Високовольтні вимикачі класифікація, пристрій, принцип дії

Вимоги, що пред`являються до вимикачів, полягають в наступному:

1) надійність в роботі і безпеку для окружающіх-

2) швидкодія - може бути маленьке час відключення;

3) зручність в обслуговуванні;

4) простота монтажу;

5) безшумність роботи;

6) порівняно невисока ціна.

Використовувані в даний час вимикачі відповідають перерахованим вимогам в більшій чи меншій мірі. Але конструктори вимикачів прагнуть до більш повної відповідності рис вимикачів висунутим вище вимогам.

масляні вимикачі

Розрізняють масляні вимикачі 2-ух видів - бакові і маломасляний. Способи деионизации дугового проміжку в цих вимикачах схожі. Різниця полягає лише в ізоляції контактної системи від заземленого підстави і в кількості масла.

До недавнього часу в експлуатації знаходилися бакові вимикачі наступних типів: ВМ-35, С-35, також вимикачі серії У напругою від 35 до 220 кВ. Бакові вимикачі створені для зовнішньої установки, в даний час не виконуються.

Головні недоліки бакових вимикачів: вибухо- і пожароопасность- необхідність періодичного контролю за станом і рівнем масла в баку і вводах- великий обсяг, масла, що обумовлює величезну витрату часу на його підміну, необхідність величезних запасів масла-непридатність для установки всередині приміщень.

маломаслянимівимикачами

Маломаслянимівимикачами (горшкові) отримали широке поширення в закритих і відкритих розподільних пристроях всіх напруг. Масло в цих вимикачах в головному служить дугогасящей середовищем і лише частково ізоляцією між роз`єднаними контактами.

Ізоляція струмоведучих частин одна від одної і від заземлених конструкцій здійснюється порцеляною або іншими твердими ізолюючими матеріалами. Контакти вимикачів для внутрішньої установки знаходяться в залізному бачку (горщику), звідси збереглося назву вимикачів «горшкові».

Маломаслянимівимикачами напругою 35 кВ і вище мають фарфоровий корпус. Саме широке застосування отримали вимикачі 6-10 кВ навісного типу (ВМГ-10, ВМП-10). У цих вимикачах корпус кріпиться на порцелянових ізоляторах до загальної рамі для всіх 3-х полюсів. У кожному полюсі передбачений один розрив контактів і дугогасильні камери.

Конструктивні схеми маломасляних вимикачів
1 - рухливий контакт-2 - дугогасительная камера- 3 - нерухомий-ний контакт-4 - робочі контакти

При величезних номінальних токах обійтися однією парою контактів (які роблять роль робітників і дугогасильних) важко, тому передбачають робочі контакти зовні вимикача, а дугогасительниє - всередині залізного бачка. При величезних відключаються токах на кожен полюс є два дугогасильних розриву. За такою схемою виробляються вимикачі серій МГГ і МР на напругу до 20 кВ включно. Потужні зовнішні робочі контакти 4 дозволяють вирахувати вимикач на величезні номінальні струми (до 9500 А). При напрузі 35 кВ і вище корпус вимикача проводиться порцеляновим, серія ВМК - вимикач маломасляний колонковий). У вимикачах 35, 110 кВ передбачено один розрив на полюс, при величезних напругах - два розриву і більше.

Недоліки маломасляних вимикачів: вибухо- і пожежонебезпека, хоча і істотно найменша, ніж у бакових виключателей- неможливість втілення швидкодіючого АПВ- необхідність періодичного контролю, доливання, щодо частої заміни масла в дугогасильних бачках- труднощі установки інтегрованих трансформаторів струму-відносно мала відключає здатність.

Область впровадження маломасляних вимикачів - закриті розподільні пристрої електричних станцій і підстанцій 6, 10, 20, 35 і 110 кВ, комплектні розподільчі пристрої 6, 10 і 35 кВ і відкриті розподільні пристрої 35 і 110 кВ.

повітряні вимикачі

У повітряних вимикачах гасіння дуги відбувається стисненим повітрям при тиску 2-4 МПа, а ізоляція струмоведучих частин і дугогасительного пристрою здійснюється порцеляною або іншими твердими ізолюючими матеріалами. Конструктивні схеми віз-задушливих вимикачів різні і залежать від їх номінальної напруги, способі створення ізоляційного проміжку між контактами у відключеному положенні, методу подачі стисненого повітря в дугогасительноє пристрій.

У вимикачах на величезні номінальні струми є головний і дугогасительного контур подібно маломаслянимівимикачами МГ і МГГ. Основна частина струму у включеному положенні вимикача проходить по основним контактам
4, розміщеним відкрито. При виключенні вимикача головні контакти розмикаються першими, після цього весь струм проходить по дугогасительного контактам, укладеними в камері 2. До моменту розмикання цих контактів в камеру подається стиснене повітря з резервуара 1, створюється потужний дуття, що гасить дугу. Дуття може бути поздовжнім або поперечним.

Потрібний ізоляційний проміжок між контактами у відключеному положенні створюється в дугогасительной камері методом розведення контактів на достатню відстань. Вимикачі, виконані за конструктивною схемою з відкритим віддільником, виготовляються для внутрішньої установки на напругу 15 і 20 кВ і струм до 20000 А (серія ВВГ). В даному типі вимикачів після відключення віддільника 5 припиняється подача стисненого повітря в камери і дугогасильні контакти замикаються.

Конструктивні схеми повітряних вимикачів
1 - резервуар із стислим воздухом- 2 - дугогасительная камера- 3 - шунтирующий резістор- 4 - головні контакти- 5 - отделітель- 6 - ємнісний дільник напруги на 110 кВ - два розриву на фазу (г)

У повітряних вимикачах для відкритої установки на напругу 35 кВ (ВВ-35) досить мати один розрив на фазу.

У вимикачах напругою 110 кВ і вище після гасіння дуги розмикаються контакти віддільника 5 і камера отделителя залишається заповненою стисненим повітрям на завжди відключеного положення. При цьому в дугогасительную камеру стиснене повітря не подається і контакти в ній замикаються.

З цієї конструктивної схемою зроблені вимикачі серії ВВ на напругу до 500 кВ. Чим вище номінальну напругу і чим більше відключається потужність, тим більше повинно бути розривів в дугогасительной камері і в отделителе.

За конструктивною схемою рис, г виробляються воздухонаполненнимі вимикачі серії ВВБ. Напруга модуля ВВБ 110 кВ при тиску стисненого повітря в гасітельних камері 2 МПа. Номінальна напруга модуля вимикача серії ВВБК (крупномодульних) становить 220 кВ, а тиск повітря в гасітельних камері 4 МПа. Аналогічну конструктивну схему мають вимикачі серії ВНВ: модуль напругою 220 кВ під тиском 4 МПа.

Для вимикачів серії ВВБ кількість дугогасильних камер (модулів) знаходиться в залежності від напруги (110 кВ - одна- 220 кВ - дві-330 кВ - чотири- 500 кВ - 6 750 кВ - вісім), а для крупномодульних вимикачів (ВВБК, ВНВ ) кількість модулів відпо-венно вдвічі менше.

елегазові вимикачі

Елегаз (SF6 - шестифториста сірка) являє собою інертний газ, щільність якого перевищує щільність повітря в 5 разів. Електронна міцність елегазу в 2 - 3 рази вище міцності повітря-при тиску 0,2 МПа електронна міцність елегазу порівнянна з міцністю олії.

У елегазі при атмосферному тиску може бути погашена дуга зі струмом, який в 100 разів перевершує струм, що відключається в повітрі при тих же умовах. Виняткова здатність елегазу гасити дугу пояснюється тим, що його молекули вловлюють електрони дугового стовпа і утворюють щодо нерухомі негативні іони. Втрата електронів робить дугу неврівноваженою, і вона просто згасає. У струмені елегазу, т. Е. При газовому дуття, поглинання електронів з дугового стовпа відбувається ще краще.

У елегазових вимикачах використовують автопневматіческіе (автокомпрессіонние) дугогасительниє пристрої, в яких газ в процесі відключення стискається поршневим пристроєм і направляється в зону дуги. Елегазовий вимикач представляє со-бій замкнуту систему без викиду газу назовні.

В даний час елегазові вимикачі використовуються на всіх класах напруг (6-750 кВ) при тиску 0,15 - 0,6 МПа. Підвищений тиск застосовується для вимикачів більш великих класів напруги. Відмінно зарекомендували елегазові вимикачі наступних зарубіжних фірм: ALSTOM- SIEMENS- Merlin Gerin і ін. Освоєно випуск сучасних елегазових вимикачів ВО «Уралелектротяжмаш»: бакові вимикачі серії ВЕБ, ВГБ й колонкові вимикачі серії ВГТ, ВДУ.

Як приклад розглянемо конструкцію вимикача серії LF компанії Merlin Gerin напругою 6-10 кВ.

Базова модель вимикача складається з наступних частин:

- корпусу вимикача, в якому розміщені всі три полюси, що представляє із себе «посудину під тиском», заповнений елегазом під низьким надлишковим тиском (0,15 МПа або 1,5 атм.);

- механічного приводу типу RI;

- фронтальній панелі приводу з ручкою для ручного взводу пружин і індикаторами стану пружини і вимикача;

- високовольтних силових контактних майданчиків;

- многоштирьевого роз`єму для підключення ланцюгів вторинної комутації.

вакуумні вимикачі

Електронна міцність вакууму істотно вище міцності інших середовищ,
використовуваних в вимикачах. Пояснюється це підвищенням довжини середнього
вільного пробігу електронів, атомів, іонів і молекул в міру зменшення
тиску. У вакуумі довжина вільного пробігу частинок перевершує розміри вакуумної
камери.

Відновлюється електронна міцність проміжку довжиною 1/4 "після
відключення струму 1 600 А в вакуумі і різних газах при атмосферному тиску

У цих умовах удари частинок об стіни камери відбуваються значно частіше, ніж
зіткнення між частинками. На малюнку показані залежності пробивної
напруги вакууму і повітря від відстані між електродами діаметром 3/8 "з
вольфраму. При настільки високою електронної міцності відстань між контактами
може бути дуже малим (2 - 2,5 см), тому розміри камери можуть бути також
щодо маленькими.

Процес відновлення електронної міцності проміжку між контактами
при виключенні струму протікає в вакуумі значно швидше, ніж в газах.
Рівень вакууму (залишковий тиск газів) в сучасних промислових
дугогасильних камерах зазвичай становить Па. У відповідності з теорією
електропрочності газів, що не-обхідні ізоляційні властивості вакуумного проміжку
досягаються і при найменших рівнях вакууму (близько Па), але для сучасного
рівня вакуумних технологій, створення і підтримання протягом часу життя
вакуумної камери рівня Па не складає труднощів. Це забезпечує вакуумним
камерам припаси електропрочності на весь термін експлуатації (20-30 років).

Типова конструкція вакуумної дугогасильні камери приведена на малюнку.

Конструктивна схема вакуумної дугогасильні камери

конструкція вакуумної
камери складається з пари контактів (4 5), один з яких є рухомим (5),
укладених в ваккумноплотную оболонку, спаяні з керамічних або скляних
ізоляторів (3 7), верхній і нижній залізних кришок (2- 8) і залізного
екрану (6). Переміщення рухомого контакту щодо недвижного
забезпечується шляхом застосування сильфона (9). Висновки камери (1 10) служать для
підключення її до головної токоведущей ланцюга вимикача.

Потрібно відзначити, що для
виробництва оболонки вакуумної камери використовуються тільки особливі
вакуумноплотние, очищені від розчинених газів метали - мідь і особливі
сплави, також особлива кераміка. Контакти вакуумної камери робляться
з металокерамічної композиції (зазвичай, це мідь-хром в співвідношенні 50
% -50% або 70% -30%), що забезпечує високу здатність, що відключає, зносостійкість і перешкоджає появі точок зварювання на поверхні
контактів. Циліндричні керамічні ізолятори, разом з вакуумним
проміжком при розведених контактах забезпечують ізоляцію між висновками
камери при відключеному положенні вимикача.

Таврида-електрик випустила новітню
конструкцію вакуумного вимикача з магнітною засувкою. В основу його конструкції закладений принцип співвісності електромагніту приводу і вакуумної
дугогасильні камери в кожному полюсі вимикача. включення вимикача
здійснюється в такій послідовності.

У початковому стані контакти
вакуумної дугогасильні камери розімкнуті за рахунок впливу на їх
відключає пружини 7 через тяговий ізолятор 5. При прикладанні напруги
позитивної полярності до котушки 9 електромагніта, в зазорі магнітної системи нарощується магнітний потік.

У момент, коли сила тяги якоря,
створювана магнітним потоком, перевершує зусилля пружини відключення 7, якір 11 електромагніту спільно з тяговим ізолятором 5 і рухомим контактом 3 вакуумної
камери починає рух вгору, стискаючи пружину відключення. При цьому в котушці
з`являється рухова протидії ЕРС, яка перешкоджає подальшому наростанню
струму, і навіть трохи зменшує його.

У процесі руху якір набирає
швидкість близько 1 м / с, що дає можливість уникнути предпробоев при включенні і
виключити брязкіт контактів ВДК. При замиканні контактів вакуумної камери, в
магнітної системі залишається зазор додаткового поджатия рівний 2 мм. швидкість
руху якоря різко падає, тому що йому доводиться долати до того ж зусилля
пружини додаткового контактного підтискання 6. Але під впливом зусилля,
створюваного магнітним потоком і інерцією, якір 11 продовжує рухатися вгору,
стискаючи пружину відключення 7 і пружину 6 додаткового контактного підтискання.

В
момент замикання магнітної системи якір стикається з верхньою кришкою приводу
8 і зупиняється. Після закінчення процесу включення струм котушки приводу
відключається. Вимикач залишається у включеному положенні за рахунок залишкової
індукції, створюваної кільцевих незмінним магнітом 10, який тримає якір
11 в притягнутому до верхньої кришки 8 положенні без додаткової струмового
підживлення.

Для відключення вимикача потрібно прикласти до висновків котушки
напруга негативної полярності.

В даний час вакуумні вимикачі стали домінуючими апаратами для електронних мереж з напругою 6-36 кВ. Так, частка вакуумних вимикачів в загальній кількості випущених апаратів в Європі і США сягає 70%, в Японії - 100%. У Росії в останні роки ця частка має постійну тенденцію до зростання, і в 1997 році перевищила 50% -ю позначку.
Основними перевагами ВВ (в порівнянні з масляними і газовими вимикачами), що визначають зростання їх частки на ринку, є:

- більш висока надійність;