Превключватели за високо напрежение: класификация, устройство, принцип на работа

Изискванията за превключвателите са следните:

1) надеждност при работа и безопасност за другите;

2) бърза реакция — евентуално кратко време за изключване;

3) лекота на поддръжка;

4) лекота на инсталиране;

5) безшумност на работата;

6) относително ниска цена.

Използваните понастоящем прекъсвачи отговарят в по -голяма или по -малка степен на изброените изисквания. Проектантите на прекъсвачите обаче се стремят да съответстват по -добре на характеристиките на прекъсвачите с изложените по -горе изисквания.

Маслени превключватели

Има два вида маслени превключватели — резервоар и нискомаслено. Методите за дейонизиране на дъговото пространство в тези ключове са едни и същи. Единствената разлика е в изолацията на контактната система от заземената основа и в количеството масло.

Доскоро работеха резервоари за резервоари от следните типове: VM-35, S-35, както и ключове от серия U с напрежение от 35 до 220 kV. Превключвателите на резервоарите са предназначени за външен монтаж, в момента не се произвеждат.

Основните недостатъци на превключвателите на резервоара: експлозия и пожар; необходимостта от периодичен мониторинг на състоянието и нивото на маслото в резервоара и входовете; голям обем нефт, което води до голяма инвестиция на време за подмяната му, необходимост от големи запаси от нефт; неподходящ за вътрешен монтаж.

Превключватели за ниско масло

Широко се използват нискомаслени превключватели (тип гърне) в затворени и отворени разпределителни устройства всички напрежения. Маслото в тези ключове служи главно като дъговидна среда и само частично като изолация между отворени контакти.

Изолирането на части под напрежение един от друг и от заземени конструкции се извършва с порцелан или други твърди изолационни материали. Контактите на превключвателите за вътрешен монтаж са разположени в стоманен резервоар (саксия), поради което името на превключвателите „тип пот“ е запазено.

Нискомаслените прекъсвачи с напрежение 35 kV и повече имат порцеланов корпус. Най-широко използвани са висулки тип 6-10 kV (VMG-10, VMP-10). При тези прекъсвачи тялото е фиксирано върху порцеланови изолатори към обща рамка за трите полюса. Всеки полюс има един контакт прекъсване и дъгови улей.

Конструктивни схеми на нискомаслени превключватели 1 — подвижен контакт; 2 — дъгови улей; 3 — фиксиран контакт; 4 — работни контакти

При високи номинални токове е трудно да се управлява с една двойка контакти (които играят ролята на работни и дъгови контакти), поради което работните контакти се осигуряват извън прекъсвача, а дъговите контакти са в метален резервоар. При високи токове на прекъсване има два дъгови прекъсвания за всеки полюс. Според тази схема превключвателите от серията MGG и MG се правят за напрежения до 20 kV включително. Масивните външни работни контакти 4 позволяват на прекъсвача да бъде проектиран за високи номинални токове (до 9500 A). При напрежения от 35 kV и повече, тялото на превключвателя е изработено от порцелан, серията VMK е превключвател на колона с ниско масло). В автоматични прекъсвачи 35, 110 kV е предвидено едно прекъсване на полюс, при високо напрежение — две или повече прекъсвания.

Недостатъци на превключвателите с ниско масло: опасност от експлозия и пожар, макар и много по-малка от тази на превключвателите на резервоара; невъзможност за внедряване на високоскоростно автоматично затваряне; необходимостта от периодичен контрол, допълване, относително честа смяна на маслото в дъгообразните резервоари; трудността при инсталирането на вградени токови трансформатори; относително ниска прекъсваща способност.

Областта на приложение на нискомаслени прекъсвачи са затворени разпределителни устройства на електроцентрали и подстанции 6, 10, 20, 35 и 110 kV, пълни разпределителни устройства 6, 10 и 35 kV и отворени разпределителни устройства 35 и 110 kV.

Вижте тук за повече подробности: Видове маслени превключватели

Въздушни превключватели

Въздушните прекъсвачи за напрежения от 35 kV и повече са предназначени за изключване на големи токове на късо съединение. Въздухът се включва напрежение 15 kV се използва в електроцентрали като генератор. Техен предимства: бърза реакция, висока прекъсваща способност, незначително изгаряне на контакти, липса на скъпи и недостатъчни надеждни втулки, пожарна безопасност, по -малко тегло в сравнение с превключватели за масло в резервоара. Недостатъци: наличието на тромав въздушна икономика, опасност от експлозия, липса на вградени токови трансформатори, сложността на устройството и работата.

Във въздушните превключватели дъгата се гаси със сгъстен въздух при налягане 2-4 МРа, а изолацията на части под напрежение и устройството за гасене на дъга се извършва с порцелан или други твърди изолационни материали. Схемите на проектиране на въздушните превключватели са различни и зависят от тяхното номинално напрежение, метода за създаване на изолационна междина между контактите в изключено положение и метода за подаване на сгъстен въздух към устройството за гасене на дъга.

Прекъсвачите за високи номинални токове имат основна и дъгова верига, подобна на нискомаслените прекъсвачи MG и MGG. Основната част от тока в затворено положение на превключвателя преминава през основните контакти 4, разположени отворени. Когато превключвателят е изключен, основните контакти първо се отварят, след което целият ток преминава през дъговите контакти, затворени в камера 2. Докато тези контакти се отворят, сгъстен въздух от резервоар 1 се подава в камерата, мощният взрив е създаден, гасящ дъгата. Издухването може да бъде надлъжно или напречно.

Необходимата изолационна междина между контактите в отворено положение се създава в дъговия улей чрез разделяне на контактите на достатъчно разстояние. Превключвателите, направени по проект с отворен сепаратор, се произвеждат за вътрешна инсталация за напрежения 15 и 20 kV и токове до 20 000 A (серия VVG). При този тип ключове след изключване на сепаратора 5 подаването на сгъстен въздух към камерите се спира и дъговите контакти се затварят.

Конструктивни схеми на въздушни превключватели 1 — резервоар за сгъстен въздух; 2 — дъгови улей; 3 — шунтиращ резистор; 4 — основни контакти; 5 — сепаратор; 6 — капацитивен делител на напрежение за 110 kV — два прекъсвания на фаза (d)

Във въздушните прекъсвачи за отворен монтаж за напрежение 35 kV (VV-35) е достатъчно да има един прекъсване на фаза.

При превключватели с напрежение 110 kV и повече, след гасенето на дъгата, контактите на сепаратора 5 се отварят и сепараторната камера остава пълна със сгъстен въздух през цялото време на изключената позиция. В този случай сгъстен въздух не се подава към дъговия улей и контактите в него са затворени.

Прекъсвачите от серия VV за напрежения до 500 kV са създадени съгласно тази схема на проектиране. Колкото по-високо е номиналното напрежение и по-голяма е граничната мощност, толкова повече трябва да има прекъсвания в дъговия улей и в сепаратора.

Въздухозапълнени прекъсвачи от серията VVB са направени съгласно проектната схема на фиг., D.Напрежението на VVB модула е 110 kV при налягане на сгъстен въздух в пожарогасителната камера от 2 MPa. Номиналното напрежение на модула на прекъсвача VVBK (голям модул) е 220 kV, а налягането на въздуха в камерата за гасене е 4 MPa. Прекъсвачите от серия VNV имат подобна схема на проектиране: модул с напрежение 220 kV при налягане 4 MPa.

За прекъсвачи от серия VVB броят на дъговите улеи (модули) зависи от напрежението (110 kV — един; 220 kV — два; 330 kV — четири; 500 kV — шест; 750 kV — осем), а за големи модули прекъсвачи (VVBK, VNV), модулите с номера съответно два пъти по -малко.

Прекъсвачи SF6

SF6 газ (SF6 — серен хексафлуорид) е инертен газ с плътност 5 пъти по -голяма от тази на въздуха. Електрическата якост на SF6 газ е 2 — 3 пъти по -висока от силата на въздуха; при налягане 0,2 МРа, диелектричната якост на SF6 газ е сравнима с тази на петрола.

В газ SF6 при атмосферно налягане дъга може да се гаси с ток, който е 100 пъти по -висок от тока, прекъснат във въздуха при същите условия. Изключителната способност на газа SF6 да гаси дъгата се обяснява с факта, че молекулите му улавят електроните на дъговия стълб и образуват относително неподвижни отрицателни йони. Загубата на електрони прави дъгата нестабилна и лесно се гаси. В поток от газ SF6, тоест по време на газоструене, абсорбцията на електрони от дъговия стълб е още по -интензивна.

В прекъсвачите SF6 се използват автопневматични (автокомпресиращи) устройства за гасене на дъга, при които газът се компресира от бутално устройство по време на изключване и се насочва в зоната на дъгата. Прекъсвачът SF6 е затворена система без емисии на газ отвън.

Понастоящем прекъсвачите SF6 се използват за всички класове напрежение (6-750 kV) при налягане 0,15 — 0,6 МРа. Повишеното налягане се използва за превключватели с по -високи класове напрежение. SF6 прекъсвачи на следните чуждестранни фирми са се доказали добре: ALSTOM; SIEMENS; Мерлин Герин и др. Овладява се производството на съвременни прекъсвачи SF6 на ПО «Уралелектротяжмаш»: резервоарни прекъсвачи от серията VEB, VGB и колонни превключватели от серията VGT, VGU.

Като пример, помислете за дизайна на 6-10 kV LF прекъсвач от Merlin Gerin.

Основният модел прекъсвач се състои от следните елементи:

— корпус на прекъсвача, в който са разположени и трите полюса, представляващи «съд под налягане», напълнен с газ SF6 при ниско излишно налягане (0,15 МРа или 1,5 атм.);

— механично задвижване тип RI;

— преден панел на задвижването с дръжка за ръчно зареждане на пружини и индикатори за състоянието на пружината и прекъсвача;

— контактни подложки за захранване с високо напрежение;

— многопинов конектор за свързване на вторични комутационни вериги.

Вакуумни прекъсвачи

Диелектричната якост на вакуума е значително по -висока от силата на други среди, използвани в прекъсвачи. Това се обяснява с увеличаването на средния свободен път на електрони, атоми, йони и молекули с намаляване на налягането. Във вакуум средният свободен път на частиците надвишава размерите на вакуумната камера.

Възстановяващата се диелектрична якост на 1/4 «междина след изключване на тока 1600 A във вакуум и различни газове при атмосферно налягане

При тези условия ударите на частиците върху стените на камерата се случват много по -често от сблъсъците между частиците. Фигурата показва зависимостта на пробивното напрежение на вакуума и въздуха от разстоянието между електродите с диаметър 3/8 «волфрам. При толкова висока диелектрична якост разстоянието между контактите може да бъде много малко (2 — 2,5 cm ), така че размерите на камерата също могат да бъдат относително малки …

Процесът на възстановяване на електрическата якост на пролуката между контактите при изключен ток протича във вакуум много по -бързо, отколкото в газовете.Нивото на вакуум (остатъчно налягане на газа) в съвременните промишлени дъгови канали обикновено е Pa. В съответствие с теорията за електрическата якост на газовете, необходимите изолационни качества на вакуумната междина също се постигат при по -ниски нива на вакуум (от порядъка на Pa), но за съвременното ниво на вакуумните технологии създаването и поддържането на Нивото на Pa през целия живот на вакуумната камера не е проблем. Това осигурява на вакуумните камери резерви от електрическа якост за целия експлоатационен живот (20-30 години).

Типичен дизайн на вакуумен прекъсвач е показан на фигурата.

Структурна схема на вакуумен прекъсвач

Дизайнът на вакуумната камера се състои от двойка контакти (4; 5), единият от които е подвижен (5), затворен във вакуумонепроницаема обвивка, споена от керамични или стъклени изолатори (3; 7), горен и долен метални капаци (2; 8) и метален щит (6). Движението на подвижния контакт спрямо фиксирания се осигурява с помощта на маншон (9). Кабелите на камерата (1; 10) се използват за свързването й към основната токова токова верига на превключвателя.

Трябва да се отбележи, че за производството на корпуса на вакуумната камера се използват само специални вакуумно-устойчиви метали, пречистени от разтворени газове, мед и специални сплави, както и специална керамика. Контактите на вакуумната камера са изработени от металлокерамичен състав (като правило той е мед -хром в съотношение 50% -50% или 70% -30%), което осигурява висока разрушаваща способност, устойчивост на износване и предотвратява поява на точки на заваряване върху контактната повърхност. Цилиндричните керамични изолатори, заедно с вакуумна междина при отворени контакти, осигуряват изолация между клемите на камерата, когато превключвателят е изключен.

Tavrida-electric пусна нов дизайн на вакуумен прекъсвач с магнитна ключалка. Дизайнът му се основава на принципа на подравняване на задвижващия електромагнит и вакуумния прекъсвач във всеки полюс на прекъсвача.

Превключвателят се затваря в следната последователност.

В първоначалното състояние контактите на камерата за прекъсване на вакуума са отворени поради действието на спирателната пружина 7 върху тях през теглителния изолатор 5. Когато към бобината 9 на електромагнита се приложи напрежение с положителна полярност, магнитният поток се натрупва в процепа на магнитната система.

В момента, в който силата на натиск на котвата, създадена от магнитния поток, надвишава силата на спирателната пружина 7, котвата 11 на електромагнита, заедно с теглителния изолатор 5 и подвижния контакт 3 на вакуумната камера, започва да се движи нагоре, компресирайки пружината за спиране. В този случай в намотката възниква моторно-ЕМП, което предотвратява по-нататъшно увеличаване на тока и дори донякъде го намалява.

В процеса на движение котвата набира скорост от около 1 m / s, което избягва предварителните повреди при включване и елиминира отскачането на VDK контактите. Когато контактите на вакуумната камера са затворени, в магнитната система остава допълнителна компресионна междина от 2 мм. Скоростта на котвата рязко спада, тъй като тя също трябва да преодолее силата на пружината на допълнителното предварително натоварване на контакта 6. Въпреки това, под въздействието на силата, създадена от магнитния поток и инерцията, котвата 11 продължава да се движи нагоре, компресирайки пружина за спиране 7 и допълнителна пружина за предварително натоварване на контакти 6.

В момента на затваряне на магнитната система арматурата контактува с горния капак на задвижването 8 и спира. След процеса на затваряне токът на задвижващата бобина се изключва. Превключвателят остава в затворено положение поради остатъчната индукция, създадена от пръстен постоянен магнит 10, който държи арматурата 11 в придърпано положение към горния капак 8 без допълнително подаване на ток.

За да отворите превключвателя, трябва да се приложи отрицателно напрежение към клемите на бобината.

В момента вакуумните прекъсвачи се превърнаха в доминиращи устройства за електрически мрежи с напрежение 6-36 kV. Така делът на вакуумните прекъсвачи в общия брой произведени устройства в Европа и САЩ достига 70%, в Япония — 100%. В Русия през последните години този дял има постоянна възходяща тенденция, а през 1997 г. надхвърли границата от 50%. Основните предимства на експлозивите (в сравнение с превключвателите за масло и газ), които определят нарастването на техния пазарен дял, са:

— по -висока надеждност;

— по -ниски разходи за поддръжка.
Вижте също: Вакуумни прекъсвачи с високо напрежение — дизайн и принцип на действие