2 Програма роботи
1 Ознайомлення з натурними взірцями комутаційних апаратів напругою вище 1000 В.
2 Вивчення конструкції і принципу роботи високовольтних комутаційних апаратів.
3 Вивчення особливостей конструкції і принципу роботи контактних систем та дугогасних пристроїв вимикачів, відділювачів та короткозамикачів.
4 Вивчення конструкції та принципу роботи високовольтних запобіжників.
3 Опис схеми установки
Для дослідження комутаційних апаратів напругою ивще 1000 В застосовуються стенди “Високовольтні комутаційні апарати” і “Апарати вище 1000 В” з розташованими на них натурними взірцями високовольтних вимикачів, роз’єднувачів, відділювачів, високовольтних запобіжників.
Для візуального сприйняття здійснено розрізи корпусів високовольтних комутаційних апаратів, передбачено можливість знімання взірця з стенду та його розбирання і збирання. З цією ж метою в лабораторії електричних апаратів наявний універсальний слюсарно-монтажний інструмент.
4 Порядок виконання роботи
1 Використовуючи органолептичне сприйняття, вивчити конструкцію та принцип дії високовольтних комутаційних апаратів.
2 Нарисувати кінематичні схеми високовольтного вимикача, роз’єднувача, короткозамикача.
3 Нарисувати ескіз дугогасних пристроїв високовольтних вимикачів.
4 Вивчити роботу та конструктивні особливості електричних контактів високовольтних електричних апаратів.
5 Оформлення звіту
1 Привести визначення кожного високовольтного комутаційного апарату та короткий опис його роботи.
2 Нарисувати зовнішній вигляд і розріз, принципове позначення і типову схему увімкнення кожного комутаційного апарату.
3 Навести приклади застосування високовольтних комутаційних апаратів.
4 Розшифрувати вказане викладачем маркування високовольтних комутаційних апаратів та їх номінальні параметри.
6 Контрольні запитання
1 Назвіть визначення високовольтного вимикача, роз’єднувача, короткозамикача, відділювача, запобіжника.
2 Яким пристроєм забезпечується швидке розмикання контактів високовольтного вимикача?
3 Охарактеризуйте роботу стріляючого запобіжника.
4 Чим гаситься дуга в високовольтних вимикачах?
5 Чому роз’єднувачами без дугопоглинаючих камер не можна вимикати номінальний струм?
6 Яке явище є в основі роботи автогазових вимикачів навантаження? Поясніть його механізм.
Лабораторна робота № 3 особливості конструкції і характеристики високовольтних вимикачів
Мета роботи: вивчити особливості конструкції та принцип дії високовольтних вимикачів і їх приводів, способи гасіння електричної дуги у вимикачах, конструкційні матеріали деталей вимикачів (тривалість роботи 2 год.).
1 Основні теоретичні положення
Вимикач - це високовольтний комутаційний апарат, призначений для увімкнення і вимкнення кіл високої напруги в нормальних і аварійних режимах.
Найбільш важкою і відповідальною операцією є вимкнення струмів КЗ.
До вимикачів високої напруги висуваються такі умови:
- надійне вимкнення струму (від десятків ампер до номінального струму вимкнення);
- швидкодія, тобто якнайменший час вимкнення;
- придатність для автоматичного повторного увімкнення, тобто швидке увімкнення вимикача відразу після вимкнення струмів КЗ;
- можливість пофазного (пополюсного) керування для вимикачів 110 кВ і вище;
- зручність ревізії та огляду контактів і механічної частини, вибухо і пожежобезпека;
- зручність транспортування та обслуговування.
Крім номінальної напруги та струму вимикачі характеризуються такими основними параметрами:
- номінальний струм вимкнення Івимк.ном - найбільший струм (діюче значення), який вимикач здатний вимкнути при робочій напрузі;
- граничний струм вимкнення Івимк.гран - найбільший струм (діюче значення), який вимикач здатний вимкнути при підвищеній напрузі;
- номінальна потужність вимкнення
Sвимк.ном = 3·Uроб.mах·Івимк.ном,
де Uроб.mах - найбільша робоча напруга мережі;
- струм динамічної стійкості Ідин – найбільший струм, який не руйнує струмоведучі та коструктивні деталі вимикача та не спричинює відкидання контактів;
- струм термічної стійкості Ітерм – найбільший струм (діюче значення), який при певному часі протікання tтерм (1 с або 5 с) не спричинює перегрівання і вихід з ладу вимикача;
- номінальний струм увімкнення івкл.ном – струм (амплітудне значення), який вимикач з певним приводом здатний увімкнути без приварювання контактів та інших пошкоджень при номінальній напрузі;
- час увімкнення tвкл – час від подачі команди на увымкнення до завершення операції увымкнення;
- власний час вимкнення tв.в – час від подачі команди на вимкнення до погасання дуги на всіх полюсах.
Основними конструктивними частинами вимикачів є: контактна система з дугогасним пристроєм, струмоведуча частина, ізоляційна конструкція та механізм приводу.
За конструктивними властивостями і способом гасіння дуги розрізняють оливні бакові вимикачі (оливні багатооб’ємні), малооливні (оливні малооб’ємні), електромагнітні, автогазові, вакуумні вимикачі, повітряні та елегазові вимикачі.
Багатооб’ємні оливні вимикачі заповнені оливою для гасіння дуги та ізоляції струмоведучих частин і розімкнутих контактів.
При напрузі до 10 кВ вимикач має один бак, в якому знаходяться контакти всіх трьох фаз. При великій напрузі кожна фаза знаходиться в окремому баці.
У вимикачах типу МБ-10, ВМЕ-10, ВС-10 немає спеціальних пристроїв для гасіння дуги. У теперішній час вимикачі цього типу зняті з виробництва і в розподільних пристроях зустрічаються дуже рідко. Це спричинено такими недоліками як великий об'єм, необхідність періодичного контролю за станом і рівнем оливи в баках і високовольтних вводах, невеликою здатністю вимкнення. В електроустановках 6-10кВ багатооб’ємні вимикачі замінювалися малооливними вимикачами („горшковими”), а в даний час – елегазовими та вакуумними.
Для зовнішніх РП 35 кВ і вище оливні вимикачі завдяки простоті конструкції застосовуються достатньо широко. На відміну від вище розглянутих вимикачів вони мають спеціальні пристрої: дугогасні камери.
За принципом дії дугогасні пристрої можна розділити на три групи:
- із автодуттям;
- із примусовим дуттям;
- із магнітним гасінням в оливі.
Найбільш ефективним і простим є дугогасний пристрій з автодуттям.
У бакових вимикачах напругою 35 кВ на кожний полюс є одна двохрозривна рухома камера.
Заводом "Уралелектротяжмаш" виготовляються бакові вимикачі серії "Урал" У-35, У-110, У-220. Вимикачі цих серій розраховані на номінальний струм 2000 і 3200 А і струми вимкнення до 50 кА.
Основні переваги бакових вимикачів: простота конструкції, придатність для зовнішнього встановлення, вмонтовані трансформатори струму.
Недоліки: вибухо- і пожежонебезпека, необхідність періодичного контролю за станом і рівнем оливи в баці і вводах, великий об’єм оливи, непридатні для внутрішнього встановлення, непридатні для виконання швидкодіючого АПВ, велика маса.
Малооливні вимикачі широке розповсюджені в РП всіх напруг. Трансформаторна олива в цих вимикачах є дугогасним середовищем і тільки частково ізоляцією між розімкнутими контактами (рисунок 3.1). Ізоляція струмоведучих частин здійснюється твердими ізоляційними матеріалами. Малооливні вимикачі напругою 35 кВ і вище мають фарфоровий корпус, а 6-10 кВ – з склотекстоліту.
Широке застосування мають вимикачі 6-10 кВ підвісного типу. В цих вимикачах корпус кріпиться на фарфорових ізоляторах до загальної рами для всіх трьох полюсів. У кожному полюсі передбачений один розрив контактів і дугогасна камера.
Вимикач серії ВМГ-10 (горшковий) на номінальний струм до 1000 А показаний на стенді "Комутаційні апарати вище 1000 В".
1-рухомий контакт; 2-дугогасна камера;
3-нерухомий контакт; 4-робочі контакти.
Рисунок 3.1 – Конструктивні схеми малооливних вимикачів
За конструктивною схемою (рисунок 3.1б) виготовляються вимикачі серії ВМП (вимикач оливний підвісний) на напругу 35 кВ включно. При великому номінальному струмі обійтися однією парою контактів (які виконують роль робочих і дугогасних) важко, тому передбачаються робочі контакти зовні вимикача, а дугогасний - всередині металевого бачка (рисунок 3.1в).
Вимикач серії ВМП широко застосовується в комплектних і закритих РП 6-10 кВ. Дугогасний контур розміщений в ізоляційному циліндрі з оливою. Контакти робочого контура розміщені зовні. Полюс вимикача складається з міцного вологостійкого ізоляційного циліндра, торці якого армовані металевими фланцями. На верхньому фланці ізоляційного циліндра закріплений корпус із алюмінієвого сплаву, всередині якого розміщений привідний механізм, рухливий контактний стержень, роликовий пристрій, що знімає струм та оливовідокремлювач. Нижній фланць із силуміна закривається кришкою, всередині якої вмонтований розетковий контакт, а зовні є пробка для зливу оливи. Всередині циліндра над розетковим контактом є дугогасна камера, яка складається з ізоляційних пластин з фігурними отворами.
В увімкненому положенні контактний стержень є в розетковому контакті. При вимкненні привід звільнює вимикальну пружину, яка розташована в рамі вимикача, і під дією її сили вал вимикача повертається, рух передається ізоляційній тязі, а від неї – привідному механізму і контактному стержню, який рухається вгору.
При розмиканні контактів виникає дуга, яка випаровує і розкладає оливу. Після гасіння дуги пара і гази потрапляють у верхню частину корпуса, де пари оливи конденсуються, а газ виходить назовні через отвори в кришці. Коли камера заповнюється оливою, вимикач готовий до виконання наступного циклу операцій.
У лабораторії електричних апаратів знаходиться розріз полюса вимикача серії ВМП-10К. Ці вимикачі виконуються на номінальні струми до 1600 А. Застосування двох паралельних струмових контурів (робочого і дугогасного) і відповідно двох пар контактів дозволяє збільшувати струм до 3200 А.
Розглянемо роботу контактів при комутаціях. При вимкненні вимикача спочатку розмикаються робочі контакти. Дуга на них не виникає, так як вони зашунтовані дугогасними контактами. Останні розмикаються в другу чергу з гасінням дуги в дугогасній камері. При увімкненні вимикача послідовність роботи контактів зворотна – спочатку замикаються дугогасні контакти, а потім головні.
Для комплектації ЗРП випускають колонкові вимикачі типу ВК-10 на номінальні струми до 1600 А. Конструктивна схема такого вимикача вказана на рисунку 3.1г. Корпус виконується з ізоляційного циліндра. Виводи від рухомого і нерухомого контактів є для безпосереднього приєднання частини ЗРП, яка викочується. Натурний взірець вимикача ВК-10 і розріз одного полюса представлені в лабораторії електричних апаратів.
На великі номінальні струми виготовляються вимикачі серії МГГ (оливний горшковий генераторний) і МГ (оливний горшковий) за конструктивною схемою згідно рисунку 3.1д. Вимикачі цих серій мають два стальних бачки на полюс і по дві пари робочих і дугогасних контактів.
У вимикачах МГ-10 і МГ-20 передбачено два контури струму: головний і дугогасний. При увімкненому вимикачі більша частина струму проходить по головному контуру внаслідок меншого опору головних контактів.
Завдяки формі струмоведучих частин і контактів головного кола вимикачі МГ-10, МГ-20 допускають номінальні груми 5000-6000 А, а при примусовому обдуванні вентилятором - 9000 і 9500 А відповідно. Дугогасний пристрій складається із трьох відсіків, виконаних з ряду ізоляційних дисків із фасонними вирізами, закріплених шпильками.
Для керування вимикачами цієї серії застосовують електромагнітні проводи ПС-31 або пневматичні ПВ.
Вимикачі серії ПМК (колонкові) застосовуються в пристроях 35 і 110 кВ.
Вимикач ВМК-35 має три колонки, які складаються з опорних і дугогасних частин, змонтованих на основі. Також на основі змонтований пневматичний привід, механізм передачі руху від нього до рухомих контактів, буферний пристрій і підігрівачі. Всередині по опорних ізоляторах проходять ізоляційні тяги до контактних стержнів. У верхніх ізоляторах розміщені нерухомі контакти і дугогасна камера.
Дугогасна камера складається з склоепоксидного циліндра із текстолітовими і гетенаксовими фігурними дисками. При вимкненні вимикача рухомий контактний стержень переміщується вниз, контакти розмикаються і виникає дуга, гасіння якої відбувається в камері. Час горіння дуги 0,03 с.
Вимикачі цієї серії на 220 кВ мають два розриви на фазу.
У світі малооливні вимикачі виготовляються на напругу до 400 кВ.
Переваги оливних вимикачів: мало оливи, доступ до дугогасних контактів більш зручніший, ніж у бакових.
Недоліки: вибухо- і пожежонебезпека, необхідність періодичного контролю і доливання оливи, складність встановлення вмонтованих трансформаторів струму, відносно мала вимикальна здатність, обмежений ресурс.
У повітряних вимикачах гасіння дуги забезпечується стиснутим повітрям, а ізоляція струмоведучих частин і дугогасного пристрою здійснюється фарфоровим або полімерним діелектриком.
1 - резервуар із стиснутим повітрям; 2 - дугогасильна камера; 3 - шунтуючий опір; 4 - головні контакти;
5 - відокремлювач; 6 - ємнісний подільник напруги.
Рисунок 3.2 – Конструктивні схеми повітряних вимикачів
У вимикачах на великі номінальні струми (рисунок 3.2 а,б) є головний і дугогасний контур аналогічно до малооливних вимикачів.
Повітряне дуття буває повздовжним (рисунок 3.2 а) або поперечним (рисунок 3.2 б). Необхідний ізоляційний проміжок між контактами у вимкненому положенні створюється в дугогасній камері шляхом розведення контактів на достатню відстань (рисунок 3.2 б) чи спеціальним відокремлювачем 5, розміщеним відкрито (рисунок 3.2 а). Після вимкнення відокремлювача 5 припиняється подача стиснутого повітря в камери і дугогасні контакти замикаються. Такі вимикачі виготовляються для внутрішнього встановлення на напругу 15 і 20 кВ і струм 20 000 А (серія ВВ ), зокрема вимикач ВВ-20.
У вимикачах для ВРП дугогасна камера розміщена у фарфоровому ізоляторі, причому на напругу 35 кВ достатньо одного розриву на фазу (рисунок 3.2 г). Різниця між цими конструкціями в тому, що у вимикачі 35 кВ ізоляційний проміжок виникає в дугогасній камері 2, а у вимикачі напругою 110 кВ і вище після гасіння дуги розмикаються контакти відокремлювача 5 і камера відокремлювача залишається заповненою стиснутим повітрям на час вимкненого положення. При цьому стиснуте повітря в дугогасну камеру не подається і контакти не замикаються.
За конструктивною схемою (рисунок 3.2 г) виконані вимикачі серії ВВН на напругу до 500 кВ. Чим вища номінальна напруга і чим більша вимикальна потужність, тим більше розривів необхідно мати в дугогасній камері та у відокремлювачі (на 330 кВ – вісім, на 500 кВ – десять).
У розглянутих конструкціях повітря подається в дугогасну камеру з резервуара, розміщеного біля основи вимикача. Якщо контактну систему помістити в резервуар стиснутого повітря, ізольований від землі, то швидкість гасіння дуги значно збільшується. Такий принцип закладений в основу вимикачів серії ВВБ (рисунок 3.2 д). У цих вимикачах немає відокремлювача. При вимкненні вимикача дугогасна камера 2 одночасно є резервуаром стиснутого повітря, з’єднується атмосферою через дуттьові клапани, завдяки чому виникає дуття, яке гасить дугу.
У вимкненому положенні контакти є в стиснутому повітрі. За такою конструктивною схемою створені вимикачі до 750 кВ. Кількість дугогасних пристроїв (модулів) залежить від напруги: 110 кВ – одна, 220 кВ – дві, 330 кВ – чотири, 550 кВ – шість, 750 кВ – вісім.
Для рівномірного розподілу напруги по розривах використовуються резисьтинві 3 і ємнісні 6 подільники напруги.
Аналогічний принцип закладений в основу нової серії вимикачів ВНВ, які випускаються на напругу 220-1150 кВ. Основою цієї серії є модуль на 220кВ – з двостороннім дуттям і двома розривами. Таких модулів встановлюється на 220 кВ –1, 550 кВ – 2, 750 кВ – 3, 1150 кВ – 5.
Повітряні вимикачі мають такі переваги: вибухо- і пожежобезпека, можливість здійснення швидкодіючого АПВ, висока вимикальна здатність, надійне вимкнення ємнісних струмів ліній, незначне пошкодження дугогасних контактів, легкий доступ до дугогасних камер, придатні для зовнішнього і внутрішнього встановлення.
Недоліки повітряних вимикачів: необхідність компресорного пристрою, складна конструкція ряду деталей і вузлів, відносно висока вартість, важкість встановлення вмонтованих трансформаторів струму.
Принцип дії вакуумних вимикачів грунтується на високій електричній міцності вакуумного проміжку, що в декілька разів перевищує міцність повітряного проміжку при атмосферному тиску. В цих вимикачах контактна система поміщена в глибокий вакуум, приблизно 10-4 Па , внаслідок цього вони і одержали назву вакуумних.
Процес вимкнення у вакуумному вимикачі протікає так. В момент розходження контактів площа їх зіткнення зменшується, густина струмів різко збільшується і метал контактів плавиться та випаровується у вакуум. При цьому між контактами виникає провідний місток, який складається з парів металу електродів. В парах запалюється електрична дуга, яка гаситься при першому ж переході струму через нуль. Електрична міцність вакууму відновлюється дуже швидко, оскільки мала густина газу в колбі вимикача обумовлює високу швидкість дифузії електричних зарядів з стовпа дуги. Вже через 10 мкс після переходу струму через нуль електрична міцність вакууму досягає значення 1000 МВ/м. Якщо до цього часу міжконтактний проміжок буде достатнім для того, щоб електрична міцність стала більшою від напруги, яка відновлюється, то дуга загасає остаточно. В протилежному випадку виникне повторний пробій проміжку і повторне запалювання дуги.
При вимкнені вакуумними вимикачами малих струмів (декілька ампер чи десяти ампер) може виникнути передчасне зниження струму від нуля до природного переходу струму через нуль (зріз струму), що пояснюється швидкою деіонізацією міжконтактного проміжку. Зріз струму супроводжується перенапругами.
Для надійної роботи вакуумного вимикача і збільшення терміну його служби дуже суттєвою є стійкість контактів, які розпилюються під час горіння дуги. При дуже сильному розпиленні металу контактів виникає така кількість парів металу, що гасіння дуги стає неможливим. Досвід показав, що найбільш сильне розпилення спостерігається у контактів і латуні і міді. Тугоплавкі метали, такі як вольфрам чи молібден, розпилюються порівняно мало.
При збільшенні струму вимкнення розпилення металу контактів зростає, причому швидше, ніж збільшується струм.
Отже, для підвищення вимикальної здатності вакуумного вимикача для контактів необхідно застосовувати найбільш тугоплавкі метали.
Промисловістю випускається ряд конструкцій вакуумних вимикачів для комутації дугових печей, конденсаторних пристроїв, електробурів та іншого навантаження.
Для розподільних мереж сільськогосподарського призначення випускається вакуумний вимикач ВВВ‑10/400 з номінальним струмом відключення 2 кА. Натурний взірець такого вимикача наявний в лабораторії електричних апаратів.
В електромагнітних вимикачах дуга горить в повітрі при атмосферному тиску і гаситься магнітним полем. Дуга при допомозі магнітного дуття швидко видовжується на стільки, що напруга на ній встановлюється вище напруги мережі і вона гаситься.
Магнітне дуття створюється електромагнітом, котушка якого вмикається послідовно в контур дуги. Важливим елементом вимикача є дугогасна камера, яка сприяє розтягуванню і охолодженню дуги.
Велике значення для надійної роботи електромагнітного вимикача має матеріал стінок дугогасної камери. Цей матеріал повинен мати велику теплоємність і жаростійкість. В теперішній час для цього використовують жаростійку кераміку.
Електромагнітний вимикач належить до швидкодіючих: дуга в ньому гаситься за 0,01-0,02 с. Швидко зростаючи в процесі вимкнення опір дуги грає роль струмообмежувального опору, який вводиться послідовно в коло вимкнення. Тому значення струму КЗ до моменту обриву дуги зменшується, також зменшується зсув фаз між напругою і струмом кола, тому знижується коефіцієнт перевищення амплітуди. Все це робить роботу електромагнітного вимикача незалежною від частоти напруги електромережі.
Великою перевагою електромагнітних вимикачів є їх повна вибухо- і пожежобезпека. Великі розміри дугогасної камери в цих вимикачах обмежують їх застосування при високих напругах (вище 15 кВ).
Промисловістю випускаються електромагнітні вимикачі на 6 і 10 кВ типу ВЕМ-6 і ВЕМ-10 з номінальною потужністю вимкнення 200 і 400 МВА.
Елегазові вимикачі застосовуються у ЗРП 6-10 кВ та ВРП 35-500 кВ. Конструктивно вони подібні до вакуумних, однак всередині дугогасних камер під тиском є елегаз – шестифториста сірка SF6. Елегаз має в кілька разів вищу електричну міцність ніж повітря, а також високі дугогасні властивості. При виникненні електричної дуги елегаз розкладається із виділенням компонентів, які гасять дугу.
Перевагами елегазових вимикачів є велика швидкодія, малі комутаційні перенапруги, малі габарити і маса, пожежо- та вибухобезпека.
Недоліком елегазових вимикачів є потреба контролювати тиск елегазу і періодично поповнювати його.