммутации.
Использование RC-цепочки благоприятно влияет на переходные процессы при отключении:
уменьшает амплитуду перенапряжений при срезе тока, так как увеличивает емкость отключаемой нагрузки;
демпфирует высокочастотные колебания при повторных пробоях межконтактного промежутка;
снижает частоту колебаний после отключения тока, уменьшая вероятность повторных пробоев;
сдвигает положение нулевого значения тока высокочастотных колебаний относительно максимума напряжения, поэтому в момент гашения при нуле тока напряжение на емкости ниже максимального; это снижает восстанавливающееся напряжение и возможность повторных пробоев;
снижает крутизну фронта перенапряжений при повторных зажиганиях вследствие уменьшения частоты колебаний из-за увеличения емкости, что облегчает воздействие на продольную изоляцию.
Вследствие этого RC-цепочки снижают перенапряжения при многократных повторных пробоях, препятствуют эскалации напряжений.
Вместе с тем демпфирующие RC-цепочки имеют определенные недостатки:
емкость RC-цепочки увеличивает общий емкостный ток замыкания на землю в сети, что может привести в ряде случаев к необходимости установки дугогасящих устройств, усложняющих режимы и эксплуатацию сети;
размещение защитной цепочки вблизи зажимов двигателя затруднено (особенно на действующих объектах); установка RC- цепочки у выключателя снижает эффективность ограничения перенапряжений.
В случае использования демпфирующей RC-цепочки обусловленное ею затухание колебаний имеет максимум при определенном значении R, поскольку при R = 0 и R= <х> затухание отсутствует. Изменяя при определенном С сопротивление R демпфирующей цепочки, можно найти значение R, соответствующее минимальным перенапряжениям. Этим в цепи создается режим наибольшего демпфирования колебаний.
Емкость демпфирующей цепочки С должна быть значительно больше емкости отключаемой индуктивной нагрузки (в 5 — 7 раз, как показывают многочисленные расчеты). При этом большую долю тока колебаний берет на себя ветвь ДС-цепочки, в результате чего возрастают потери и затухание.
Обычно в схемах собственных нужд электростанций длина кабеля составляет 50 — 500 м. С учетом длины и марки кабеля емкость КС-цепочки может составлять 0,1 — 1,3 мкФ. Сопротивление RC-цепочки для тех же параметров кабеля должно составлять 30 — 15 Ом.
Ограничение перенапряжений с помощью ОПН при коммутациях вакуумными выключателями электродвигателей и трансформаторов имеет ряд преимуществ. Ограничиваются перенапряжения ОПН при срезе тока и эскалации перенапряжений и тем самым исключается виртуальный срез тока. Конструктивно ОПН легко может быть установлен в ячейке выключателя или на крышке трансформатора. Поскольку уровень выдерживаемых перенапряжений у электродвигателей ниже, чем у трансформаторов, защита электродвигателя имеет первостепенное значение.
Кроме того, снизить перенапряжения, вызванные повторными пробоями межконтактного промежутка выключателя при отключении им индуктивных токов, можно посредством устройства синхронизированного отключения вакуумным выключателем. Оно включается в цепь электромагнита отключения выключателя с целью предотвращения размыкания контактов в моменты, опасные с точки зрения возникновения эскалации напряжений, представляющей собой процесс постепенного увеличения перенапряжений при нескольких повторных пробоях межконтактного промежутка отключающегося выключателя. Основное условие возникновения таких пробоев и перенапряжений состоит в том, что контакты выключателя механически размыкаются вблизи нулевого значения тока, за время около 1 мс до этого момента. В этом случае после погасания дуги контакты выключателя еще не успели разойтись на большое расстояние, электрическая прочность промежутка относительно невелика и он может быть пробит восстанавливающимся на выключателе напряжении.
Для предотвращения таких явлений необходимо исключить возможность размыкания контактов выключателя в указанный момент (до 1 мс до нулевого значения тока).
