Глава XII
ВЫКЛЮЧАТЕЛИ
Выключатели являются наиболее ответственными аппаратами распределительных устройств.
Они служат для включений и отключений электрических цепей при рабочих режимах; в случаях же перегрузок, коротких замыканий или иных отклонений от нормального рабочего режима выключатели при наличии релейной защиты (см. гл. XXI) автоматически отключают неисправный участок.
Выключатели должны обладать достаточной отключающей способностью, возможно меньшим временем действия и высокой надежностью работы.
Основными параметрами (характеристиками) выключателей, кроме номинального и максимального рабочего напряжений, являются также номинальный рабочий ток и номинальные ток и мощность отключения, которые характеризуют отключающую способность выключателя.
Номинальным током отключения называют наибольший ток, который выключатель может без повреждений отключить при номинальном напряжении.
Номинальная мощность отключения — наибольшая кажущаяся мощность, которую способен отключить выключатель. Номинальную мощность отключения определяют по формуле
где Ротк.ном — номинальная мощность отключения;
Iотк.ном — номинальный ток отключения;
Uном — номинальное напряжение выключателя.
Время отключения выключателя определяется временем, проходящим с момента подачи импульса (сигнала) на отключающее устройство привода до окончательного погасания дуги между всеми контактами выключателя.
Рис. 81. Группы и виды высоковольтных выключателей
Время отключения складывается из времени, идущего на собственное отключение выключателя и привода (с момента подачи импульса на привод до начала расхождения контактов выключателя), и времени гашения дуги в выключателе.
Время, идущее на отключение выключателя и привода, в значительной мере зависит от качества монтажа и наладки совместной работы выключателя и привода. Время гашения дуги в выключателе зависит от его конструкции, применяемых средств и устройств дугогашения.
В целях увеличения отключающей способности выключателей и уменьшения времени гашения дуги в современных выключателях используют трансформаторное масло, сжатый воздух, газы, которые во многих выключателях применяют в сочетании со специальными дугогасящими устройствами, ускоряющими процесс гашения.
Выключатели в зависимости от используемых для гашения дуги средств, применяемых дугогасящих устройств и некоторых конструктивных особенностей разделяют на группы и виды, приведенные для наглядности в виде структурной схемы на рис. 81.
§ 38. Масляные выключатели с большим объемом масла (баковые)
Масло в многообъемных выключателях используют как дугогасящую среду и в то же время для изоляции токоведущих частей выключателя друг от друга и от его конструктивных частей и механических устройств, которые в целях безопасности обслуживания заземляют.
Трансформаторное масло, заполняющее бак выключателя, должно обладать определенной электрической прочностью и не иметь примесей, вредно влияющих на изолирующие и токоведущие части выключателя. Для этого масло перед заливкой и в процессе эксплуатации систематически испытывают на пробивное напряжение. Кроме того, проводят химический анализ масла.
Масляные выключатели со свободным гашением дуги в баке.
Основные части масляного выключателя со свободным гашением дуги показаны на рис. 82.
Стальной сварной бак 1 выключателя снабжен маслоспускным краном 2. В бак заливают трансформаторное масло 3, уровень которого контролируется указателем 5 (стеклянная трубка). Внутренняя поверхность стенок бака изолирована фанерой 4.
Бак через ушки 6 крепят болтами 7 к чугунной крышке 8 выключателя, через которую внутрь выключателя введены проходные изоляторы 9 с закрепленными на их токоведущих стержнях неподвижными контактами 21.
Для включения и отключения выключателя служит привод, вал которого соединяют с валом 14 выключателя.
Рис. 82. Схематический разрез масляного выключателя со свободным гашением дуги: 1 — бак; 2 — маслоспускной кран; 3 — трансформаторное масло; 4 — фанера; 5 — указатель; 6 — ушко; 7 — болт; 8 — крышка; 9 —проходной изолятор; 10 — буферное пространство; 11 — газоотводная труба; 12 — труба; 13 — рычаг; 14 — вал; 15 — поводок; 16 — тяга; 17 — направляющие; 18 — отключающая пружина; 19 — муфта; 20 — штанга; 21 — неподвижный контакт; 22 — дуга; 23 — подвижный контакт
Вращательное движение вала 14 через рычаг 13, поводок 15 и стальную тягу 16 преобразуется в поступательное и передается контактной траверсе с подвижными контактами 23, которая связана с тягой 16, имеющей изолирующую (из дерева или бакелита) штангу 20. Направляющие 17 придают тяге 16 прямолинейное движение и служат в данном случае упором для отключающей пружины 18, второй конец которой упирается в муфту 19.
При включении привод поворачивает вал 14 выключателя по часовой стрелке и контакты 21 и 23 замыкаются; отключающая пружина 18 сжимается. Запорная защелка, имеющаяся в приводе, удерживает выключатель во включенном положении. При отключении защелка смещается и подвижная система выключателя освобождается. Под действием отключающей пружины 18 и собственного веса траверса с подвижными контактами опускается вниз и контакты 21 и 23 размыкаются.
Во время отключения масляным выключателем электрической цепи под нагрузкой между подвижными и неподвижными контактами образуются две дуги 22. Под воздействием высокой температуры дуги масло испаряется и в местах разрыва контактов образуются газы. Поэтому дальнейшее горение дуги в каждом разрыве происходит, по существу, уже не в масле, а внутри газового пузыря. Вследствие высокой температуры газа и увеличения его объема за счет продолжающегося испарения масла газовый пузырь стремится к быстрому расширению. Расширяясь, газ давит на окружающее масло, но так как масло почти не сжимается, то увеличение объема газового пузыря происходит за счет вытеснения масла. Поднимаясь вверх, масло сжимает воздух, находящийся в буферном пространстве 10, и вытесняет его через газоотводную трубу 11.
Для предупреждения разрыва бака вследствие чрезмерных Давлений на болты 7 надеты отрезки тонкостенных труб 12, которые при опасном давлении в баке сжимаются и бак несколько опускается. Через образующийся при этом зазор воздух, масло и газы выбрасываются наружу.
Вследствие медленного вытеснения масла и быстрого увеличения количества газа давление в газовом пузыре значительно увеличивается. С увеличением давления изоляционные свойства газов возрастают и при давлении в несколько атмосфер оказываются весьма высокими. При переходе переменного тока через нулевое значение дуга гаснет, но слой газа между контактами может быть вновь пробит, и в этом случае дуга восстановится.
Расстояние между контактами продолжает увеличиваться до тех пор, пока дуга, погасшая после перехода тока через нуль, не сможет восстановиться вследствие достаточной деионизации промежутка.
Росту электрической прочности дугового промежутка (его деионизации) способствует быстрое расхождение контактов, обеспечиваемое отключающими пружинами, а также одновременный разрыв цепи в двух местах и образование двух последовательных ДУГ.
Масляные выключатели со свободным гашением дуги в общем баке обладают невысокой отключающей способностью, и поэтому в настоящее время их применяют относительно редко. Такие выключатели изготовляют на номинальные напряжения 6 и 10 кВ и номинальные токи до 400 а.
Масляные выключатели с дугогасительными камерами.
Для ускорения гашения дуги и уменьшения давления в баке масляного выключателя применяют дугогасительные камеры, которые увеличивают отключающую способность выключателя и повышают надежность его работы.
В дугогасительных камерах используется дутье масла и выделяющихся из него газов, обеспечивающее быстрое гашение дуги.
Современными многообъемными масляными выключателями с дугогасительными камерами поперечного масляного дутья являются выключатели МКП-35, МКП-110, МКП-220 и МКП-500 соответственно на номинальные напряжения 35, ПО, 220 и 500 кВ. Все они трехбаковые и предназначены для наружной установки.
Масляные выключатели MKJ1-35 (рис. 83) изготовляют на номинальные токи 600 и 1000 а и номинальную мощность отключения 750 и 1000 МВА при весе масла 800 кг.
Выключатель состоит из трех механически связанных между собой полюсов, собранных на общей стальной раме и управляемых одним приводом. В каждом полюсе выключателя крышка является основной деталью, к которой крепят все узлы. Все три полюса объединены в один общий комплект промежуточными муфтами, соединяющими валы отдельных фаз выключателя.
Разрез полюса выключателя приведен на рис. 84. Внизу под каждым баком размещены элементы для подогрева масла. Первую ступень электроподогрева включают при понижении температуры до —25° С и вторую ступень — до —35° С.
Рис. 83. Масляный выключатель МКП-35:
1 — овальные баки; 2 — стальная рама; 3 — привод; 4 — лебедка для опускания баков
Рис. 84. Разрез полюса масляного выключателя МКП- 35 (положение «включено»):
1 — крышка; 2 — дугогасительные камеры; 3— изолирующая тяга; 4 — изоляция бака; 5 — бак; 6 —электроподогреватели; 7 — маслоспускной кран; 8 — траверса подвижных контактов; 9 —направляющая с отключающей пружиной; 10 — трансформаторы тока
На рис. 85 показана дугогасительная камера этого выключателя.
Камера состоит из следующих частей: держателя 1, при помощи которого камера крепится к токоведущему стержню ввода; металлического корпуса 2; неподвижного контакта 5, отжимаемого пружиной 3 книзу, укрепленного на держателе 1 и электрически связанного с ним гибкой связью 9; комплекта изолирующих пластин 6, образующих две горизонтальные щели для гашения дуги (снизу комплект пластин снабжен горловиной 7, в которую входит подвижный контакт), и изолирующего цилиндра (экрана) 8. В верхней части камеры справа расположен так называемый буферный объем камеры.
Рис. 85. Дугогасительная камера масляного выключателя МКП-35:
1 — держатель; 2 — корпус; 3 — пружина; 4 — буферный объем; 5 — неподвижный контакт; 6 — изолирующие пластины; 7 — горловина; 8 — цилиндр (экран); 9 — гибкая связь
Камеры установлены на каждом разрыве выключателя, т. е. по две в каждом баке.
Процесс гашения дуги в таких камерах показан на рис. 86. В начале отключения выключателя дуга горит в верхней части камеры и давление в ней быстро возрастает. При дальнейшем движении подвижного контакта вниз открываются поперечные щели, через которые начинается дутье поперек дуги вытесняемых из камеры масла и газов.
После заливки выключателя маслом в буферном объеме камеры остается воздушное пространство, которое сжимается в результате давления, возникающего в камере в начале отключения. При переходе тока через нулевое значение, когда дуга гаснет и давление в камере снижается, дутье поддерживается давлением из буферного объема.
Масляные выключатели МКП-110 (рис. 87) изготовляют на номинальные токи 600 и 1000 а и номинальную мощность отключения 3500 МВА при весе масла 8,5 т. Выключатель состоит из трех отдельных полюсов в виде баков цилиндрической формы с приваренными крышками и днищами. Баки устанавливают на общем бетонном фундаменте. Валы приводных механизмов отдельных баков соединяют друг с другом и с общим при
водом. В нижней части бака имеются лазы: верхний, через который можно проникнуть внутрь бака (после слива масла), и два нижних, через которые обслуживают устройства электроподогрева.
Разрез полюса выключателя МКП-110 приведен на рис. 88. Дугогасительным устройством масляного выключателя МКП-110 служат камеры поперечного масляного дутья, в которых использован принцип двухступенчатого гашения дуги с делением ее на несколько коротких дуг, шунтируемых сопротивлением.
Общий вид дугогасительной камеры в разрезе приведен на рис. 89, а процесс гашения в ней дуги — на рис. 90.
Дугогасительная камера представляет собой закрытый с торцов бакелитовый цилиндр, в корпусе которого имеются выхлопные отверстия.
Рис. 86. Процесс гашения дуги в дугогасительной камере масляного выключателя МКП-35: а — включено; б, в и г— процесс отключения; д — отключено
Рис. 87. Масляный выключатель МКП-110:
1 — цилиндрический бак; 2 — крышка; 3 — ввод; 4 —верхний лаз; 5 — нижний лаз; 6 — привод
Рис. 88. Разрез полюса масляного выключателя МКП-110:
1 — бак; 2 — приводной механизм; 3 — маслонаполненный ввод с расширителем; 4 — трансформатор тока; 5 — дугогасительная камера; 6 — шунтирующее сопротивление; 7 — изолирующая тяга; 8 — траверса подвижных контактов; 9 — электроподогреватель; 10 — маслоспускной кран
На стенках цилиндра закреплены две пары неподвижных контактов, которые при включении замыкаются подвижными контактами, закрепленными на изоляционной штанге, проходящей сквозь торцовые стенки бакелитового цилиндра. На этой же штанге закреплены пружины, создающие контактное давление во включенном положении и способствующие повышению скорости движения подвижных контактов в процессе отключения выключателя. Из каждой пары неподвижных контактов один создает вспомогательную генерирующую дугу, другой — гасимую. Контакты, создающие генерирующую дугу, имеют небольшой дуговой промежуток; дуга на этих контактах «тянется». У контактов со стороны гасящего разрыва дуговой промежуток больше. В непосредственной близости от гасящих разрывов закреплены накладки с овальными выхлопными отверстиями, а на некотором расстоянии от генерирующих разрывов находятся круглые выхлопные отверстия.
К верхнему и нижнему концам дугогасительного устройства подключено шунтирующее активное сопротивление в 750 Ом, выполненное из нихромовой спирали, уложенной в канавках бакелитового цилиндра и заключенной в защитный дырчатый цилиндр.
Выключатель работает по двухступенчатому циклу. При включении траверса с подвижными контактами замыкает цепь через шунтирующее сопротивление, затем замыкаются контакты внутри дугогасительного устройства. При отключении (см. рис. 90) сначала размыкаются контакты и отключаемый ток обрывается внутри дугогасительного устройства, а затем в открытом разрыве вне дугогасительного устройства обрывается ток, протекающий через шунтирующее сопротивление.
Масляные выключатели MKП-220 на номинальный ток 600 а имеют номинальную мощность отключения 5000 МВА и вес масла 48 т.
Рис. 89. Дугогасительная камера выключателя МКП-110
Рис. 90. Процесс гашения дуги в дугогасительной камере масляного выключателя МКП-110:
а — включено; б и в — процесс отключения; г — отключено; 1 — держатель; 2 — бакелитовый цилиндр; 3 — гасимые разрывы; 4 — выхлопные отверстия; 5 — генерирующие разрывы; 6 — перемычки; 7 — траверса с подвижным контактом; 8 — шунтирующее сопротивление
Конструкция выключателя в основном аналогична конструкции выключателя МКП-110, за исключением дугогасительных камер, которые имеют шесть разрывов (три газогенерирующих и три гасящих). Шунтирующие сопротивления в этих камерах не применяют. Кроме того, выключатель имеет пофазное управление (каждый бак имеет свой привод).
