Масляные выключатели с открытой дугой - ­­­Электрическая часть электростанций

Конструктивные особенности выключателей и их эксплуатационные свойства и характеристики в основном определяются способами гашения дуги, а также средой, в которой дуга горит в процессе отключения. Обычно выключатели переменного тока делят на две большие группы: жидкостные и газовые. Вакуумные выключатели, не имеющие пока широкого распространения, в будущем, по-видимому, составят отдельную, третью, группу. Жидкостные выключатели, в свою очередь, делятся на масляные и водяные. Масляные выключатели в течение многих десятилетий являлись основным типом выключателей, обеспечивавшим надежную работу электрических станций и сетей. И в настоящее время благодаря значительным усовершенствованиям их конструкции они успешно соревнуются во многих областях применения (вплоть до самых высоких напряжений) с другими типами выключателей. В некоторых случаях они даже предпочтительны в эксплуатации из-за простоты конструкции и относительно низкой стоимости. Рис. 5-1. Горение дуги в газовом пузыре: а — открытая дуга; б — дуга в гасительной камере Главный недостаток масляных выключателей состоит в опасности пожаров и даже взрывов. Этот недостаток ограничивает их применение для внутренней установки. С другой стороны, минеральное масло, обусловливающее пожароопасность масляных выключателей, обладает хорошими дугогасящими свойствами, что объясняется большим содержанием в продуктах его разложения водорода (до 70 %), который отличается высокой охлаждающей способностью. Рис. 5-2. Заполнение камеры маслом после погасания дуга Процесс отключения в масле протекает следующим образом. При расхождении контактов выключателя между ними возникает дуга, которая испаряет и разлагает масло, образуя вокруг себя газовый пузырь (рис. 5-1 и 5-2). Отдавая теплоту на испарение и разложение масла, ствол дуги интенсивно охлаждается. Охлаждение повышает градиент напряжения на дуге и способствует ее деионизации, которая усиливается еще больше благодаря циркуляции масла в зоне горения дуги. Давление, создающееся в газовом пузыре вследствие расширения газа, также повышает градиент на дуге и увеличивает восстанавливающуюся прочность остаточного ствола дуги. В результате после достижения напряжением на дуге напряжения источника дуга гаснет. Давление, возникающее в выключателе в процессе отключения, играет и отрицательную роль, вызывая чрезмерные механические напряжения в стенках бака и приводя при отключении очень тяжелых к. з. к выбросу масла через выхлопную трубу, расположенную на крышке выключателя.

Это давление зависит от количества энергии, выделяющейся на единице длины дуги, и количества возникающих при этом газов. Важную роль играет также циркуляция масла, электромагнитные и другие, количественно и качественно трудно оцениваемые процессы. Давления, возникающие в масляных выключателях при отключении мощностей к. з., находящихся в пределах их отключающей способности, обычно не превосходят 0,5—0,7 МПа. При несоответствии отключающей способности выключателя отключаемой мощности эти давления значительно выше и иногда приводят к взрывам бака, пожарам и разрушениям в помещениях распределительных устройств. Подобные взрывы, называемые иногда первичными, могут возникать также из-за отказов механизма, отключающего шунтирующие сопротивления. Неотключенные сопротивления, находящиеся в масле, остаются в этом случае под током, перегреваются и в конце концов сгорают. Образующаяся при этом дуга испаряет огромные количества масла, что и приводит к разрушительным последствиям. В некоторых случаях в выключателях возникают так называемые вторичные взрывы, причиной которых являются газы, образующиеся в выключателе в процессе отключения. Если эти газы (водород и ацетилен) достигнут взрывоопасной концентрации, то достаточно небольшой искры, чтобы их смесь взорвалась. В других случаях причиной таких вторичных взрывов бывает чрезвычайно взрывоопасная и исключительно неустойчивая углеродистая медь (Си2С2 — карбид меди), образующаяся из ацетилена выхлопных газов и меди конструктивных элементов выключателя. Воспламенение карбида меди может произойти от незначительных сотрясений выключателя (например, при холостом отключении выключателя или при его транспортировке из ячейки) или просто при изменении температуры выключателя. Возникающая при этом искра может воспламенить газы, скопившиеся под крышкой бака в опасной концентрации, и привести к их взрыву. Отключающая способность масляного выключателя с открытой дугой не зависит от межконтактного раствора. Он определяется главным образом восстанавливающимся напряжением (рис. 5-3). Зато отмечается сильная зависимость отключающей способности таких выключателей от отключаемого тока, поскольку эта величина непосредственно влияет на электромагнитные воздействия тока и на интенсивность ионизации ствола дуги (рис. 5-4). Необходимый для надежного гашения дуги раствор контактов может быть определен по следующей эмпирической формуле [29 ]; Здесь Рк, з — отключаемая мощность короткого замыкания, В-А; Г0 — удельная мощность, отводимая от дуги, Вт/см; оо = = 2л1 — угловая частота рабочего напряжения, с-1; сов = 2я/в — Рис. 5-4. Зависимость отключающей способности масляного выключателя от отключаемого тока Рис. 5-3. Зависимость межконтактного раствора масляных выключателей от восстанавливающегося (возвращающегося) напряжения угловая частота восстанавливающегося напряжения, с-1; О — постоянная времени, дуги, с. Достоинства и недостатки выключателей с открытой дугой, относящиеся частично и к другим типам масляных выключателей, состоят в следующем: конструкция выключателей относительно проста, стоимость их сравнительно невелика, их можно устанавливать на открытых подстанциях, эксплуатация выключателей несложна. Этим достоинствам противостоят серьезные недостатки, главным из которых является воспламеняемость и горючесть масла и продуктов его разложения (водорода и ацетилена) в присутствия кислорода воздуха. При выбросе горячих масляных паров и продуктов разложения масла из выхлопной трубы может произойти вспышка выхлопных газов при простом соприкосновении их с кислородом воздуха. Применение невоспламеняющихся негорючих изолирующих жидкостей, например хлорированных дифенилов (совол, совтол, пиранол и т. п.), давно уже с успехом используемых в трансформаторах и мощных конденсаторах, в выключателях недопустимо, так как продукты их разложения очень ядовиты. Кроме того, эти жидкости разрушают органическую изоляцию и образуют на поверхности фарфоровой изоляции при ее увлажнении проводящий слой. Другим крупным недостатком масла является его обуглероживание при горении в нем дуги. Присутствие углерода в масле не ухудшает его дугогасящих свойств, но уменьшает электрическую прочность. К этому добавляется зашламование бака выключателя частицами углерода, выпадающими в осадок, в связи с чем возникает необходимость в частых регулярных ревизиях выключателя и замене масла в нем. Конструктивная схема однобакового масляного выключателя с открытой дугой показана на рис. 5-5, а. Расстояния полюсов между собою и относительно стенок бака выбираются так, чтобы надежно предотвратить перекрытия между полюсами и на корпус. Рис. 5-5. Конструктивные схемы масляных выключателей: а — однобаковый с открытой дугой; б — один полюс трехбакового выключателя с двумя дугогасительными камерами; в — полюс трехбакового выключателя с чечевицеобразными баками При этом для большей надежности между полюсами устанавливают изолирующие перегородки из гетинакса. При очень высоких напряжениях каждый полюс выключателя размещается в отдельном баке (трехбаковый выключатель). Такая конструкция имеет дополнительное преимущество: масса масла, приходящаяся на отдельный бак, существенно уменьшается. Все же в выключателях очень высоких напряжений количество масла, приходящееся на отдельный бак, остается чрезмерным. Например, один полюс выключателя 220 кВ содержит 15—16 т масла. В настоящее время масляные выключатели с открытой дугой находят ограниченное применение лишь при относительно небольших напряжениях (6—10 кВ) и мощностях отключения (50— 100 MB-А).