Электрические аппараты конспект лекций (11 - 22 лекции )
Страница 4 из 9
ЛЕКЦИЯ № 16
10 ВАКУУМНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ. ВОЗДУШНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ, ВЫБОР
ВАКУУМНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ
В вакуумных выключателях контакты расходятся в среде с давлением 
. Дугогасительный промежуток имеет высокую электрическую прочность - примерно 100 кВ/мм. Малая плотность воздуха создает возможность гашения дуги без ДУ за время 0,01 - 0,02 с.
Высокие значения напряжённости электрического поля являются причиной возникновения дуги в вакууме благодаря автоэлектронной эмиссии.
Малая плотность среды обуславливает высокую скорость диффузии зарядов из-за большой разности плотности частиц в разряде, в вакууме. Быстрая диффузия частиц, электрическая прочность вакуума позволяет эффективно гасить дугу в выключателе.
При работе выключателя распыленные материалы контактов осаждаются на поверхности изоляционного цилиндра, что создает возможность перекрытия изоляции.
Для защиты цилиндра от паров металла электроды защищаются металлическими экранами 8 и 9 (рисунок 10.1).
В вакуумной дугогасительной камере (рисунок 10.1) контактный стержень 4 с контактным наконечником 1-2 жестко укреплен в металлическом фланце 6 керамического корпуса 10. Контактный стержень подвижного контакта 5 связан с сильфоном 7, выполненным из нержавеющей стали. Сильфон представляет собой цилиндрическую эластичную гармошку. Стержень 5 имеет возможность осевого перемещения. Контакт 3 верхнего контакта нажимает на контакт 3 нижнего контакта с силой, равной произведению площади сильфона 
на атмосферное давление.
Рисунок 10.1 - Вакуумная, дугогасительная камера
При больших номинальных токах и для получения необходимой динамической стойкости ставится дополнительная пружина. Металлические экраны 8 и 9 служат для выравнивания электрического поля между контактами с целью повышения электрической прочности. Экран 8 защищает керамику 10 от напыления паров металла, образующихся при гашении дуги. Касание контактов 1 происходит в шести точках, что позволяет снизить переходное сопротивление и уменьшить температуру контактов. Тепло, выделяемое в контактах 1, l' и стержнях 4, 5 отводится в основном теплопроводностью к нижнему фланцу 6 и шинам, соединяемым с контактом 5.
Поперечное магнитное поле в месте перехода тока из контакта 1 в l' быстро перебрасывает дугу на криволинейные сегменты 2. Перемещение дуги по контактам с большой скоростью позволяет уменьшить эрозию контактов и снизить количество паров металла в вакуумной дуге. При больших токах отключения напряжения на дуге начинает расти с увеличением тока (до 100 В и выше). Энергия дуги увеличивается, процесс гашения затрудняется. Общий вид выключателя, использующего ДУ по рисунку 10.1, дан на рисунке 10.2.
Рисунок 10.2 - Вакуумный выключатель
Дугогасительные камеры 1, залитые в эпоксидный компаунд, имеют выходные контакты 2 в виде розеток. ДУ укреплены на тележке 3, в которой расположены механизм и привод выключателя.
Преимущества вакуумных выключателей:
1. отсутствие специальной дугогасящей среды, требующей замены;
2. высокая износостойкость;
3. быстрое восстановление электрической прочности между контактного промежутка;
4. высокое быстродействие, обусловленное малой массой контактов и их малым ходом;
5. широкий диапазон рабочих температур от 70 до +2000 
.
Недостатки: возникновение больших перенапряжений при отключении индуктивной нагрузки, что может приводить к повреждению изоляции, большие трудности при создании выключателей на номинальное напряжение 100 кВ и выше, когда приходится соединять несколько разрывов последовательно; сложность разработки и изготовление, большие затраты для организации производства.
ВОЗДУШНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ
На рисунке 10.3 показан воздушный выключатель типа ВВП – 35 для электротермических установок.
Рисунок 10.3 - Выключатель типа ВВП-35
ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ С ОТКРЫТЫМ ОТДЕЛИТЕЛЕМ
Принципиальной особенностью является наличие отделителя 1, включенного последовательно с ДУ3. В ДУ продольного дутья ток отключения зависит от отношения i/d, где i - расстояние между контактами, d - диаметр сопла ДУ. Для одностороннего сопла наибольшее значение тока отключения достигается при i/d=0,33. После отключения обычно в ДУ устанавливается атмосферное давление и расстояние i=0,33d может пробиваться восстанавливающимся напряжением. Последовательно с ДУ включается отделитель, который создает надёжный изоляционный промежуток после гашения дуги и смыкания контактов ДУ. При отключении сначала расходятся контакты в ДУ и дуга гаснет, затем расходятся разъединители. После этого подача сжатого воздуха прекращается и контакты ДУ смыкаются. Включение выключателя производится замыканием контактов отделителя 1 и 2. Работа узлов выключателя описывается ниже.
Сжатый воздух находится в стальном баке 4. На стеклоэпоксидной трубе 5 расположено ДУ3. Цепь высокого напряжения присоединяется к выводам 9 и 7. Последовательно с ДУ включены контакты 1 и 2. Неподвижный контакт отделителя 2 укреплен на стеклопластиковом цилиндре 8. Привод ножа отделителя осуществляется через изоляционную штангу 6. Для ограничения перенапряжений дуговой промежуток шунтирован нелинейным резистором 16. При отключении электромагнит воздействует на пусковой клапан 18 и сообщает с атмосферой полость от поршня 10. Под действием сжатого воздуха поршень 10 перемещается вправо вниз и открывает главный клапан 11. Сжатый воздух из бака 4 поступает по трубе 5 в ДУ. В ДУ (рисунок 10.4) под сжатого воздуха поршень 12 вместе с трубчатым контактом 13 поднимается вверх. Дуга между контактами 13 и 14 интенсивно охлаждается сжатым воздухом. Предельная длина дуги ограничивается электродом 15. Длительность горения дуги 0,5-1,5 полупериода.
Рисунок 10.4 - Дугогасительное устройство выключателя ВВП-35
После погасания дуги привод приводит нож отделителя 1 в положение обозначенное пунктиром. После отключения клапан 11 закрывается и контакты ДУ замыкаются. Для включения выключателя изменяется направление потока сжатого воздуха, нож 1 и контакт 2 замыкаются. Из-за невысокой надежности отделителей такие выключатели не применяются в открытых распределительных устройствах (ОРУ). В ОРУ применяется выключатели с газонаполненным отделителем (серии ВВН), в которых контакты отделителя защищены от воздействия окружающей среды. В электротермических установках на U=110 и 220кВ используются выключатели серии ВВБ.
ВЫКЛЮЧАТЕЛИ С ДУГОГАСИТЕЛЬНЫМИ КАМЕРАМИ В БАКЕ СО СЖАТЫМ ВОЗДУХОМ
На рисунке 10.5, а показан полюс выключателя серии ВВБ на U=110 кB. Бак со сжатым воздухом 1 располагается на опорном изоляторе 2, в этом же изоляторе проходят управляющие воздухопроводы, воздух в которых находится под давлением 2,6 МПа. Шкаф управления 3 расположен в основании выключателя. ДУ соединяется с внешней цепью токоведущими частями проходных изоляторов 4. Равномерное распределение напряжения между двумя разрывами устройства обеспечивается с помощью конденсаторов 5.
Рисунок 10.5 - Баковый воздушный выключатель серии ВВБ ‑ 110:
Схема устройства представлена на рисунке 10.5,б, где 5 ‑ шунтирующие конденсаторы, обеспечивающие равенство напряжений на двух разрывах устройства; 6 ‑ основные контакты; 7 ‑ вспомогательные; 8 ‑ шунтирующие резисторы, служащие для снижения скорости восстановления U. Ток через шунтирующие резисторы отключается контактами 7 после гашения дуги в основных разрывах 6.
В ДУ (рисунок 10.5.в) неподвижный контакт 9 укреплен на конце токоведущего стержня изолятора 10. Неподвижный контакт 11 укреплен на траверсе 12, связанной с приводным штоком 13. Выступ 14 на штоке 13 служит для фиксации механизма ДУ во включенном положении с помощью защелок 15.
Во включенном положении полость бака отделена от атмосферы с помощью клапана, закрывающего выхлоп 1. При отключении в привод подается сжатый воздух, под действием которого шток 13 перемещается вверх и открывает клапан 1, отделяющий полость бака от атмосферы. Дуга между контактами 11 и 9 потоком выходящего воздуха сдувается на точки а и б. После отключения клапан закрывается и бак разобщается с атмосферой.
В современных выключателях используется модульный принцип. ДУ на рисунке 10.5,в рассчитан на 
, может использоваться при 
При том же токе отключения, но два ДУ соединяются последовательно, а опорная изоляция соответственно усиливается.
На напряжение 500 кВ соединяются 5 ДУ. Выключатели, используемые для расширения 
путем последовательного их соединения, называются Модулями. Совершенствование модуля ВВБ позволило повысить с 110 кВ до 220 кВ. Сократилось число разрывов выключателя в 2 раза, что дало технико-экономический эффект. Полюс выключателя на 
имеет четыре разрыва. Они надежны в эксплуатации.
Развитием этой серии выключателей является выключатель ВВБК, в котором давление воздуха поднято до 4 мПа. В результате конструктивных усовершенствований при отключении создается двустороннее несимметричное дутье, повышающее эффективность гашения дуги. Для уменьшения времени отключения в выключателях на и выше пневматическая система управления заменена механической. Номинальное напряжение выключателя ВВБК достигает 1150 кВ.
СЕРИЯ ВОЗДУШНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ ВНВ
Предназначена для U=220-1150 кB. Модуль на напряжение 250 кВ представлен на рисунке 10.6, а.
Рисунок 10.6 - Воздушный выключатель серии ВНВ:
1 - бак со сжатым воздухом; 2- опорный изолятор; 3- основной разрыв; 4 - конденсатор для выравнивания напряжения по разрывам; 5 - шунтирующий резистор с ДУ.
При отключении контакты ДУ расходятся и открывается выхлопной клапан, соединяющий внутреннюю полость ДУ с атмосферой. После гашения дуги контакты остаются в разведенном состоянии, а выхлопной клапан закрывается, ДУ герметизируется. Расположение трёх полюсов выключателя показано на рисунке 10.6, 6.
Выключатель на 500 кВ имеет два модуля, включенных последовательно, и три модуля при U=750 кВ. Опорные изоляторы усиливаются соответственно классу напряжения.
В основании модуля выключателя расположен бак 1 со сжатым воздухом (рисунок 10.7).
Рисунок 10.7 - Пневмомеханическая схема полюса выключатели ВНВ-500 (к коммутирующему устройству шунтирующего резистора)
Сжатый воздух по трубопроводу подается в верхний бак, образованный металлическим цилиндром 9 и стеклоэпоксидным цилиндром 11 и содержащей ДУ. Главный контакт создается пальцами 19 неподвижного контакта и подвижного цилиндрического контакта 18. Пальцы дугогасительного контакта 20 расположены в прорезях дутьевого сопла неподвижного контакта и скользят по внутренней поверхности контакта 18. В выключенном положении (см. рисунок 10.7) контакт 18 прижат к седлу 25. Внутренняя полость контакта 18 соединяется с атмосферой через выключенный клапан 24, а его внешняя поверхность и пальцы 19 находятся в среде сжатого воздуха. Сопло 17 подвижное. Начальное расстояние между контактом 20 и соплом 17 - оптимальное для данного сечения сопла.
После гашения дуги подвижное сопло 17 перемещается под действием давления внутри ДУ вправо, садится на седло 26 и герметизирует камеру. Для уменьшения напряженности электрического поля между контактами в разведенном состоянии они окружены экранами 16, что позволяет поднять электрическую прочность промежутка и номинальное напряжение модуля.
При отключении, срабатывает электромагнит 3, открывающий клапан 6. Сжатый воздух подаётся на поршень 7, воздействующий на тягу 8. Через звенья 5, 4, 2 усилие передается на изоляционные тяги 13, которые перемещаются вниз. Звенья 15 и 37 соединяются с тягой 13, трубкой 14 и перемещают тягу 36, которая связана с подвижным контактом 18. Контакт 18 сначала размыкается с пальцами 19, а затем с пальцами 20. Между последними и внутренней поверхностью контакта 18 загорается дуга. Гашение дуги происходит за счёт двустороннего дутья. Шток 31 действует на рычаг 30 и открывает клапан 34. При этом сжатый воздух, находящийся под поршнем 35, через змеевик 29 выходит в атмосферу. Поршень 35 освобождает рычаги 27 и 28 и с помощью тяг 22, 23 и коромысла 21 закрывает клапан 24. Внутренний объем ДУ герметизируется и отделяется от атмосферы. Электрод 41 ограничивает длину дуги, горящий между ним и неподвижным [1] дугогасительным контактом 20, что уменьшает энергию, выделяемую дугой.
При включении, срабатывает электромагнит 12. Kлaпан 10 открывается и соединяет полость над поршнем 7 с атмосферой. Одновременно подается сжатый воздух на поршень 38, который отделяет полость бака от поршня 7. Под действием заранее заведенной пружины 33, шток 32 опускается, и клапан 34 закрывается. Сжатый воздух подаётся к поршню 35, и он опускается, воздействуя на рычаги 28,27. Клапан 24 открывается, а подвижное сопло 17 устанавливается в положение показанное на рисунке 10.7. Внутренняя полость контакта 18 и сопла 17 соединяется с атмосферой. При закрытии клапана 34 сжатый воздух подаётся в контейнер с контактным блоком, который включает резистор. При движении тяги 13 вверх подвижный контакт 18 замыкается с неподвижным, поршень 7 переходит в положение указанное на рисунке 10.7. После выхода воздуха из полости над поршнем 7 закрываются клапаны 10, 6 и поршень 38 устанавливается в исходное положение пружинами.
В выключателе на U=1150 кВ при включении замыкаются вспомагательные контакты и в цепь вводится резистор, сопротивление которого равно волновому сопротивлению коммутируемой линии. Затем, примерно через 10 мс включается контакт 18, который шунтирует этот резистор. Это ограничивает перенапряжение при включении холостых линий электропередачи.
Конструктивные особенности:
1. ДУ расположены внутри прочных стеклоэпоксидных труб, являющихся баком сжатого воздуха выключателя. Это позволяет снять с фарфора воздействие высокого давления воздуха. Давление сжатого воздуха в ДУ достигает 4 мПА, что обеспечивает ток отключения до 63 кА при U на разрыве обеспечивает ток отключения 125кВ.
2. ДУ имеет два разрыва. После помещения дуги, дугогасительный контакт отходит на расстояние, обеспечивающее электрическую прочность промежутка, и в своем крайнем положении, воздействует на выхлопной клапан ДУ. Камера ДУ герметизируется, и разведенные контакты находятся при давлении 4 мПа.
3. Привод контактов расположен на заземленном баке выключателя. Передача силы от привода к механизму контактов осуществляется механически через легкую изоляционную стеклопластиковую тягу, что позволяет получать полное время отключения 0,04 с.
4. При тяжелых условиях восстановления напряжения параллельно каждому разрыву включается низкоомный шунтирующий резистор. Ток резистора отключается двухступенчатой контактной системой, расположенной в одном из контейнеров.
BЫБOР ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ
При выборе выключателя его номинальные параметры сравниваются с параметрами сети в месте его установки.
|
 ,
|
|
Где 
Номинальный ток установки.
отключения выключателя должен быть больше максимального расчётного тока КЗ 
моменту расхождения контактов.
Ток 
должен быть не менее ударного тока КЗ протекающего через выключатель.
При выборе выключателя в момент размыкания контактов выключателя апериодическая составляющая тока КЗ не должна превышать апериодический ток гарантированный заводом-изготовителем.
Расчетное время размыкания берется равным минимально возможному.
Необходимо учитывать циклы, при которых выключатель работает, 
выключателя без АПВ гарантируется при цикле 0 – 180 – ВО – 180 – ВО.
Термическая стойкость проверяется из условия протекания через выключатель тока КЗ в течение максимального времени, обусловленного срабатыванием защиты.
Номинальный ток электродинамической стойкости выключателя должен превышать максимально возможное значение ударного тока КЗ, которое может быть в установке.
При выборе типа выключателя следует учитывать следующие обстоятельства:
1. при 
и редких коммутациях целесообразно применение маломассивных выключателей. При частых коммутациях рекомендуется применять вакуумные и элегазовые, обладающие большим сроком службы.
2. при 
и до 20 кА целесообразно применять маломасляные выключатели. При больших номинальных напряжениях и больших применяются воздушные и элегазовые выключатели.
