При размыкании электрической цепи с током между расходящимися контактами возникает дуговой разряд. Дуга образуется даже при отключении тока 0,5 А при напряжении 15 В. Продолжительность ее горения зависит от параметров цепи и условий деионизации дугового промежутка.
В дуге одновременно происходят процессы ионизации (образование свободных носителей заряда — электронов и положительно заряженных ионов) и деионизации (нейтрализация свободных носителей заряда). Дуга горит до тех пор, пока процесс деионизации не станет интенсивнее процесса ионизации. Следовательно, для быстрого гашения дуги необходима усиленная деионизация дугового разряда, так как в канале дуги температура достигает 4 000 °С и интенсивно идет термическая ионизация газовой среды.
Для отключения электрических цепей с большими токами созданы отключающие аппараты, имеющие следующие дугогасящие устройства:
газового дутья, у которых в дуговой канал поступает воздух извне или же газ, выделяющийся под действием температуры дуги из минерального масла, органического стекла или фибры дугогасительной камеры. Прохождение воздуха или газа через дугу приводит к ее гашению;
с узкой щелью, в которых дуга с помощью магнитного дутья втягивается в узкую щель. На стенках щели, выполненных из изоляционного материала, происходят нейтрализация зарядов, охлаждение дуги и ее гашение;
с разделением дуги на короткие дуги. На каждом коротком участке дуги возникает падение напряжения, в результате чего энергия, выделяющаяся в дуге, оказывается недостаточной для ее горения.
В наиболее мощных аппаратах включения — отключения цепей высокого напряжения (масляных и воздушных выключателях) i фи- меняют дугогасящие устройства, действующие по принципу газового дутья. В их дугогасительных камерах газовое дутье создает перемешивание неионизированного газа с ионизированными частицами. Это охлаждает дугу, снижает термоионизацию, что приводит к гашению дуги в момент прохождения тока через нулевое значение.
Многообъемный (баковый) масляный выключатель без специального устройства для гашения дуги (рис. 1) выполняют в виде стального бака 17, залитого трансформаторным маслом. В нижней части бака, изолированного внутри специальной фанерой 14, имеется маслоспускной кран 16. Уровень масла контролируют с помощью маслоуказательной трубки 13. К баку фланцем 12 болтами 11 крепится чугунная крышка 10. Проходные изоляторы 9 с токоведущими стержнями, на концах которых укреплены неподвижные контакты 3, пропущены внутрь бака. Под крышкой бака образуется буферное воздушное пространство А, из которого воздух отводится в газоотводную трубу 5.
Рис. 1. Многообъемный масляный выключатель:
1 — подвижный контакт; 2 — газовым пузырь; 3 — неподвижный контакт; 4 болт; 5 — газоотводная труба; 6, 7, 19 тяги кривошипно-шатунного механизма; 8 — вал; 9 — проходной изолятор; 10 — крышка; 11 — болт; 12— фланец; 13 — маслоуказательная трубка; 14 — фанера; 15 — траверса; 16 — маслоспускной кран; 17 — стальной бак; 18 — отключающая пружина; 20— направляющая; 21 — штанга; А — буферное пространство
Включают и отключают масляный выключатель приводом, воздействующим на вал выключателя. При включении вал поворачивается по часовой стрелке и посредством кривошипно-шатунного механизма с тягами 6, 7, 19 и направляющей 20 поднимает контактную траверсу 15, на которой укреплены подвижные контакты /трех фаз выключателя. Подвижные контакты замыкаются с неподвижными, укрепленными на концах токоведущих частей проходных изоляторов. При этом отключающая пружина IS сжимается, и во включенном положении выключатель удерживается механической защелкой привода.
При отключении привод смещает защелку. Под действием отключающей пружины 18 штанга 21 перемещается вниз и контакты J и 1 расходятся. Между ними возникает дуга, а вокруг нее газовый пузырь 2, состоящий из продуктов разложения масла (70 % водорода, 20 % этилена). Давление в газовом пузыре составляет 0,2...0,4 МПа. Водород обладает большой теплопроводностью и высокой электрической прочностью, что используется для гашения дуги. Образующиеся газы проходят через слой масла и выходят в буферное пространство А.
Рис. 2. Масляный выключатель С-35-630-10:
1 — изоляторы; 2 — привод; 3 — корпус выключателя
Газы, проходя слой масла, должны успевать охладиться, иначе возможны их быстрый прорыв (если объем масла будет малый) и образование в буферном пространстве гремучей смеси при соединении водорода и кислорода. При слишком большом объеме масла может произойти его выброс из бака через трубку 5. Поэтому необходимо постоянно контролировать уровень и качество масла, а также чистоту поверхности проходных изоляторов, на которых могут скапливаться раскаленные частицы угля и металла, образующиеся при отключении.
Дуга при отключении восстанавливается и гаснет несколько раз, поэтому время отключения многообъемных выключателей весьма велика (0,15...0,2 с). В этом заключается один из основных недостатков выключателей, из-за которого их применение ограничивается установками небольшой мощности напряжением до 6 кВ. К недостаткам относится также пожароопасность в связи с большим объемом масла.
Многообъемные масляные выключатели со специальными устройствами для гашения дуги применяют для ускорения процесса гашения дуги, повышения предельно отключаемой мощности.
Масляный выключатель С-35-630-10 (рис. 2) предназначен для наружных установок напряжением 35 кВ. Предусмотрены три его исполнения: для работы в районах с умеренным климатом; с тропическим климатом при температуре воздуха до 55 °С; с холодным климатом при температуре воздуха -60 °С.
Каждый полюс выключателя собран на отдельной крышке и помещен в отдельный бак. Все полюсы механически связаны между собой, смонтированы на общем сварном каркасе и управляются одним приводом 2. Крышки трех полюсов соединены между собой в один комплект муфтами, в которых установлены предохранительные клапаны для защиты от повышения давления в баках при длительном горении дуги. Внутренние стенки баков об шиты высокопрочным электрокартоном. Под дном каждого бака установлено устройство подогрева масла, применяемое при температуре воздуха ниже -15 °С.
Рис. 3. Общий вид (а) и схема (б) горшкового масляного выключателя типа ВМГ-10:
1 — рама; 2— контактный стержень; 3 — изоляторы; 4 — цилиндр; 5— выходной зажим; 6 — контактная колодка; 7 — фарфоровая тяга; 8 — неподвижный контакт; 9 — валик, связанный с приводом; 10 — пружина; 11 — металлическая шина. A — пространство цилиндра, заполненное маслом (стрелками показано направление тока)
В малообъемных (горшковых) масляных выключателях масло, используемое в качестве дугогасящей среды, заливают в стальные или пластмассовые баки. Достоинство таких выключателей — не значительная масса масла (около 10 кг) по сравнению с многообъемными выключателями (около 50 кг). Широкое распространение получили малообъемные масляные выключатели типов ВМГ-10 (рис. 3), ВМП-10, ВМПП-10, ВМП-10К, ВМПЗ-10.
В выключателе типа ВМП-10 (рис. 4) три бака из стекло эпоксидной смолы закреплены на опорных изоляторах и установлены на стальной раме. С обеих сторон рамы 3 выведен вал 5 для связи с приводом выключателя. Подвижные контактные стержни проходят через каждый бак в дугогасительную камеру, изготовленную из фибры или гетинакса и размещенную в нижней части бака, к которому приварен резервуар с маслом. Необходимую амортизацию при включении и отключении выключателя создают пружины и масляный буфер 6.
Рис. 4. Масляный выключатель типа ВМП-10:
1 — полюс; 2 — опорный изолятор; 3 — рама; 4 — тяга из изоляционного мате риала; 5 — вал; 6 — масляный буфер
Приводы выключателей обеспечивают управление выключателем — включение, удержание во включенном положении и отключение. Вал привода соединяют с валом выключателя системой рычагов и тяг. Привод выключателя должен обеспечивать необходимую надежность и быстроту работы, а при электрическом управлении — наименьшее потребление электроэнергии.
Ручной привод типа ПРБА (рис. 5) применяют для ручного включения и отключения, а также автоматического отключения малообъемных выключателей. Привод смонтирован в чугунной коробке 8, закрываемой съемной крышкой 4, которая имеет прорезь для рычага управления 7. На задней стенке коробки размещен стальной кронштейн 2 с механизмом свободного расцепления (расцепителем) 3. Последний выполнен в виде системы «ломающихся» рычагов, складывающихся при небольшом силовом воздействии на одно из звеньев, что приводит к устранению жесткой связи между приводом и валом выключателя. Для включения выключателя рычаг управления 1 перемещают вручную снизу вверх.
Рис. 5. Ручной привод типа ПРБА:
- — рычаг управления; 2 — кронштейн; 3 — расцепитель; 4 — крышка; 5 — блинкер; 6 — катушка реле минимального напряжения; 7 — катушка реле максимального тока; 8 — чугунная коробка; 9 — тяга; 10 — рычаг коробки привода;
- — контакты сигнализации и автоматики
Рис. 6. Электромагнитный привод типа ПЭ-11:
1,2— блок-контакты; 3 — рычаг ручного отключения; 4 — электромагнит отключения; 5 — электромагнит включения
Рис. 7. Пружинный привод типа ПП-67:
1 — кнопки включения и отключения электродвигателя завода пружинного привода; 2 — электродвигатель завода; 3 — механизм привода; 4 — пружины привода; 5 — кулиса
Движение рычага передается тяге связанной с валом выключателя через промежуточные механические передачи.
Автоматическое отключение осуществляется под действием реле максимального тока или минимального напряжения, отключающие катушки 7 и 6 которых расположены в релейной коробке в нижней части привода. Сердечник реле при срабатывании действует на защелку привода, «ломая» систему рычагов свободного расцепления. При автоматическом отключении рычаг управления 7 остается в верхнем положении, поэтому привод снабжен указывающим семафором (блинкером) 5, который при автоматическом отключении выключателя (от реле) занимает горизонтальное положение, показанное на рис. 5 штриховой линией. Рычаг 10 связывает кинематическую систему, расположенную в коробке привода, со вспомогательными контактами 11 сигнализации и автоматики (КСА).
Привод типа ПРБА предназначен для наружной установки, он встраивается в шкаф из листовой стали, защищающий механизмы привода от непосредственного воздействия пыли и влаги.
Электромагнитные приводы предназначены для дистанционного включения и отключения, а также автоматического отключения выключателей. Основной недостаток электромагнитных приводов — значительный ток, потребляемый катушками включения (до 100 А). Повышение мощности и быстродействия выключателей потребовало создания электромагнитных приводов новых конструкций, например типа ПЭ-11 (рис. 6) для выключателей типов ВМГ-10, ВМП-10К, ВМП-10Э, ВМП-35, типа ПЭ- 21 для выключателей типа МГГ-10, ШПЭ-33 (в шкафу) для выключателей типа МКП-110.
В пружинных приводах энергия, необходимая для включения, запасается в спиральной (привод типа ППМ-10) или цилиндрических (привод типа ПП-61) пружинах, встроенных в маховик. Пружины после каждого включения автоматически заводятся через редуктор электродвигателем мощностью до 1 кВт. Пружинные приводы не требуют мощного источника постоянного тока (как электромагнитные) или сжатого воздуха (как пневматические).
В последнее время широко применяют пружинный привод типа ПП-67 (рис. 7). Он предназначен для управления выключателя ми типов ВМГ-10 и ВМП-10 при внутренней установке и типа ВМП-35П при наружной установке.
Привод типа ПП-67 включает выключатель под действием предварительно натянутых электродвигателем 2 пружин привода 4. Отключение происходит за счет энергии, запасенной пружинами выключателя при включении.
Основные технические характеристики выключателей высокого напряжения, наиболее часто применяемых в системах электроснабжения, приведены в табл. характеристики масляных выключателей.
