ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

Выключатели предназначены для оперативных коммутаций цепей высокого напряжения в номинальном режиме работы и автоматического размыкания цепи в аварийных режимах (перегрузка, к. з.). Автоматическое и достаточно быстрое отключение цепи при коротком замыкании является основной и наиболее ответственной операцией выключателя, предотвращающей повреждение и разрушение дорогостоящего электрооборудования от действия больших токов. Основным фактором, определяющим конструкцию выключателя, является способ дугогашения:

· Масляные выключатели – гашение электрической дуги происходит в масле.

Контакти вимикача розмикаються та замикаються у маслі. Вимикачі з гасінням дуги у об'ємі масла за допомогою поперечного дуття майже повністю домінували у діапазоні середніх (6-35 кв) та високих (110-330 кВ) напруг до 90-х років ХХ століття. У цих вимикачах ефективне гасіння дуги здійснюється за допомогою інтенсивного поперечного (відносно дуги) руху масла під дією сил, що виникають за рахунок енергії самої електричної дуги. В Україні вимикачі даного типу і зараз експлуатуються приблизно на 70% підстанцій середніх напруг. Значна кількість маломасляних вимикачів досі експлуатується на підстанціях 110-330 кВ.

Рисунок 14.3 – Гашение электрической дуги в масле: 1 – рухомий контакт; 2 – камера поперечного дуття; 3 – металеві підпружинені заслінки; 4 – нерухомий розетковий контакт; 5 – бак відмикача.

Различают баковые выключатели с большим объемом масла, где масло служит также изоляцией. В маломасляных выключателях с малым объемом масла в незаземленном баке масло служит только дугогасящей средой. Достоинства – относительная простота конструкции, большая отключающая способность, независимость от атмосферных воздействий. Недостатки – увеличенные габариты и масса, обусловленные большим количеством масла, необходимость в специальном масляном хозяйстве, необходимость специальных ям для стекания и гашения горячего масла.

Численні недоліки: вибухонебезпечність, невисока швидкодія, великі габарити, низький комутаційний ресурс і відмикальна здатність, необхідність проведення профілактичних ремонтів обумовили зняття з виробництва цих апаратів, у тому числі, на підприємствах України.

· Воздушные выключатели – гашение электрической дуги осуществляется потоком сжатого воздуха, получаемого от специального источника.

В вимикачах з газовим дуттям дуга розвивається у потоці газу. якщо переміщення газу забезпечується різницею тиску, що створюється механічними засобами під час операції вимкнення, то його називають вимикачем з одним ступенем тиску стисненого газу. Якщо переміщення забезпечується різницею тиску, яка утворена ще до операції вимкнення, то називають вимикачем з двома ступенями тиску стисненого газу. Конструкція вимикача з гасінням дуги стисненим повітрям показана на рис. 14.4.

а	б

Рисунок 14.4 – Вимикач з повітряним дуттям: а – замкнений стан; б – розімкнений стан під час горіння дуги; 1 – стрижневі рухомі контакти з торцевим контактуванням; 2 – циліндричний отвір в ізоляторі; 3 – грибоподібні пустотілі ізолятори; 4 – підпружинений поршень; 5 – труба для подачі стисненого повітря; 6 - електрична дуга.

Контакти розмикаються за рахунок дії стисненого повітря, а гасіння дуги, що виникає при розходженні контактів, розміщених у двох симетричних дугогасних головках, здійснюється за рахунок подовжнього (по відношенню до дуги) руху повітря, яке інтенсивно охолоджує, отже деіонізує, стовп електричної дуги. Після гасіння дуги подача стисненого повітря припиняється і контакти повертаються у початкове положення. Для того, щоб контакти при цьому не замкнулися, привід вимикача обертає головки на кут 80°, завдяки чому між контактами створюється повітряний проміжок, що дає можливість уникнути застосування спеціальних допоміжних роз’єднувачів, контакти яких з’єднані послідовно з контактами вимикача, і роз’єднують коло одразу після гасіння дуги.

Недостатки – необходимость в сложной дорогой компрессорной установке, резервуара сжатого воздуха со сложной схемой пневматического дутья.

Вимикачі з гасінням дуги стисненим повітрям у ще подекуди застосовуються у мережах 110-500 кВ, де масляні вимикачі майже повністю були витіснені, але і повітряні вимикачі витісняються елегазовими вимикачами, які мають суттєво меші габарити, аніж інші типи вимикачів, не вимагають складних систем стиснення повітря і не потребують автоматично керованих відділювачів.

· Автогазовые выключатели – гашение дуги осуществляется газами, выделяемыми из стенок дугогасительной камеры, под действием высокой температуры дуги. В качестве газогенерирующих материалов используется вулканизированная фибра, мочевиноформальдегидные смолы, органическое стекло.

· Элегазовые выключатели – гашениеэлектрической дуги происходит в среде шестифтористой серы (элегаз). Контакти розмикаються та змикаються в елегазі. Елегазові вимикачі мають багато різновидів, але найбільш досконалими вважаються так звані автокомпресійні вимикачі, основою яких є герметичні камери, заповнені елегазом. Одна з конструкцій камер, що реалізує принцип автокомресійного дугогасіння, показана на рис. 14.5.

а	б	в	г

Рисунок 14.5 – Гасіння дуги в елегазі: а – замкнений стан; б – розімкнені головні контакти, а дугогасні контакти ще у замкненому стані; в – розмикання дугогасних контактів, період горіння дуги в елегазовому середовищі підвищеного тиску; г – розімкнений стан; 1 – ізоляційна герметична оболонка; 2 – монтажний пристрій; 3 – нерухомий дугогасний контакт; 4 – герметизуюча насадка; 5 – рухомий дугогасний контакт; 6 – поршень з отворами для проходу стисненого елегазу в область горіння дуги; 7 – напірна камера; 8 – пружина; 9 – гнучка шина; 10 – монтажний пристрій; 11 – головний шток; 12 – вал; 13 – кривошип; 14 – шатун; 15 – гнучка шина; 16 – нижній вивід головного кола; 17 – важіль; 18 – рухомий головний контакт ножового типу; 19 – нерухомий головний контакт; 20 – верхній вивід головного кола.

За електричною міцністю елегаз має суттєву перевагу над іншими середовищами при високих напругах (понад 200 кВ) і суттєво поступається вакууму у діапазоні середніх напруг. За прогнозами фахівців, у найближчі десятиліття елегазові вимикачі будуть домінувати у діапазоні високих напруг, а їх доля у секторі середніх напруг буде зменшуватися. Вимикачі низької напруги з елегазовими дугогасними пристроями сучасний ринок не пропонує.

Електрична міцність (кВ) пласких проміжків у різних середовищах

· Электромагнитные выключатели – гашение дуги осуществляется при помощи магнитного дутья в различного рода камерах. Выключатели на небольшие токи до 2000А, напряжением всего 6-10 кВ.

· Вакуумные выключатели – гашение электрической дуги в вакууме. Вакуум обладает высокой электрической прочностью и в нем быстро гаснет дуга. Размещение контактов в вакууме исключает их окисление, в результате чего можно применять меньшие контактные нажатия.

Контакти вакуумного вимикача розмикаються та замикаються в оболонці з високим вакуумом. вакуумна дугогасна камера монтується у керамічному кільцеподібному корпусі 3, на торцях якого закріплюються два фланці – упорний 2 та прохідний 8. На упорному фланці закріплено нерухомий контакт 4 з виводом для приєднання зовнішнього кола 1. Рухомий контакт 5 розташовано на виводі 10, який проходить через отвір прохідного фланцю 8. Для забезпечення переміщення рухомого контакту 5 без порушення вакууму у порожнині камери (тиск у вакуумних камерах становить 10 ^-5-10 ^{-7 мм.рт.ст}.) застосовують спеціальну металеву гофровану трубку – сильфон 7. Втулка 9 забезпечує поступальність руху рухомої частини.

При розмиканні контактів 4 та 5 між ними з‘являється електрична дуга, яка утворюється завдяки виділенню парів з контактних електродів. При переході струму через нуль температура електродів і, відповідно, приток парів у міжконтактний проміжок зменшується, пари металів, які існують у міжконтактному проміжку, розсіюються у радіальному напрямі і, оскільки швидкість зростання електричної міцності проміжку є дуже великою (порядку 1-10 кВ/мкс), після переходу струму через нуль дуга знов не виникає. Таким чином, при частоті мережі 50 Гц, час горіння вакуумної дуги зазвичай не перевищує 10 мс. Металевий екран 6 перешкоджає осадженню парів металів на поверхні корпусу при розсіюванні парів у радіальному напрямі при згасанні дуги.

Суттєвим достоїнством вакуумних апаратів є їх висока комутаційна зносостійкість (до 2×10⁶ циклів), яка забезпечується завдяки тому, що енергія у вакуумній дузі набагато менша за енергію дуги у традиційних апаратах (час горіння вакуумної дуги не перевищує 10 мс, а напруга на дузі сумірна з приелектродними падіннями і становить 20-30 В). Іншими достоїнствами вакуумних апаратів є відносно малі габарити цих апаратів, малий міжконтактний зазор, що забезпечує підвищення швидкодії, а також з ізолюванням дуги від оточуючого середовища. Недоліками вакуумних апаратів є їх неспроможність здійснювати комутацію постійного струму, відсутність струмообмежувальних властиво­стей вакуумної дуги.

Суттєвим недоліком вакуумних апаратів є наявність ефекту зрізання струму, який виникає внаслідок того, що при відносно малих струмах (перед переходом через нуль) електродинамічні сили, які стримували ефект дифузії, слабшають, пари металів розсіюються у радіальному напрямі і між контактами швидко встановлюється вакуум (рис. 14.9).

Рисунок 14.9

Ефект зрізання струму призводить до появи комутаційних перенапруг, оскільки енергія, що була накопичена в індуктивностях кола перед моментом зрізання струму практично миттєво перетворюється в електричну енергію відносно малих ємностей кола. Значення перенапруги є тим більшим, чим більшим є струм зрізання. Для зменшення струмів зрізання застосовують композитні контактні матеріали. Зменшенню перенапруг сприяють варисторні обмежувачі перенапруг, які підключають паралельно до об‘єктів (обмотки трансформаторів, двигунів тощо).

У зв’язку з відсутністю струмообмежувальних властивостей при низькій напрузі вакуумні вимикачі застосовуються лише як ввідні багатоамперні апарати. При високих напругах вакуумні вимикачі не застосовуються у зв’язку з виникненням рентгенівського випромінювання.

У діапазоні середніх напруг вакуумні вимикачі поступово витісняють вимикачі інших типів, про що свідчить динаміка ринку вимикачів середніх напруг у Європі. У поточному десятилітті повітряні та масляні вимикачі практично зникли з ринку, а доля елегазових вимикачів складає приблизно 20 %.

Достоинства – небольшие габариты и масса, высокое быстродействие, обусловленные малым рабочим ходом контактов и малым контактным нажатием. Недостаток – сложность создания конструкции, обеспечивающей сохранение высокого вакуума в процессе работы.

Кроме номинального напряжения и тока высоковольтные выключатели характеризуются:

током включения – наибольшее амплитудное значение тока, который выключатель способен включить без сваривания контактов;

предельный ток отключения – ток, который выключатель способен отключить не повреждаясь;

ток динамической устойчивости – максимальное значение тока, который способен пропустить выключатель, не повреждаясь и без электродинамического отброса контактов;

ток термической стойкости, отнесенный к определенной длительности (односекундный, пятисекундный) – ток, который выключатель способен пропустить не повреждаясь;

время отключения.