Элегазовые выключатели.
Высокая способность элегаза (SF6) гасить электрическую дугу объясняется тем, что молекулы элегаза улавливают электроны дугового столба и образуют относительно неподвижные отрицательные ионы. Потеря электронов делает дугу неустойчивой и она быстро гаснет. Если добавить в процесс дугогашения газовое дутьё, которое может быть обеспечено или с помощью поршневого устройства, или с использованием современного принципа автогенерации; поглощение электронов из дугового столба происходит ещё эффективнее.
Принцип автогенерации состоит в том, что в процессе горения дуги элегаз находится в ограниченном объеме из-за нагрева расширяется, создается дополнительное давление, обеспечивающее газовое дутье. При этом принципе не расходуется дополнительная энергия для перемещения поршневого устройства.
В современных конструкциях элегазовых выключателей, охватывающих напряжение от 6 до 500 кВ используются известные принципы дугогашения: магнитное дутье, автогенерация, автокомпрессия.
Быстродействующие вакуумные коммутационные аппараты с управляемой коммутацией на основе вакуумных разрядников.
Управляемая коммутация успешно решает проблему предотвращения опасных бросков тока и возникновения перенапряжений, увеличения ресурса оборудования.
Например, использование управляемой коммутацией конденсаторных батарей эффективно как при включении, так и при отключении цепей в рабочих режимах при управляемом включении существенно снижаются броски тока, а при управляемом отключении снижается вероятность повторных пробоев межконтактного промежутка и как следствие – возникновение перенапряжения. Оптимальном моментом включения цепи является момент, когда напряжение на разрыве выключателя проходит через ноль. Чем дальше момент включения находится от нулевого значения напряжения на разрыве, тем выше броски тока. Управляемая коммутация номинальных токов дает возможность повысить ресурс выключателя, особенно, если он работает в режиме частых коммутаций и позволяет предотвратить срез тока.
Наиболее простым и дешевым способом управляемой коммутацией является использование новых типов вакуумных коммутационных устройств, к которым относятся вакуумные управляемые разрядники (РВУ), их комбинация с вакуумными выключателями позволит свести процесс включения коммутационного устройства к моментальному (единицы мкс) включению РВУ с последующим замыканием контактов выключателя.
Управляемый вакуумный разрядник, разработанный предприятием ВЭИ им. Ленина, представляем собой безнакальный трехэлектродный герметизированный прибор с давлением остаточных газов, не превышающих 10-4 Па.
Включение управления разрядника осуществляется подачей пускового импульса напряжения на управляющий электрод. Этот импульс напряжения вызывает пробой диэлектрической вставки узла поджига и генерацию искрового разряда. Плазма искрового разряда заполняет пространство вакуумного промежутка и разряд переходит из искровой стадии в дуговую и разрядник включается. Вакуумный дуговой разряд сам себя поддерживает и гаснет, когда ток в основной цепи спадает до нуля. Время включения вакуумного управляемого разрядника может быть менее 1 мкс. Быстродействующее синхронизированное включение будет обеспечено, если разрядник установить параллельно выключателю.
Это синхронизированное включение обеспечит включение трансформаторов, шунтирующих реактор или подключение нагрузки к электрической сети к резервному источнику питания с высокой точностью в заданной фазе питающего напряжения при любой последовательности чередования фаз, что позволит исключить нежелательные переходные процессы, возникающие при выключении в произвольной фазе напряжения.
Альтернативные решения элегазовым и вакуумным выключателям.
1. Возможность использования других изоляционных и дугогасительных сред.
2. Перспективна полупроводниковая технология, однако разработки полупроводниковой техники не позволяют создать аналоги современным коммутационным аппаратам ( силовые ключи).
3. Исследуется возможность создания эффективных ограничителей тока на базе высокотемпературных сверхпроводящих материалов. Такие ограничители тока не только решают задачи коммутации электрических цепей, но и позволяют снизить массу оборудования за счет уменьшения токов термической и динамической устойчивости.
4. Работы по созданию «умных» аппаратов проводятся в двух направлениях : 1) разработка выключателей с управляемой синхронной коммутацией; 2) создание систем автоматизированной диагностики и мониторинга.
Характеристики синхронных аппаратов могут быть улучшены за счет использования управляемых разрядников, включающих цепь в любой момент времени с высокой точностью. Системы диагностики дают возможность проанализировать изменение изоляционных, коммутирующих характеристик аппарата во время эксплуатации и своевременно обнаруживать опасные отклонения этих характеристик от номинальных и предотвратить крутые аварии оборудования и ненужные ревизии.
Масляные выключатели.
Бывают двух конструктивных видов:
1) масляные баковые выключатели;
2) маломасляные (горшковые).
Масляные баковые выключатели.
Применяются в открытых распределительных устройствах (ОРУ) подстанции 35, 110,220 кВ.
Масло в баковых выключателях служит для гашения дуги изоляции токоведущих частей. При напряжении 35 кВ и выше для каждой фазы применяют свой бак.
Движение подвижным контактам передается с помощью изолирующей тяги, связанной с приводом выключателя. При отключении выключателя в местах размыкания контактов возникают электрические дуги, которые разлагают и испаряют масло. Образуется газовый пузырь, содержащий до 70% водорода. Газ горючий, однако его возгорание не происходит из-за отсутствия кислорода. Время гашения дуги 100 мс.
В рассматриваемой конструкции специальных средств гашения дуги не предусмотрено. Масло в бак заливается не полностью. Воздушная подушка уменьшает силу удара в крышку выключателя в свзи с высоким давлением в процессе гашения дуги. Для выхода газа предусмотрена выхлопная труба. Если уровень масла будет недопустимо низким, то газы могут сильно нагреться и может произойти взрыв смеси водорода с воздухом. Для наружных установок с напряжением 35 кВ и выше применяются выключатели с дугогасительными устройствами. По принципу действия дугогасительного устройства можно разделить на три группы:
1) с автодутьем, в которых высокое давление и большая скорость движения газа в зоне дуги создается за счет выделяющейся в дуге энергии;
2) с принудительным масляным дутьем, у которых к месту разрыва масло нагнетается с помощью специальных механизмов;
3) с магнитным гашением в масле, в которых дуга под действием магнитного поля перемещается в узкие каналы и щели. Наиболее эффективным и простым являются дугогасительные устройства с автодутьем, которые работают тем эффективнее, чем больше ток в дуге. Количество разрывов в баковом выключателе должно быть тем больше, чем выше коммутационное напряжение. Для равномерно распределения напряжения между основными разрывами параллельно им включают шунтирующее сопротивление.
Преимущества баковых выключателей: простота конструкции, высокая отключающая способность, пригодность для наружной установки и наличие встроенных трансформаторов тока.
Недостатки: взрыво- и пожароопасность, не пригодны для выполнения быстродействующих систем автоматизированного повторного включения (АПВ), имеют большую массу, объем масла, не пригодны для установки внутри помещений.
Маломасляные выключатели
Масло в этих выключателях служит дугогасящей средой и только частично изоляцией между разомкнутыми контактами. Эти выключатели имеют меньшие габариты и массу по сравнению с баковыми выключателями. Меньший объём масла облегчает уход и ремонт.
Недостатки:
1) взрыво- и пожаро- опасность;
2) невозможность осуществления быстродействующей системы автоматического повторного включения;
3) необходимость частой замены масла;
4) трудность установки встроенных трансформаторов тока;
5) относительно малая отключающая способность.
В маломасляных выключателях имеются два контура тока - главный и дугогасительный. Когда выключатель включен - главная часть тока проходит по главному контуру из-за меньшего сопротивления цепи. При отключении выключателя сначала размыкаются рабочие контакты, но дуга между ними не образуется, так как ток продолжает протекать в дугогасительном контуре. При включении выключателя первыми замыкаются дугогасительные контакты, а затем замыкаются рабочие.
Дугогасительные устройства состоят из трёх отсеков, выполненных из ряда изоляционных дисков с фасонными вырезами. При разрыве контактов выключателя между ними возникает дуга и из-за высокой температуры масло разлагается, создается газовый пузырь, в основном содержащий водород, а также метан и этилен. Водород обладает большой теплопроводностью и высокой электрической прочностью, что используется при гашении дуги. Повышенное давление в газовом пузыре способствует деионизирующей способности газа.
Воздушные выключатели.
Гашение дуги происходит в продольном потоке при давлении 2-4 МПа и выше. Воздух охлаждает дугу, удаляет продукты горения и быстро гасит дугу. Для получения сжатого воздуха необходима компрессорная установка, а для очистки воздуха и его сушки необходимы различные адсорбенты (вещества, способные поглощать влагу - силикагель и алюмогель).
Очистка воздуха происходит термодинамическим способом. Воздух сжимается и при сжатии он нагревается, образующийся пар при охлаждении конденсируется и вода сливается.
Чтобы обеспечить равномерное распределение напряжения между разрывами целесообразно использовать ёмкостные делители напряжения, то есть параллельно каждому разрыву включается конденсатор. Обычно применяют также шунтирующие резисторы и для отключения сопровождающего тока применяют небольшие гасительные устройства.
В настоящее время существует тенденция по замене воздушных выключателей элегазовыми выключателями.
Электромагнитные выключатели
Выпускают на напряжение 6-10 кВ и токи отключения (токи КЗ) до 40 кА. Дуга, образующаяся на контактах втягивается магнитным полем в гасительную камеру, при этом происходит значительное удлинение дуги до 1-2 м и её охлаждение. При увеличении сопротивления дуги происходит понижение тока, и дуга гаснет при очередном прохождении через ноль.
При отключении выключателя сначала размыкаются главные контакты, а затем дугогасительные.
Электромагнитные выключатели имеют широкое применение в системе собственных нужд электростанций, а также в промышленных установках, где необходимы частые включения и отключения.
Разъединители
Основное назначение - создание надежного видимого разрыва цепи для облегчения безопасного проведения ремонтных работ на оборудовании.
Контактная система разъединителей не имеет дугогасительных устройств. Поэтому разрыв цепи должен производиться при отсутствии тока или в случае трех полюсного разъединителя наружной установки при напряжении не более 10 кВ допускается коммутация тока не более 15 А.
Разъединители по числу полюсов могут быть одно- и трех- полюсными.
По роду установки: для внутренних и наружных установок.
По конструкции:
1) рубящего типа;
2) поворотного;
3) пантографического ;
4) подвесного типа
По способу установки:
1) с вертикальным расположением ножей;
2) с горизонтальным расположением ножей.
Схема разъединителя рубящего типа
Заземляющий нож служит для соединения с землёй одного из полюсов разъединителя, что обеспечит КЗ при ошибочной подаче напряжения и обеспечения безопасных условий работы персонала.
Схема разъединителя горизонтально-поворотного типа
Являются перспективными разъединителями, эти разъединители имеют ножи, вращающиеся в горизонтальной плоскости.
Выключатели нагрузки
Это трех полюсные коммутационные аппараты, не предназначенные для отключения тока КЗ, но их включающая способность соответствует электродинамической стойкости при КЗ.
При использовании выключателей нагрузки необходимости отключения неисправного трансформатора отключения аварийного тока обеспечивается с помощью плавких предохранителей, то есть работают в комплекте с предохранителями.
Выключатели нагрузки с гасительными устройствами газогенерирующего типа на 6 и 10 кВ.
Основой является трех полюсный разъединитель для внутренней установки. К ножам разъединителя прикреплены дополнительные ножи, то есть ток нагрузки протекает по двум ветвям: через рабочие и дополнительные ножи.
В положении «включено» вспомогательные ножи входят в гасительные камеры, выполненные из материала, который при нагревании от дуги генерирует газ.
В процессе отключения рабочего тока сначала размыкаются основные контакты разъединителя при этом в цепи ток продолжает протекать через вспомогательные ножи (через параллельную ветвь). Через некоторое время размыкаются контакты в дугогасительных камерах. Возникающие электрические дуги гасят в потоке газов, генерируемых продуктами разложения вкладышей из органического стекла.
