Вимикачі постійного та змінного струму понад 1000 вольт

Високовольтний вимикач

Високовольтний вимикач - захисно-комутаційний апарат, призначений для оперативних включень та відключень окремих ланцюгів або електрообладнання в енергосистемі в нормальних або аварійних режимах при ручному, дистанційному або автоматичному керуванні.

Високовольтний вимикач складається з: контактної системи з дугогасним пристроєм, струмопровідних частин, корпусу, ізоляційної конструкції та приводного механізму (наприклад, електромагнітний привід, ручний привід).

Вимикачі середньої та високої напруги (номінальна напруга 6 - 1150 кіловольт) та великим струмом відключення (до 50 кілоампер) використовуються на електричних станціях та підстанціях. Ці вимикачі є досить складною конструкцією, керованою електромагнітними, пружинними, пневматичними або гідравлічними приводами.

Залежно від середовища, в якому виробляють гасіння дуги, розрізняють повітряні вимикачі, в яких дуга гаситься стисненим повітрям, масляні вимикачі, в яких контакти поміщаються в ємність з маслом, а дуга гаситься парами олії, елегазові вимикачі, в яких використовується електроміцний газ SF6 - «елегаз», та вакуумні вимикачі, в яких гасіння дуги відбувається у вакуумі - у так званій вакуумній дугогасній камері (ВДК). Захисне середовище одночасно з гасінням дуги забезпечує діелектричну міцність проміжку між контактами у відключеному положенні, від чого залежить і величина ходу контактів.

Класифікація високовольтних вимикачів

За способом гасіння дуги

  • Елегазові вимикачі (бакові та колонкові);
  • Вакуумні вимикачі;
  • Масляні вимикачі (бакові тамалоолійні);
  • Повітряні вимикачі;
  • Автогазові вимикачі;
  • Електромагнітні вимикачі;
  • Автопневматичні вимикачі

За призначенням

  • Мережеві вимикачі на напруги від 6 кВ і вище, що застосовуються в електричних ланцюгах (крім ланцюгів електричних машин та електротермічних установок) і призначені для пропускання та комутування струму в нормальних умовах роботи ланцюга, а також для пропускання протягом заданого часу та комутування струму у заданих ненормальних умовах, таких як умови короткого замикання.
  • Генераторні вимикачі на напруги від 6 до 20 кВ, що застосовуються в ланцюгах електричних машин (генераторів, синхронних компенсаторів, потужних електродвигунів) і призначені для пропускання та комутацій струму в нормальних умовах, а також у пускових режимах та при коротких замиканнях . Відрізняються, як правило, великими значеннями номінального струму (до 10000А) та струму відключення.
  • Вимикачі на напругу від 6 до 220 кВ для електротермічних установок, що застосовуються в ланцюгах великих електротермічних установок (наприклад, сталеплавильних, руднотермічних та інших печей) та призначені для пропускання та комутацій струму в нормальних умовах, а також у різних експлуатаційних режимах та при коротких замиканнях.
  • Вимикачі навантаження - вимикачі, призначені для комутацій під номінальним струмом, але не розраховані на розрив надструмів. Застосовуються в мережах 3-10 кВ із ізольованою нейтраллю для комутації невеликих навантажень – до кількох мегавольт-ампер.
  • Реклоузери підвісні секційні дистанційно керовані вимикачі, забезпечені захистом і встановлювані на опорах повітряних ЛЕП.
  • Вимикачіспеціального призначення.

На вигляд установки

  • Опорні, тобто такі, що мають основну ізоляцію на землю опорного типу.
  • Підвісні, тобто мають основну ізоляцію на землю підвісного типу.
  • Настінні, тобто укріплені на стінах закритих розподільчих пристроїв.
  • Викочування, тобто мають пристрої для викочування з осередків розподільних пристроїв (для обслуговування, ремонту і для створення т.зв. "видимого розриву" при роботах на лініях).
  • Вбудовувані у комплектні розподільні пристрої (КРУ).

Загальний пристрій та принцип дії високовольтних вимикачів

Повітряний вимикач

У повітряних вимикачах (ВВ) енергія стиснутого повітря використовується і як рушійна сила, що переміщає контакти, і як середовище, що дугогасить. Принцип дії дугогасного пристрою (ВР) полягає в тому, що дуга, що утворюється між контактами, піддається інтенсивному охолодженню потоком стисненого повітря, що витікає в атмосферу. При проходженні струму через нуль температура дуги знижується і опір проміжку збільшується. Одночасно відбувається механічне руйнування дугового стовпа та винесення заряджених частинок із проміжку.

Повітряні вимикачі конструктивно поділяються на:

  • Вимикач із відкритим відділом
  • Вимикач із газонаповненим відділом
  • Вимикач із камерами у баку із стисненим повітрям

Елегазовий силовий вимикач

Ізолюючим і гасить середовищем вимикачів служить гексафторид сірки SF6 (елегаз). Вимикачі є триполюсним апаратом, полюси якого мають одну (загальну) раму і управляються одним приводом, або кожен з трьох полюсів вимикачів має власну рамуі управляється своїм приводом (вимикач із пополюсним керуванням).

Принцип роботи апаратів заснований на гасінні електричної дуги (що виникає між контактами, що розходяться при відключенні струму) потоком елегаза.

Джерел виникнення потоку газу - два:

  • підвищення тиску в одній із заповнених газом порожнин дугогасного пристрою, обумовлене зменшенням її замкнутого об'єму, можливість закінчення газу з якої в зону розходження дугогасних контактів з'являється безпосередньо перед їх розмиканням;
  • підвищення тиску газу цієї ж порожнини внаслідок його розширення під впливом теплової енергії самої електричної дуги.

Перше джерело переважає при відключенні малих струмів, а друге - великих.

Полюс вимикача

Колонкове виконання. Полюс є вертикальною колоною, що складається з двох (і більше) ізоляторів, у верхньому з яких розміщено дугогасний пристрій (ДК), а нижній служить опорою ДК і забезпечує йому необхідну ізоляційну відстань від заземленої рами. Усередині опорного ізолятора розміщена ізоляційна штанга, що з'єднує рухомий контакт дистанційного керування з приводною системою апарату.

Бакове виконання. Полюс являє собою металевий циліндричний бак, на якому встановлені два ізолятори, що утворюють високовольтні введення вимикача. ДК в такому вимикачі розміщено в заземленому металевому корпусі.

Комбіноване виконання. Полюс являє собою металевий корпус у вигляді сфери, на якому встановлені фарфорові ізолятори, що утворюють високовольтні вводи вимикача, в одному з яких розміщено дугогасний пристрій, а в іншому - вбудовані трансформатори струму.

У верхній частині ізолятора зазвичайвстановлюється фільтр - поглинач вологи та продуктів розкладання елегазу під дією електричної дуги. Фільтруючим елементом у ньому служить активований адсорбент – синтетичний цеоліт NAX.

Також на всіх сучасних вимикачах встановлений запобіжний клапан - пристрій з тонкостінною мембраною, що розривається при тиску, що виникає при внутрішньому короткому замиканні, але не досягає значення, при якому випробовуються власне ізолятори.

Дугогасний пристрій

Дугогасний пристрій призначений забезпечувати швидке гасіння електричної дуги, що утворюється між контактами вимикача при розмиканні. Розробка раціональної та надійної конструкції дугогасного пристрою представляє значні труднощі, оскільки процеси, що відбуваються при гасінні електричної дуги, надзвичайно складні, недостатньо вивчені та обумовлюються багатьма факторами, передбачити які заздалегідь не завжди є можливим. Тому остаточна розробка дугогасного пристрою може вважатися завершеною лише після експериментальної перевірки.

Сучасні вимикачі оснащені пристроєм дугогасіння автокомпресійного типу, які демонструють свої розрахункові переваги при відключенні великих струмів.

ДУ містить нерухому і рухливу контактні системи, у кожній з яких є головні контакти та забезпечені елементами з дугостійкого матеріалу дугогасні контакти. Головний контакт нерухомої системи та дугогасний рухомий - розеткового типу, а головний контакт рухомої системи та дугогасний нерухомий - штирьові.

Рухлива система містить, крім головного та дугогасного контактів, пов'язану з струмовим виведенням ДУ нерухому струмоведучу гільзу; поршневепристрій, що створює при відключенні підвищений тиск у підпоршневій порожнині, і два фторопластових сопла (велике та мале), які направляють потоки газу із зони підвищеного тиску в зону розходження дугогасних контактів. Велике сопло, крім того, перешкоджає радіальному зміщенню контактів рухомої системи щодо нерухомої контактів, оскільки ніколи не виходить з напрямної втулки головного нерухомого контакту.

Головний контакт рухомої системи являє собою ступінчасту мідну гільзу, вузька частина якої адаптована до входу в розетковий головний контакт нерухомої системи, а широка частина має два струмки, в яких розміщені струмознімальні (замкнуті дротяні) спіралі, що постійно знаходяться в контакті з нерухомою струмопровідною, що охоплює їх гіль. .

Газова система

Газова система апаратів включає:

  • клапани автономної герметизації (КАГ) та заправки колон;
  • колектор, що забезпечує під час роботи апарату зв'язок газових порожнин колон між собою та з сигналізатором зміни щільності елегазу;
  • сам сигналізатор, що є стрілочним електроконтактним манометром з пристроєм температурної компенсації, що приводить показання до величини тиску при температурі 20ºС;
  • сполучні трубки з ніпелями та ущільненнями.

Сигналізатор зміни щільності елегазу (датчик густини) має три пари контактів, одна з яких, що замикається при значному зниженні щільності елегазу через його витік, призначена для подачі сигналу (наприклад, світлового) про необхідність дозаправки колон, а дві інших, що розмикаються при неприпустимому падіння щільності елегазу, призначені для блокування управління вимикачем або для автоматичноговідключення апарата з одночасним блокуванням включення (що визначається проектом підстанції).

Приводи вимикачів забезпечують керування вимикачем — увімкнення, утримання увімкненого положення та відключення. Вал приводу з'єднують з валом вимикача системою важелів та тяг. Привід вимикача повинен забезпечувати необхідну надійність та швидкість роботи, а при електричному керуванні – найменше споживання електроенергії.

У елегазових вимикачах застосовують два типи приводів:

  • Пружинний привід:
  • акумулятором енергії є комплект гвинтових циліндричних пружин.
  • керуючим органом є кінематична система важелів, кулачків та валів.
  • Пружинно-гідравлічний привід:
  • акумулятором енергії є комплект тарілчастих пружин
  • керуючим органом є гідросистема.

    • Вимоги до вимикачів

    Вимоги до вимикачів полягають у наступному:

    • надійність у роботі та безпека для оточуючих;
    • можливий малий час відключення;
    • по можливості малі габарити та маса;
    • простота монтажу;
    • безшумність роботи;
    • порівняно невисока вартість.

    Вимикачі, що застосовуються в даний час, відповідають перерахованим вимогам більшою або меншою мірою. Однак конструктори вимикачів прагнуть більш повної відповідності характеристик вимикачів висунутим вище вимогам.

    Вимога надійності одна із найважливіших вимог, оскільки від надійності вимикачів залежить надійність роботи енергосистеми, отже, і надійність електропостачання споживачів. Термін служби вимикача становить не менше 20років.

    Вимогу швидкодії слід розуміти як можливий малий час відключення ланцюга при КЗ. Час відключення обчислюється від моменту подачі команди на відключення до згасання дуги у всіх полюсах. Приблизно до 1940р. час відключення вимикачів напругою 110 кВ та вище становило 8-10 періодів. Пізніше цей час було зменшено до 6 та 4 періодів. Нині більшість вимикачів 110 кВ і від мають час відключення 2 періоду. За кордоном збудовані одноперіодні вимикачі (20 мс).

    Зменшення часу відключення КЗ (наприклад, від 4 до 2 періодів) дуже бажано з таких міркувань:

    • збільшується запас стійкості паралельної роботи станцій системи, отже, збільшується пропускна спроможність ліній передачі;
    • зменшуються пошкодження ізоляторів та проводів ліній електричною дугою;
    • зменшується небезпека дотику до заземлених частин РУ;
    • зменшуються механічні напруги в елементах обладнання, викликані електродинамічних сил.

    Вартість одноперіодних вимикачів значно вища за вартість двохперіодних, проте додаткові капіталовкладення компенсуються збільшенням потужності, що передається по лінії. Одноперіодні вимикачі необхідні також для струмообмежувальних пристроїв, які отримали останнім часом.