Разъединение нагруженных электрических цепей всегда сопряжено с риском искрообразования. Особую опасность таит в себе отключение нагрузки на высоковольтных линиях. Мощная электрическая дуга, образующаяся при коммутации незащищённых контактных ножей, может привести к разрушению силовых контактов и к выходу из строя электрических приборов. Обезопасить процесс коммутации цепей способен выключатель нагрузки, оборудованный устройствами для экстренного гашения дуги.
Выключатели нагрузки (ВН) принадлежат к тем видам коммутационных приборов, которые, по уровню допускаемых токов, занимают промежуточное положение между обычными разъединителями и специальными выключателями номинальных токов, способных отсекать сверхтоки в аварийных ситуациях. Несмотря на то, что коммутация номинального тока выключателем нагрузки допускается, однако прибор не рассчитан на отключение токов перегрузок в случае КЗ. Для этих целей предусмотрено применение специальных высоковольтных предохранителей.
Содержание
- Применение
- Преимущества и недостатки
- Устройство и принцип работы
- Виды
- Автогазовый (газогенерирующий) выключатель
- Вакуумный высоковольтный выключатель
- Элегазовые ВН
- Условное обозначение и маркировка
- Отличие от автоматического выключателя
- Технические параметры
- Подключение
- Полезное видео по теме
Применение
Выключатели нагрузки применяются в распределительных сетях с целью коммутации линий, силовых трансформаторов, работающих при номинальных напряжениях. Устройства могут использоваться для включения/отключения дополнительных нагрузок, но они не предназначены для защиты от коротких замыканий, за исключением тех конструкций, в которых установлены плавкие предохранители (см. рис. 1).
Такими разъединителями мощности оборудуются высоковольтные линии на 6 – 10 кВ, для токов, не превышающих 400 – 600 А. Для коммутации и защиты более мощных линий электропередач применяются релейные устройства. В маломощных сетях допускается использование ВН без предохранителей.
Существуют компактные выключатели нагрузок до 100 А, которые легко монтируются в распределительных устройствах. Такие рубильники внешне похожи на конструкцию автоматического выключателя (см. рис. 2) и устанавливаются на входах сетей многоквартирных и частных домов. Они управляются только вручную и не отключаются при достижении тока срабатывания защиты.
Наличие модульного выключателя мощности не исключает необходимости защиты проводки в аварийных режимах другими способами. В частности, аварийное отключение домашней электрической сети обеспечивают автоматические пакетные выключатели, но использовать их для частого отключения нагрузки не рекомендуется из-за быстрого износа контактов. В этом смысле переключатель нагрузки более надёжен, так как его контакты рассчитаны на такие режимы работы.
Преимущества и недостатки
У рассматриваемых коммутационных аппаратов есть сильные и слабые стороны.
К преимуществам относятся:
- меньшая себестоимость, по сравнению с другими видами выключателей;
- быстрое и надёжное включение и отключение номинальных токов нагрузок;
- возможность применения дешёвых плавких предохранителей для защиты от перегрузок;
- наличие у высоковольтных ВН видимого разрыва контактов, что позволяет обходиться без дополнительного разъединителя.
Недостатки:
- ограниченный ресурс эксплуатации;
- разрыв цепи возможен только для токов, в пределах номинальных значений мощностей;
- после срабатывания предохранителя необходима его замена.
Устройство и принцип работы
Конструкция высоковольтного выключателя нагрузки очень напоминает устройство трехполюсных разъединителей. На раме расположены поворачиваемые в вертикальной плоскости подвижные ножи, имеющие серповидную форму. Они входят в камеру, где расположены неподвижные контакты.
Управление поворотом ножей осуществляется с помощью механизмов, ручных приводов, либо полуавтоматических устройств. Электромагнитный привод, использующий соленоид обеспечивает дистанционное отключение нагрузки высоковольтных приборов, а в отдельных случаях работу в автоматическом управлении.
На рисунке 3 представлен чертёж трёхполюсного ВН с ручным приводом.
Обратите внимание (рисунок слева) на то, что в конструкции предусмотрено установку предохранителей, которые не показаны на чертеже. Все токоведущие части отделены от рамы мощными изоляторами (рисунок справа).
Для обеспечения необходимой скорости разъединения контактов применяются пружинные механизмы. При повороте вала пружина накапливает потенциальную энергию, которая в определённый момент высвобождается, направляя накопленную мощь на движение ножей. Пружинный механизм хорошо виден на рисунке 4.
В комплект выключателя нагрузки могут входить стационарные ножи заземления. Эти элементы дополнительной защиты имеют механизмы блокировки от ошибочных действий персонала.
Главное отличие ВН от разъединителей – это наличие дугогасительных устройств, обеспечивающих сохранность неподвижных и подвижных контактов при коммутации. Гашение электрической дуги, которая неизбежно зажигается при отключении или включении нагруженной цепи, происходит в дугогасительных камерах, оборудованных вкладышами, изготовленных из полимеров. Дуги гасятся потоком продуктов испарения вкладышей, образующихся под действием высоких температур возникающего разряда.
В зависимости от конструкции ВН принцип гашения может отличаться. Следует помнить, что камеры гашения не обеспечивают абсолютного отсутствия дуги, которая, хоть и на очень короткий период времени, всё-таки возникает. Задача состоит в том, чтобы как можно быстрее подавить разрастание разряда, устранив условия для его существования.
Эффект гашения достигается различными способами: путём сдувания ионизированного воздуха с контактов, заполнением камер специальными смесями газов или созданием вакуума. В зависимости от принципа подавления дуги различают разные типы выключателей.
Виды
По способу гашения дуги в камерах, ВН подразделяются на следующие виды:
- автогазовые;
- элегазовые;
- вакуумные;
- воздушные;
- масляные;
- электромагнитные.
Автогазовый (газогенерирующий) выключатель
Устройство предназначено для оперативной коммутации силового электрооборудования. Подавление дуги происходит под действием газов, генерируемых в камере гашения. Вкладыш из мочевиноформальдегидной смолы или из полиметилметакрилата, расположенный внутри камеры, в момент коммутации дугогасительных контактов молниеносно нагревается. Под действием высокой температуры происходит испарение верхнего слоя полимера, а образовавшийся поток газов интенсивно гасит электрическую дугу.
Условие для испарения вкладыша создают дугогасительные контакты, запуская процесс «продольного дутья». Во включенном состоянии номинальный ток протекает по основным контактам.
Автогазовые ВН активно используются в России и в странах СНГ. Они применяются на подстанциях, устанавливаются в распределительных устройствах электросетей 6 – 10 кВ с изолированной нейтралью. В основном их монтируют там, где экономически не выгодно применять установки другого типа, а использование разъединителей запрещено правилами ПУЭ.
Данный тип выключателей имеет самую низкую стоимость и высокую ремонтопригодность. Эти преимущества способствуют росту популярности газогенерирующих выключателей.
Вакуумный высоковольтный выключатель
Очень эффективное, но дорогое устройство, позволяющее выключать не только номинальные токи нагрузки, но и сверхтоки при КЗ. Контакты вакуумных выключателей находятся в вакуумной камере со сверхнизким давлением (порядка 10-6 — 10-8 Н/м). Отсутствие газа создаёт очень большое сопротивление, что препятствует горению дуги.
При размыкании/замыкании контактов дуга всё-таки возникает (за счёт образования плазмы из паров металла контактов), но она практически мгновенно, гаснет, в момент перехода через ноль. В течение 7 – 10 мк/с пары конденсируются на поверхности контактов и на других деталях камеры.
Существуют разновидности:
- вакуумные выключатели до 35 000 В;
- устройства для напряжений, превышающих 35 кВ;
- вакуумные контакторы для сетей в 1000 В и выше.
Основные достоинства:
- работа выключателя в любом положении;
- коммутационная износостойкость;
- стабильная работа;
- пожарная безопасность.
Из недостатков можно выделить сравнительно высокую стоимость из-за сложности технологии производства камер.
Элегазовые ВН
В коммутационных аппаратах данного типа для гашения дуги используется элегаз. Работает устройство по принципу автогазовых выключателей, но вместо воздуха для гашения дуги применяется шестифтористая сера (SF6) с добавками других газов.
В корпус камеры гашения из герметической ёмкости поступает элегаз, который не выбрасывается в атмосферу, а используется повторно. Различают колонковые и баковые устройства (см. рис. 5).
В конструкциях таких выключателей используется встроенные трансформаторы тока. Современные элегазовые ВН могут работать в распределительных устройствах сверхвысокого напряжения, достигающего 1150 кВ.
Условное обозначение и маркировка
Для маркировки выключателей нагрузки используются буквенные и цифровые символы, сгруппированные по группам:
ВН Х-Х-00/0-0 хх 0 Х0.
Заметим, что приведённая структура обозначения может отличаться в маркировках разных типов конструкций.
Рассмотрим один из вариантов.
- Первая группа букв содержит информацию о типе выключателя. ВН – выключатель нагрузки. Иногда буква Н отсутствует, а на её месте, а чаще всего Х на второй позиции обозначает тип изделия либо вариант исполнения.
Буквенное обозначение типов конструкции:
- М – масляный;
- ММ – маломасляный
- А– автогазовый.
(Элегазовые рубильники имеют свою структуру обозначения).
Буквенное обозначение вариантов исполнения:
- М – модернизированный;
- П – пружинный привод;
- Р – ручной привод;
- Э – электромагнитный.
Х на третьей позиции может обозначать расположение привода:
- П – правое;
- Л – левое.
На четвёртой позиции (00) цифры, указывающие номинальное напряжение в кВ.
5 позиция (/0) – номинальный ток отключения, в кА.
6 позиция (0) – номинальный (сквозной) ток выключателя.
7 позиция (хх) – расположение заземляющих ножей (иногда климатическое исполнение). п – за предохранителями, в – со стороны контактов заземления.
8 позиция (0) – обозначает тип устройства подающего команды для отключения (при наличии).
9 позиция (Х0) – климатическое исполнение и категория размещения.
Пример: маркировка ВВЭ – 15 – 25/ 680 – УЗ означает: Выключатель вакуумный, с электромагнитным приводом, рассчитанный на напряжение 15 кВ, ток термической стойкости – 25 кА, номинальный ток ВН – 680 А, применяется в условиях умеренного климата, предназначен для внутренней установки.
На рисунке 6 приведён пример обозначения на схеме.
Отличие от автоматического выключателя
Основной признак отличия от автоматического выключателя в том, что рассматриваемые устройства не могут работать в автоматическом режиме. Для отключения ВН требуется вмешательство оператора – с помощью ручного привода или дистанционно (в зависимости от конструктивного исполнения). Автоматический выключатель размыкает цепь при достижении тока срабатывания защиты.
Отличить устройства можно по их маркировке и по внешнему виду.
Технические параметры
Выключатели нагрузки характеризуются тремя важными параметрами:
- номинальным напряжением;
- током термической стойкости;
- номинальным током ВН.
Другие параметры учитываются исходя из условий расположения, желаемого способа коммутации и выбора типа исполнения.
В качестве примера приводим таблицу параметров для ВН:
| Тип изделия |
U ном, кВ |
Тип предохранителя |
I ном. предохранителя, кА | максимальный ток, кА | Масса (без привода), кг |
| ВНП-3 | 3 | ПК-З | 80 | 31,5 | 50 |
| 200 | 31,5 | 55 | |||
| ВН-16 | 6 | — | — | — | 36 |
| 10 | — | — | — | 36 | |
| ВНП-16 | 6 | ПК-6 | 50 | 20 | 62 |
| 80 | 20 | 64 | |||
| 160 | 20 | 78 | |||
| ВНП-16 | 10 | ПК-10 | 32 | 12,5 | 52 |
| 50 | 12,5 | 65 | |||
| 100 | 12,5 | 79 | |||
| ВНП-17 | 6 | ПК-6 | 50 | 20 | 62 |
| 80 | 20 | 64 | |||
| 160 | 20 | 78 | |||
| ВНП-17 | 10 | ПК-10 | 32 | 12,5 | 52 |
| 50 | 12,5 | 65 | |||
| 80 | 12,5 | 79 |
Технические параметры других типов выключателей нагрузки можно узнать у продавца или из других источников информации.
Подключение
На линиях электропередач ВН размещают перед силовыми трансформаторами. Если техническая документация предусматривает наличие разъединителей – они устанавливаются после ВН.
В многоквартирной электросети ВН устанавливаются в распределительных щитках (если есть доступ) или в другом доступном месте, отдельно на каждую квартиру.
В производственных цехах мини рубильник целесообразно устанавливать возле каждого станка, для обеспечения возможности экстренного его отключения.
В бытовой электросети выключатели нагрузки устанавливаются, как правило, перед счётчиком, хотя могут монтироваться и после прибора учёта. Но обязательно перед защитными устройствами – автоматами, пробками и т. п. В качестве примера приводим схему подключения ВН в однофазной сети.
