Выключатели высокого напряжения. Виды, устройство, характеристики и обозначение

Выключатели высокого напряжения (ВН) предназначены для оперативной коммутации цепей переменного тока напряжением 3 кВ и выше в номинальном режиме эксплуатации, и для автоматического отключения цепи при перегрузке, либо КЗ.

Классификация выключателей ВН по ГОСТ Р 52565-2006:

  • по роду установки: в помещениях (категории 2, 3, 4); на открытом воздухе (категории 1); в металлических оболочках комплектных распределительных устройств (КРУ), устанавливаемых в помещениях (категории 2, 3, 4) и на открытом воздухе (категории 2);
  • по принципу устройства: газовые (элегазовые), вакуумные, воздушные, масляные, электромагнитные;
  • по размещению дугогасительного устройства (ДГУ): с ДГУ, расположенными в заземлённом корпусе (баке) – баковые; с ДГУ в корпусе (баке) под напряжением – колонковые, подвесные;
  • по конструктивной связи между полюсами: трёхполюсные (с тремя полюсами в общем кожухе и с тремя полюсами на общем основании с фиксированным межполюсным расстоянием); однополюсные (с полюсами на отдельных основаниях с нефиксированным межполюсным расстоянием);
  • по функциональной связи между полюсами: с функционально независимыми полюсами (на каждый полюс отдельные конструктивные элементы); с функционально зависимыми полюсами (на три полюса общие конструктивные элементы);
  • по виду привода: с приводом зависимого действия (электромагнитным, электродвигательным, и, непосредственно использующим электроэнергию постоянного, переменного, выпрямленного тока); приводом независимого действия (пневматическим, пружинным, гидравлическим);
  • по характеру связи выключателя с приводом: с отдельным приводом, связанным механической передачей; со встроенным, конструктивно не выделенным, приводом;
  • по механической стойкости: нормального исполнения, с повышенной стойкостью;
  • по наличию в ДГУ шунтирующих резисторов: с резисторами, действующими только при отключении; действующими только при включении; двухстороннего действия и при включении и при отключении; без резисторов;
  • по наличию шунтирующих конденсаторов: с ними и без;
  • по пригодности к автоматическому повторному включению (АПВ): предназначенные и нет.

Структура обозначения выключателей ВН наружной установки:

  • тип: В – выключатель, В (вторая или третья буква) – воздушный, Б – баковый, У – усиленный по скорости восстанавливающегося напряжения (ВВУ) или уральский (ВМУЭ, У, ВГУ), Н – наружной установки, М – малогабаритный (ВМУЭ), масляный (МКП), модернизированный (ВВДМ) или маломасляный (ВМКЭ, ВМТ), К — камерный (МКП), колонковый (ВМК) или с металлической гасительной камеройбаком (ВВБК), С – обозначение серии, П – подстанционный, Т – трехполюсный, Д – дистанционный (ВТД) или с повышенным давлением (ВВД)
  • цифры: первое число – номинальное напряжение, кВ; буквы А или Б после этого числа – категория изоляции, Э – с электромагнитным приводом, В – с пневматическим приводом; второе и третье числа – соответственно номинальный ток, А, и номинальный ток отключения, кА (у некоторых выключателей – наоборот); буквы после этих чисел: У – для работы в районах с умеренным климатом ХЛ – с холодным климатом, Т – с тропическим климатом; последняя цифра: для работы на открытом воздухе.

Структура обозначения выключателей ВН внутренней установки:

  • тип: В – выключатель, В (вторая) – воздушный или вакуумный, OA – для ГАЭС, М – масляный или маломасляный, М (вторая) – маломасляный (ВММ), Г – генераторный или с горшковым исполнением полюсов (МГГ), П – подвесное исполнение полюсов, с пружинным приводом (ВПМП, ВМПП) или вариант исполнения (ВВТП), Э – электромагнитный или вариант исполнения (ВВТЭ), Э (второе) – с электромагнитным приводом, С – сейсмостойкий, К – колонковый (ВК, ВКЭ) или для КРУ, Т – трёхполюсный (ВВТЭ, ВВТП);
  • цифры: первое число – номинальное напряжение, кВ, второе и третье числа – соответственно номинальный ток, А, и номинальный ток отключения, кА (у воздушных выключателей – наоборот); буквы после этих чисел: У – для работы в районах с умеренным климатом, Т – с тропическим климатом, ХЛ – с холодным климатом; последняя цифра: 1 – для работы на открытом воздухе, 2 – для работы в помещениях со свободным доступом наружного воздуха, 3 – для работы в закрытых помещениях с естественной вентиляцией.

Примеры расшифровки условного обозначения выключателей:

ВМПЭ-10-20/630 У2:

  • В – выключатель;
  • М – маломасляный;
  • П – подвесное исполнение полюсов;
  • Э – электромагнитный привод;
  • 10 – номинальное напряжение, кВ;
  • 20 – номинальный ток отключения, кА;
  • 630 – номинальный ток, А;
  • У2 – климатическое исполнение и категория размещения.

ВБНТ-35-20/630 У1:

  • В – выключатель;
  • Б – баковый;
  • Н – наружной установки;
  • Т – со встроенными трансформаторами тока;
  • 35 – номинальное напряжение, кВ;
  • 20 – номинальный ток отключения, кА;
  • 630 – номинальный ток, А;
  • У1 – климатическое исполнение и категория размещения.

Основные параметры высоковольтных выключателей:

  • номинальные ток и напряжение (Uном, Iном.):
    • ‒ ряд стандартных значений тока (А): 200, 400, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3150, 4000, 5000, 6300, 8000, 10000, 12500, 16000, 20000, 25000, 31500;
    • ‒ ряд стандартных значений напряжений (линейное в кВ): 3, 6, 10, 15, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750, 1150;
  • ток термической стойкости (Iтс) – предельное значение сверхтока определённой длительности, которое аппарат способен выдержать без термического разрушения элементов;
  • ток электродинамической стойкости (Iэдс.) – максимальный ток через аппарат не вызывающий повреждений элементов (сопоставляется с ударным током КЗ сети, воздействующим на аппарат);
  • номинальный ток отключения (Iо.ном.) – ток, который способен отключить выключатель в месте его установки (должен превосходить действующее значение периодической составляющей тока КЗ);
  • номинальная мощность отключения (Sо.ном.) – характеризует нагрузку на выключатель под действием восстановленного Uном и Iо.ном. (близка к мощности КЗ сети);
  • номинальный ток включения – наибольший ударный ток КЗ, на который выключатель включается без сваривания контактов и других повреждений);
  • собственное время включения и отключения – время от подачи команды на включение/отключение до момента начала движения подвижных контактов;
  • полное время включения и отключения – время от подачи команды на включение/отключение до момента завершения коммутации и окончания хода привода).

1. Масляные выключатели

Первые выключатели ВН для защиты энергосистем. Имеют сравнительно простую конструкцию и высокие показатели надёжности. Нормируемый срок службы превышает 25 лет. Общим недостатком является необходимость хранения, анализа, обработки трансформаторного масла.

По объёму и функциональному назначению масла выключатели делятся на баковые (многообъёмные) и маломасляные.

В баковых выключателях масло используется для гашения дугового разряда, а также для изоляции токоведущих частей от заземлённого корпуса бака.

Внешний вид и конструкция бакового масляного выключателя У-110 показаны на рисунке 1.

Баковый масляный выключатель У-110

Рисунок 1 – Баковый масляный выключатель У-110: а ‒ внешний вид; б ‒ эскиз конструкции; 1 ‒ бак; 2 ‒ траверса; 3 ‒ дугогасительная камера (ДГК); 4 ‒ шунтирующий резистор; 5 ‒ направляющее устройство; 6 ‒ изоляция бака выключателя; 7 ‒ трансформатор тока; 8 ‒ маслоуказатель; 9 ‒ приводной механизм; 10 ‒ ввод маслонаполненный; 11 ‒ выхлопное отверстие (сопло); 12 ‒ устройство подогрева масла.

Конструкция выключателя МКП-110М показана на рисунке 2.

Конструкция МКП-110М

Рисунок 2 – Конструкция МКП-110М: 1 ‒ бак; 2 ‒ приводной механизм; 3 ‒ высоковольтный ввод МВП; 4 ‒ дугогасительная камера; 5 ‒ штанга; 6 ‒ направляющееустройство; 7 ‒ траверса; 8 ‒ трансформаторы тока; 9 ‒ блок-контакты; 10 ‒ изоляция бака; 11 ‒ шунтирующий резистор; 12 ‒ маслоспускной кран; 13 ‒ люк для персонала; 14 ‒ устройство подогрева масла.

При размыкании контактов выключателя в ДГК возникает дуга, в зоне горения которой от разложения масла образуется газовый пузырь (водород, этилен, метан и др. газы). Давление в камере интенсивно возрастает до 5-8 МПа. Основной объём пузыря составляет водород (до 70 %), обладающий высокой теплопроводностью и электрической прочностью, что способствует гашению дуги.

Под действием избыточного давления, потоков газа и паров масла ствол дуги выносится в дутьевую щель. Слои масла за пределами пузыря обеспечивают изоляцию зоны горения от корпуса бака. При номинальных токах длительность горения дуги составляет не более 0,02 с. При этом с ростом тока повышается давление в ДГК и интенсивность гашения дуги.

После исчезновения дуги избыточное давление в камере сбрасывается через выпускное отверстие во внутренний объём бака и камера вновь заполняется маслом.

Принцип дугогашения в ДГК масляных выключателей показан на рисунках 3, а‒е.

Принцип дугогашения и структуры ДГК в масляных выключателях

Рисунок 3 – Принцип дугогашения и структуры ДГК в масляных выключателях: а ‒ начальный момент; б ‒ промежуточный момент; в ‒ завершение; г ‒ с полым неподвижным контактом; д ‒ с боковыми отверстиями (соплами); е ‒ с фигурным боковым каналом

Конструкции ДГК выключателей У-110 и МКП-110М показаны на рисунках 4, а, б.

ДГК выключателей У-110 и МКП-110М

Рисунок 4 – ДГК выключателей У-110 и МКП-110М: а ‒ ДГК выключателя У-110: 1 ‒ держатель; 2 ‒ корпус камеры; 3 ‒ неподвижный контакт; 4, 11 ‒ дугогасительные решётки (ДГР); 5, 9, 10 ‒ подвижные контакты; 6 ‒ изолирующая втулка; 7 ‒ экран; 8 ‒ поджимающая пружина; 12 ‒ промежуточный контакт; 14,15 ‒ дутьевые щели; 13 ‒ внешний подвижный контакт; 16 ‒ сопло; б – ДГК выключателя МКП-110М: 1‒ цилиндр из гетинакса, 2 ‒ неподвижные контакты, 3 ‒ подвижные мостиковые контакты, 4 ‒ изолирующая штанга, 5 ‒ траверса, 6 ‒ выхлопное отверстие, 7 ‒ шунтирующий резистор

Камера У-110 имеет фигурное сечение и боковые сопла для растягивания дуги и выноса её из межконтактного промежутка. Также наличие ДГР обеспечивает повышение околоэлектродной электрической прочности и интенсивности гашения дуги.

Контактная система ДГК МКП-110М имеет по две пары разрывов на полюс выключателя с подвижными контактами мостикового самоустанавливающегося типа, позволяющими компенсировать угловые смещения и разные провалы контактов в точках касания. Дугогашение обеспечивается выносом дуги через боковые сопла камеры, а также снижением тока дуги и выравниванием напряжения между камерами посредством шунтирования межконтактных промежутков резисторами, отключаемыми по завершению коммутации.

Параметры ряда многообъёмных масляных выключателей представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Параметры масляных многообъёмных выключателей

Тип выключателя Наибольшее рабочее напряжение, кВ Ток отключения, кА Амплитуда предельного сквозного тока (iэдс), кА Ток термической стойкости для времени (t) в с, кА Масса, кг
полная

выключателя

масла
У-110-2000-40(50) 126 40 (50) 102 (135) 40 (50) (3 с) 18 400 (15950) 8 000 (5700)
МКП-110М-630(1000) 121 18,4(до 35) 50 29(1с),18,4(5с),13(10с) 16 500 5 900
С-35М-630-10 10 26 10 (3с) 1 040 230
У-220-1 000(2 000)-25(40) 252 25 (40) 64 (102) 25 (40) (3 с) 51 500 (52500) 27 000
МКП-35-1 000-25 25 64 25 (3 с ) 3 120 800
ВТ-35-800-12,5 12,5 31 12,5 (3 с) 1 050 300

Достоинства масляных баковых выключателей:

  • надёжность и простота конструкции камер и механизма;
  • высокая механическая прочность элементов;
  • возможность использования встроенных трансформаторов тока;
  • высокий ток отключения на напряжения до 220 кВ.

Недостатки:

  • большие габариты и масса;
  • необходимость хранения, анализа, очистки трансформаторного масла;
  • высокая трудоёмкость обслуживания, ремонта выключателей на 110, 220 кВ;
  • взрыво- и пожароопасность ввиду больших объёмов масла.

Маломасляные выключатели имеют меньший объём масла, предназначенного только для гашения дуги, а изоляция токоведущих частей от корпуса выполнена твёрдыми диэлектриками. Наибольшее применение нашли подвесного типа в РУ 6 (10) кВ, а также трёхполюсные на 110 и 220 кВ.

Внешний вид и обозначение элементов конструкции полюса выключателя ВМП-10 представлены на рисунках 5, а, б.

ВМП-10

Рисунок 5 – Внешний вид и обозначение элементов конструкции полюса ВМП-10: а ‒ внешний вид ; б ‒ элементы конструкции полюса: 1 ‒ стальная рама, 2 ‒ отключающая пружина, 3 ‒ двуплечный рычаг, 4 ‒ вал выключателя, 5 ‒ пружинный демпфер, 6 ‒ масляный демпфер,7 ‒ болт заземления, 8 ‒ опорный изолятор, 9 ‒ бачок фазы, 10 ‒ рычаг, 11 ‒ изолирующая тяга, 12 ‒ маслоуказатель

При включении тяга (11) поворачивает рычаг полюса (10) против часовой стрелки и производится замыкание контактов. Отключающая пружина растягивается, а пружинный буфер включения сжимается. Буфер обеспечивает необходимую скорость расхождения контактов при размыкании для обеспечения интенсивного дугогашения.

Контактная система, ДГК и устройство преобразования вращательного движения рычагов в поступательное контактов, смонтированы в едином блоке полюса, конструкция которого показана на рисунке 6.

Разрез полюса ВМП-10

Рисунок 6 – Разрез полюса ВМП-10: 1 ‒ маслоотделитель, 2 ‒ канал выхода газа, 3 ‒ крышка, 4 ‒ пробка маслоналивного отверстия, 5 ‒ отверстия маслоотделителя, 6 ‒ корпус, 7 ‒ выпрямляющий механизм, 8 ‒ рычаг, 9 ‒ токосъёмные ролики, 10 ‒ рычаг, 11 ‒ контактный стержень, 12 ‒ стеклоэпоксидный цилиндр, 13 ‒ подвижный контакт, 14 ‒ маслоуказатель, 15 ‒ центральный канал камеры, 16 ‒ боковой выхлопной канал, 17 ‒ ДГК, 18 ‒ нижняя крышка фазы, 19 ‒ отводящая шина, 20 ‒ маслоспускная пробка, 21 ‒ неподвижный контакт, 22 ‒ нижний фланец, 23 ‒ буферное пространство, 24 ‒ масляный карман, 25 ‒ верхний вывод, 26 ‒ подводящая шина

Для минимизации обгорания концы ламелей неподвижного розеточного контакта облицованы металлокерамикой. ДГУ собирается из пластин фибры, гетинакса и электрокартона с отверстиями для образования каналов и полостей дугогашения и заключается в стеклоэпоксидный цилиндр. Для ограничения давления при больших токах и создания необходимого давления вблизи нулевого тока камера имеет воздушный буфер, накапливающий энергию при высоком давлении от дуги при больших токах и отдающий её при падении давления при переходе тока через ноль.

Процесс отключения в ДГК ВМП-10 проиллюстрирован на рисунках 7, а-в. При расхождении контактов, образовавшаяся дуга создаёт газовый пузырь, который растягивает её в поперечном направлении по боковому каналу внутри ДГК. Горение дуги происходит в замкнутом объёме с давлением до 10 МПа. Также дуга растягивается продольно отходом подвижного контакта. В отключённом состоянии выключателя межконтактный промежуток заполнен маслом.

Процесс отключения контактов в камере ВМП-10

Рисунок 7 – Процесс отключения контактов в камере ВМП-10: а – включён; б – отключение; в – отключён

На открытых РУ (ОРУ) напряжением 110 кВ находят применение маломасляные выключатели наружной установки ВМТ-110, внешний вид и конструкции полюса и ДГК которых показаны на рисунке 8, а‒г.

ВМТ-110

Рисунок 8 – Внешний вид и элементы конструкции ВМТ-110: а – внешний вид: 1 ‒ привод, 2,3 ‒ фарфоровые изоляторы, 4 ‒ маслоуказатель, 5 ‒ колпак полюса, 6 ‒ манометр, 7 ‒ стальная рама, 8 ‒ приводной механизм; б – нижняя часть полюса: 1,16 ‒ отключающие пружины, 2,4 ‒ тяги привода, 3,18 ‒ рычаги, 5 ‒ изолятор, 6 ‒ цементная мастика, 7 ‒ подвижный контакт, 8,12 ‒трос9, 11 ‒ ролики, 10 ‒ скоба, 13 ‒ серьга, 14 ‒ резьбовая муфта, 15 ‒ кольцо уплотнения, 17 ‒ изоляционная тяга; в – верхняя часть полюса: 1 ‒ подвижный контакт, 2 ‒ дугогасительная камера выключателя, 3 ‒ фарфоровый изолятор, 4 ‒ неподвижный контакт, 5 ‒ токопровод, 6 ‒ маслоуказатель, 7 ‒ манометр, 8 ‒ колпак полюса, 9 ‒ буферная полость, 10 ‒ гайка, 11 ‒ уплотняющее кольцо, 12 ‒ стеклопластиковый цилиндр, 13 ‒ крышка камеры; г – ДГК выключателя: 1 ‒ вкладыши, 2 ‒ стеклопластиковый цилиндр, 3 ‒ центральное отверстие, 4 ‒ выхлопное отверстие, 5 ‒ вкладыш, 6 ‒ дутьевая щель, 7 ‒ подвижный контакт, 8 ‒ неподвижный контакт, 9 ‒ выхлопные окна, 10 ‒ масляные карманы

Параметры ряда маломасляных выключателей представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Параметры маломасляных выключателей

Тип выключателя Наибольшее рабочее напряжение,

кВ

Ток отключения,

кА

Амплитуда предельного сквозного тока

(iэдс), кА

Ток термической стойкости для времени

(t) в с, кА

Масса выключателя,

кг

ВМПЭ-10-20/630(1000,1600)У2 12 20 52 20 (4 с) 225
ВМПЭ-10-31,5/630(1000,1600)У2 12 31,5 80 31,5 (4 с) 408
ВПМ-10-20/630(1000)У3 12 20 52 20 (4 с) 145
МГГ-10-3200(4000,5000)-45 12 45 120 45 (4 с) 1200
ВМТ-110Б-25(40)/1250(2000) УХЛ1 126 25 (40) 65 (102) 25 (40) (4 с) 2260
ВМТ-220Б- 25(40)/1250(2000) УХЛ1 252 25 (40) 65 (102) 25 (40) (4 с) 7140

Маломасляные выключатели в сравнении с многообъёмными обладают следующими преимуществами:

  • меньшая масса и габариты;
  • постоянная готовность дугогасительного устройства;
  • отсутствие необходимости слива масла при осмотре и ремонте ДГК. Они также имеют следующие недостатки:
  • меньшие надёжность и ток отключения;
  • не допускают установки встроенных трансформаторов тока.

В отношении перспектив использования масляных выключателей надо отметить, что при замене выключателей на 6‒35 кВ предпочтение отдаётся вакуумным выключателям, а РУ 110 кВ и выше устанавливают элегазовые выключатели.

2. Воздушные выключатели

Такой тип выключателей ВН находит основное применение в составе ОРУ напряжением 110 кВ и выше, вплоть до 1150 кВ. Их название отражает реализуемый способ дугогашения, заключающийся в воздействии на дугу потоками сжатого воздуха с давлением в ДГК 1-4 МПа, которое обеспечивается компрессорными установками.

Основные принципы воздушного дутья в выключателях (рис. 9, а-г):

  • продольное дутье – сжатый воздух направляется вдоль дуги; может реализовываться в конструкции со сплошными и полыми контактами;
  • поперечное дутье – движение воздуха перпендикулярно траектории горения дуги;
  • комбинированное – потоки воздействуют на дугу продольно-поперечно при её переносе в полость подвижного контакта и на контр-электрод;

При продольном дутье наиболее интенсивное дугогашение обеспечивается при расстоянии между контактами чуть более половины внутреннего диаметра полого контакта при двустороннем дутье (см. рис. 9, а) и четверти внутреннего диаметра при одностороннем дутье (один контакт полый, другой сплошной), что составляет 25‒50 мм в зависимости от номинального напряжения выключателя. При этом предельное напряжение между контактами в момент гашения дуги не превышает 35-60 кВ при давлении в камере до 2 МПа и 80‒125 кВ при 4 МПа, что определяет необходимость конструирования нескольких, последовательно соединённых, контактных промежутков в выключателях на 110 кВ и выше.

В свою очередь дугогашение на полых контактах обеспечивает снижение износа контактных площадок переносом дуги с торцевых на внутренние поверхности контактов, а также стабильное восстановление электрической прочности межконтактного промежутка ограничением попадания плазмы дуги и частиц материала контактов в промежуток.

Способы воздействия на дугу воздушными потоками

Рисунок 9 – Способы воздействия на дугу воздушными потоками: а – продольное: 1,4 – контакты, 2 – сопло, 3 – дуга, 5 – корпус; б – поперечное: 1,4 – контакты, 2 – перегородки, 3 – дуга; в-комбинированное (начальный момент), г ‒ комбинированное (завершение отключения): 1,3 – контакты, 2 – дуга, 4 – контр-электрод

Поперечное дутье (рис. 9, б) организуется смещением дуги в перпендикулярном направлении в зону нескольких щелей, что обеспечивает её удлинение, нарушение формы и усиленное охлаждение. По мере отхода подвижного контакта щели последовательно открываются для затягивания дуги. Защита перегородок щелей от воздействия дуги обеспечивается их выполнением (полностью, или на участках наибольшего воздействия дуги) из газогенерирующего материала, например фибры, активно выделяющей газы, дополнительно охлаждающие дугу. Такой способ воздействия предполагает органическую изоляцию в камере, большие габариты и сложность ДГК, что объясняет его крайне ограниченное применение.

Для обеспечения комбинированного продольно-поперечного дутья (рис. 9, в, г) подвижной контакт выполнен полым, во внутреннюю зону которого при отключении входит контр-электрод, воспринимающий на себя воздействие дуги на завершающем этапе отключения. После момента расхождения контактов дуга обдувается продольно и затягивается во внутреннюю полость подвижного контакта. При дальнейшем отходе контакта дуга переносится с неподвижного контакта на контр-электрод и гашения завершается внутри подвижного контакта.

Внешний вид и основные элементы конструкции воздушного выключателя ВВБ-220 представлены на рисунках 10, а, б.

Отличительной особенностью выключателей ВВБ и их модификаций ВВБК является размещение ДГК непосредственно в баках со сжатым воздухом, располагаемых на опорных изоляторах. ДГК соединяются с внешними цепями токоведущими элементами проходных изоляторов. Выключатели на 110 кВ имеют одну ДГК с двумя разрывами на полюс. Последовательное соединение камер токовыми перемычками позволяет поднимать напряжение выключателя: две до 220 кВ, пять до 500 кВ. На базе ВВБ созданы выключатели до 750 кВ. Модификации ВВБК до 1 150 кВ.

Воздушный выключатель ВВБ-220

Рисунок 10 – Воздушный выключатель ВВБ-220: а – внешний вид; б – элементы конструкции: 1 – рама, 2 – шкаф управления, 3,7 – опорные изоляторы, 4 – воздухопровод, 5 – люк, 6 – конденсаторы, 8 – токовая перемычка, 9,10 – ДГК

В ДГК находятся также шунтирующие конденсаторы, выравнивающие напряжения на двух разрывах и шунтирующие резисторы, снижающие скорость восстановления напряжения. При включённом состоянии внутренняя полость бака с ДГК герметизирована клапаном в выхлопе бака. При отключении в привод подаётся сжатый воздух, приводящий в движение шток, открывающий клапан выхлопа. Дуга под избыточным давлением сдвигается при интенсивном охлаждении и гасится. После отключения клапан закрывается и герметичность бака восстанавливается.

Номинальное давление воздуха в ДГК ВВБ-220 обеспечивается на уровне 2 МПа. В выключателях ВВБК напряжениями до 1 150 кВ с двусторонним несимметричным дутьём обеспечивается 4 МПа. В управляющих воздуховодах поддерживается давление на уровне 2,6 МПа.

Технические характеристики ряда воздушных выключателей ВН приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Параметры воздушных выключателей ВН

Тип выключателя Номинальный ток, А Ток отключения, кА Амплитуда предельного сквозного тока (iэдс), кА Ток термической стойкости для времени (t) в с, кА Масса, кг Количество разрывов на полюс
ВВОА-15 12500 140 355 145 (3 с) 9150 2
ВВГ-20 12500 (20000) 160 410 160 (4 с) 9150 2
ВВУ-110 2000 40 102 40 (4 с) 15000
ВВБК-110 3200 50 127 50 (4 с) 2
ВВД-220 2000 31,5 80 31,5 (4 с) 16200 4
ВВБК-220 3200 56 142 56 (4 с) 4
ВВБ-330 2000 35,5 90 35,5 (4 с) 26000 12
ВВБ-750 3200 40 102 40 (4 с) 90000 16
ВВБК-1150 4000 40 102 40 (4 с) 12

Воздушные выключатели ВН обладают следующими достоинствами:

  • взрыво- и пожаробезопасность;
  • быстродействие и возможность осуществления быстродействующего автоматического повторного включения (АПВ);
  • высокая отключающая способность;
  • надёжное отключение ёмкостных токов линии;
  • малый износ ДГК;
  • лёгкий доступ к ДГК;
  • возможность создания серий из крупных узлов;
  • пригодность для наружной и внутренней установки, и недостатками:
  • необходимость компрессорной установки;
  • сложная конструкция ряда деталей и узлов;
  • относительно высокая стоимость;
  • сложность установки встроенных трансформаторов тока.

3. Элегазовые выключатели

Гашение дуги в элегазе является развитием применения воздушного дутья, направленным на повышение номинальных токов и токов отключения при установленных напряжениях, заключающееся в повышении электрической прочности и теплопроводности среды в ДГК, что обеспечивает рост отключающей способности выключателя.

В элегазовых выключателях дугогасительная система реализована с использованием элегаза – шестифтористой серы SF6, имеющего, по сравнению с воздухом, следующие преимущества:

  • электрическая прочность до 2,5 раза выше (при атмосферном давлении около 89 кВ/см, от 0,2 МПа близка к прочности трансформаторного масла – около 210 кВ/см);
  • высокая удельная теплоёмкость (до 4 раз выше воздуха) и нагревостойкость (до 800 оС);
  • у камер продольного дутья с элегазом есть возможность повысить ток отключения до 5 раз;
  • более низкая напряжённость поля на столбе дуги, что снижает износ контактов и эффект закупорки сопла, даёт возможность увеличить межконтактный промежуток, поднять напряжение;
  • газ инертный и не вступает в реакцию с кислородом и водородом, слабо разлагается дугой (сам газ не токсичен, опасны продукты разложения).

При этом имеются следующие слабые стороны:

  • высокая температура сжижения (при давлении 1,31 МПа сжижение происходит при температуре 0 оС, при 0,35 МПа температура -40 оС, при 0,1 МПа – -60 оС);
  • для выключателей требуется высокая степень очистки газа от примесей, что делает его дороже.

В элегазовых выключателях ДГК конструируются по следующим принципам:

1. Автокомпрессионное дутье: рабочий перепад давления создаётся за счёт энергии привода выключателя; принцип гашения в камере показан на рисунках 11, а‒в.

Принцип гашения в автокомпрессионной ДГК

Рисунок 11 – Принцип гашения в автокомпрессионной ДГК: а – общий вид; б – элементы конструкции: 1 ‒ абсорбент, 2 ‒ верхний высоковольтный вывод, 3 ‒ основа неподвижного контакта, 4 ‒ дугоулавливатель неподвижного контакта, 5 ‒ основной неподвижный контакт, 6 ‒ фторопластовое сопло, 7 ‒ основной подвижный контакт, 8 ‒ цилиндр компрессии, 9 ‒ корпус подвижного контакта, 10 ‒ нижний высоковольтный вывод, 11 ‒ проводник дугоулавливателя, 12 ‒ плунжер, 13 ‒ дугоулавливатель подвижного контакта, 14 ‒ фарфоровый изолятор, 15 ‒ элегаз; в – направления потоков: 1 ‒ дуговой ствол, 2 ‒ подвижный основной контакт,3 ‒ цилиндр компрессии, 4 ‒ плунжер, 5 ‒ корпус подвижного контакта, 6- дугоулавливатель подвижного контакта, 7 ‒ фторопластовое сопло, 8 ‒ дугоулавливатель неподвижного контакта, 9 ‒ основной неподвижный контакт

При отключении движение штока привода обеспечивает отход подвижного контакта с цилиндром и повышение давления элегаза в нижней части камеры. Выходящий через сопло газ интенсивно охлаждает и деформирует дугу, растягивая её в направлениях дугоулавливателей неподвижного и подвижного контактов по типу двустороннего несимметричного дутья. Исходное давление элегаза в ДГК находится в диапазоне 0,3-0,6 МПа. В таких камерах один разрыв способен выдерживать до 245 кВ напряжения, до 4 кА номинального тока, до 50 кА тока отключения. Сама камера располагается в герметичном корпусе выключателя с избыточным давлением элегаза 0,2-0,28 МПа, что обеспечивает необходимую электрическую прочность внутренней изоляции.

2. Электромагнитное дутьё: движение дуги в форме вращения её по кольцевым контактам создаётся поперечным воздействием магнитного поля, наводимого отключаемым током.

3. Дутьё двойного давления: воздействие на дугу потоков элегаза, поступающих из резервуара с более высоким давлением в объём ДГК (с двумя ступенями давления).

4. Автогенерирующее дутье: продольное дутье за счёт подъёма давления в камере от нагрева газа самой дугой.

Конструкция полюса элегазового бакового выключателя наружной установки на 35 кВ серии ВГНБ производства АО «КЭМОНТ» показана на рисунках 12, а‒в.

Конструкция ВГНБ 35 кВ

Рисунок 12 – Конструкция ВГНБ 35 кВ: а – общий вид: 1 ‒ привод пружинный, 2 ‒ корпус полюса выключателя, 3 ‒ ввод, 4 ‒ трансформатор тока; б – структура полюса: 1 ‒ контактное соединение неразрывное, 2 ‒ ДГК; в – конструкция ДГК: 1 ‒ тяговая штанга, 2 ‒ кран сброса давления эластичный, 3 ‒ воздушная барокамера, 4 ‒ обратный клапан, 5 ‒ камера теплового расширения, 6 ‒ подвижный дугогасительный контакт, 7 ‒ главный подвижный контакт, 8 ‒ неподвижный дугогасительный контакт, 9 ‒ неподвижный главный контакт, 10 ‒ изоляционное сопло подвижного контакта

При отключении внешний привод посредством тяговой штанги перемещает подвижный контакт и сопло, при этом первыми расходятся главные контакты, затем дугогасительные. Повышение давления в барокамере приводит к открытию обратного клапана и нарастанию давления в камере расширения и последующему выходу элегаза через сопло в область горения дуги и её обудуву по принципу двустороннего дутья. Таким образом реализуется гашение дуги в камере двойного давления. Через малый канал внутри неподвижного дугогасительного контакта обеспечивается окончательный распад остаточного ствола дуги, а также отключение малых токов на начальной стадии отключения.

Конструкция колонкового выключателя наружной установки ВГТ напряжением 110 кВ показана на рисунке 13, а‒в.

При расхождении контактов ДГК автокомпрессионного дутья (см. рис. 13 в) сокращается объём отсека автокомпрессии, что повышает давление элегаза в нем и удерживает обратные клапаны. Дуга между дугогасительными контактами препятствует потокам элегаза через сопло и обеспечивает нагрев отсека автокомпрессии и рост давления. При прохождении тока через ноль дуга слабеет и потоки элегаза выходят через сопло, обеспечивая гашение. Движение контакта на замыкание создаёт разряжение в отсеке автокомпрессии, открываются клапаны и элегаз заполняет объем камеры. Такой принцип работы ДГК требует высокой мощности привода для преодоления давления в отсеке автокомпрессии и обеспечения необходимой скорости расхождения контактов.

конструкция ВГТ-110

Рисунок 13 – Пояснение конструкции ВГТ-110: а – внешний вид; б – конструкция полюса: 1 ‒ верхний контактный вывод, 2 ‒ отсек ДГК с наружной фарфоровой изоляцией, 3 ‒ нижний контактный вывод, 4 ‒ фарфоровый изолятор нижней секции, 5 ‒ изолированная тяга, 6 ‒ корпус приводных рычагов с клапаном для соединения с трубой элегаза, 7 ‒ внешний приводной рычаг; в – конструкция ДГК: 1 ‒ сопло подвижного контакта, 2 ‒ главный подвижный контакт, 3 ‒ отсек автокомпрессии, 4 ‒ нижний токопровод, 5 ‒ тяга, 6 ‒ нижний контактный вывод, 7 ‒ обратные клапаны на неподвижном поршне, 8 ‒ неподвижный дугогасительный контакт, 9 ‒ главный неподвижный контакт, 10 ‒ верхний контактный вывод

Также в колонковых выключателях находит применение камера комбинированного автогенерирующего и автокомпрессионного дутья, конструкция и принцип работы которой показаны на рисунках 14, а‒г.

Конструкция и принцип действия ДГК автокомпрессионного дутья

Рисунок 14 – Конструкция и принцип действия ДГК автокомпрессионного дутья: а – включённое положение: 1 ‒ верхний токопровод, 2 ‒ неподвижный дугогасительный контакт, 3 ‒ подвижный дугогасительный контакт, 4 ‒ отсек компрессии, 5 ‒ буферный отсек, 6 ‒ клапан наполнения, 7 ‒ неподвижный поршень, 8 ‒ клапан сброса давления, 9 ‒ нижний токопровод, 10 ‒ цилиндр, 11 ‒ клапан компрессии, 12 ‒ главный подвижный контакт, 13 ‒ главный неподвижный контакт, 14 ‒ сопло; б – отключение (зажигание дуги); в – отключение (гашение дуги); г – включение

В начальный момент отключения происходит отход подвижных контактов и зажигание дуги, при этом давление в компрессионном и буферном отсеках нарастает за счёт влияния дуги и снижения их объёмов от движения к неподвижному поршню, поскольку клапаны компрессии ещё открыты. Так обеспечивается начальный рост давления в камере за счёт автокомпрессии.

Затем при зажигании и горении дуги в отсеке компрессии нарастает давление, но дуга препятствует проходу газа через сопло и клапаны компрессии закрываются, что обеспечивает дальнейшее повышение давления в отсеке только за счёт горения дуги, т.е. по принципу автогенерирующего дутья. В буферном отсеке давления достаточно для открытия клапанов сброса давления, что снижает нагрузку на привод выключателя выносом излишков элегаза из буферного отсека. Ослабление дуги при подходе тока к нулю определяет начало выхода элегаза из отсека компрессии через сопло и гашение дуги. При включении контакты движутся вверх и клапаны компрессии и наполнения открываются и элегаз поступает в отсеки.

Баковые выключатели на 110-220 кВ наружной установки серии ВГБУ имеют конструкцию, представленную на рисунке 15, а, б.

Выключатель ВГБУ

Рисунок 15 – Выключатель ВГБУ: а – внешний вид; б – элементы конструкции ВГБУ на 110 кВ: 1‒ контактная пластина, 2 ‒ ввод (покрышка полимерная), 3 ‒ трансформатор тока, 4 ‒ ДГК, 5‒ передаточный механизм привода, 6 ‒ фильтр, 7 ‒ разъём для заполнения элегазом, 8 ‒ рама, 9 ‒ указатель положения, 10 ‒ гидропривод, 11 ‒ шкаф клеммных сборок

Конструкция ДГК ВГБУ выполнена типовой для баковых выключателей (см. рис. 12, в) и содержит основные и дугогасительные подвижные и неподвижные контакты, камеры расширения и обеспечения двухступенчатой компрессии с обратными клапанами, тягу привода со штоком. Выключатель имеет гидравлический привод, номинальный ток до 2 кА, ток отключения до 63 кА с избыточным давлением заполнения элегаза до 0,55 МПа.

Внешний вид и габариты широко распространённых элегазовых выключателей наружной установки баковых ВЭБ-110,220 с номинальным током до 3 150 А, током отключения до 40,50 кА, током электродинамической стойкости 102,125 кА, показаны на рисунках 16, а‒в.

Выключатели колонкового типа импортного производства ABB серий LTB с номинальным током до 4 кА, током отключения до 40 кА, током электродинамической стойкости до 100 кА и HPL с номинальным током до 4 кА, током отключения до 63 кА, током электродинамической стойкости до 160 кА представлены на рисунках 17, а‒в.

Элегазовые выключатели ВЭБ

Рисунок 16 – Элегазовые выключатели ВЭБ: а – внешний вид ВЭБ; б – габариты ВЭБ-110; в – габариты ВЭБ-220

выключатели LTB и HPL

Рисунок 17 – Внешний вид и габариты выключателей LTB и HPL: а – выключатель LTB D1/B: 1 ‒ отделение с ДГК, 2 ‒ токопровод, 3 ‒ трансформатор тока, 4 ‒ отделение тяги привода и опорного изолятора, 5 ‒привод, 6 ‒ рама, 7 ‒ консоль; б – выключатель HPL B2: 1 ‒ отделение с ДГК, 2 ‒отделение тяги привода и опорного изолятора, 3 ‒ монитор плотности газа, 4 ‒ указатель положения выключателя, 5 ‒ пружина отключения, 6 ‒ опорная рама, 7 ‒ привод; в – выключатель HPL 800 B4

Выключатели LTB D1/B выпускаются на номинальное напряжение 110 кВ с фарфоровой и полимерной изоляцией полюсов с дополнительной консолью для совместной установки на раме трансформаторов тока.

Выключатели HPL B2 выпускаются на номинальные напряжения 330 и 500 кВ и имеют основные элементы конструкции.

HPL 800 B4 выпускаются на номинальное напряжение 750 кВ.

В качестве приводов выключателей используются: для LTB D1/B типа BLK, для HPL B2 типа BLG. Конструкции приводов показаны на рисунках 18, а‒г.

Конструкции приводов выключателей серий BLK и BLG

Рисунок 18 – Конструкции приводов выключателей серий BLK и BLG: а – корпус привода BLK; б – конструкция привода BLK: 1 ‒ пружина отключения, 2 ‒ защёлка отключения, 3 ‒ приводной рычаг, 4 ‒ включающий рычаг, 5 ‒ включающая защёлка, 6 ‒ пружина включения, 7‒ главный вал, 8 ‒ электродвигатель, 9 ‒ демпфирующее устройство; в – корпус привода BLG; г – конструкция привода BLG: 1 ‒ выключатель ВН, 2 ‒ пружина отключения, 3 ‒ защёлка отключения, 4 ‒ звёздочка, 5 ‒ включающая защёлка, 6 ‒ кулачковый диск, 7 ‒ звёздочка на валу электродвигателя, 8 ‒ цепь, 9 ‒ перекладина, 10 ‒ включающие пружины

Чтобы отключить выключатель BLK, катушка отключения освобождает за- щёлку отключения, а пружина отключения выключателя выполняет саму операцию. Демпфирующее устройство замедляет движение системы контактов.

При включении освобождение включающей защёлки приводит к немедленному выполнению операции включения выключателя. Приводной рычаг переводит направляемый эксцентриком включающий рычаг во включённое положение. Одновременно происходит взведение отключающей пружины. В конечном положении включающий рычаг фиксируется отключающей защёлкой во включённом положении. Под действием направляемого эксцентриком рычага приводной рычаг освобождается и продолжает движение до достижения устойчивого положения.

После включения происходит взвод пружины подачей питания на двигатель по срабатыванию концевого выключателя. Электродвигатель запускается и взводит пружину включения, а положение главного вала и приводного рычага фиксируется включающей защёлкой. После того как выполнено полное взведение пружины включения, концевой выключатель разомкнёт цепь питания электродвигателя. По необходимости включающую пружину можно взводить рукояткой, которая хранится в шкафу привода.

При отключении выключателя BLG катушка отключения освобождает защёлку. Пружина отключения перемещает подвижный элемент выключателя в отключённое положение. Рабочий рычаг перемещается вправо и в конце своего хода упирается в диск с кулачком. Движение системы контактов амортизируется в конце хода масляным демпфирующим устройством.

При включении выключателя катушка включении освобождает включающую защёлку. Звёздочка фиксируется и не вращается, вследствие чего энергия, запасённая во включающих пружинах, передаётся через ветвь бесконечной цепи на звёздочку, укреплённую на диске с кулачком. Кулачковый диск при этом перемещает рабочий рычаг влево, где он фиксируется в конечном положении отключающей защёлкой. На последнем участке вращения кулачковый диск амортизируется при помощи демпфирующего устройства, а фиксирующая защёлка на звёздочке снова возвращается в исходное положение, упираясь во включающую за- щёлку.

При взводе пружины электродвигатель начал работать и вращать звёздочку. Звёздочка, укреплённая на кулачковом диске, имеет упор, за который зацепляется включающая защёлку, после чего ветви цепи поднимают перекладину с пружиной. Включающие пружины при этом сжимаются, и механизм снова приходит в нормальное рабочее положение.

В настоящее время все большее применение находят комплектные распределительные устройства с элегазовой изоляцией (КРУЭ), предлагаемые на рынке в широким диапазоне номинальных напряжений от 6 (10) кВ до 750 кВ, а согласно ГОСТ 27311-87 от 110 до 1 150 кВ.

Одним из основных элементов КРУЭ является выключатель ВН с ДГК в элегазовой среде. На рисунках 19, а, б показаны внешний вид КРУЭ серии ЯЭ-110Л и конструкция его выключателя на 110 кВ.

КРУЭ и выключатель 110 кВ

Рисунок 19 – КРУЭ и выключатель 110 кВ: а – внешний вид КРУЭ; б – конструкция полюса выключателя: 1 ‒ вал от привода, 2 ‒ изоляционная тяга, 3 ‒ экран, 4 ‒ дисковый изолятор, 5,6 ‒ подвижный и неподвижный контакты, 7 ‒ опорный изолятор, 8 ‒ внешний кожух, 9 ‒ фильтр-поглотитель

Выключатель имеет один разрыв на полюс, с током отключения до 40 кА, сквозным током (током электродинамической стойкости) до 102 кА, избыточным давлением элегаза до 0,6 МПа. Приводы пневматические отдельные на каждый полюс.

При включении цилиндр с подвижным и дугогасительным контактами и с дутьевым соплом перемещаются к неподвижному контакту-розетке с дугогасительным контактом, чем обеспечивается их соединение с подсосом элегаза в полость корпуса подвижного контакта. При отключении подвижная контактная группа отходит и возникшая дуга обдувается потоком элегаза из сопла, образующимся снижением объёма внутренней полости корпуса подвижного контакта при его перемещении относительно поршня, что обеспечивает автокомпрессионное дутье.

КРУЭ на 420 кВ серии ЯЭГ-420 производства АО ВО «Электроаппарат» с конструкцией элегазового выключателя показаны на рисунках 20, а, б.

Выключатель имеет два симметричных последовательных разрыва на полюс с шунтирующими конденсаторами для выравнивания напряжения на разрывах. Выключатели такой конструкции могут применяться на КРУЭ от 220 кВ и имеют пневматический привод. Принцип дугогашения на разрыве аналогичен рассмотренному выше для выключателя 110 кВ.

Корпус заполнен элегазом при избыточном давлении 0,55 МПа. Выключатель способен обеспечить 20-кратное отключение тока КЗ 40 кА без ревизии. Срок эксплуатации выключателя до 10 лет. На базе рассматриваемой конструкции могут изготавливаться выключатели напряжением свыше 800 кВ.

КРУЭ и полюс выключателя 420 кВ

Рисунок 20 – КРУЭ и полюс выключателя 420 кВ: а – внешний вид КРУЭ; б – конструкция полюса выключателя: 1‒ внешний кожух, 2,9 ‒ опорные изоляторы, 3 ‒ изоляционная тяга, 4 ‒ экран, 5,7 ‒ подвижный и неподвижный контакты, 6 ‒ конденсатор, 8 ‒ дисковый изолятор, 10 ‒ фильтр-поглотитель

В настоящее время выпускаются элегазовые выключатели на напряжения (6) 10, 20 и 35 кВ для закрытых распределительных устройств (ЗРУ) различного конструктивного исполнения, в том числе для камер сборных одностороннего обслуживания, например КСО-УЭМЗ 6-10 кВ с выключателем нагрузки с элегазовой изоляцией SL 12.

Применение находят элегазовые выключатели серии LF 6,10 кВ производства Merlin Gerin с низким избыточным давлением газа в корпусе 0,15 МПа и механическим приводом, выключатели SF 20,35 кВ с электроприводом и токами номинальным до 3 150 А и отключения до 31,5 кА производства Schneider Electric, а также выключатели EGB на напряжения 6-35 кВ номинальные токи 630-2500 А с поддерживаемым давлением в корпусе 0,3 МПа производства Elimsan. Обозначенные выключатели показаны на рисунках 21, а-в.

элегазовые выключатели ЗРУ 6-35 кВ

Рисунок 21 – Представители элегазовых выключателей ЗРУ 6-35 кВ: а – выключатель LF 6,10 кВ; б – выключатель SF 20,35 кВ; в – выключатель EGB 6-35 кВ

Технические параметры некоторых элегазовых выключателей приведены в таблице 4.

Таблица 4 – Параметры элегазовых выключателей ВН

Тип выключателя Номинальный ток, А Наибольшее рабочее напряжение, кВ Ток отключения, кА Амплитуда предельного сквозного тока (iэдс), кА Ток термической стойкости для времени (t) в с, кА Масса, кг
ВГГ-15-50/6300 6300 17,5 50 130 50 (3 с)
ВГГ-20-63(90)/6300 (8000,10000) 6300 (8000,10000) 22 63 (90) 130 (160,230) 63 (90) (3 с)
ВГБ-35-12,5/630 630 40,5 12,5 35 12,5 (3 с) 650
ВГТ-110 (220) 3150 126 (252) 40 102 40 (3 с) 1570 (4080)
ВЭБ-110 (220) 2500/3150 126 (252) 40 (50) 102 (125) 40 (50) (3 с) 2660 (4500/5900)
ВГБУ-220-40/2000 2000 252 40 102 40 (3 с) 5400
LTB 145 D1/B 3150 126 40 100 40 (3 с) 2720/2210
LTB 420 E2 4000 363 40 100 40 (3 с) 8920/10032
HPL 245 B1 4000 252 63 160 63 (3 с) 4280/5640
HPL 420 B2 4000 363 63 160 63 (3 с) 8420/9260
HPL 800 B4 4000 787 50 128 50 (3 с) 21740
LF 1 (6,3; 10 кВ) 630 (1250) 25 (31,5) 64 (81) 25 (31,5) (3 с) 106
LF 3 (6,3; 10 кВ) 2500 (3150) 25/31,5/40 (25, 31,5) 64/81/102 (64/81) 25/31,5/40 (25, 31,5) (3с) 149,5

Основной сложностью в эксплуатации элегазовых выключателях является высокая температура сжижения элегаза без примесей, которая решается либо нагревом полюсов выключателей, либо смешением элегаза с другими газами, у которых электрическая прочность лишь на 10-15 % ниже прочности чистого элегаза, а допустимое давление с сохранением газового состояния при низких температурах резко возрастает.

На рисунке 22, а показана зависимость давления перехода элегаза в жидкое состояния от температуры. А на рисунке 22, б изображены качественные зависимости напряжения пробоя от давления для элегаза (SF6) и азота (N2).

Характеристики по параметрам для газов

Рисунок 22 – Характеристики по параметрам для газов: а – зависимость давления для разных состояний элегаза от температуры; б – зависимости напряжения пробоя от давления

По рисунку 22, а наблюдается рост предельного давления сжижения с повышением температуры. Учитывая, что в некоторых выключателях поддерживаемое избыточное давление элегаза доходит до 0,6 МПа, сжижение может происходить при температуре около -20 оС и ниже. Поэтому для экплуатации при низких температурах необходимо обеспечивать нагрев выключателя, либо повышать предельные давления сжижения примешиванием азота, либо тетрафторида углерода (CF4), у которых при рабочих давлениях выключателя напряжения пробоя отличаются не существенно (рис. 22, б). Так, например, у смеси из 30 % элегаза и 70 % азота сжижение при температуре -45 °С наступает при давлении 8 МПа.

Элегазовые выключатели обладают высокими показателями пожаро- и взрывобезопасности, быстродействия, отключающей способности, коммутационной и механической износостойкости. Они заменяют собой масляные и воздушные в широком классе напряжений от 35 кВ и выше и в перспективе представляют наиболее распространённый вид выключателей ВН.

4. Вакуумные выключатели

Вакуумные выключатели имеют в своей конструкции дугогасительные камеры с глубоким вакуумом при давлении до 1,3·(10-2 – 10-5 Па), позволяющим получить высокую электрическую прочность межконтактного промежутка и обеспечить минимальное расстояние между контактами до 10 мм при номинальных напряжениях выключателя до 35 кВ. Пробивное напряжение промежутка длиной 1 мм при указанном давлении составляет порядка 100 кВ. Время горения дуги составляет не более 0,01 мс.

Высокая интенсивность нарастания электрической прочности промежутка и малое время горения дуги являются основными преимуществами вакуумных выключателей и определяют предпочтительность их использования в распределительных устройствах высокого напряжения (РУВН) классов 6-35 кВ.

Пример конструкции ДГК вакуумного выключателя показан на рисунке 23.

Вакуумная ДГК

Рисунок 23 – Вакуумная ДГК: 1, 2 ‒ части керамического корпуса; 4, 15 ‒ закрыты по торцам металлическими фланцами; 15 ‒ фланец; 12 ‒ неподвижный контакт; 13 ‒ токоотвод; 11 ‒ подвижный контакт; 7 ‒ медный токоведущий стержень, 5 ‒ сильфон из нержавеющей стали; 6 ‒ уплотнитель; 3, 9, 10, 14 ‒ экраны; 8 ‒ крышка

В начальный момент отключения пятна контактирования на поверхностях контакт-деталей уменьшаются, переходное сопротивление и плотность тока в точках контакта увеличиваются, что приводит к локальным повышениям температуры, размягчению материала и возникновению контактных мостиков, которые от расхождения контактов рвутся, и происходит выброс частиц контакт-деталей в промежуток, являющихся источниками свободных носителей заряда и ионизации. Также, источниками носителей заряда являются поверхности контактов, испускающие электроны под действием электромагнитного поля высокой напряжённости при малых межконтактных расстояниях, посредством автоэлектронной эмиссии.

Большая разность плотностей частиц в области дуги и окружающей вакуумной среде обеспечивает высокую скорость диффузии зарядов и деионизацию промежутка. В течение 0,01 мс происходит восстановление электрической прочности и гашение дуги.

Для повышения допустимого тока отключения взамен простых торцевых контактов применяют контакты более сложной конструкции с целью создания в межконтактном промежутке магнитных полей разного характера, воздействующих на дугу определённым образом. Необходимость создания полей объясняется переходом горения дуги из режима рассеивания (диффузная дуга), характерного для меньших токов отключения в пределах нескольких ампер, в сфокусированный режим при сравнительно больших токах, который характеризуется высокими концентрацией энергии дуги на площади контакта, нагревом и испарением материала.

На рисунках 24, а, б показаны конструкции контактов, обеспечивающие воздействие на дугу, горящую в сфокусированном режиме, радиальным (поперечным) магнитным полем (контакты «RMF-radial magnetic field» – системы).

Контакты с радиальным магнитным полем типа RM0F

Рисунок 24 – Контакты с радиальным магнитным полем типа RM0F: а – спиралевидные контакты RMF; б – цилиндрообразные контакты RMF

Возникающее радиальное магнитное поле в межконтактном промежутке воздействует на дугу электродинамическим усилием поперечно, перемещая её по поверхности контактной площадки, что обеспечивает ограниченный локальный нагрев зон контактных поверхностей. При этом такая контактная система предполагает возникновение и горение сфокусированной дуги.

Другой тип контактов позволяет избежать перехода горения дуги в сфокусированный режим созданием в межконтактном промежутке аксиального (продольного) магнитного поля (контакты «AMF-axial magnetic field» – системы). Контакты AMF системы показаны на рисунке 25.

Воздействие аксиального поля на дугу в продольном направлении позволяет ограничить перемещения электродных пятен по контактным площадкам и сохранить диффузный режим горения, при этом энергия дуги равномерно распределяется по поверхностям и минимизируются локальные перегревы.

Конструкции контактов с аксиальным магнитным полем типа AMF

Рисунок 25 – Конструкции контактов с аксиальным магнитным полем типа AMF

В составе РУВН 6-35 кВ широкое применение находят вакуумные выключатели серии ВВ/TEL производства Таврида Электрик, обладающие высокими показателями механического (до 150 000 ОВ) и коммутационного ресурсов (до 100 ОВ при IОТК.НОМ), малыми массой и габаритами (34-56 кг), широким диапазоном рабочих температур (-45 оС – +55 оС), обеспечивающие коммутацию при потере оперативного питания и допускающие вертикальную и горизонтальную установку. Срок эксплуатации ВВ/TEL до 30 лет, в течение которого не требуется проведение специального обслуживания и нет необходимости в проведении ремонтов.

Конструкция выключателя ВВ/TEL 6 (10) кВ показана на рисунках 26, а‒в.

Конструкция выключателя ВВ/TEL

Рисунок 26 – Конструкция выключателя ВВ/TEL: а ‒ вид выключателя; б ‒ верхняя часть: 1 ‒ токопроводы, 2 ‒ неподвижный контакт, ‒ ДГК, 4 ‒ подвижный контакт, 5 ‒ гибкий токосъём, 6 ‒ тяговый изолятор; в ‒ приводная часть: 1 ‒ крышка корпуса привода 2 ‒ пружина поджатия, 3 ‒ втулка якоря, 4 ‒ вал привода, 5 ‒ якорь, 6 ‒ катушка, 7 ‒ постоянный магнит, 8 ‒ герконовые вспомогательные контакты, 9 ‒ кольцевой магнит, 10 ‒ отключающая пружина, 11 ‒ тяговый изолятор

Такие выключатели могут использоваться как при сборке новых ячеек КРУ и КСО, примеры которых изображены на рисунках 27, а‒в, так и при перевооружении эксплуатируемых ячеек с другими типами выключателей, пример на рисунке 28.

 

Выкатные элементы в ячейках КРУ и выдвижной моноблок в КСО

Рисунок 27 – Выкатные элементы в ячейках КРУ и выдвижной моноблок в КСО: а – ВЭ/TEL-10-20/630,1000; б – ВЭ/TEL 10-20/1600; в – ВВ/TEL 10-20/630,1000 в КСО

ВМП-модуль

Рисунок 28 – ВМП-модуль

Элементами ВЭ/TEL-10-20/1600 (см. рис. 27, б) возможно выполнить замену выключателей ВК-10 и ВКЭ-10 в ячейках КРУ типов К-104, К-49, К-59, КРУН-6(10), КМ1, КМ-1Ф, КМ-1М, КМВ. ВМП-модуль-10-20/1600 с ВВ/TEL может заменить собой ВМП-10К, ВМП-10П, ВМПЭ-10, ВМПП-10 в ячейках КРУ2-10, К-XII, К-XIII, КXXVI, К-37.

Универсальный модуль для КСО заменяет выключатели ВМГ-10, ВМГ- 133, ВМП-10, ВК-10 в КСО-2У, КСО-2УМ, 266,272,285,292,2200, КРН-III-VI, КРУПЭ, и др. Также выключатели серии ВВ/TEL производят на напряжение 35 кВ для ОРУ и ЗРУ. Могут иметь исполнение УХЛ1 для наружной установки.

Конструкции ВВ/TEL -35-25/1600 и 35-12,5/630 показаны на рисунках 29, а‒г. Выключатель имеет механизм ручного отключения с двумя стабильными положениями блокировки.

выключатели ВВ/TEL-35

Рисунок 29 – Общий вид и конструкция выключателей ВВ/TEL-35: а – внешний вид ВВ/TEL-35; б ‒ ВВ/TEL-35-25/1600: 1 ‒ ДГК, 2 ‒ тяга подвижного контакта, 3 ‒ блок контактов гибкой связи, 4 ‒ корпус привода, 5 ‒ отсек привода с указателями положения, дренажными фильтрами и разъёмами для подключения к цепям управления; в – ВВ/TEL 35-12,5/630: 1 ‒ ДГК, 2 ‒ модуль встроенных датчиков тока (пояс Роговского), датчиков напряжения (ёмкостно-резистивные делители), датчиков тока нулевой последовательности, 3 ‒ блок контактов гибкой связи, 4 ‒ тяга подвижного контакта, 5 ‒ корпус привода, 6 ‒ отсек привода

В ячейках КРУ и камерах КСО, в том числе в составе КРУ наружной установки (КРУН), могут использоваться вакуумные выключатели серии ВВ-АЕ-12. Конструкция такого выключателя показана на рисунках 30, а-в.

Конструкция и варианты установки ВВ-АЕ-12

Рисунок 30 – Конструкция и варианты установки ВВ-АЕ-12: а – стационарной установки; б – выкатной установки; в – конструкция: 1 ‒ токовводы, 2 ‒ полимерный изолятор, 3 ‒ ДГК, 4 ‒ подвижный контакт, 5 ‒ роликовый токосъём, 6 ‒ пружина, 7 ‒ тяга, 8 ‒ пружина отключения, 9 ‒ рычаг передачи, 10 ‒ корпус, 11 ‒ расцепитель, 12 ‒ вал привода

Линейка ВВ-АЕ-12 представлена выключателями напряжением 12 кВ на номинальные токи 630, 1250, 1600, 2500, 3150, 4000 А, исполнением У3.

Вакуумный выключатель серии VF на напряжения 10, 20, 35 кВ для ячеек КРУ и камер КСО с номинальным током до 3 150 А показан на рисунке 31, а.

Выключатель наружной установки серии ВБН-27,5 показан на рисунках 31, б‒г. Отличительной особенностью выключателя ВБН является наличие масла в отсеке полюса с ДГК, обеспечивающего дополнительную изоляцию корпуса и охлаждение камеры. ВБН изготавливают на ток 1 600 А и ток отключения 20 кА. Выключатели на 35 кВ данной серии конструктивно выполнены тремя полюсами на едином раме с корпусом привода на номинальный ток 1 600 А и ток отключения 20 кА.

Выключатели VF и ВБН

Рисунок 31 – Выключатели VF и ВБН: а – VF на выкат-ном элементе; б – внешний вид полюса ВБН; в – элементы конструкции ВБН: 1 ‒ контактные выводы, 2 ‒ фарфоровые изоляторы, 3 ‒ корпус с рамой и приводом, 4 ‒ привод; г – конструкция полюса ВБН: 1 ‒ колпак с отверстием для заливки масла, 2 ‒ маслоуказатель, 3 ‒ вакуумная ДГК, 4 ‒ подвижный контакт, 5 ‒ гибкий токопровод, 6 ‒ изоляторы, 7 ‒ тяга привода, 8 ‒ система привода

По причине резкого снижения давления паров металла и росте сопротивления межконтактного промежутка в вакуумной ДГК при подходе тока к нулевому значению имеет место обрыв (срез) тока, т. е. скачкообразное достижения током нулевого значения до естественного перехода через ноль. Последствием такого изменения является перенапряжение на контактах, в некоторых случаях достигающее пятикратного значения номинального.

На рисунке 32 изображены осциллограммы напряжения и тока в разные моменты среза в пределах полупериода при нарастании и спадании тока цепи. Обрыв дуги происходит в моменты времени tо или 0,01–tо, при токах iо1 или iо2, напряжениях источника сети Uо1 или Uо2 и амплитудах восстанавливающегося напряжения (перенапряжения) UМ1 или UМ2.

Осциллограммы напряжения и тока при отключении цепей

Рисунок 32 – Осциллограммы напряжения и тока при отключении цепей

Для снижения влияния эффекта среза тока контакты выключателя могут шунтироваться активным сопротивлением, а также могут изготавливаться из комбинации материалов: один материал с высокими показателями дугостойкости (молибден, вольфрам), а другой с высоким показателем давления паров (сурьма, висмут). Так, максимальный срез тока наблюдается у контактов из молибдена (до 14 А), а наименьший из висмута (до 0,3 А), у меди – 2 А. Хорошими совмещёнными показателями обладает металлокерамика.

Достоинства вакуумных выключателей:

  • быстродействие и скорость гашения дуги;
  • взрыво- и пожаробезопасность, отсутствие выбросов продуктов горения дуги в окружающее пространство;
  • высокие износостойкость, показатель надёжности (срок службы до 30 лет);
  • отсутствие необходимости замены дугогасящей среды;
  • широкий диапазон рабочих температур (от -60 Со до +55 Со);
  • сравнительно небольшая трудоёмкость, либо отсутствие необходимости проведения текущих и капитальных ремонтов.

Недостатки:

  • эффект среза тока и существенные перенапряжения при отключении цепей со значительной индуктивной составляющей;
  • трудоёмкость создания выключателей на напряжения 110 кВ и выше;
  • сложность наладки массового производства.

При реконструкциях РУ в рамках ретрофита вакуумные выключатели принимаются к установке преимущественно на напряжения 6 (10) кВ, реже 35 кВ.

Технические параметры некоторых вакуумных выключателей ВН представлены в таблице 5.

Таблица 5 – Параметры вакуумных выключателей ВН

Тип выключателя Номинальный ток, А Наибольшее рабочее напряжение, кВ Ток отключения, кА Амплитуда предельного сквозного тока (iэдс), кА Ток термической стойкости для времени (t) в с, кА Масса, кг
ВБН-35 (27,5) II– 20/1600 УХЛ1 1600 40,5 (29) 20 51 20 (3 с) 950 (300-один полюс)
ВБЭ-10- 20/(630,1000,1250,1600) 630,1000,1250,1600 12 20 51 20 (3 с) 120 (стационарный) 178 (выкатной)
ВБЭ-10- 31,5/(630,1600,2000,2500,3150) 630,1600,2000,2500,3150 12 31,5 80 31,5 (3 с) 115 (стационарный) 188 (выкатной)
ВБЭ-110-31,5/(1250,1600) 1250,1600 129 31,5 31,5 (3 с) 1400
ВВ/TEL-35-12,5/630 УХЛ1 630 40,5 12,5 32 12,5 (3 с) до 90
ВВ/TEL-35-25/1600 УХЛ1 1600 40,5 25 64 25 (3 с) до 90
BB/TEL-10-(20)25/1600 У2 1600 12 20 (25) 51 (64) 20 (25) (3 с) 70
BB/TEL-10-12,5(20)/1000 У2 1000 12 12,5 (20) 32 (51) 12,5 (20) (3 с) 37
BB/TEL-20-16/800 У2 800 24 16 41 16 (3 с) 36
ВВ-АЕ-12-20/630 У3 630 12 20 50 20 (4 с)
ВВ-АЕ-12-25/1250 У3 1250 12 25 63 25 (4 с)
ВВ-АЕ-12-31,5/(1600,2500) У3 1600, 2500 12 31,5 80 31,5 (4 с)
ВВ-АЕ-12-40/(2500,3150,4000) У3 2500,3150,4000 12 40 100 40 (4 с)
VF 12 630, 800,1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3150 12 20, 25, 31,5 51, 64, 81 20, 25, 31,5 (3c) до 260

5. Выключатели нагрузки

Для целей коммутации цепей под нагрузкой при протекании номинальных токов (до 400‒600 А при 10 кВ) используются выключатели нагрузки с маломощной ДГК автогазового, электромагнитного, или элегазового дутья и с вакуумными элементами. Некоторые модели оснащаются предохранителями для защиты от токов КЗ.

Конструкции выключателей серий ВН и ВНП показаны на рисунках 33, а-в.

Выключатели нагрузки ВН и ВНП

Рисунок 33 – Выключатели нагрузки ВН и ВНП: а – ВН-10; б – конструкция ВНП-16: 1 ‒ главный неподвижный контакт, 2 ‒ ДГК, 3 ‒ опорный изолятор, 4 ‒ дугогасительный подвижный контакт, 5 ‒ главный подвижный контакт, 6 ‒ предохранитель (ПК-16, ПК-10), 7 ‒ рама, 8 ‒ отключающая пружина; в – конструкция ДГК ВНП-16: 1 ‒ опорный изолятор, 2, 7 ‒ дугогасительный неподвижный контакт, 3 ‒ стяжной винт, 4 ‒ дугогасительный подвижный контакт, 5 ‒ ДГК, 6 ‒ газогенерирующий вкладыш, 8 ‒ главный неподвижный контакт

Выключатель нагрузки ВНП, в отличие от ВН, снабжён предохранителями для защиты от токов КЗ и имеет следующие элементы конструкции (см. рис. 33).

ДГК рассматриваемых выключателей работает по принципу автогазового дутья и содержит газогенерирующий материал (например, органическое стекло в ВН-16, или винипласт), который под воздействием температуры дуги испускает газы, повышающие давление в камере и воздействующие потоками на дугу.

Привод выключателя – ручной рычажный, с возможностью установки встроенного электромагнита для дистанционного отключения. Выключатель может снабжаться устройством автоматического отключения после срабатывания предохранителей по сигналу указателя срабатывания. Также выключатели типов ВНз, ВНПз имеют стационарные заземляющие ножи для заземления верхних и нижних контактов.

Управление ножами заземления производится отдельным приводом, расположенным с противоположной стороны от привода выключателя, а вал заземляющих ножей и вал выключателя связаны блокировкой, не позволяющей включение ножей заземления при включённом выключателе, а также включение выключателя при включённых заземляющих ножах.

Такие выключатели широко применяются в составе КСО, ячеек КРУ и комплектных трансформаторных подстанций (КТП).

Более совершенным выключателем нагрузки является вакуумный, конструкция которого на примере ВВНР-10/630 показана на рисунках 34, а-в.

Выключатель нагрузки ВВНР-10/630

Рисунок 34 – Выключатель нагрузки ВВНР-10/630: а – внешний вид; б – элементы конструкции: обозначены следующие элементы конструкции: 1 ‒ главный подвижный контакт, 2 ‒ дугогасительный подвижный контакт, 3 ‒дугогасительный неподвижный контакт, 4 ‒ вакуумная ДГК, 5 ‒ главный неподвижный контакт, 6,7 ‒ токовводы, 8 ‒ контакты заземляющих ножей, 9 ‒ вал привода заземляющих ножей, 10 ‒ вал привода токоведущих контактов, 11 ‒ тяга, 12 ‒ опорные изоляторы, 13 ‒ рама; в – установка в КСО

Выключатель ВВНР может конструктивно содержать предохранители серии ПКТ.

Технические параметры некоторых выключателей нагрузки ВН представлены в таблице 6.

Таблица 6 – Параметры выключателей нагрузки ВН

Тип выключателя Номинальный ток, А Наибольшее рабочее напряжение, кВ Ток отключения, кА Амплитуда предельного сквозного тока (iэдс), кА Ток термической стойкости для времени (t) в с, кА
ВН-10/400 400 12 16 41 16 (1 с)
ВНА-10/630-П-з 630 12 20 51 20 (1 с)
ВНП-М1-10/630 630 12 20 51 20 (3 с)
ВНП-16 400 12 10 25 10 (3 с)
ВВНР-10/630-20 У2 630 12 10 60 20 (1 с)

6. Электромагнитные выключатели

Применяются в цепях 6 (10) кВ с организацией дугогашения по принципу совместного использования магнитного, воздушного дутья и узких щелей, что позволяет уменьшать сдвиг фаз между током и напряжением в процессе отключения и интенсивно восстанавливать электрическую прочность межконтактных промежутков, обеспечивая гашение дуги до третьего перехода тока через ноль.

Выключатели не требуют наличия масла или сжатого воздуха/газа, имеют сравнительно простую конструкцию, высокую надёжность и срок эксплуатации, например, выключатели ВЭ 6 (10) кВ номинальным током до 3,6 кА и током отключения до 31,5 кА имеют пределы 104 циклов коммутации при токе 1 600 А и 5 000 циклов при токе 3 600 А без ревизии, а механическая износостойкость составляет 50 000 циклов.

При этом высокая проводимость стенок ДГК, обусловливаемая интенсивным нагревом щелей камеры, что может привести к перекрытию по поверхности пластин и стенкам ДГК из-за большого остаточного тока. Поэтому электромагнитные выключатели используют на напряжения не более 10 кВ.

7. Условия выбора выключателей

При выборе выключателей ВН для целей создания новых и реконструкции существующих РУ необходимо учитывать ряд условий:

  • технические параметры выключателя сопоставляются с расчётными номинальными и аварийными токами и напряжениями сети, а именно:
  • номинальное напряжение: UНОМ.АПП ≥ UНОМ.СЕТИ ;
  • номинальный длительный ток: IНОМ.ДЛИТ ≥ IНОМ.СЕТИ ;
  • номинальный ток отключения аппарата и действующее значение периодической составляющей тока КЗ сети при наиболее тяжёлом режиме (как правило, одно- и трёхфазные КЗ на землю): IНОМ.ОТКЛ ≥ IКЗ.ПЕР ;
  • номинальный ток включения и ударный ток КЗ сети: IНОМ.ВКЛ ≥ iКЗ.УД ;
  • ток электродинамической стойкости и ударный ток КЗ сети: IЭДС ≥ iКЗ.УД ;
  • ток термической стойкости и действующее значение периодической составляющей тока КЗ сети в течение времени срабатывания защиты (tСР.З): IТС (привденное к tСР.З ) ≥ IКЗ.ПЕР ( tСР.З ) .
  • необходимость обеспечения автоматического повторного включения (АПВ), при этом изготовителем гарантируются параметры цикла работы, в том числе пауза и снижение номинального тока отключения при АПВ;
  • в отдельных случаях требуется сопоставлять расчёт скорости восстановления напряжения для сетей и условий испытаний выключателя, особенно это касается тяжёлых режимов, например, КЗ на зажимах мощных генераторов, трансформаторов и неудалённых КЗ;
  • для высокомощных выключателей важными параметрами являются время отключения и время АПВ.