Конструкції деяких повітряних вимикачів

Вимикач ВВГ-20 (рис.4.3) - це вимикач з віддільником на відкритому повіт­рі. Він призначений для установки в колах потужних генераторів і розра­хований на силу струму до 20 кА. Головний струмоведучий контур скла­дається з контактних виводів 4 і роз'єднувача 5. Дугогасильний контур скла­дається з двох камер 3 і 8, резисторів 2, віддільника 9. Послідовно з резистором 2 другої камери увімкна допоміжна камера 6 із резистором 7 і іскровим проміжком 10.

 

Рис.4.3.

Повітряний вимикач ВВГ-20:

а - загальний вигляд; б – схема електрична принципова

 

В увімкненому стані основна частина струму проходить по головному контуру.

Вимкнення відбувається в наступному порядку: розмикаються контакти роз'єднувача 5 і весь струм переходить у дугогасильний контур, де в камерах 3 і 8 розмикаються дугогасильні контакти. До цього мо­мен­ту в камери подається стиснене повітря (2 МПа), що створює повздовжнє дуття, у результаті чого дуга гасне через 0,01 с. Струм, що проходить через резистори 2, розривається контактами камери 6, при цьому можливі дві ситуації. Якщо відключається великий струм короткого замикання, а реактивний опір кола значно менше активного опору r₂ резисторів 2, то швидкість відновлення напруги мала і процес вимкнення закінчується гасінням дуги на контактах камери 6.

Якщо вимикається струм у колі з великим індуктивним опором (х > r2), то швидкість відновлення напруги на контактах камери 6 велика. У цьому випадку після гасіння дуги в камері 6 пробивається іскровий проміжок і паралельно контактам включається резистор 7. При наступному переході струму через нуль дуга на іскровому проміжку гаситься потоком повітря.

Останнім вимикається ніж віддільника 9, створюючи оста­точ­ний розрив кола. Після вимкнення віддільника припиняється подача по­віт­­ря в камери 3 і 8 і рухомі контакти під дією пружин повер­таються в увімкнене положення. Повний час вимкнення цього вимикача 0,17с. При ввімкненні спочатку замикається ніж віддільника 9, потім ніж роз'єднувача 5.

Гасильні камери і резистори закріплені на опорних ізоляторах 1. Виконання операцій увімкнення та вимкнення, послідовність роботи окремих вузлів забезпечуються пневматичною системою полюса.

У повітряних вимикачах серії ВВ (ВВН) на напругу 110 кВ і вище замість відкритого віддільника використовується повітрянаповнений (рис. 4.4.а). Дугогасильні камери 1 з шунтом 2 закріплені на порожніх ізоляторах 3. Стиснене повітря подається в камери клапаном 4. Кожний полюс має вісім основних розривів (їхній тип зображений на рис. 4.5, а), увімкних послідовно. Повітрянаповнений віддільник має шість розривів, шунтованих ємностями. Схема роботи такого вимикача показана на рис. 4, б-г. У стадії "б" розмикаються контакти гасильних камер і гаситься потужна дуга. У стадії "в" розходяться контакти віддільника і гаситься дуга зі струмом, обмеженим резистором R. У стадії "г" подача повітря в гасильні камери припиняється, їхні контакти замикаються, а контакти віддільника залишаються розімкнутими.

Вимикачі ВВ (ВВН) на різні напруги мають однотипні дуго­гасильні камери (рис.4.5, а). Кожний елемент складається з порце­ляно­во­го ізолятора, усередині якого знаходяться нерухомий контакт 3 із дуго­з`ємом 2 і рухомий контакт 4, що може переміщатися стисненим по­віт­рям усередині корпуса за допомогою поршневого механізму. Пру­жи­на 8 прагне опустити рухомий контакт униз. Перехід струму з ру­хомого контакту на латунний корпус здійснюється ковзними кон­тактами 5. Внут­рішні порожнини контактів гасильної камери сполучаються з атмо­сфе­рою через вихлопні канали, розташовані усередині фланців ізо­лято­рів 1.

При вимкненні вимикача стиснене повітря подається в камеру, тиск у ній зростає, тому що сполучення з атмосферою немає. Через спеціальні отвори в корпусі 7 механізму рухомого контакту повітря попадає під поршень. Коли тиск на поршень 6 перевершить силу пружини 8, рухомий контакт переміститься вгору на 35...40 мм. Між контактами виникне дуга і для стисненого повітря відкриється вихід в атмосферу через порожні контакти; створиться потужне повздовжнє дуття, яке розтягує дугу і перекидає її на внутрішні неробочі поверхні контактів. При переході струму через нуль дуга гасне. Час гасіння дуги не перевищує 0,02 с. Після гасіння дуги в дугогасильній камері пневматична система керування вимикача відкриває дуттєвий клапан віддільника і подає стиснене повітря в камеру віддільника. Контактами віддільника розривається струм, що проходить через шунтуючі резистори. Призначення цих резисторів двояке:

а) вони знижують швидкість напруги, що відновлюється, і в такий спосіб полегшують процес вимкння;

б) сприяють рівномірному розподілу напруги між розривами.

Пристрій розриву віддільника показаний на рис. 5, б.

Рис. 4.5. Конструктивна схема елемента дугогасильної камери (а) і віддільника (б)

 

Стиснене повітря, що надійшло в елемент віддільника, діє на поршень рухомого контакту 1 і переміщує його вниз. Дуга, що утво­риться, гасне в зоні повздовжнього дуття. Вихлоп відбувається в замк­нутий об'єм 2. У нижньому положенні контакту 1 його поршень упи­рається в гумову прокладку 3, при цьому об'єм елемента гер­метизується. У вимкному положенні контакти знаходяться в се­редовищі стисненого повітря, що дозволяє зменшити габаритні розміри віддільника.

Тиск у камері віддільника при вимкненому положенні його контактів становить 2 МПа. Слідом за вимкненням віддільника при­пиняється подача повітря в дугогасильну камеру і її контакти замикаються.

Для увімкнення вимикача порожнина віддільника сполучається з атмосферою, в результаті рухомий контакт 1 під дією пружин 4 переміщається вверх. Повітряні вимикачі серії ВВ широко застосо­вуються в установках напругою 110...500 кВ. Їхня конструкція пока­зана на рис. 4.2, г і відрізняється при різній напрузі кількістю дуго­гасильних камер і камер повітрянаповненого віддільника. Для вимкнення і гасіння дуги використовується повітря тиском 2 МПа.

У розглянутих вимикачах стиснене повітря з заземленого резер­вуара подається в дугогасильну камеру по ізольованому повітро­проводу або по внутрішній порожнині ізолятора, довжина якого залежить від U_НОМ вимикача. Час на заповнення камери збільшує власний час вимкнення вимикача, при цьому погіршується основний показник - швидкодія.

Швидкодіючі вимикачі відносяться до типу повітрянаповнених, у яких після гасіння дуги контакти розводяться на відстань, яка є достатньою, щоб витримати прикладену напругу. Їх конструктивна схема показана на рис. 4.2,д.

Пристрій і принцип дії таких вимикачів розглянемо на прикладі вимикача ВВБ-110 (вимикач повіт­ряний баковий на 110 кВ), загальний вигляд якого зобра­жений на рис. 4.6. Основний еле­мент вимикача – дуго­гасильний модуль із двома розривами в металевому баці зі стисненим повітрям (2 МПа). При U_HOM = 110 кВ на кожний полюс передбачається один модуль. Дугогасильний пристрій (модуль) розміщений в баці 3, ізольованому від землі за допомогою колони опорних порцелянових ізоляторів 2. Обсяг бака (1500 л) розрахований на дві операції вимкнення. Витрата повітря поповнюється з ресивера 1 і загальностанційної магістралі по ізолюючому воздуховоду. Рівно­мірний розподіл напруги між двома розривами забезпечується за допомогою шунтуючих конденсаторів 4. На фундаменті вимикача розташована шафа керування.

В останніх конструкціях ВВБ-110 передбачений додатковий вер­ти­кальний резервуар на 2300 л. Дугогасильна камера зв'язана з додатковим резервуаром трубою з ізолюючого матеріалу, по якій відбувається постійне підживлення повітрям. Крім того, в ізоляторі проходить друга труба меншого діаметра, по якій подається або ски­дається повітря в про­це­сах увімк­нення і вимк­нення. Ця труба називається імпульс­ною.

На рис. 4.7 умовно показа­ний розріз дуго­гасильної каме­ри вими­кача з елементами елект­­­ропнев­ма­­тичної системи ке­ру­вання (розта­шуван­ня єм­ніс­ного діль­ника 17 та­кож пока­зано умовно). У бак вбудо­вані вводи 6 з епок­сидної смоли, зовніш­ні части­ни яких захи­щені пор­це­­ля­новими по­криш­ками. Не­ру­­хо­­мі кон­такти 7 укріплені на вводах, а рухомі у вигляді ножів 8 на мета­левій траверсі 20, яка, у свою чергу, жорстко з'єднана зі штоком 9. Не­ру­хомі кон­такти з убудо­ваними кон­тактними ламе­лями знахо­дять­ся усере­дині ме­та­левих сопел 10, що на­прав­ляють повіт­ря в про­­цесі вимк­нення до ви­хлоп­ного (дуттєвого) клапану 11. Контактна тра­верса і тарілка дут­тє­вого клапана приводяться в рух поршневими пристроями 12 і 13, дії яких погоджені. Клапани керування порш­невими при­строями роз­та­шовані внизу і заземлені. Основні розриви дуго­га­силь­ного при­строю шун­това­ні резисторами 14 з допоміжними контактами 15 для вимкння супроводжуючого струму. Резистори 14 укріплені в баці на вводах, допоміжні контакти поміщені під резисторами. Клапани 16 керування цими контактами винесені назовні. Ємнісний дільник 17 призначений для рівномірного розподілу напруги між розривами в положенні "вимкнено".

В увімкненому положенні струм від правого нерухомого контакту 7 через рухомий контакт 8 і траверсу 20 проходить на аналогічний лі­вий контакт. При цьому нижня частина фланця сопла 10 закрита дуттєвим клапаном, що роз'єднує порожнину бака з атмосферою.

У процесі вимкнення поршневий пристрій привода піднімає та­рілку дуттєвого клапана 11 і контактну траверсу 20. Спочатку роз­микаються головні контакти 7 і 8 і між ними утворюється дуга. Стис­не­не повітря, що виходить з бака через сопла 10 і дуттєвий клапан, пепе­реміщує дугу на кінці нерухомих контактів 7 і допоміжні електроди 18, захищені від швидкої ерозії дугостійкою керамікою (тут дуга піддається інтенсивному повздовжньому дуттю). Шунтування головних контактів низькоомними резисторами 14 з дугогасильними контактами 15 забез­печує гасіння дуги при першому переході струму через нуль при найвищій швидкості відновлення напруги. Дугогасильні контакти 15 розходяться при­близно через 0,035 с після розмикання головних контактів і дуга супро­воджуючого струму, що виникає між ними, гаситься потоком повітря, що виходить в атмосферу через внутрішні порожнини контактів.

Пі­сля вимкнення дуттєвий клапан закривається і бак знову роз'єднується з атмосферою.

При увімкненні вимикача контактна траверса опускається поршневим пристроєм. Ножі 8 входять у прорізі у верхній.частині сопел і головні контакти замикаються. Попередньо замикаються контакти 15.

У порівнянні з вимикачами, що мають заземлений бак зі стисненим повітрям ця компоновка має наступні переваги:

· вимикаюча здатність вимикача вище за рахунок більш високого тиску (майже в 2 рази) у камері при гасінні;

· тиск можна збільшити з 2 до 4 МПа, що інтенсифікує гасіння дуги;

· порцелянові елементи вимикача не знаходяться під тиском стисненого повітря, що різко підвищує надійність роботи вимикача;

· за рахунок усунення наповнення стисненим повітрям довгих повітропроводів, через які наповнюються камери, збільшується швидкодія вимикача;

· габаритні розміри і маса зменшуються на 20..30%, витрата повітря скорочується в 2-2,5 рази;

· завдяки застосуванню шунтів знижується рівень перенапруг, вимикач може бути зроблений нечутливим до швидкості відновлення напруги;

· повна уніфікація вузлів на всі напруги і можливість розвитку в серію шляхом послідовного з'єднання модулів, підсилюється тільки опорна ізоляція.

Ця серія модернізована за рахунок підвищення тиску до 4 МПа, застосування додаткового дуття через порожній нерухомий контакт і використання пневматичної системи керування. Серія подовжена до напруги 1150 кВ і називається ВВБК.

Серія вимикачів ВНВ розроблена на напругу U_НОМ = 220...1150 кВ і силу струму вимкнення до I_ВИМК = 63 кА. Загальний вигляд дугогасильного модуля на напругу 220 кВ показаний на рис. 4.8. Вимикач на напругу 500 кВ має два модулі, увімкних послідовно, на напругу 750 кВ – 3 і т.д. Опорна ізоляція підсилюється відповідно класу напруги.

Дугогасильний модуль являє собою двохрозривну дугогасильну ка­меру, контактна система якої знаходиться постійно в середовищі стис­нено­го повітря (4 МПа) як в увімкненому, так і у вимкненому положенні. Контакти змонтовані в метале­вому резервуарі, на якому встановлені кон­­тейнери із шун­туючими резисторами і комутуючими їх механізмами, також за­повнені стисненим повітрям. Струмоведучі частини приєднані до кон­такт­ної системи за допо­мо­гою ізолю­ючих вво­­дів. Дуга в камері гасить­ося дво­хстороннім дуттям стис­неним по­віт­рям, що викида­ється через внут­рішні порожнини контактів і вихлопні клапани в атмосферу. Контакти мають дво­хтактний рух: при га­сінні дуги розрив між ними мінімальний, чим за­без­печується інтен­сив­не дуття, пі­сля закінчення гасіння дуги рухомий контакт пере­міщується на мак­симальну відстань, за­безпечуючи необхідну електричну міцність.

На рис. 4.9 схематично показаний один розрив дугогасильного моду­ля вимикача ВНВ на 500 кВ в увімкненому положенні. Вимикання відбувається при спрацьовуванні електромагніта вимкнення 3. Клапан 5 відкриває доступ стисненого повітря із резервуара до поршня 6, який переміщує систему важелів та тяг, внаслідок чого рухомі контакти 13 рухаються по горизонтальній осі модуля назустріч один одному. На рис. 4.9 зображений один (лівий), другий знаходиться в правій частині модуля, яка на рисунку не зображена. Спочатку розмикаються головні робочі контакти 14, потім дугогасильні 15. Дуга виникає між внутрішньою дугостійкою поверхнею рухомого контакту 13 та ламе­лями дугогасильного контакту і потоком стисненого повітря з камери здувається на рухоме сопло 12. Через те, що внутрішні порожнини контактів сполучені з вихлопною порожниною 16 і через неї з атмо­сферою, створюється потужне дуття і дуга гасне. Після закінчення гасіння дуги рухомий контакт переміщується на максимальну відстань і ховається за електростатичний екран 11. Разом з рухом тяги 9 униз пере­міщується шток 19, який своїм виступом діє на важіль, що відкри­ває оперативний клапан 21. Повітря під поршнем 22 викидається в атмосферу, сам поршень переміщується і рухоме сопло 12 рухається вправо до упору, закриваючи вихлоп повітря в атмосферу. Вихід повіт­ря із нерухомого контакту також закінчується, тому що ви­хлоп­ний клапан 18 перекриває отвір контакту 15.

При вмиканні вимикача спрацьовує електромагніт увімкнення, який відкриває пусковий клапан 7, при цьому порожнина під поршнем 6 сполучається з атмосферою. Під дією вмикаючої пружини 20 шток 19 переміщується уверх, повертаючи поршень 6 у вихідне положення, при цьому важелями 10 рухомі контакти замикаються з нерухомими.

Пневмомеханічний пристрій вимикача ВНВ зменшує власний час вимкнення до 0,02-0,025 с.

Розподіл напруги між дугогасильними розривами здійснюється за допомогою паралельно увімкнених ємностей 3, рис. 4.9.б. При необхід­ності (великих швидкостях відновлюваної напруги) вимикачі можуть шунтуватися резисторами 1. В цьому випадку після гасіння дуги в головному колі на контактах 2 вимикаються допоміжні контакти 4 у середовищі стисненого повітря, розриваючи невеликий струм.

 

Елегазові Вимикачі

Властивості елегаза

Елегаз являє собою з'єднання, що має хімічну формулу SF6. Це безбарвний газ без запаху щільністю 6,52кг/м3 при нормальному атмосферному тиску і температурі 0°С, приблизно в п'ять разів важче повітря. Елегаз містить 21,95% сірки і 78,05% фтору.

Як і вуглекислий газ, при атмосферному тиску елегаз може знаходитися тільки в газоподібному і твердому стані. При тиску 10⁵Па температура переходу з твердого стану в газоподібне (температура сублімації) дорівнює - 63,8°С. При тисках вище 2,28х10⁵Па в залежності від температури елегаз може знаходитися у всіх трьох агрегатних станах. При такому тиску температура точки скраплення дорівнює -50,8°С (для води, вільної від повітря, точка скраплення має місце при температурі +0,01°С и тиску 611Па).

Елегаз може бути зріджений тиском, що дозволяє транспортувати його в балонах у рідиному стані. У порівнянні з повітрям елегаз має такі переваги:

- Електрична міцність у 2,3¸2,5 рази вище, ніж у повітря. При тиску 2х105Па міцність елегаза наближається до міцності трансформаторного масла.

- Висока питома об'ємна теплоємність (майже в 4 рази вище, ніж у повітря) дозволяє збільшити навантаження струмоведучих частин, зменшити масу міді в комутаційному апараті.

- Дугогасна здатність камери подовжнього дуття з елегазом у 5 разів вище, ніж з повітрям.

- Мала напруженість електричного поля в стовпі дуги, завдяки чому різко скорочується знос контактів. Зменшується ефект термо­дина­мічної закупорки сопла. Це дозволяє збільшити відстань між кон­тактами, підвищити напруги на кожному контактному проміж­ку, збіль­шити допустиму швидкість відновлення напруги на про­міжку.

- Елегаз є інертним газом, який не вступає в реакцію з киснем, воднем, слабко розкладається дугою. Сам елегаз не токсичний, хоча деякі його продукти розкладу небезпечні.

До недоліків елегаза варто віднести високу температуру його скраплення. Так при тиску 13,1xl0⁵Па з газоподібного стану в рідке елегаз переходить при температурі 0°С. Це вимагає або підігріву, або використання елегаза при більш низькому тиску. При тиску 3,5х10⁵Па температура скраплення складає мінус 40°С. До недоліків також варто віднести складність і енергозатратність одержання гарних результатів - потрібен елегаз з високою чистотою (без домішок).