18. Коммутационные аппараты. Их устройство и выбор.
Коммутационные аппараты до 1 кВ
Неавтоматические выключатели
Неавтоматические выключатели предназначены для отсоединения отдельных обесточенных частей от напряжения или включения и отключения электрической цепи в нормальных режимах при токах, не превышающих 0,2 - 1 номинального тока выключателя. К ним относятся неавтоматические выключатели рубящего типа (рубильники) и пакетные выключатели и переключатели.
Переключатель - контактный коммутационный аппарат, предназначенный для переключений электрических цепей. Пакетные переключатели и выключатели выпускаются одно-, двух- и трехполюсными на номинальные токи 20 - 400 А постоянного тока при напряжении 220 В и на 63 - 250 А переменного тока при напряжении 380 В. Наибольшая частота переключении - 300 в час.
Рубильник - предназначен для ручного включения и отключения цепей постоянного и переменного тока, обеспечивают видимый разрыв цепи.
Гашение дуги переменного тока осуществляется за счет около катодной электрической прочности (150—250 В), имеющей место при переходе тока через нуль. Длина ножа в рубильниках переменного тока выбирается по механическим условиям.
Применение дугогасительных камер обеспечивает гашение дуги при отключении номинальных токов рубильниками постоянного тока 220 В и переменного тока 380 В. При напряжении 440 и 500 В отключаемые токи составляют 0,5 номинального. Дугогасительные камеры предотвращают выброс ионизированных газов, поэтому перекрытий на корпус или между токоведущими частями не происходит.
Предохранитель — это коммутационный электрический аппарат, предназначенный для отключения защищаемой цепи разрушением специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определенное значение.
Основными элементами предохранителя являются корпус, плавкая вставка (плавкий элемент), контактная часть, дугогасительное устройство и дугогасительная среда.
Предохранители изготовляются на напряжение переменного тока 36, 220, 380, 660 В и постоянного тока 24, 110, 220, 440 В.
Предохранители характеризуются номинальным током плавкой вставки, т. е. током, на который рассчитана плавкая вставка для длительной работы. Сам предохранитель характеризуется номинальным током предохранителя (основания), который равен наибольшему из номинальных токов плавких вставок, предназначенных для данной конструкции предохранителя.
Предохранители до 1 кВ изготовляются на номинальные токи до 1000 А. Чем больше протекающий ток, тем меньше время плавления. Эта зависимость называется защитной (время-токовой) характеристикой предохранителя (Рисунок 1)
.
Рисунок 1 - Схема
и характеристики предохранителей.
Чтобы уменьшить время срабатывания предохранителя, применяются:
плавкие вставки из разного материала, специальной формы, а также используется металлургический эффект.
Наиболее распространенными материалами плавких вставок являются медь, цинк, алюминий, свинец и серебро. При больших номинальных токах плавкая вставка выполняется из параллельных проволок или тонких медных полос. Ускорение плавления вставки достигается также применением плавкой вставки специальной формы. При токах КЗ узкие участки нагреваются настолько быстро, что отвод тепла почти не происходит. Вставка перегорает одновременно в нескольких суженных местах, прежде чем ток КЗ достигнет своего установившегося значения в цепи постоянного тока или ударного тока в цепи переменного тока. Ток КЗ при этом ограничивается до значения iогр (в 2 - 5 раз). Такое явление называется токоограничивающим действием предохранителя. Электродинамические силы в цепи, защищенной таким предохранителем, настолько уменьшаются, что в некоторых случаях токоведущие части и аппараты не требуют проверки по электродинамической стойкости [2].
Гашение электрической дуги, возникающей после перегорания плавкой вставки, должно осуществляться в возможно короткое время. Время гашения дуги зависит от конструкции предохранителя.
Наибольший ток, который плавкий предохранитель может отключить без каких-либо повреждений или деформаций, называется предельным током отключения.
Автоматический выключатель предназначен для коммутации цепей при аварийных режимах, а также нечастых (от 6 до 30 в сутки) оперативных включений и отключений электрических цепей (ГОСТ 9098—78Е).
Автоматические выключатели изготовляют для цепей переменного до 1000 В и постоянного тока до 440 В одно-, двух-, трех- и четырехполюсные на поминальные токи от 6,3 до 6300 А.
Автоматические выключатели имеют реле прямого действия, называемые расцепителями, которые обеспечивают отключение при перегрузках, КЗ, снижении напряжения. Отключение может происходить без видержки времени или с выдержкой. По собственному времени отключения tс.о(промежуток от момента, когда контролируемый параметр превзошел установленное для него значение, до момента начала расхождения контактов) различают нормальные выключатели (tс.о = 0,02 - 1 с), выключатели с выдержкой времени (селективные) и быстродействующие выключатели (tc.о < 0,005 с).
Нормальные и селективные автоматические выключатели токоограничивающим действием не обладают. Быстродействующие выключатели, так же как предохранители, обладают токоограничивающим действием, так как отключают цепь до того, как ток в ней достигнет значния ty.
Автоматические выключатели изготовляют с ручным и двигательным приводом, в стационарном или выдвижном исполнении.
Выключатель рассчитан на коммутацию предельно отключаемых и включаемых токов в цикле операций 0 - П - ВО - П - ВО при номинальном напряжении. Здесь О - отключение, П - пауза (до 180 с), ВО - включение, отключение.
В современных выключателях применяются полупроводниковые расцепители, которые обеспечивают более высокую точность срабатывания по току и времени.
Контактор - это двухпозиционный коммутационный аппарат с самовозвратом, предназначенный для частых коммутаций токов, не превышающих токи перегрузки, и приводимых в действие приводом.
Контакторы изготовляют на токи 4 - 4000 А и напряжения: до 750 В постоянного тока и 660 (1140) В переменного. Допускают 600 - 1500 переключений в час, а специальные до 14000 включений в час. В зависимости от категории могут быть рассчитаны на коммутацию до 10 номинальных токов.
Контакторы рассчитаны на работу в прерывисто-продолжительном, продолжительном, повторно-кратковременном или кратковременном режимах.
Они не имеют устройств, реагирующих на перегрузки или КЗ. Основными элементами контакторов являются главные контакты, дугогасительное устройство, электромагнитная система и вспомогательные контакты.
Пускатель - это коммутационный аппарат, предназначенный для пуска, останова и защиты электродвигателя. Магнитные пускатели состоят из электромагнитного контактора, встроенных тепловых реле и вспомогательных контактов. Пускатели могут быть реверсивными и нереверсивными, в открытом, защищенным и пылебрызгонепроницаемом исполнении, с тепловым реле или без них. Магнитные пускатели применяются для управления электродвигателями переменного тока напряжением до 660 В, мощностью до 75 кВт.
Коммутационные аппараты выше 1 кВ.
Разъединитель - это контактный коммутационный аппарат, переназначенный для отключения и включения электрической цепи без тока или с незначительным током, который для обеспечения безопасности имеет между контактами в отключенном положении изоляционный промежуток.
При ремонтных работах разъединителем создается видимый разрыв между частями, оставшимися под напряжением, и аппаратами, выведенными в ремонт. Разъединителями нельзя отключать токи нагрузки, так как их контактная система не имеет дугогасительных устройств и в случае ошибочного отключения токов нагрузки возникает устойчивая дуга, которая может привести к междуфазному КЗ и несчастным случаям с обслуживающим персоналом, перед операцией разъединителем цепь должна быть разомкнута выключателем.
Для упрощения схем электроустановок допускается [3] использовать разъединители для производства следующих операций:
отключения и включения нейтралей трансформаторов и заземляющих дугогасящих реакторов при отсутствии в сети замыкания на землю;
отключение зарядного тока шин и оборудования всех напряжений (кроме батарей конденсаторов);
отключение нагрузочного тока до 15 А трехполюсными разъединителями наружной установки при напряжении 10 кВ и выше.
Разъединителем разрешается также производить операции, если он надежно шунтирован низкоомной параллельной цепью (шиносоединительным или обходным выключателем).Отделителями и разъединителями разрешается отключать и включать незначительный намагничивающий ток силовых трансформаторов и зарядный ток воздушных и кабельных линий.
Требования предъявляемые к разъединителям:
создание видимого разрыва в воздухе, электрическая прочность которого соответствует максимальному импульсному напряжению;
электродинамическая и термическая стойкость при протекании токов КЗ;
исключение самопроизвольных отключений;
четкое включение и отключение при наихудших условиях работы (обледенение, снег, ветер).
Разъединители по числу полюсов могут быть одно- и трехполюсными, по роду установки - для внутренних и наружных установок, по конструкции - рубящего, поворотного, катящегося, пантографического и подвесного типа. По способу установки различают разъединители с вертикальным и горизонтальным расположением ножей.
Заземляющие ножи разъединителя имеют механическую блокировку, не разрешающую включать их при включенных главных ножах, для управления заземляющими ножами используется ручной привод. Во включенном и отключенном положение разъединитель надежно фиксируется системой рычагов привода, чтобы исключить самопроизвольное отключение или включение.
Короткозамыкатель - это коммутационный аппарат, предназначенный для создания искусственного КЗ в электрической цепи.
Применяются в упрощенных схемах подстанции для того, чтобы обеспечить отключение поврежденного трансформатора после создания искусственного КЗ действием релейной защиты питающей линии. В установках 35 кВ применяют 2 полюса короткозамыкателя, при срабатывании которых создается искусственное двухфазное КЗ. в установках с заземленной нейтралью (110 кВ и выше) применяется один полюс. Привод корткозамыкателя имеет пружину, которая обеспечивает включение заземляющего ножа на неподвижный контакт, находящейся под напряжением. Импульс для работы привода подается от релейной защиты, отключение производиться в ручную. При включение короткозамыкателя во избежание возникновения дуги и повреждения аппарата необходимо обеспечить высокую скорость движения ножа. В существующих конструкщиях время включения составляет 0,12 - 0,25 с.
Отделитель - внешне не отличается от разъединителя, но у него для отключения имеется пружинный привод. Включение отделителя производиться в ручную. Они могут иметь заземляющие ножи. Недостатком существующих конструкций отделителей является довольно большое время отключения (0,4 - 0,5 с.). Отделители могут отключать обесточенную цепь или ток намагничивания трансформатора (не более 20 А).
Отделители и короткозамыкатели открытой конструкции недостаточно надежно работают в неблагоприятных погодных условиях (мороз, гололед), наблюдались случаи отказа в работе. В связи с этим разработаны отделители и короткозамыкатели с контактной системой, расположенной в закрытой камере, заполненной элегазом.
Предохранители - высокого напряжения имеют то же самое назначение и принцип действия, что и предохранители до 1 кВ. Предохранители с мелкозернистым наполнителем (серия ПК) выполняются на напряжения 3, 6, 10, 35 кВ и номинальные токи соответственно 400, 300, 200 и 40 А. Эти предохранители обладают токоограничивающим эффектом, полное время отключения при токах КЗ 0,005 - 0,007 с. Быстрое гашение дуги в узких каналах между зернами кварца приводит к перенапряжениям, опасным для изоляции установки. Для снижения перенапряжения искусственно затягивают гашение дуги, применяя плавкие вставки разного сечения по длине или плавкие вставки с искровыми промежутками, включенные параллельно основным рабочим вставкам. Сначала расплавляется рабочая вставка, при возникшем перенапряжении пробивается искровой промежуток вспомогательной вставки, которая также перегорает. Суммарное время срабатывания предохранителя при больших кратностях токов не превышает 0,008с.
Также применяются предохранители с автогазовым гашением (выхлопные типа ПВТ) и разработаны управляемые предохранители (помимо плавкой вставки имеются контакты, которые можно отключить воздействуя приводом, отключение производиться после перегорания плавкой вставки).
Ограничители ударного тока - это сверхбыстродействующие коммутационные аппараты взрывного действия на большие номинальные токи для установок 6 - 30 кВ.