Вимоги до вимикачів та їх класифікація

Вимикач – це найбільш відповідальний апарат високовольтної системи.

При відмові роботи вимикача розвивається аварія і руйнування, матеріальні затрати зв’язані із недодачею енергії, зупинки подачі енергії. Тому основна вимога до вимикачів – їх надійність у всіх експлуатаційних режимах.

Крім того:

1 – вимикачі повинні спрацьовувати за мінімально короткий час, щоб забезпечити надійність ізоляції при перенапругах;

2 – виведення вимикача з робочого стану для ремонту і ревізії зв’язані з великими труднощами. У зв’язку з цим вимикач повинен допускати найбільш можливу кількість вимикання короткого замикання без ревізії і ремонту. Сучасні вимикачі витримують до 10 коротких замикань без ревізії.

3 – вимикання не повинно супроводжуватись викидом полум’я і розжарених газів, що може призвести до перекриття ізоляції розподільних пристроїв.

Вимикачі класифікуються кількома способами:

1. по їх методу гасіння дуги;

2. по виду ізоляції струмоведучих частин між собою і на землю;

3. по принципах, закладених в конструкцію дугогасильного пристрою.

Основна найважливіша із класифікацій – по способу гасіння дуги – вона дозволяє виділити наступні групи вимикачів:

1) повітряні вимикачі із відкритим відокремлювачем. В них гасіння дуги здійснюється потоком стиснутого повітря, що отримується від спец джерела (є декілька модифікацій);

2) масляні вимикачі. Гасіння відбувається в маслі. Вони поділяються на бакові з великим об’ємом масла і маломасляні, в яких масло використовується тільки для гасіння дуги. В той час як в бакових вимикачах масло застосовують ще й для ізоляції від землі;

3) електромагнітні. Гасіння дуги здійснюється за рахунок магнітного дуття в різного роду камерах;

4) автогазові. Гасіння дуги здійснюється за допомогою газів, що виділяються із стінок камери;

5) вимикачі із стиснутим елегазом. Газ, що застосовується для гасіння дуги – чиста фториста сірка SF ₆;

6) вакуумні вимикачі. Гасіння дуги відбувається в вакуумі, відсутнє окислення контактів.

Кожен із типів має свої особливості, плюси і мінуси. Найбільш широко використовуються масляні вимикачі. Вони охоплюють діапазон напруг до 20 кВ і практично забезпечують в усьому цьому діапазоні напруг надійне вимикання. Вони – надійні і дешеві.

Повітряні мають ту особливість, що стиснуте повітря в дугогасильній системі має тиск до 4 МПа (при чому нормальний тиск 10⁵Па).

Електромагнітні вимикачі можуть забезпечити без ревізії і ремонту при струмі I = 3600 А 5×10³ комутаційних числа. Тому вони застосовуються при великій частоті операцій.

Особливості високовольтних вимикачів

Масляні вимикачі

Принцип роботи масляного вимикача

В масляних вимикачах дуга, що утворюється між контактами, горить в трансформаторному маслі. Розрізняють бакові масляні і маломасляні вимикачі.

Під дією енергії дуги масло розкладається, гази і пари, що утворюються при цьому, використовуються для гасіння.

Бакові масляні і маломасляні вимикачі відрізняються між собою тим, що в перших струмоведучі частини ізолюються між собою і від землі за допомогою масла, що знаходиться в масляному баці, з’єднаному із землею.

1 – стальний бак;

2 – ізолятори;

3 – дугогасильна камера;

4 – ізоляція баку.

В маломасляних вимикачах ізоляція струмоведучих частин від землі і між собою здійснюється за допомогою твердих діелектриків.

Це робиться із метою зменшення габаритів і маси вимикача.

Особливості конструкції масляних бакових і маломасляних вимикачів

Масляні бакові вимикачі – це вимикачі із великим об’ємом масла. Звичайно, бак заповнюється маслом на 2/3. Найбільша потужність масляних бакових вимикачів ~ 25000 МВ·А.

Масляний баковий вимикач складається із дугогасильної системи, контактної системи і привода, що знаходиться зовні вимикача.

Вільний об’єм між камерою і кришкою бака – „повітряна подушка”, – сполучена із атмосферою через газовідвідну трубу. „Повітряна подушка” знижується, що передається на стінки бака при вимиканні, запобігає вибуху при великому тиску.

Найбільш широко в масляних бакових вимикачах застосовують торцеві і розеточні контакти. Один із рухомих контактів роблять полим (пустотілим). Газово-парова суміш, виходячи через нього, створює повздовжнє дуття і гасить дугу. Дугогасильна камера має проміжний контакт і складається з двох напівкамер – верхньої металічної і нижньої – ізоляційної. Зростання потужностей генераторів (500 – 1200 МВт) вимагає вимикачів на струми більше 10 кА. Особливість конструкції цих вимикачів – струмопровід, що має два паралельних контура: основний, контакти якого є відкритими, і дугогасильний, контакти якого розміщені в дугогасильних камерах.

Більша частина струму проходить через основні; при вимиканні спочатку вимикаються основні контакти, дуга на них не виникає.

Бакові масляні вимикачі мають високу надійність, простоту конструкції камер і механізмів, високу механічну міцність елементів.

Це дозволяє їх використовувати в самих найтяжчих умовах. По статистиці надійність цих вимикачів вища повітряних і маломасляних. Їх конструкція дозволяє користуватись вбудованими трансформаторами струму і подільниками ємності. Вони не потребують висококваліфікованих працівників для обслуговування.

Недоліки:

1. великі габарити і маса, зв’язані із великою потребою масла;

2. підвищена вибухо і пожеже небезпека.

В перспективі їх замінять на маломасляні (до 6 – 10 кВ) і елегазові та вакуумні вимикачі (при напрузі 35 – 220 кВ).

Маломасляні вимикачі ВМП – 10 мають контактну систему, ДП і пристрій, що перетворює обертовий рух важелів в поступальний рух контактів, змонтовані у вигляді єдиного блока полюса. Цей блок за допомогою ізоляторів кріпиться до стальної рами. У верхній головці полюса розташовані рухомий контакт і механізм, в нижній – нерухомий розеточний контакт (див. додаток 3).

Дуговий пристрій (ДП) заключено в склоепоксидний циліндр. ДП зібрано із пластин фібри, гетинакса, електрокартону, в яких вирізано отвори, що утворюють канали і полості для гасіння дуги.

Для обмеження тиску при великих струмах і створення необхідного тиску поблизу нульового значення струму – в наявності – спеціальний буфер, в якому повітря стискається і акумулюється енергія. Ця енергія дозволяє біля нуля струму створити тиск, необхідний для гасіння дуги.

При напругах 110, 220 кВ поки що в більшості використовують бакові вимикачі із номінальним струмом вимикання 20 – 40 кА.

В 75% випадків струм короткого замикання не перевищує 20 кА. Тому заміна бакових маломасляними вимикачами може дати великий техніко-економіний ефект.

Конструкція реактора

Найбільш розповсюджені бетонні реактори. Котушки реакторів намотують із багатожильного дроту (рис 22.4). Вертикальні колони виготовлені із бетону (колони-стойки). Після затвердіння бетону реактор інтенсивно сушать у вакуумі і пропитують ізоляційним лаком. Сумарна товщина ізоляції (разом із Х/Б) ~ 1,5 мм. Дріт покривають папером. Товщина шару паперу 0.12 мм. Температура реактора 105 при тривалому режимі. Температура при короткому замиканні не вище 250 Бетонні реактори застосовують на напругах до 35 кВ. Крім бетонних реакторів на напруги вищі 35 кВ застосовують масляні реактори. Масло служить ізолюючим і охолоджуючим середовищем.

Розрядники

Розрядник – це електричний апарат, що служить для запобігання пробою ізоляції при перенапругах. Перенапруги виникають при комутаціях, а також при атмосферних розрядах, як їх наслідок. Вони можуть пробити ізоляцію, оскільки досягають величини в 6-8 раз більшої номінальної напруги.

Щоб запобігти пробою електроізоляції, вона повинна витримувати ці перенапруги. Однак при цьому габаритні розміри устаткування мали б бути надзвичайно великими. Щоб полегшити умови роботи ізоляції, перенапруги обмежують за допомогою розрядників, і ізоляцію устаткування вибирають по цьому обмеженому значенню перенапруги.

Перенапруги поділяють на:

1. внутрішні комутаційні;

2. зовнішні атмосферні.

Комутаційні характеризуються відносно низькою частотою (порядку 1 кГц) і тривалістю до 1с. Атмосферні характеризуються високою частотою, імпульсним характером і тривалістю порядку мкс. При імпульсному характері електрична міцність залежить від форми, амплітуди, тривалості імпульсу. Їх залежність від часу називається вольт-секундною характеристикою (рис. 22.5).

Для розрядника основним елементом є іскровий проміжок. Вольт-секундна характеристика розрядника повинна лежати нижче вольт-секундної характеристики об’єкту, який захищається. При появі перенапруги проміжок повинен пробиватися раніше, ніж ізоляція об’єкта, що захищається. Під час пробою через розрядник протікає імпульс струму, а лінія після пробою розрядника заземлюється через його опір.

Вольт-секундна характеристика розрядника повинна бути максимально пологою, а іскровий проміжок повинен мати гарантовану електричну міцність при промисловій частоті і при імпульсах. Напруга, що лишається на розряднику при протіканні імпульсу струму, називається залишковою. Вона не повинна досягати небезпечних для ізоляції значень. Чим менша ця напруга, тим кращий розрядник.

Розрядники є:

1. трубчасті (із повітряним проміжком всередині). Трубки виготовлені із вініпласта або фібри.

2. Вентильні. Основними елементами якого є вілітові кільця, робочі нелінійні резистори і іскрові проміжки. Іскрові проміжки знаходяться в фарфорових циліндрах. Основа віліта – карборунд SiC. Вілітові станційні розрядники розраховані на 10 кВ.

3. Магнітовентильні, розраховані на номінальні напруги 110 – 500 кВ. В таких розрядниках застосовують магніти, вони мають дугогасильну камеру, блоки нелінійних резисторів з ZnO, із високим коефіцієнтом нелінійності, в порівнянні із вілітом в 4 – 5 разів вищим. Тому їх дугогасильна і пропускна здатність іскрового проміжку є вищими.

Трансформатори струму