Воздушные выключатели

а) Выключатель с открытым отделителем. На рис. 18.14 упрощенно показан воздушный выключатель типа ВВП-35 для электротермических установок. Параметры выключателя: номинальное напряжение 35 кВ, номинальный ток 1250 А, номинальный ток отключения 20 кА, время отключения 0,08 с, номинальное давление 2 МПа. Особенностью выключателя является возможность многократной коммутации номинального тока. Принципиальной особенностью ВВП-35 является наличие отделителя 1, включенного последовательно с ДУ 3. В ДУ продольного дутья ток отключения зависит от отношения lid, где I — расстояние между контактами, d —- диаметр сопла ДУ. Для одностороннего сопла наибольшее значение тока отключения достигается при //rf=0,33. Диаметр сопла d определяется значением тока отключения. После отключения обычно в ДУ устанавливается атмосферное давление и расстояние /=0,33 d может пробиваться восстанавливающимся напряжением. Поэтому последовательно с ДУ включается отделитель, назначение которого создавать надежный изоляционный промежуток после гашения дуги и смыкания контактов ДУ.

18.14 Выключатель типа ВВП-35 1

При отключении сначала расходятся контакты в ДУ и дуга гаснет, затем расходятся контакты разъединителя. После этого подача сжатого воздуха в ДУ прекращается и контакты ДУ смыкаются. Включение выключателя производится замыканием контактов отделителя 1 и 2. Работа узлов выключателя описывается ниже.
Сжатый воздух находится в стальном баке 4. На стеклоэпоксидной трубе 5 расположено ДУ 3. Цепь высокого напряжения присоединяется к выводам 9 и 7. Последовательно с ДУ включены контакты 1, 2, Неподвижный контакт отделителя 2 укреплен на стеклопластиковом цилиндре 8. Привод ножа отделителя осуществляется через изоляционную штангу 6. Для ограничения перенапряжений, возникающих при отключении ненагруженных трансформаторов, дуговой промежуток шунтирован нелинейным резистором 16. При отключении электромагнит воздействует на пусковой клапан 18 и сообщает с атмосферой полость справа от поршня 10. Под действием сжатого воздуха поршень 10 перемещается вправо вниз и открывает главный клапан 11. Сжатый воздух из бака 4 поступает по трубе 5 в ДУ. В ДУ (рис. 18.14) под действием сжатого воздуха поршень 12 вместе с подвижным трубчатым контактом 13 поднимается вверх. Дуга между контактами 13 и 14 интенсивно охлаждается сжатым воздухом. Предельная длина дуги ограничивается электродом 15. Длительность горения дуги составляет 0,5—1,5 полу периода.
Во время работы ДУ сжатый воздух подается в привод отделителя. После погасания дуги привод переводит нож отделителя 1 в положение, обозначенное пунктиром. После отключения клапан 11 закрывается и под действием пружины 17 контакты ДУ замыкаются. Для включения выключателя изменяется направление потока сжатого воздуха, поступающего в привод отделителя, благодаря чему нож 1 и контакт 2 замыкаются. Из-за невысокой надежности отделителей такие выключатели не применяются в открытых распределительных устройствах (ОРУ). В ОРУ применяются выключатели с газонаполненным отделителем (серии ВВН), в которых контакты отделителя защищены от воздействия окружающей среды. В электротермических установках на напряжение 110 и 220 кВ используются выключатели серии ВВБ.
б) Выключатель с воздухонаполненным отделителем. На рис. 18.15 показан полюс выключателя серии ВВН с номинальным напряжением 330 кВ, длительным током 2 кА и номинальным током отключения 25 кА. В основании полюса расположены два бака со сжатым воздухом 1 а 3. Дугогасительные камеры 4, снабженные шунтирующими резисторами 5, укреплены на полых фарфоровых изоляторах 2, которые являются воздухопроводом. Сжатый воздух в камеры 4 подается клапаном 6. Каждый полюс имеет восемь дугогасительных камер продольного дутья, включенных последовательно. Воздухонаполненный отделитель состоит из шести дугогасительных элементов 7, шунтированных конденсаторами 8.
Процесс отключения протекает следующим образом: вначале открывается клапан 6, камеры 4 разводят контакты и отключают ток КЗ. Затем открывается клапан 9, расходятся контакты камер отделителя 7 и разрывается ток шунтов. Во все время отключенного состояния выключателя отделитель находится под давлением 2 МПа. Эта конструкция более надежна, чем конструкция с открытым отделителем, так как здесь отделитель защищен от действия окружающей среды. Крупным недостатком выключателя является длительное нахождение фарфоровых изоляторов ДУ отделителя под давлением в отключенном положении выключателя

18.15 Выключатель серии ВВН 1

Опыт эксплуатации показал недостаточно высокую надежность описанной конструкции, поэтому такие выключатели в настоящее время не выпускаются В современных выключателях на напряжение 110 кВ и выше отказались от отделителей и перешли на дугогасительные камеры, которые в отключенном положении наполнены сжатым воздухом.
в) Выключатели с дугогасительными камерами в баке со сжатым
воздухом. Наиболее совершенны воздушные выключатели у которых дугогасительная камера размещается непосредственно в баке со сжатым воздухом На рис 18.15, а показан полюс такого выключателя серии ВВБ на напряжение 110 кВ. Бак со сжатым воз пухом 1 располагается на опорном изоляторе 2, в этом же изоляторе проходят управляющие воздухопроводы, воздух в которых находится под давлением 2,6 МПа Шкаф управления 3 расположен в основании выключателя. ДУ соединяется с внешней цепью токоведущими частями проходных изоляторов 4 Равномерное распределение напряжения между двумя разрывами устройства обеспечивается с помощью конденсаторов 5 Схема устройства представлена на рис 18.15 18.16, где 5 — шунтирующие конденсаторы, обеспечивающие равенство напряжений на двух разрывах устройства; 6 — основные контакты; 7— вспомогательные; 8— шунтирующие резисторы, служащие для снижения скорости восстановления напряжения Ток через шунтирующие резисторы отключается контактами 7 после гашения дуги в основных разрывах 6. Из рис. 18.16,6 видно, что корпус бака 1 находится под напряжением.

18.16 Баковый воздушный выключатель 1

ток откл. 31,5 кА; Iном = 2000 А

В ДУ (рис. 18.16,б) неподвижный контакт 9 укреплен на конце токоведущего стержня изолятора 10. Подвижный контакт 11 укреплен на траверсе 12, связанной с приводным штоком 13. Выступ 14 на штоке 13 служит для фиксации механизма ДУ во включенном положении с помощью защелок 15.
Во включенном положении полость бака отделена от атмосферы с помощью клапана, закрывающего выхлоп 1. При отключении в привод подается сжатый воздух, под воздействием которого шток 13 перемещается вверх и открывает клапан выхлопа 1, отделяющий полость бака от атмосферы. Дуга между контактами 11 и 9 потоком выходящего в атмосферу воздуха сдувается на точки а и б, где подвергается интенсивному продольному дутью сжатым воздухом. После отключения клапан закрывается и бак разобщается с атмосферой.
В рассмотренной конструкции под высоким давлением находится только стальной бак. Это позволяет повышать давление воздуха в баке до 3,5—4 МПа и увеличивать отключаемый ток. В выключателях серии ВВН на каждый класс напряжения создается по существу новая конструкция. Это требует больших экономических затрат на производство и эксплуатацию. В современных выключателях используется модульный принцип. ДУ на рис. 18.16, в, рассчитанное на напряжение 110 кВ, может использоваться при напряжении 220 кВ при том же токе отключения, но два ДУ соединяются последовательно, а опорная изоляция соответственно усиливается. На напряжение 500 кВ соединяются пять ДУ. Выключатели, используемые для расширения номинального напряжения путем последовательного их соединения, называются модулями. Перспективно также улучшение параметров каждого модуля. Так, совершенствование модуля ВВБ (повышение давления, доработка ДУ) позволило повысить номинальное напряжение со 110 до 220 кВ. При этом сокращается число разрывов выключателя в 2 раза, что дает большой технико-экономический эффект.
На базе модуля (одного полюса), изображенного на рис. 18.16, создана серия выключателей с номинальным напряжением до 750 кВ и номинальным током отключения до 40 кА. Их полное время отключения составляет 0,06—0,08 с в зависимости от номинального напряжения. Полюс выключателя на напряжение 220 кВ имеет четыре разрыва. По сравнению с серией ВВН габариты и масса выключателей серии ВВБ уменьшены на 20—30 %, а расход воздуха сокращен в 3 раза. Эксплуатация показала их высокую надежность.

Развитием этой серии выключателей является выключатель ВВБК, в котором давление воздуха поднято до 4 МПа. В результате конструктивных усовершенствований при отключении создается двустороннее несимметричное дутье, повышающее эффективность гашения дуги. Для уменьшения времени отключения в выключателях на напряжение 220 кВ и выше пневматическая система управления заменена механической. Номинальный ток отключения увеличен с 31,5 до 50 кА, а допустимое напряжение на разрыве с 55 до 110кВ. Время отключения при этом снижено с 0,06—0,08 до 0,04 с. Номинальное напряжение выключателя ВВБК достигает 1150 кВ.

г) Серия воздушных выключателей ВНВ. Предназначена для напряжений 220— 1150 кВ и тока отключения до 63 кА. Модуль на напряжение 250 кВ представлен на рис. 18.17, а. Основной особенностью модуля является расположение ДУ в атмосфере сжатого воздуха при давлении 4 МПа. При отключении контакты ДУ расходятся и открывается выхлопной клапан, соединяющий внутреннюю полость ДУ с атмосферой. После гашения дуги контакты остаются в разведенном состоянии, а выхлопной клапан закрывается, ДУ герметизируется. Привод контактов осуществляется с помощью легкой стеклопластиковой тяги. Расположение трех полюсов выключателя показано на рис. 18.17,6. На рис. 18.17: 1— бак со сжатым воздухом; 2—опорный изолятор; 3 — основной разрыв; 4— конденсатор для выравнивания напряжения по разрывам; 5 — шунтирующий резистор с ДУ. Электрическая схема модуля аналогична схеме рис. 18.16,6. Выключатель на 500 кВ имеет два модуля, включенных последовательно, и три модуля при напряжении 750 кВ. Опорные изоляторы усиливаются соответственно классу напряжения.
В основании модуля выключателя на 500 кВ расположен бак 1 со сжатым воздухом (рис. 21). Сжатый воздух по трубопроводу подается в верхний бак, образованный металлическим цилиндром 9 и стеклоэпоксидным цилиндром 11 и содержащий ДУ. Главный контакт создается пальцами 19 неподвижного контакта и внешней поверхностью подвижного цилиндрического контакта Пальцы дугогасительного контакта 20 расположены в прорезях дутьевого сопла неподвижного контакта и скользят по внутренней поверхности контакта В показанном на рисунке включенном положении контакт 18 прижат к седлу 25. Внутренняя полость контакта 18 соединяется с атмосферой через открытый выхлопной клапан 24, а его внешняя поверхность и пальцы 19 находятся в среде сжатого воздуха. Сопло 17 подвижное. Начальное расстояние между контактом 20 и соплом 17 — оптимальное для данного сечения сопла. После гашения дуги подвижное сопло 17 перемещается под действием давления внутри ДУ вправо, садится на седло 26 и герметизирует камеру. Для уменьшения напряженности электрического поля между контактами в разведенном состоянии они окружены экранами 16. Это позволяет поднять электрическую прочность промежутка и номинальное напряжение модуля.
При отключении срабатывает отключающий электромагнит 3, открывающий клапан 6. После этого сжатый воздух подается на поршень 7, воздействующий на тягу 8. Через звенья 5, 4, 2 усилие передается на изоляционные тяги 13, которые перемещаются вниз. Звенья 15 и 37 соединяются с тягой 13 трубкой 14 и перемещают горизонтальную тягу 36, которая связана с подвижным контактом

18.17 Воздушный выключатель серии ВНВ

18.18 Пневмомеханическая схема полюса

(А — к коммутирующему устройству шунтирующего резистора)

Контакт 18 сначала размыкается с пальцами 19, а затем с пальцами 20. Между последними и внутренней поверхностью контакта 18 загорается дуга, которая быстро перемещается воздушным потоком, вытекающим в атмосферу через дутьевое сопло неподвижного контакта и подвижное сопло 17. Гашение дуги происходит за счет двустороннего дутья. Шток 31 связан с тягой 13. При движении тяги 13 вниз связанный с ней шток 31 действует на рычаг 30 и открывает клапан 34. При этом сжатый воздух, находящийся над поршнем 35, через змеевик 29 выходит в атмосферу. Поршень 35 освобождает рычаги 27 и 28 и с помощью тяг 22, 23 и коромысла 21 закрывает клапан 24. Одновременно подвижное сопло 17 вместе с ограничивающим электродом 41 перемещается вправо, пока не сядет на седло 26. Таким образом, внутренний объем ДУ герметизируется и отделяется от атмосферы. Электрод 41 ограничивает длину дуги, горящей между ним и неподвижным дутогасительным контактом 20, что уменьшает энергию, выделяемую дугой.
При токах отключения до 40 кА выключатель не имеет шунтирующих резисторов. При токах 63 кА или тяжелых условиях восстановления напряжения используются низкоомный шунтирующий резистор и вспомогательный контактный блок для отключения резистора (рис. 18.18, поз. 5). Контейнер с этим блоком и резистором располагается рядом с ДУ. Управление вспомогательным блоком осуществляется от клапана 34 (стрелка А).
При включении срабатывает электромагнит 12. Клапан 10 открывается и соединяет полость над поршнем 7 с атмосферой. Одновременно подается сжатый воздух на поршень 38, который отделяет полость бака от поршня 7. Под действием заранее заведенной пружины 33 шток 32 опускается и клапан 34 закрывается. Сжатый воздух подается к поршню 35, и он опускается, воздействуя на рычаги 28, 27. Клапан 24 открывается, а подвижное сопло 17 устанавливается в положение, указанное на рисунке. При этом внутренняя полость контакта 18 и сопла 17 соединяется с атмосферой. При закрытии клапана 34 сжатый воздух подается в контейнер со вспомогательным контактным блоком, который включает резистор. При движении тяги 13 вверх подвижный контакт 18 замыкается с неподвижным, одновременно поршень 7 переходит в положение, указанное на рисунке. После выхода воздуха из полости над поршнем 7 закрываются клапаны 10, 6 и поршень 38 устанавливается в исходное положение соответствующими пружинами.
В выключателе на напряжение 1150 кВ при включении вначале замыкаются вспомогательные контакты и в цепь вводится резистор, сопротивление которого равно волновому сопротивлению коммутируемой линии. Затем примерно через 10 мс включается контакт 18, который шунтирует этот резистор. Это ограничивает перенапряжения при включении холостых линий электропередачи.

Выключатель имеет следующие конструктивные особенности:
1. ДУ расположены внутри прочных стеклоэпоксидных труб, являющихся баком сжатого воздуха выключателя. Такая конструкция позволяет сиять с фарфора воздействие высокого давления воздуха. Фарфоровая рубашка защищает стеклоэпоксидную трубу от воздействия атмосферы.
2. Давление сжатого воздуха в ДУ достигает 4 МПа, что наряду с другими мероприятиями обеспечивает ток отключения до 63 кА при напряжении на разрыве 125 кВ.
3. ДУ имеет два разрыва. После гашения дуги дугогаентельный контакт отходит на расстояние, обеспечивающее необходимую электрическую прочность промежутка, и в своем крайнем положении воздействует на выхлопной клапан ДУ. Камера ДУ герметизируется, и разведенные контакты находятся при давлении 4 МПа.
4. Привод контактов расположен на заземленном баке выключателя. Передача силы от привода к механизму контактов осуществляется механически через легкую изоляционную стеклопластиковую тягу. Это позволяет получать полное время отключения 0,04 с.
5. При тяжелых условиях восстановления напряжения параллельно каждому разрыву включается низкоомный шунтирующий резистор (40 Ом). Из конструктивных соображений резистор разбит на две части (два контейнера). Ток резистора отключается двухступенчатой контактной системой, расположенной в одном из контейнеров.