Бакові масляні вимикачі

Загальні положення

Бакові масляні вимикачі (з великим об'ємом масла, багатооб'ємні чи багатомасляні) виготовляються з простим розривом дуги в трансформаторному маслі та з розривом її за допомогою спеціальних дугогасильних пристроїв. Особливістю цих вимикачів є те, що масло в них використовується не тільки як дугогасне середовище, але і як діелектрик, що використовується як міжфазна ізоляція так і ізоляція струмопровідних частин від заземлених елементів.

У вимикачах на напругу до 10кВ всі три фази розміщаються в одному баці. Такі вимикачі призначені для внутрішніх установок. На напругу 35 кВ і вище вимикачі мають окремий бак на кожну фазу та призначені для закритих і відкритих установок.

При вимкнні масляного вимикача без дугогасильних пристроїв між його розбіжними контактами виникає електрична дуга, що вільно горить в маслi (Рис.3.1).

Під впливом високої температури дуги масло розкладається, утворюючи газ, що містить приблизно 70% водню, 20% етилену та 10% метану. Водень дуже ефективно деіонізує дуговий проміжок. Отже, дуга, що виникає в маслі, горить у сфері газового міхура. Обсяг газу, що виділяється за рахунок енергії дуги, визначається виразом: V=k·W,

де k - кількість газу, що приходиться на одиницю енергії дуги (k=60см³/квт.с. при тиску 0,1 МПа і температурі 20°С); W -енергія дуги, кВт·с.

Енергія, що виділяється дугою у вимикачі:

W=E_д·I·L·t,

де E_д - середній градієнт напруги дуги (для нерухомого масла E_д=70 В/см, для дуги в аксіальному потоці масла E_д= 200 В/см); I - сила струму дуги, кА; L- довжина дуги, см; t - час горіння дуги, с.

Видiлена енергiя дуги витрачається на розкладання масла (близько 28%), нагрівання та випарювання масла (9%), розширення та нагрів газів і парів (40%), нагрів контактів (7%), тепловіддачу та вип-ромінювання (11%) і механічну деформацію бака (5%).

У випадку простого розриву контактів в маслi градієнт дуги виходить невеликим, тому для її розриву необхідний відносно великий хід контактів вимикача, що впливає на розміри бака. Час гасіння дуги залежить від сили струму і складає приблизно 3-15 періодів (більше число відноситься до струмів вимкння малої сили). При вимкнні струмів невеликої сили пари масла та гази, що заповнюють газовий міхур навколо дуги, знаходяться у відносно спокійному стані. Чим більше сила струму вимкння, тим вище температура дугового проміжку і тим інтенсивніше рух газів у міхурі. Виникаючі між дугами електродинамічні зусилля відхиляють їх у сторони, наближаючи до стінок міхура і підсилюючи деіонізацію (переміщення дуги, зіткнення з менш нагрітими газами, парами і т.п.). Таким чином, в масляному вимикачі при його вимкнні дуга горить не в маслі, а в атмосфері газу. Тиск при цьому у газовому міхурі підвищується до 0,1….1,0 МПа і більше.

Конструктивна схема бакового масляного вимикача з простим (дворазовим) розривом зображена на рис.3.2. Вимикач показаний у процесі віимкнення, коли спостерігаються дві послідовні одночасно виниклі електричні дуги. Основні частини вимикача: бак 1, кришка 2, прохіднi iзолятори 3, приводний механiзм 5-10 i контакти 11,12.

Баки вимикачів виконуються звареними з листової сталі і можуть мати прямокутну, круглу чи овальну форму. З метою запобігання перекриття дуги з контактів на заземлений бак у момент вимкння вимикача, внутрішня поверхня бака ізолюється одним чи декількома аркушами ізоляційного матеріалу (бар'єрами) 21, у якості якого може бути використана фанера, електротехнічний картон і т.п. В однобакових вимикачах застосовуються також перегородки між окремими фазами, що виключає можливість міжфазних замикань між контактами при вимкнні вимикача. На баці міститься датчик рівня масла 13, кран для відбору проб і спуска масла 14. Баки вимикачів напругою до 35 кВ виконуються зі з’йомною кришкою, а для кріплення до неї бака до останнього приварюються хомути 15. У вимикачах напругою вище 35 кВ кришка приварюється до бака і вимикач ставиться на фундамент. Для кріплення до фундаменту вимикача до його днища приварюється опорне кільце з лапами. Доступ до внутрішніх частин у таких вимикачах забезпечується через спеціальні люки (при спущеному маслі). У вимикачах напругою 35 кВ і нижче до бака приварюються ролики для його підйому й опускання.

Кришки вимикачів напругою 35 кВ і нижче виконуються чавунними литими, а для вимикачів на більш високі напруги – зва­реними з листової сталі. У кришці маються отвори для кріплення прохідних ізоляторів струмоведучих стрижнів 4 і приводного механізма 5-10. На ній же кріпиться ручна лебідка для підйому й опускання бака у вимикачах напругою 35 кВ і нижче. Кришки таких вимикачів мають також відповідні елементи 22 з отворами для кріплення до баку і для встановлення вимикача на спеціальну конструкцію чи раму. Висота підвісу вимикача приймається такою, щоб при опущеному баці був забезпечений доступ до контактної системи, а при ручному приводі було зручно керувати вимикачем.

Для забезпечення необхідної щільності з'єднання бака з кришкою між ними (у поглибленні кришки) закладається ущільнювальна прокладка 16. На кришці мається також отвір для доливки масла 24 і вихлопна труба 18 з клапаном, що запобiгає проникненню в бак вимикача вологи та пилу з зовні.

Прохідні ізолятори струмоведучих стержнів закріплюються на кришці вимикача при допомозi фланця 20 та болтів, що дає можливість лег­ко замінити їх при ушкодженнi. На зовнішніх кінцях стержнів кріпляться струмоведучі частини 19, а на внутрішніх - нерухомі контакти 12.

Приводний механізм складається з кривошипно-шатунного меха­нізму, що забеспечує перетворення обертального руху валу 5 в посту­пальний рух рухливих контактів 11. На валу розташований кривошип 6, який через шатун 7 шарнірно зв'язаний із траверсою 8. Остання переміщається по двох направляючим 9, закріплених у кришці. На направляючі стержні одягнені відключаючі пружини 23, що стис­куються при вимкнені вимикача. До траверси прикріплені три ізоля­ційні штанги 10, на які насаджені контактнi пристрiї 17, що несуть рух­ливі контакти 11. У увімкному положенні вимикач утримується запірною засувкою привода.

Контакти - дуже відповідальна частина вимикача. Вони вимага­ють періодичного огляду та ремонту. Контакти масляних вимикачів розглянутих типів бувають пальцеві, точкові чи іншого виконання. Нерухомі контакти кріпляться або безпосередньо до струмоведучих стержнів, або до укріплених на них контактним колодкам. У деяких типах вимикачів використовуються робочі і дугогасні контакти. При вимкнні вимикача спочатку розходяться головні контакти, а потім дугогасні, оскільки вони довшi головних.

Таким чином, дуга не горить між головними контактами, а тільки між дугогасними, у наслідок чого головні контакти не підгорають, забезпечуючи гарне з'єднання у увімкному положенні вимикача. Для створення необхідного натискання рухомих контактів на нерухомі застосовуються притискні пружини 25.

Масло вимикачів повинно бути високої якості у відношенні електричної міцності. Бак заповнюється маслом не цілком для того, щоб залишався під кришкою деякий повітряний простір, зв'язаний з навколишнім повітрям через газовідвідну трубу. У наслідок різкого збільшення тиску в баці при горінні дуги (масло практично нестискується), повітря витісняється маслом через газовідвідну трубу, що пом'якшує гідравлічний удар об стінки бака.

Якщо буферний обсяг недостатній (рівень масла вище норми), то при вимкнні, масло заповнить його швидше, ніж згасне дуга і почне викидатися назовні. Перетин газовідвідних труб невеликий, тому при сильному ударі масла в кришку можливий відрив її від бака чи розрив самого бака. Для запобігання цьму на болти, котрi з'єднують бак із кришкою, надягають тонкостінні трубки 26, що при підвищенні тиску у вимикачі до небезпечних значень деформуються, і через кільцевий зазор, що утворився між кришкою і баком, масло виходить назовні, забезпечуючи тим самим зниження тиску в баці. На деяких вимикачах передбачаються запо­біжні клапани – мідної мембрани, що руйнується при небез­печному тиску й сприяє швидкому витіканню масла назовні. Кількість масла у вимикачі повинне бути таким, щоб при вимкнні найбіль­ших можливих струмів дуга гаснула раніш, ніж масло встигне запов­нити буферний простір. Однак при надмірно низькому рівні масла може відбутися вибух вимикача, оскільки розпечені гази можуть підпалити гримучу суміш, що утвориться, при певних умовах, з водню і кисню повітря. По зазначених причинах багатомасляні вимикачі називаються взриво- та пожежонебезпечними.

Дугогасильні камери

Без застосування спеціальних дугогасильних пристроїв бакові масляні вимикачі є недосконалими апаратами, як з погляду відключаючої здатності, так і часу їхнього вимкння. Тому на напруги вище 10 кВ масляні вимикачі з простим розривом дуги не застосовуються.

Більш досконалі бакові масляні вимикачі зі спеціальними пристроями для гасіння електричної дуги, завдяки яким збільшується відключаюча здатність, і зменшується час вимкння вимикача.

Пристрій і основні деталі цих вимикачів такі ж, як і в бакових масляних вимикачів із простим розривом дуги, розходження полягає тільки в контактній частині, що має ту чи іншу конструкцію. У масляних вимикачах процес гасіння дуги тим інтенсивніше, чим ближче стикається дуга з маслом і чим швидше рухається масло відносно дуги. Цього домагаються, обмежуючи дуговий розрив яким-небудь замкнутим ізоляційним пристроєм - дугогасильною камерою. У дугогасильних камерах масляних вимикачів створюється більш тісна взаємодія масла з дугою, інтенсивніше обдування дуги потоками газів, парів масла і самого масла, що прискорює процеси деіонізації, скорочує час горіння дуги і дозволяє зменшити хід контактів у порівнянні з простим розривом дуги в маслі.

На рис. 3.3 показані принципові схеми роботи найпростіших дугогасильних камер повздовжнього (а) та поперечного (б) газомас-лянного дуття. Нерухомий контакт 1 розміщений усередині камери 3, виконаної з ізоляційного матеріалу, а рухомий контакт 2 проходить через отвір унизу камери. При розмиканні контактів від виникаючої дуги Д утворюється газовий міхур (ГМ), тиск в камері підвищується. Масло і продукти його розкладання, прагнучи вийти через отвір у камері, створюють газомасляне дуття уздовж (а) чи поперек (б) дуги (положення I та II). Після гасіння дуги (положення ІІІ) гази виходять через верхній отвір камери і вона заповнюється маслом 4.

У деяких типах бакових масляних вимикачів застосовуються дугогасні камери з проміжним контактом, що утворює два послідовних розриви, в яких виникає дві послідовні дуги - газогенеруюча і гасима.

Конструктивно такі камери можуть виконуватися з дугогасильним (повздовжнім і поперечним, зустрічно-поперечним) дуттям, що забезпечує більш швидке гасіння дуги при великих силах струмiв, що відключаються.

На рис. 3.4. показаний розріз камери для вимикачів МКП-220-5. Камера складається з ізоляційного циліндру 1, рухливого ізоляційного штоку 2, на нижньому кінці якого укріплена пружина 3. На стінках камери маються вихлопні отвори з щілинами 4. Рухливі контакти зі своїми контактними пружинами 7 укріплені на рухливому ізоляційному штоку 2. На внутрішніх стінках циліндру 1 змонтовані три пари нерухомих контактів 6. У верхній частині камери (в корпусі 10) розташована приставка примусового автодуття, що складається з поршня 12, який переміщується в циліндрі 11, та. пружин 9 і 8. Циліндр поршня має отвори, що у залежності від положення поршня можуть бути відкриті чи частково відкриті. У вимкному положенні всі отвори відкриті і камера вгорі суміщається з баком вимикача. В увімкному положенні нижні отвори циліндра перекриваються і камера не має суміщення з баком вимикача. При вимкнні вимикача, коли контактний шток 2 йде вниз, поршень 12 також йде вниз. Але як тільки в камері підвищиться тиск, обумов­лений виникненням дуги, поршень змінить свій напрямок і почне рухатися нагору, стискаючи пружини 8 і 9. Після відкриття вихлопних щілин і падіння тиску в камері поршень під дією пружин 8 і 9 знову почне рухатися вниз, продуваючи камеру. Знаходячись у крайнім нижнім положенні, поршень відкри­ває у своєму циліндрі отвір, гази виходять, і в камеру надходить свіже масло. Паралельно контактам камери включається шунтуючий опір з ніхромової спіралі. Швидкість руху контактів дорівнює 7...8 м/с, відстань між контактами у виклю­ченому положенні достатнє для гасіння дуги - 35...40 мм. Такі дугогасильні прист-рої для вимикачів типу МКП інших напруг розрізніються в основному кількістю розривів на камеру в фазі.

На рис. 3.5 показана загальне ком­понування бакового масляного вимикача з дугогасильними камерами: 1 - бак; 2 - пристрій підігріву масла; 3 - ізоляція бака; 4 - траверси; 5 - штанга; 6 - дугогасильний пристрій; 7 – на­прав­ляючі штанги; 8 - ввід масло­наповненний; 9 - убудований трансформатор струму (ТC); 10 – контактний ряд; 11 - приводний ме­ха­нізм. При номінальній напрузі 35 кВ використовуються камери по­переч­ного газового автодуття (Рис. 3.6).

При розмиканнi контактів (див. рис. 3.6) між рухливим 1 і нерухомим 3 контактами загорається дуга (4 – гнучкий зв’язок з нерухомим контактом), під під дією якої в масло камері розкладається, що веде до підвищення тиску. Коли рухомий контакт відкриває при своєму русі вихлопний отвір 5, починається інтенсивне обдування дуги газами, що виходять під великим тиском з камери, що також має другу вихлопну щілину 6, призначену для надійного гасіння дуги. Канал 2, що з'єднує верхній об’єм камери з дуттєвим пристроєм, створює додаткове газове дуття, а по закінченні гасіння дуги, завдяки наявності цього каналу, камера очищується від продуктів розкладання масла й іонізованих газів, що сприяє поліпшенню роботи камер при АПВ.

На рис. 3.7 показана камера поперечного газового автодуття з підпором масла в решітках вимикача У-110-8.

У вимикачі 110 кВ гасіння дуги пов’язане з великими трудно-щами, що вимагає ускладнення дугогасильного пристрою. У міцному стеклоепоксидному циліндрі 1 розташовані нерухомі контакти 2 і 3, виконані у виді многоламельного торцьового контакту. Нерухомий контакт 3 має електричний зв'язок із проміжним контактом, виконаним у виді наскрізної розетки. Для зменшення зносу контакти облицьовані металокерамікою. Камера має два розриви. Перший утвориться між контактом 3 і рухливим контактом 4, другий - між контактом 3 і дру­гим руховим контак­том 4. Дугогасна решітка 5 має два розта­шованих один за одним дуттєвих каналів 6, 8 (Рис. 3.7.1 та рис. 3.7.2.). В увімкному положенні вони закриті тілом рухомих контактів 4.

Уся внутрішня по­рож­нина камери заповнена трансформаторним мас­лом.

При вимкнні ви­ми­кача рухливі контакти 4 разом з зовнішнім рух­ливим контактом 7 ру­хають­ся вниз під дією власної ваги і пружини камери. У кожнім розриві утвориться дуга, під дією енергії якої масло розкладається, і про­тягом сотої частки секунди тиск зростає до 5...8 МПа. При відкритті тілом рухли­вого контакту дуттєвої щілини 6 починається інтен­сивний обдув дуги вихідними газами. Дуга гас­не при першому проході струму через нуль після відкриття щілини. Чим біль­ше сила струму, що відклю­чається, тим більше тиск у камері й інтенсивніше гасіння дуги. При силі струму, близь­кого до сили номінального струму вимкння, три­ва­лість існування дуги складає не більше 0,02 с. Максимальна тривалість горіння дуги спостерігається при вимкнні малих сил індуктивних струмів (500...2000 А). Наявність другої щілини забезпечує надійну роботу камери у всьому діапазоні струмів, що відключаються. Вирів­нювання розподілу напруги між камерами і полегшення вимкння ємкісних струмів малих сил (струмів ненавантажених ЛЕП) забез­печується шунтами по 750 Ом кожний. Струм шунта відключається у вільному розриві, що утвориться між контактом траверси 2 (Рис. 3.5) і зовнішнім контактом камери 7 (Рис. 3.7.1.). Бакові масляні вимикачі випускаються на напругу 35...220 кВ. Максимальна потужність вимкння 25000 МВ·А. Бак запов­нюється маслом приблизно на 2/3 об'єму. При вимкнні вимикача газ, що викидається з камери, змушує шари масла, що лежать над камерами, рухатися з великою швидкістю нагору. Повітря, що знаходиться над маслом, вільно виходить в атмосферу. Це дозволяє обмежити тиск у баці. По закінченні вимкння масло, рухаючись по інерції, вдаряє в кришку бака. Цей удар може деформувати лапи, що кріплять бак до фундаменту, тому фундамент і кріпильні деталі повинні бути розраховані на такі динамічні навантаження. При ушкодженні привода чи камер утвориться довгостроково палаюча "стояча" дуга, тиск у баці сильно зростає. Для запобігання вибуху бака вгорі розташовані вихлопні аварійні труби з каліброваними мембранами (на Рис.3.5. не показані). При визначеному тиску мембрани руйнуються й масло виливається назовні, тиск у баці знижується.

Основні перваги бакових вимикачів - висока надійність, простота конструкції камер і механізму, висока механічна міцність елементів (камер, бака, механізму, вводів), що дозволяє використовувати ці вимикачі в найважчих умовах експлуатації (у зимовий час необхід-ний підігрів масла для зменшення його в'язкості). За даними статистики надійність бакових масляних вимикачів вище, ніж повітряних і маломасляних. До великих переваг відносяться велика відключаюча здатність, і можливість вбудовування ТС і ємністних дільників напруги.

Недоліки бакових масляних вимикачів: великі розміри і маса, необхідність періодичного очищення масла, що у свою чергу вимагає наявності маслогосподарства, ремонт і ревізія вимикачів 110 кВ і вище - дуже складні і трудомісткі процеси, взриво- та пожежонебезпека вимикача.