Воздушные выключатели

В воздушных выключателях гашение дуги происходит сжатым воздухом, а изоляция токоведущих частей и дугогасительного устройства осуществляется фарфором или другими твердыми изолирующими материалами.

Конструктивные схемы воздушных выключателей различны и зависят от их номинального напряжения, способа создания изоляционного промежутка между контактами в отключенном положении и способа подачи сжатого воздуха в дугогасительное устройство.

В выключателях на большие номинальные токи (рис. 4.38, а, б) имеются главный и дугогасительный контуры, как и в маломасляных выключателях МГ и ВГМ. Основная часть тока во включенном положении выключателя проходит по главным контактам 4, расположенным открыто. При отключении выключателя главные контакты размыкаются первыми, после чего весь ток проходит по дугогасительным контактам, заключенным в дугогасительной камере 2. К моменту размыкания этих контактов в камеру подается сжатый воздух из резервуара 1, создается мощное дутье, гасящее дугу. Дутье может быть продольным (см. рис. 4.38, а) или поперечным (см. рис. 4.38, б). Необходимый изоляционный промежуток между контактами в отключенном положении создается в дугогасительной камере путем разведения контактов на достаточное расстояние (см. рис. 4.38, б) или специальным отделителем 5, расположенным открыто (см. рис. 4.38, а). После отключения отделителя 5 прекращается подача сжатого воздуха в камеры и дугогасительные контакты замыкаются. Выключатели, выполненные по такой конструктивной схеме, изготовляются для внутренней установки на напряжение 15 и 20 кВ и ток до 20000 А (серия ВВГ), а также на 35 кВ (ВВЭ-35-20/1600УЗ).

В выключателях для открытой установки дугогасительная камера расположена внутри фарфорового изолятора, причем на напряжение 35 кВ достаточно иметь один разрыв на фазу (рис. 4.38, в), на 110 кВ — два разрыва на фазу (рис. 4.38, г). Различие между этими конструкциями состоит в том, что в выключателе 35 кВ изоляционный промежуток создается в дугогасительной камере 2, а в выключателях напряжением 110 кВ и выше после гашения дуги размыкаются контакты отделителя 5 и камера отделителя остается заполненной сжатым воздухом на все время отключенного положения, при этом в дугогасительную камеру сжатый воздух не подается и контакты в ней замыкаются. По конструктивной схеме рис. 4.38, г созданы выключатели серии ВВ на напряжение до 500 кВ. Чем выше номинальное напряжение и чем больше отключаемая мощность, тем больше разрывов необходимо иметь в дугогасительной камере и в отделителе (на 330 кВ — восемь; на 500 кВ — десять).

В рассмотренных конструкциях воздух подается в дугогасительные камеры из резервуара, расположенного около основания выключателя. Если контактную систему поместить в резервуар сжатого воздуха, изолированный от земли, то скорость гашения дуги значительно увеличится. Такой принцип заложен в основу серии выключателей ВВБ (рис. 4.38, д). В этих выключателях нет отделителя. При отключении выключателя дугогасительная камера 2, являющаяся одновременно резервуаром сжатого воздуха, сообщается с атмосферой через дугьевые клапаны, благодаря чему создается дутье, гасящее дугу. В отключенном положении контакты находятся в среде сжатого воздуха. По такой конструктивной схеме созданы выключатели до 750 кВ. Количество дутогасительных камер (модулей) зависит от напряжения: 110 кВ — одна; 220, 330 кВ — две; 500 кВ — четыре; 750 кВ — шесть (в серии ВВБК).

Рис. 4.38. Конструктивные схемы воздушных выключателей (а — д):

1 — резервуар со сжатым воздухом; 2 — дугогасительная камера; 3 — шунтирующий резистор; 4— главные контакты; 5— отделитель; 6— емкостный делитель напряжения

Для равномерного распределения напряжения по разрывам используют омические 3 и емкостные 6 делители напряжения. Рассмотрим более подробно конструкции некоторых воздушных выключателей.

Воздушный в ы к л ю ч а т е л ь ВВГ-20 предназначен для установки в цепях мощных генераторов и рассчитан на ток до 12500 А, а при обдуве вентиляторами 1 — на 20000 А (рис. 4.39).

Главный токоведущий контур состоит из контактных выводов 4 и разъединителя 5. Дугогасительный контур состоит из двух камер 3 и 8, резисторов 2, отделителя 9. Последовательно с резистором 2 второй камеры включена вспомогательная камера 6 со своим резистором 7 и искровым промежутком. Во включенном положении основная часть тока проходит по главному контуру.

Отключение происходит в следующем порядке: размыкаются контакты разъединителя 5, и весь ток переходит в дугогасительный контур, где размыкаются дугогасительные контакты в камерах 3 и 8 (см. рис. 4.39,б). К этому моменту в камеры подается сжатый воздух (давление 2 МПа), создающий продольное дутье, в результате чего дуга гаснет через 0,01 с. Ток, проходящий через резисторы 2, разрывается контактами вспомогательной камеры 6. При этом возможны два случая. Если выключатель отключает большой ток КЗ, а реактивное сопротивление цепи значительно меньше активного сопротивления шунтирующих резисторов 2, то скорость восстанавливающегося напряжения мала и процесс отключения заканчивается гашением дуги на контактах вспомогательной камеры. Если выключатель отключает ток в цепи с большим индуктивным сопротивлением, которое соизмеримо или больше активного сопротивления резисторов, то скорость восстанавливающегося напряжения на контактах вспомогательной камеры велика. В этом случае после гашения дуги на контактах камеры 6 пробивается искровой промежуток и параллельно контактам включается шунтирующий резистор 7. При последующем переходе тока через нуль дуга на искровом промежутке гасится потоком воздуха.

Последним отключается нож отделителя 9, создавая окончательный разрыв цепи. После отключения отделителя прекращается подача воздуха в камеры 3 и 8 и подвижные контакты под действием пружин возвращаются во включенное положение. Полное время отключения этого выключателя составляет 0,17 с. При включении замыкается сначала нож отделителя 9, а затем нож разъединителя 5.Гасительные камеры, резисторы укреплены на опорных изоляторах.

Выполнение операций включения и отключения, последовательность работы отдельных узлов обеспечиваются пневматической системой полюса. Рассмотренный выключатель не предназначен для АПВ.

В цепях генераторов находят применение специальные выключатели нагрузки (ВНСГ) с U_ном= 15 кВ, рассчитанные на включение генераторов при самосинхронизации О'вкл-115кА) и выдерживающие большие сквозные токи КЗ (/_Пр.с = 480кА). Таким выключателем можно включать и отключать генератор под нагрузкой (I_ном= 12000 А), а также отключать токи КЗ до 31,5 кА. Выключатель ВНСГ компактно встраивается в комплектный токопровод.Гашение дуги осуществляется сжатым воздухом, имеющим давление 0,6 МПа.

В последнее время на энергоблоках 800, 1000 МВт АЭС применяется комплектный аппарат КАГ-24, основной частью которого является выключатель нагрузки, рассчитанный на напряжение 24 кВ, ток 30 кА. Выключатель нагрузки при номинальном давлении воздуха 2 МПа может отключать ток 30 кА и включать ток 75 кА (амплитудное значение). Выключатель нагрузки не предназначен для АПВ и выполнения полного цикла «отключение — включение»: О—180 —ВО—180 —ВО [4.4].

Рис. 4.39. Воздушный выключатель ВВГ-20:

а — общий вид; б — схема электрическая функциональная; 1 — вентилятор обдува; 2 — резистор; 3, 8 — дугогасительные камеры; 4 — контактные выводы; 5 — разъединитель; 6 — вспомогательная камера с резистором 7; 9 — отделитель

Устройство КАГ-24 встраивается в комплектный токопровод генераторного напряжения.

На рис. 4.40 показаны электрическая схема полюса КАГ-24. В состав каждого полюса входят выключатель нагрузки QW, разъединитель QS с одним встроенным заземлителем главной цепи QSG, пять трансформаторов напряжения ТУ типа ЗНОЛ-0,6-24УЗ.

Комплектное устройство КАГ-24 предназначено для оперативных коммутаций и измерений напряжения в цепи главных выводов генераторов 800 и 1000 МВт при нормальном режиме, а также для создания необходимого изоляционного промежутка в отключенном положении и заземления отсоединенного участка. Комплектное устройство имеет блокировки, запрещающие отключение к включение разъединителя OS при включенном выключателе нагрузки QW, отключение и включение заземляющего разъединителя QSG при включенном выключателе QWwm разъединителе QS.

При отключении тока первыми размыкаются главные контакты Q W, ток устремляется по параллельному пути через контакты отделителя QR и дутогасительные контакты SQ1, зашунтированные активным сопротивлением R (15 Ом) для снижения возможных перенапряжений при обрыве тока. После отключения SQ1 ток, ограниченный сопротивлением R, отключается вспомогательными дугогасительными контактами SQ2, а затем отключается отделитель QR и в главной обесточенной цепи разъединитель QS. После отключения отделителя подача воздуха прекращается, и контакты SQ1 и SQ2 под действием своих пружин возвращаются во включенное положение. Собственное время отключения выключателя равно 0,15 с, время отключения разъединителя — 0,25 с.

Рис. 4.40. Выключатель нагрузки генераторный КАГ-24

Выключатель КАГ-24 без ревизии способен произвести 16 операций отключения при токе до 30 кА и 500 операций ВО при токе до 5 кА.

КАГ-24-30/30000УЗ имеет принудительный обдув.

Выключатели нагрузки генераторные значительно увеличивают гибкость и надежность схем блочных ТЭС и АЭС (см. подразд. 5.4, 5.5).

Воздушные выключатели ВВ нашли широкое применение в установках 110 — 500 кВ. Их конструкция соответствует схеме рис. 4.38, г и отличается при разном напряжении количеством дугогасительных камер и камер воздухонаполненного отделителя. Для отключения и гашения дуги в них используется воздух давлением 2 — 4 МПа.

В настоящее время выключатели этой серии постепенно вытесняются более совершенными и быстродействующими выключателями.

Во всех рассмотренных выключателях сжатый воздух из заземленного резервуара подается в дугогасительную камеру по изолированному воздухопроводу или внутренней полости изолятора, длина которых зависит от номинального напряжения выключателя. Время заполнения камеры сжатым воздухом зависит от давления воздуха в резервуаре и от длины воздухопровода. В выключателях 35 и 110 кВ это время составляет 0,003 — 0,005 с, в выключателях 150 — 220 кВ — 0,007 — 0,01 с, в выключателях 330—500 кВ — 0,013 — 0,014 с. Увеличение времени заполнения камеры увеличивает собственное время отключения выключателя, при этом ухудшается основной показатель воздушного выключателя — быстродействие.

Выключатели серии ВВБ (см. рис. 4.38, д) имеют изолированный от земли резервуар сжатого воздуха, внутри которого находится контактная система. Поэтому собственное время отключения этих выключателей сверхвысокого напряжения меньше, чем у выключателей серии ВВ. Давление воздуха в гасительной камере в выключателях ВВ из-за постепенной его подачи к моменту гашения дуги равно примерно половине номинального. В выключателях ВВБ давление воздуха к моменту гашения равно номинальному, поэтому эти выключатели имеют большую мощность отключения.

В настоящее время выключатели серии ВВБ модернизированы. Новые выключатели ВВБК (крупномодульные) работают при давлении воздуха 4 МПа, а в камере гашения дуги, кроме основного дутья, как и в серии ВВБ, имеется дополнительное дутье через неподвижные контакты с продувкой продуктов горения через полые токоведущие стержни вводов. Это позволило увеличить отключаемый ток до 50—56 кА, а количество модулей в полюсе снизить: на 330 кВ вместо четырех модулей (ВВБ) в серии ВВБК — два модуля, на 500 кВ вместо шести модулей — четыре, на 750 кВ вместо восьми — шесть.

На рис. 4.41 показан полюс выключателя ВВБК-220, состоящий из двух дугогасительных модулей 3, расположенных на опорном изоляторе 1. Делительные конденсаторы 4 служат для выравнивания напряжения по разрывам дугогасительных камер в процессе гашения дуги и в отключенном положении.

Рис. 4.41. Полюс воздушного выключателя ВВБК-220:

1 — опорный изолятор; 2 — колонка управления; 3 — дугогасительные модули; 4 — делительные конденсаторы

Рядом с опорным изолятором расположена колонка управления 2, в которой находится стеклопластиковый воздухопровод, постоянно подающий сжатый воздух в камеры 3. Внутри воздухопровода проходит стеклопластиковая тяга, служащая для подачи управляющего воздействия от шкафа управления полюса к блокам управления дугогасительных устройств. Механическая система управления контактами позволила снизить полное время отключения на 0,02 с (НО кВ) и 0,04 с (220 кВ).

На напряжение 750, 1150 кВ ОАО ВО «Электроаппарат» разработаны подвесные выключатели на основе модулей ВВБК.

Выключатель на напряжение 1150 кВ состоит из шести модулей ВВБК, подвешенных на портале. В каждом полуполюсе три модуля, колонна питания сжатым воздухом и колонна управления. В выключателе применена пневмосветовая система управления, которая позволяет уменьшить время отключения выключателя за счет уменьшения времени передачи командного импульса (I_откп._с=0,022с).

Модульный принцип рассмотренной серии позволяет при необходимости быстро заменить вышедший из строя модуль на новый. Длительность ремонта при этом заметно уменьшается, а это увеличивает надежность работы установки в целом.

Выключатели серии ВНВ имеют укрупненный двухразрывный дугогасительный модуль на напряжение 220 — 250 кВ. Все выключатели этой серии на 110—1150 кВ компонуются из резервуара со шкафом управления и опорной изоляционной колонки, на который смонтирован дугогасительный модуль. Полюс выключателя на 220 кВ имеет одну опорную колонку с одним двухразрывным модулем (рис. 4.42), на 500 кВ — две опорные колонки и два модуля, на 750 кВ — три колонки и три модуля, на 1150 кВ — пять колонок и пять модулей. Полюс выключателя на 110 кВ имеет одноразрывный модуль.

Дугогасительный модуль — это двухразрывная камера, контактная система которой находится постоянно в среде сжатого воздуха (4 МПа) как во включенном, так и в отключенном положении. Контакты смонтированы в металлическом резервуаре, на котором установлены контейнеры с шунтирующими резисторами 4 и коммутирующими их механизмами, также заполненные сжатым воздухом. Токоведущие части присоединены к контактной системе с помощью изолирующих вводов 6. Гашение дуги в камере осуществляется двусторонним дутьем сжатым воздухом, выбрасываемым через внутренние полости контактов и выхлопные клапаны в атмосферу. Контакты имеют двукратное движение: при гашении дуги разрыв между контактами имеет минимальное значение, чем обеспечивается интенсивное дутье после окончания гашения дуги подвижный контакт перемещается на максимальное расстояние, обеспечивая необходимую электрическую прочность.

Рис. 4.42. Полюс воздушного выключателя ВНВ-220: 1 – резервуар;

2 - изолятор; 3 – механизм привода; 4 - блок шунтирующих резисторов;

5 - камера гасительная; 6 - изолирующий ввод; 7– конденсатор

Пневмомеханическое устройство, примененное в выключателе йНИ, уменьшает собственное время отключения до 0,02 — 0,025 с

Распределение напряжения между дугогасительными разрывами осуществляется с помощью параллельно включенных конденсаторов 7.

Все фарфоровые покрышки разгружены от воздействия сжатого воздуха и динамических нагрузок стеклоэпоксидными цилиндрами.

Кроме выключателей на опорных изоляторах разработаны конструкции подвесных выключателей с модулями серии ВНВ, которые обеспечивают значительную экономию площади ОРУ.

Выключатели серии ВНВ рассчитаны на ток отключения 40—63 кА. По сравнению с выключателями ВВБ эти выключатели имеют меньшую массу и меньшие габариты.

Воздушные выключателя имеют следующие достоинства: взрыво- и пожаробезопасность, быстродействие и возможность осуществления быстродействующего АПВ, высокую отключающую способность, надежное отключение емкостных токов линий, малый износ дугогасителъных контактов, легкий доступ к дугогасительным камерам, возможность создания серий из крупных узлов, пригодность для наружной и внутренней установки.

Недостатками воздушных выключателей являются: необходимость компрессорной установки, сложная конструкция ряда деталей и узлов, относительно высокая стоимость, трудность установки встроенных трансформаторов тока.