Функционирование любой энергосистемы напрямую зависит от надежности коммутационных аппаратов, обеспечивающих (в зависимости от состояния) беспрепятственное прохождение токов нагрузки и должный уровень изоляции разомкнутых сегментов электрической цепи. В системах с высоким классом напряжения, наряду с другими высоковольтными коммутаторами, широко применяются воздушные выключатели. О том, что представляют собой эти устройства можно узнать и материалов нашей статьи.
Содержание
- Специфика коммутации
- Что такое “воздушный выключатель”?
- Структура условного обозначения
- Классификация и типы воздушных выключателей
- По назначению
- По конструктивному исполнению
- Устройство и конструкция воздушного выключателя
- Принцип действия
- Область применения и процесс эксплуатации
- Преимущества и недостатки
Специфика коммутации
Процесс «разрыва» высоковольтных электроцепей сопровождается образованием мощного дугового разряда. В некоторых случаях, например при отключении линии 100 кВ с большим током нагрузки, температура плазмы внутри электродуги может достигать 15000°С, что вполне достаточно для вывода из строя не только контактной группы, а и всей несущей конструкции выключателя нагрузки.
Чтобы не допустить такого развития событий, коммутаторы высокого напряжения должны обладать возможностью гашения дугового разряда, в противном случае их срабатывание будет одноразовым. По этой причине дугогасительные камеры считаются самым важным элементом автоматических выключателей. Их конструкция стала критерием при разделении выключателей на следующие типы:
- Элегазовые, в таких выключателях используются специальные камеры, наполненные газовым составом на основе фтористой серы.
- Вакуумные аппараты. Гасят электрическую дугу в камерах с откаченным воздухом.
- Масляные и маломасленые выключатели, где в качестве дугогасящего наполнителя используется трансформаторное масло.
- Воздушные. Разряд гасится воздушным потоком.
Поскольку наша тема посвящена последним, рассмотрим подробно, что они из себя представляют.
Что такое “воздушный выключатель”?
Такой термин применяется к высоковольтным коммутационным устройствам, использующим воздушные потоки для подавления разряда, проявляющегося при рабочем или аварийном срабатывании.
Для нормального функционирования таких устройств необходимо дополнительное оборудование, куда входят:
- Компрессорные установки для нагнетания необходимого давления воздуха.
- Ресиверы (емкости для хранения воздушной смеси под давлением).
- Пневмопроводы, по которым подается сжатый воздух в дугогасительные модули и пневматический привод (если таковой используется для разрыва цепи).
Подробно конструкция воздушного выключателя будет рассматриваться отдельно.
Структура условного обозначения
Ниже на рисунке приведена структура обозначений электрических коммутационных аппаратов в соответствии с номами ГОСТ 687 78.
Обозначения:
- Может быть от двух до пяти литер. Первая указывает на тип изделия, для выключателей это «В». Остальные характеризуют конструктивные особенности и другие существенные характеристики, такие как исполнение, тип установки и т.д. Например, выключатели серии ВВБ: первая буква говорит, что это выключатель (В), вторая указывает категорию – воздушный (В), третья на тип исполнения – баковый (Б). Также можно привести серию ВВШ, где «Ш» указывает на применение в электрической схеме выключателя шунтированных резисторов.
- Отображение номинального напряжения прибора (кВ).
- Для выключателей с 1-й категорией размещения указывается группа утечки изоляции (буквы «А», «Б», «В»).
- Номинальное значение тока отключения (кА).
- Отображение номинального тока коммутатора (А).
- Вариант климатического исполнения.
- Обозначение категории размещения.
Для примера расшифруем обозначение выключателя ВВБК-110-35/2000 У2. Исходя из маркировки это воздушный выключатель бакового типа в крупномодульном исполнении (литера «К» в обозначении модели). Устройство предназначено для коммутации цепей на 110,0 кВ с током отключения 35,0 кА и рабочим — 2000,0 А. Может эксплуатироваться в климатических условиях близких к умеренным.
Классификация и типы воздушных выключателей
Силовые выключатели, в том числе и воздушные, в первую очередь принято классифицировать по типу конструкции и назначению, после чего уже рассматриваются технические характеристики. Начнем с более приоритетного критерия классификации.
По назначению
В зависимости от назначения воздушные коммутаторы разделяют на следующие виды:
- Сетевая группа, в нее входят электромеханические аппараты, с номинальным напряжением начиная от 6,0 кВ. Могут использоваться как для оперативной коммутации цепей, так и аварийного отключения, например, при КЗ.
- Генераторная группа. Она включает в себя электроаппараты, рассчитанные на 6,0-20,0 кВ. Данные приборы могут коммутировать цепь, как при нормальных условиях, так и в случае КЗ или наличия пусковых токов.
- Категория для работы с энергоемкими потребителями (дуговые, руднотермические, сталеплавильные печи и т.д.).
- Группа особого назначения. Она включает в себя следующие подвиды:
- Воздушные коммутаторы сверхвысокой категории напряжения, служащие для подсоединения к ЛЭП реакторов шунтирующего действия, если в линии произошло перенапряжение.
- Выключатели цепей с ударными генераторами (используются при стендовых испытаниях), рассчитанные на коммутацию в нормальном режиме работы и при возникновении нештатных ситуаций.
- Аппараты в цепях 110,0-500,0 кВ, обеспечивающих прохождение, как при нормальных условиях работы, так и определенное время при КЗ.
- Воздушные коммутаторы, входящие в комплект распределительных устройств.
По конструктивному исполнению
Особенности конструкции выключателей определяют их тип установки. В зависимости от этого различают следующие виды аппаратов:
- Входящие в комплект к РУ (встраиваемые).
- Снабженные специальными устройствами выкатки из ячеек РУ относятся к выкатному типу.
Выкатной воздушный выключатель Metasol - Настенное исполнение. Приборы, устанавливаемые на стены в РУ закрытого типа.
- Подвесные и опорные (отличаются типом изоляции на «землю»).
Устройство и конструкция воздушного выключателя
Рассмотрим, как устроен воздушный выключатель на примере силового коммутатора ВВБ, его упрощенная конструктивная схема представлена ниже.
Обозначения:
- A – Ресивер, резервуар в который накачивается воздух пока не образуется уровень давления соответствующим номинальному.
- В – Металлический бак дугогасительной камеры.
- С – Торцевой фланец.
- D – Конденсатор делителя напряжения (в современных конструкциях выключателей не применяется).
- E — Штанга крепления подвижной контактной группы.
- F – Фарфоровый изолятор.
- G – Дополнительный дугогасительный контакт для шунтирования.
- H – Шунтирующий резистор.
- I – Клапан подачи струи воздуха.
- J – Труба импульсного воздуховода.
- K – Основной подвод воздушной смеси.
- L – Группа клапанов.
Как видим, в данной серии контактная группа (Е, G), механизм подключения/отключения и дутьевой клапан (I) заключены в металлической емкости (В). Сам бак наполнен сжатой воздушной смесью. Полюсы выключателя разделяет промежуточный изолятор. Поскольку на емкости присутствует высокое напряжение, защите опорной колоны придается особое значение. Она выполнена с помощью изоляционных фарфоровых «рубашек».
Подача воздушной смеси осуществляется по двум воздуховодам К и J. Первый основной, используется для нагнетания воздуха в бак, второй работает в импульсном режиме (подает воздушную смесь, когда отключаются контакты выключателя и сбрасывает при замыкании).
Принцип действия
В основу работы выключателя положен принцип гашения электродуги скоростным потоком сжатой воздушной смеси, подаваемого в дутьевые каналы. Под воздействием воздушного потока столб разряда растягивается и направляется в дутьевые каналы, где окончательно гасится.
Конструкции дугогасительных камер отличаются как взаимным расположением дутьевых каналов, так и размыкающихся контактов. По этому признаку следующие схемы дутья:
- Продольная продувка через металлический канал.
- Продольная продувка через изоляционный канал.
- Двухстороння симметричная продувка.
- Двухсторонняя ассиметричная.
Из представленных вариантов наиболее эффективен последний.
Область применения и процесс эксплуатации
Сфера применения выключателей данного типа довольно обширна. В перспективе, за счет применения новых технологий, ситуация может несколько измениться, но сейчас воздушные коммутаторы остаются востребованными для решения следующих задач:
- Коммутация цепей от 35,0 кВ и токами отключения до 100,0 кА.
- Быстрого отключения цепи, например, при испытаниях электрооборудования ударным генератором. Скорость срабатывания некоторых моделей воздушных выключателей может достигать одного периода (за основу взята рабочая частота переменного тока – 50 Гц).
- Эксплуатация в суровых климатических условиях. При морозе у елегазовых аналогов возникают проблемы с прогревом, в то время как вакуумным выключателям сложно сохранить герметичность.
- Отключение мощного источника с высокой апериодической составляющей тока КЗ, может произвести только воздушный коммутатор.
В процессе эксплуатации важно уделять должное внимание обслуживанию воздушных коммутаторов, которое включает в себя следующие регулярные процедуры:
- Вентиляция внутренней поверхности фарфоровых изоляторов, для этого предусмотрен специальный клапан для стравливания сжатого воздуха.
- Тестирование пневматической системы, проверяется по сбросу давления при отдельной операции. Показания сравниваются с нормировочными таблицами.
- Осуществляется проверка привода поршня. Процедура зависит от типа механизма.
- Проверяется герметичность дугогасящей камеры.
- Тестируются контакты (вначале главные токоведущие, потом дополнительные) путем измерения сопротивления
- Измеряется изоляция при разомкнутом отделителе.
- Тестируется схема управления и цепь включения.
Регламент проведения обслуживания в процессе эксплуатации приведен в технической документации.
Преимущества и недостатки
У воздушных выключателей есть много преимуществ перед альтернативными аппаратами с аналогичными функциями. Приведем несомненные плюсы:
- Высокая скорость срабатывания.
- Хорошие показатели отключающей способности.
- Длительный срок эксплуатации.
- Высокий уровень пожаробезопасности.
Теперь перечислим основные недостатки:
- Высокая стоимость оборудования и дорогой монтаж.
- Необходимость в компрессорном оборудовании и его регулярном обслуживании.