3.3 Высоковольтные выключатели.
Предназначены для осуществления оперативной и аварийной коммутации в энергосистемах, для осуществления операций включения и отключения отдельных цепей при ручном и автоматическом управлении.
Основные параметры выключателя высокого напряжения:
Номинальное напряжение (линейное напряжение) Uн – это базисное напряжение из стандартизированного ряда напряжений, определяющих уровень изоляции сети и электрооборудования.
Номинальное напряжение не должно быть больше максимального рабочего напряжения: Uном ≤ Uраб.max
Наибольшее рабочее – номинальное по МЭК, установленное для продолжительной работы:
Номинальное: Максимальное рабочее:
3 кВ 3,6 кВ
10 кВ 12 кВ
220 кВ 252 кВ
Номинальный уровень изоляции – характеризуется значениями испытательных напряжений, воздействующих на основную изоляцию аппаратов.
Номинальный ток (действующее значение номинального тока) – это наибольшее значение номинального тока по условиям нагрева токоведущих частей.
Номинальный ток отключения – это ток, который выключатель может отключить при наибольшем рабочем напряжении.
Номинальный ток включения – это наибольший ток, который выключатель может включить при наибольшем рабочем напряжении.
Предельный ток отключения – это максимальный ток, который аппарат может отключить без разрушения и повреждения.
Номинальная мощность отключения: Sоткл=√3·Uном·Iоткл.ном
Ток динамической устойчивости – это максимальное значение тока, который способен пропустить выключатель не повреждаясь и без отброса контактов.
Ток термической стойкости – ток, который выключатель способен пропустить не повреждаясь (отнесенный к определенной длительности времени).
Время включения и отключения.
По конструкции и принципу действия различают следующие виды выключателей:
Воздушные выключатели;
Элегазовые;
Масляные;
Электромагнитные;
Вакуумные.
Воздушные выключатели.
Среда дугогашения – сжатый воздух. Столб дуги, образованный на размыкающихся контактах под действием воздушных потоков растягивается и быстро перемещается в сопла, где происходит ее гашение.
Способы дутья:
Одностороннее через металлическое сопло.
Одностороннее через изолированное сопло.
Двухстороннее дутье через полые контакты.
Двухстороннее ассиметричное через полые контакты.
В механизме гашения дуги переплетаются электрические процессы в столбе дуги и газо-термические процессы гашения дуги.
О
тношение
скорости движения потока холодного
воздуха по отношению к скорости потока
горячего воздуха примерно составляет:
сх/сг=50
При вытекании газа из дугогасящего устройства его поток встречает на пути мощный источник тепла, который тормозит воздушный поток, таким образом уменьшается расход воздуха. Это так называемый термодинамический эффект. Он может полностью закупорить сопло дугой, что приводит к нарушению дугогашения и разрушению всей системы. Поэтому размеры диаметра сопла зависит от тока отключения.
Разрушение столба дуги происходит как термодинамически, так и механически: в начальной стадии нарастания электрической прочности (при переходе тока через ноль), а в дальнейшем – за счет интенсивных турбодинамических процессов, производящих разрушение дуги. За счет этого происходит последующее увеличение прочности, в результате внедрения холодного воздуха.
Область применения воздушных выключателей велика. Они могут применяться при любых условиях, имеют максимальные технические характеристики. Поэтому они получили максимальное распространение.
Достоинства:
Высокая отключающая способность;
Пожаробезопасность;
Высокое быстродействие;
Способность коммутации токов короткого замыкания.
Недостатки:
Наличие дорогостоящего компрессорного устройства (давление 6-8 МПА).
Высокая чувствительность к скорости восстановления напряжения при неудаленном коротком замыкании.
Возможность среза тока при отключении малых индуктивных токов (отключение силовых трансформаторов).
Элегазовые выключатели.
Принцип действия – как у воздушных, но вместо воздуха подается элегаз (гексафторид серы) – электроотрицательный газ, который обладает свойством «поглощать» свободные электроны, превращаясь в тяжелые ионы.
Дугогасящая способность в 4-5 раза выше. Более быстродействующие (дуга не может восстановиться при переходе через ноль).
В элегазовых устройствах истечение газа через сопла происходит не в атмосферу, а в закрытую емкость. При этом избыточное давление 0,5-0,6 МПа.
Недостатки:
Низкая температура сжижения (-64 ºС);
Под влиянием дуги элегаз разлагается на химические соединения, которые могут вызвать разрушение изоляции. Но степень разложения невелика, кроме того газ обладает способностью на восстановление.
Масляные выключатели.
Гашение дуги происходит путем эффективного ее охлаждения в потоке газопаровой смеси, вырабатываемой дугой в результате разложения испарений масла.
Основные условия для наиболее эффективного дугогашения в масле:
Интенсивное дутье газопаровой смеси в зоне гашения дуги в момент прохождения тока через ноль.
Максимально возможное давление газопаровой смеси в конце полупериода тока.
Этапы гашения дуги:
Дуга горит в замкнутом пространстве, создавая за счет разложения масла значительное давление (режим замкнутого пузыря).
Истечение газопаровой смеси из области замкнутого объема через рабочие каналы, которые открываются при перемещении контакта, изменяется давление, происходит затягивание дуги в каналы. Столб дуги распадается, восстанавливается электрическая прочность промежутка.
Удаление горячих газов, продуктов разложения из камеры; заполнение ее свежим маслом (т.е. подготовка камеры к следующему включению)
Достоинства:
Нет ограничения по току и напряжению;
Простота конструкции.
Недостатки:
Пожароопасность;
Сложность эксплуатации из-за необходимости контроля и пополнения уровня масла.
Классификация:
По назначению:
Баковые (многообъемные) – масло используют для гашения и изоляции токоведущих частей.
Горшковые (маломасляные) – масло используют только для гашения дуги и изоляции контактов.
По способу дутья:
Продольного дутья;
Поперечного дутья;
Комбинированного дутья
Электромагнитные выключатели.
Принцип действия – гашение дуги производится под действием электромагнитного поля – дуга удлиняется и загоняется в дугогасящую камеру узкощелевого типа или дугогасящую решетку, где и производится ее охлаждение. При этом создается большое падение напряжения, которое зависит от ширины канала.
Особенности гашения дуги:
Условия гашения дуги наступают в конце полупериода тока при большой длине дуги.
В момент перехода тока через ноль напряжение на дуге становится равным напряжению сети.
При активной нагрузке гашение дуги будет легче.
Условия гашения дуги в электромагнитном выключателях легче, чем в других типах выключателей.
При отключении небольших токов до 100 А электродинамической силы недостаточно для вхождения дуги в решетку, поэтому применяются автопневматические устройства, которые производят выброс сжатого воздуха в момент размыкания контактов.
Достоинства:
Условия гашения дуги легче;
Уменьшаются расходы на эксплуатацию (по сравнению с масляными и воздушными).
Недостатки:
Напряжение ограниченно: до 20 кВ.
Не применяют для наружной установки.
Вакуумные выключатели.
Принцип действия – гашение дуги производится в закрытом безвоздушном пространстве.
При расхождении контактов в вакуумной дугогасящей камере между контактами образуется жидкометаллический мостик, который потом разрушается. Происходит ионизация паров металла жидкометаллического мостика под воздействием напряжения сети. Таким образом, дуга в вакууме существует за счет ионизации паров контактного мостика, а затем за счет испарения материала электродов под действием дуги.
При прохождении тока через ноль дуга гасится, т.к. при скорость деионизации высока. В вакууме электрическая дуга существует либо в рассеянном (диффузном) виде – при токах до 15 кА; либо в сжатом (концентрированном) виде – при токах свыше 15 кА.
Для создания условий гашения дуги при больших токах применяют:
Радиальные и аксиальные поля;
На контактах делают специальные прорези;
Специальные композиции материалов, которые малоионизируются.