Łączniki wysokiego napięcia: klasyfikacja, urządzenie, zasada działania

Wymagania dotyczące przełączników są następujące:

1) rzetelność w pracy i bezpieczeństwo innych;

2) szybka reakcja — możliwie krótki czas wyłączenia;

3) łatwość konserwacji;

4) łatwość instalacji;

5) cicha praca;

6) stosunkowo niski koszt.

Stosowane obecnie wyłączniki spełniają w mniejszym lub większym stopniu wymienione wymagania. Projektanci wyłączników dążą jednak do lepszego dopasowania charakterystyk wyłącznika do powyższych wymagań.

Przełączniki olejowe

Istnieją dwa rodzaje przełączników oleju — zbiornik i niski poziom oleju. Metody dejonizacji przestrzeni łukowej w tych kluczach są takie same. Jedyna różnica polega na izolacji układu stykowego od podłoża oraz ilości oleju.

Do niedawna działały zbiorniki do zbiorników typu: VM-35, S-35, a także przełączniki serii U o napięciach od 35 do 220 kV. Przełączniki zbiornikowe przeznaczone są do montażu zewnętrznego, obecnie nie produkowane.

Główne wady przełączników czołgów: wybuch i pożar; konieczność okresowego monitorowania stanu i poziomu oleju w zbiorniku i wlotach; duża ilość ropy, co prowadzi do dużej inwestycji czasu na jej wymianę, potrzeba dużych rezerw ropy; nie nadaje się do instalacji w pomieszczeniach.

Przełączniki niskiego poziomu oleju

Przełączniki niskiego poziomu oleju (typ garnkowy) są szeroko stosowane w rozdzielnicach zamkniętych i otwartych wszystkie napięcia. Olej w tych przełącznikach służy głównie jako medium iskrzące i tylko częściowo jako izolacja między otwartymi stykami.

Izolacja części pod napięciem od siebie i od uziemionych konstrukcji jest wykonywana za pomocą porcelany lub innych stałych materiałów izolacyjnych. Styki przełączników do montażu wewnętrznego znajdują się w stalowym zbiorniku (garnku), dlatego zachowana jest nazwa przełączników „typu garnkowego”.

Wyłączniki niskoolejowe o napięciu 35 kV i wyższym mają korpus porcelanowy. Najczęściej stosowane są zawieszki typu 6-10 kV (VMG-10, VMP-10). W tych wyłącznikach korpus jest zamocowany na izolatorach porcelanowych do wspólnej ramy dla trzech biegunów. Każdy biegun ma jedną przerwę stykową i komorę łukową.

Schematy konstrukcyjne wyłączników niskiego poziomu oleju 1 — styk ruchomy; 2 — komora łukowa; 3 — styk stały; 4 — kontakty robocze

Przy dużych prądach znamionowych trudno jest pracować z jedną parą styków (działających jako styki robocze i opalne), dlatego styki robocze znajdują się na zewnątrz wyłącznika, a styki opalne znajdują się w metalowym zbiorniku. Przy dużych prądach wyłączania na każdym biegunie występują dwa wyładowania łukowe. Zgodnie z tym schematem przełączniki serii MGG i MG są wykonane dla napięć do 20 kV włącznie.Masywne zewnętrzne styki robocze 4 umożliwiają zaprojektowanie wyłącznika na wysokie prądy znamionowe (do 9500 A). Dla napięć 35 kV i wyższych korpus łącznika wykonany jest z porcelany, seria VMK to łącznik kolumnowy z niskim poziomem oleju). W automatycznych wyłącznikach 35, 110 kV przewidziana jest jedna przerwa na biegun, przy wysokim napięciu - dwie lub więcej przerw.

Wady przełączników niskiego poziomu oleju: ryzyko wybuchu i pożaru, chociaż znacznie mniejsze niż w przypadku przełączników zbiornikowych; niemożność wdrożenia szybkiego automatycznego zamykania; konieczność okresowej kontroli, uzupełniania, stosunkowo częstej wymiany oleju w zbiornikach łukowych; trudność w instalacji wbudowanych przekładników prądowych; stosunkowo niska zdolność łamania.

Obszarem zastosowania wyłączników niskoolejowych są rozdzielnice zamknięte elektrowni i stacji 6, 10, 20, 35 i 110 kV, rozdzielnice kompletne 6, 10 i 35 kV oraz rozdzielnice otwarte 35 i 110 kV.

Zobacz tutaj, aby uzyskać więcej informacji: Rodzaje przełączników olejowych

Przełączniki powietrza

Wyłączniki powietrzne na napięcia 35 kV i wyższe przeznaczone są do wyłączania dużych prądów zwarciowych. Powietrze jest włączane napięciem 15 kV jest wykorzystywane w elektrowniach jako generator. Ich zalety to: szybka reakcja, duża zdolność wyłączania, niewielkie spalanie styków, brak drogich i niewystarczająco niezawodnych przepustów, bezpieczeństwo przeciwpożarowe, mniejsza waga w porównaniu do wyłączników olejowych w zbiorniku. Wady: obecność uciążliwej ekonomii powietrza, niebezpieczeństwo wybuchu, brak wbudowanych przekładników prądowych, złożoność urządzenia i obsługi.

W wyłącznikach pneumatycznych łuk gasi się sprężonym powietrzem o ciśnieniu 2-4 MPa, a izolację części czynnych i urządzenia do gaszenia łuku wykonuje się z porcelany lub innych stałych materiałów izolacyjnych. Schematy konstrukcyjne łączników pneumatycznych są różne i zależą od ich napięcia znamionowego, sposobu wykonania szczeliny izolacyjnej między stykami w pozycji wyłączonej oraz sposobu doprowadzenia sprężonego powietrza do urządzenia gaszącego łuk.

Wyłączniki o wysokich wartościach znamionowych mają obwód główny i obwód łukowy podobny do wyłączników niskoolejowych MG i MGG. Główna część prądu w pozycji zamkniętej przełącznika przechodzi przez główne styki 4, które są otwarte. Po wyłączeniu wyłącznika najpierw otwierają się styki główne, następnie cały prąd przepływa przez styki łukowe zwarte w komorze 2. Podczas otwierania tych styków do komory doprowadzane jest sprężone powietrze ze zbiornika 1, powstaje silny podmuch gaszący łuk. Dmuchanie może być podłużne lub poprzeczne.

Niezbędna przerwa izolacyjna między stykami w pozycji otwartej jest tworzona w komorze łukowej poprzez oddzielenie styków na odpowiednią odległość. Rozłączniki wykonane według projektu z otwartym separatorem produkowane są do instalacji wnętrzowych na napięcia 15 i 20 kV i prądy do 20 000 A (seria VVG). Przy tego typu wyłącznikach po odłączeniu separatora 5 następuje zatrzymanie dopływu sprężonego powietrza do komór i zwarcie styków oparzeń.

Schematy budowy łączników powietrza 1 — zbiornik na sprężone powietrze; 2 — komora łukowa; 3 — rezystor bocznikujący; 4 — główne kontakty; 5 — rozdzielacz; 6 — pojemnościowy dzielnik napięcia dla 110 kV — dwie przerwy na fazę (d)

W wyłącznikach powietrznych do instalacji otwartej na napięcie 35 kV (VV-35) wystarczy jedno przerwanie na fazę.

W przełącznikach o napięciu 110 kV i większym po wygaśnięciu łuku styki separatora 5 otwierają się, a komora separatora pozostaje cały czas wypełniona sprężonym powietrzem w pozycji wyłączonej. W takim przypadku sprężone powietrze nie jest dostarczane do komory łukowej, a styki w niej są zwarte.

Zgodnie z tym schematem konstrukcyjnym tworzone są wyłączniki serii VV dla napięć do 500 kV. Im wyższe napięcie znamionowe i wyższa moc graniczna, tym więcej przerw musi być w komorze łukowej iw separatorze.

Wyłączniki pneumatyczne serii VVB są wykonane zgodnie ze schematem konstrukcyjnym na ryc. D. Napięcie modułu VVB wynosi 110 kV przy ciśnieniu sprężonego powietrza w komorze gaśniczej 2 MPa. Napięcie znamionowe modułu wyłącznika VVBK (duży moduł) wynosi 220 kV, a ciśnienie powietrza w komorze gaszenia wynosi 4 MPa. Wyłączniki serii VNV mają podobny schemat konstrukcyjny: moduł o napięciu 220 kV przy ciśnieniu 4 MPa.

Dla wyłączników serii VVB liczba komór łukowych (modułów) zależy od napięcia (110 kV — jeden; 220 kV — dwa; 330 kV — cztery; 500 kV — sześć; 750 kV — osiem), a dla dużych moduły wyłączników (VVBK, VNV), moduły o numerach odpowiednio dwukrotnie mniejszych.

Wyłączniki automatyczne SF6

Gaz SF6 (SF6 — sześciofluorek siarki) jest gazem obojętnym o gęstości 5 razy większej niż powietrze. Wytrzymałość elektryczna gazu SF6 jest 2-3 razy większa niż siła powietrza; przy ciśnieniu 0,2 MPa wytrzymałość dielektryczna gazu SF6 jest porównywalna z ropą naftową.

W gazie SF6 pod ciśnieniem atmosferycznym łuk można zgasić prądem 100 razy większym niż prąd przerywany w powietrzu w tych samych warunkach. Wyjątkową zdolność gazu SF6 do gaszenia łuku tłumaczy się tym, że jego cząsteczki wychwytują elektrony kolumny łuku i tworzą stosunkowo nieruchome jony ujemne. Utrata elektronów powoduje, że łuk jest niestabilny i łatwo gaśnie. W przepływie gazu SF6, czyli podczas strumieniowania gazu, absorpcja elektronów z kolumny łukowej jest jeszcze bardziej intensywna.

Wyłączniki SF6 wykorzystują autopneumatyczne (samosprężające) urządzenia do gaszenia łuku, w których gaz jest sprężany przez urządzenie tłokowe podczas wyzwalania i kierowany do obszaru łuku. Wyłącznik SF6 jest systemem zamkniętym bez emisji gazów na zewnątrz.

Obecnie wyłączniki SF6 są stosowane dla wszystkich klas napięć (6-750 kV) przy ciśnieniu 0,15 — 0,6 MPa. Podwyższone ciśnienie stosuje się do przełączników o wyższych klasach napięciowych. Dobrze sprawdziły się wyłączniki SF6 następujących firm zagranicznych: ALSTOM; SIEMENS; Merlina Guerina i innych. Produkcja nowoczesnych wyłączników SF6 PO «Uralelectrotyazmash» jest opanowana: wyłączniki zbiornikowe serii VEB, VGB i przełączniki kolumnowe serii VGT, VGU.

Jako przykład rozważmy projekt wyłącznika LF 6-10 kV firmy Merlin Gerin.

Podstawowy model wyłącznika składa się z następujących elementów:

— korpus wyłącznika, w którym znajdują się wszystkie trzy bieguny, reprezentujący „naczynie ciśnieniowe”, wypełnione gazem SF6 pod niskim ciśnieniem (0,15 MPa lub 1,5 atm);

— napęd mechaniczny typu RI;

— przedni panel siłownika z dźwignią ręcznego napinania sprężyny oraz wskaźnikami stanu sprężyny i wyłącznika;

— pola stykowe do zasilania wysokonapięciowego;

— złącze wielostykowe do podłączenia wtórnych obwodów przełączających.

Wyłączniki próżniowe

Wytrzymałość dielektryczna próżni jest znacznie wyższa niż innych mediów stosowanych w wyłącznikach automatycznych. Wyjaśnia to wzrost średniej drogi swobodnej elektronów, atomów, jonów i cząsteczek wraz ze spadkiem ciśnienia. W próżni średnia droga swobodna cząstek przekracza wymiary komory próżniowej.

Odzyskiwanie wytrzymałości dielektrycznej szczeliny 1/4" po odcięciu prądu 1600 A w próżni i różnych gazach pod ciśnieniem atmosferycznym

W tych warunkach zderzenia cząstek ze ścianami komory występują znacznie częściej niż zderzenia cząstek z cząstkami. Rysunek pokazuje zależność napięcia przebicia próżni i powietrza od odległości między elektrodami o średnicy 3/8 « wolframu. Przy tak dużej wytrzymałości dielektrycznej odległość między stykami może być bardzo mała (2 — 2,5 cm), więc wymiary komory mogą być również stosunkowo małe...

Proces przywracania wytrzymałości elektrycznej szczeliny między stykami po wyłączeniu prądu zachodzi w próżni znacznie szybciej niż w gazach.Poziom próżni (resztkowe ciśnienie gazu) w nowoczesnych przemysłowych kanałach łukowych wynosi zwykle Pa. Zgodnie z teorią wytrzymałości elektrycznej gazów wymagane właściwości izolacyjne szczeliny próżniowej są osiągane również przy niższych poziomach próżni (rzędu Pa), ale przy obecnym poziomie techniki próżniowej tworzenie i utrzymywanie Poziom Pa przez cały okres eksploatacji komory próżniowej nie stanowi problemu.Zapewnia to komorom próżniowym rezerwy wytrzymałości elektrycznej na cały okres użytkowania (20-30 lat).

Typowa konstrukcja wyłącznika próżniowego jest pokazana na rysunku.

Schemat blokowy przerywacza próżni

Konstrukcja komory próżniowej składa się z pary styków (4; 5), z których jeden jest ruchomy (5), zamkniętych w próżnioszczelnej obudowie zespawanej ceramicznymi lub szklanymi izolatorami (3; 7), górnej i dolnej metalowej osłony (2; 8) ) i metalową osłonę (6). Ruch styku ruchomego względem nieruchomego zapewnia tuleja (9). Kable kamery (1; 10) służą do podłączenia jej do obwodu wyłącznika głównego.

Należy zauważyć, że do produkcji obudowy komory próżniowej stosuje się tylko specjalne metale odporne na próżnię, oczyszczone z rozpuszczonych gazów, miedzi i specjalnych stopów, a także specjalną ceramikę. Styki komory próżniowej wykonane są z kompozycji metalowo-ceramicznej (z reguły jest to miedź-chrom w stosunku 50%-50% lub 70%-30%), co zapewnia wysoką zdolność wyłączania, odporność na zużycie i zapobiega pojawianiu się punktów spawania na powierzchni styku. Cylindryczne izolatory ceramiczne wraz ze szczeliną próżniową przy otwartych stykach zapewniają izolację między zaciskami komory, gdy wyłącznik jest wyłączony.

Tavrida-electric wypuściła nowy wyłącznik próżniowy z zamkiem magnetycznym. Jego konstrukcja opiera się na zasadzie wyrównania elektromagnesu napędowego i wyłącznika próżniowego w każdym biegunie wyłącznika.

Przełącznik zamyka się w następującej kolejności.

W stanie początkowym styki komory przerywacza próżni są otwarte w wyniku działania na nie sprężyny zamykającej 7 przez izolator ciągnący 5. Po przyłożeniu napięcia o biegunowości dodatniej do cewki 9 elektromagnesu strumień magnetyczny gromadzi się w szczelinie układu magnetycznego.

W momencie, gdy siła ściskająca zwory wytwarzana przez strumień magnetyczny przekracza siłę sprężyny oporowej 7, zwora 11 elektromagnesu wraz z izolatorem trakcyjnym 5 i ruchomym stykiem 3 komory próżniowej zaczyna się poruszać w górę, ściskając sprężynę w celu zatrzymania. W tym przypadku w uzwojeniu występuje pole elektromagnetyczne silnika, które zapobiega dalszemu wzrostowi prądu, a nawet nieco go zmniejsza.

W trakcie ruchu zwora nabiera prędkości około 1 m / s, co pozwala uniknąć wstępnego uszkodzenia podczas włączania i eliminuje odbijanie styków VDK. Gdy styki komory próżniowej są zamknięte, w układzie magnetycznym pozostaje dodatkowa szczelina kompresyjna o szerokości 2 mm. Prędkość twornika gwałtownie spada, ponieważ musi on również pokonać siłę sprężyny dodatkowego napięcia wstępnego styku 6. Jednak pod wpływem siły wytwarzanej przez strumień magnetyczny i bezwładność twornik 11 nadal porusza się w górę, ściśnięcie sprężyny do ogranicznika 7 i dodatkowej sprężyny do wstępnego obciążenia styków 6.

W momencie zamknięcia układu magnetycznego zwora styka się z górną pokrywą napędu 8 i zatrzymuje się. Po procesie zamykania prąd do cewki napędowej jest wyłączany. Przełącznik pozostaje w pozycji zamkniętej z powodu indukcji szczątkowej wytworzonej przez magnes stały w pierścieniu 10, który utrzymuje zworę 11 w położeniu wyciągniętym do górnej pokrywy 8 bez dodatkowego zasilania prądem.

Aby otworzyć przełącznik, należy przyłożyć napięcie ujemne do zacisków cewki.

Obecnie wyłączniki próżniowe stały się dominującymi urządzeniami dla sieci elektrycznych o napięciu 6-36 kV. Tym samym udział wyłączników próżniowych w ogólnej liczbie produkowanych urządzeń w Europie i USA sięga 70%, w Japonii - 100%. W Rosji w ostatnich latach udział ten wykazywał stałą tendencję wzrostową, aw 1997 r. przekroczył granicę 50%. Głównymi zaletami materiałów wybuchowych (w porównaniu do przełączników naftowych i gazowych), które decydują o wzroście ich udziału w rynku są:

— wyższa niezawodność;

— niższe koszty utrzymania.
Zobacz też: Wysokonapięciowe wyłączniki próżniowe — konstrukcja i zasada działania