Эксплуатация высоковольтных выключателей переменного тока - Новые разработки вакуумных выключателей

Вакуумные выключатели серии TEL.

При разработке нового вакуумного выключателя (ВВ) ставилась задача создания изделия, конкурентоспособного с аппаратами ведущих электротехнических фирм, не требующего обслуживания в течение всего срока эксплуатации.
Разрез полюса ВВ серии TEL «Таврида Электрик» (рис. 12) содержит вакуумную дугогасительную камеру 7, опорный изолятор 2, шток подвижного контакта J, тяговый изолятор 4 с втулкой 5, пружину дополнительного контактного поджатия 6, отключающую пружину 7, вал 8, постоянный магнит 9, герметизированные блок- контакты ГО и детали электромагнитного привода: ярмо 11, якорь 12, катушку 13, кольцо из магнитотвердого материала 14. Все три полюса выключателя установлены на общем основании 15.
В этой конструкции (рис. 12) якорь электромагнита и подвижный контакт вакуумной дугогасительной камеры движутся вдоль одной оси, Подвижный контакт связан с якорем через простейший узел, не содержащий нагруженных пар трения - тяговый изолятор и пружину дополнительного контактного поджатия. Благодаря этому существенно уменьшено число деталей вакуумного выключателя и увеличен механический ресурс.
Полюс ВВ находится в отключенном положении (рис. 12). При подаче питания на катушку 13 якорь 12 начинает двигаться вверх вместе с тяговым изолятором и подвижными контактами ВДК, сжимая отключающую пружину 7 В момент замыкания контактов ВДК в магнитной системе привода имеется зазор 1,5 мм между якорем 12 и ярмом 11. При дальнейшем движении якорь 12 сжимает как отключающую пружину, так и пружину дополнительного контактного поджатия 6. При этом между штоком 3, соединенным с подвижным контактом ВДК, и втулкой 5, соединенной с тяговым изолятором, появляется зазор, достигающий 1,5 мм при упоре якоря 12 в ярмо 11.

Рис. 12. Полюс вакуумного выключателя серии TEL

Кроме того, в процессе включения ток катушки намагничивает кольцо 14 из магнитотвердого материала. Это кольцо создает в магнитной системе магнитный поток, достаточный для фиксации якоря в замкнутом положении и удержания выключателя во включенном положении на «магнитной защелке». Для отключения выключателя (рис. 13) на ту же катушку подают ток противоположной полярности, размагнития кольцо 14. При этом за счет пружин 6 и 7 якорь 12 и подвижный контакт ВДК приобретают достаточную для отключения скорость.
Таким образом, работа выключателя напоминает работу поляризованного реле с двумя фиксированными положениями, что обеспечивает ему большой механический ресурс и высокую надежность в эксплуатации. При своем движении якорь поворачивает вал 8, На котором закреплен постоянный магнит 9, управляющий блок-контактами 10. Однако в отличие от вала традиционных приводов вакуумных выключателей этот вал не передает усилий от привода к подвижным контактам ВДК, поэтому он существенно меньше нагружен и обеспечивает высокую долговечность работы узла. Вал служит для предотвращения неполнофазного включения ВВ (при обрыве цепи включения одного из полюсов ВВ отключается), управления указателем положения и подключения устройств блокировок.

Рис. 13. Выключатель серии THL (габаритный чертеж)

Вакуумная дугогасительная камера, как и в других вакуумных выключателях, - это герметичный, откачанный до степени 106 мм рт. ст. прибор, не требующий мер по поддержанию и контролю вакуума на протяжении всего срока службы. Разработанный первоначально металлокерамический корпус с внутренним диаметром 60 мм, предназначенный для ВДК с током отключения 4 кД, в процессе последующей доработки был использован для ВДК с токами отключения 8; 12,5 и 16 кА.
Опорный и тяговый изоляторы выполнены из модифицированного полипропилена. Отличительными чертами этой изоляции являются нулевое водопоглощение, высокая трекингостойкость и морозостойкость. В соответствии с методикой МЭК изоляторы из данного материала выдерживают испытания как изделия наружной установки и не требуют обслуживания, за исключением периодической протирки в условиях особо загрязненной окружающей среды (например, металлургических производств).
В качестве блок-контактов применены герметизированные магнитоуправляемые силовые контакты типа МКС 52201, которые не чувствительны к условиям окружающей среды и не требуют обслуживания в течение всего срока службы.
Все потенциально ненадежные элементы схемы управления (диоды, резисторы, конденсаторы, реле) вынесены в отдельный блок, предназначенный для установки в релейном отсеке КРУ.
Разработаны следующие варианты схем управления: на оперативном постоянном токе; на оперативном переменном токе; на оперативном переменном токе с вводами для подключения трансформаторов тока; на оперативном постоянном или переменном токе со встроенным модулем электронной защиты.
Общим для этих схем является предварительно заряженный бумажный конденсатор, который позволяет отключать вакуумный выключатель в течение часа после полной потери литания.
Схема управления с вводами для подключения двух трансформаторов тока позволяет дополнительно отключать выключатель по токовым цепям после длительного (более часа) отсутствия оперативного напряжения.
Схема управления со встроенным модулем электронной защиты содержит дополнительно модуль электронной зашиты, осуществляющий максимальную токовую защиту с независимой выдержкой времени и токовую отсечку.
Гибкость построения схем вторичной коммутации, конструкция силовой части выключателя обеспечивают высокую гибкость (различные межполюсные расстояния, ориентация выводов и др.), что, с учетом малых габаритов, позволяет устанавливать выключатели на выкатные элементы любых находящихся в эксплуатации КРУ. В табл. 1 приведены основные параметры ВВ серии TEL.

Таблица 1
Основные параметры вакуумных выключателей серии TEL

Вакуумные выключатели с пружинным приводом серии ВБКЭ.

Выключатели НПП «ЭЛВЕСТ» ВБКЭ-10 максимально адаптированы к применению в наиболее распространенных типах ячеек КРУ без каких-либо переделок как самого выключателя, так и КРУ.
Пружинный привод с заводом пружин электромагнитом совмещает все функциональные возможности пружинного привода с простотой электромагнитного.
Выключатель оснащен встроенным устройством ограничения перенапряжений, что исключает возникновение перенапряжений, вызываемых виртуальными срезами тока при коммутации (это является одной из причин, сдерживающих широкое применение вакуумных выключателей в энергосистемах).
Конструкция выключателя ВБКЭ-10-20/ 1600 УЗ показана на рис. 14.

Рис. 14. Выключатель ВБКЭ-10-20/1600 УЗ

На сварной раме 1, являющейся одновременно основанием и тележкой вкатывания в КРУ, крепятся шесть литых опорных изоляторов 2 из эпоксидного компаунда; на изоляторах монтируются  три полюса выключателя 3, каждый представляет собой вакуумную дугогасительную камеру 4 с кронштейнами 5 и 6 для крепления камеры на опорных изоляторах и установки токоотводов 7 с розеточными контактами 8. Внутри рамы расположены все элементы управления и кинематической связи подвижной контактной системы с пружинным приводом 9, главный вал 10, две отключающие пружины 11, два демпфирующих буфера 12, изоляционные тяги 13, тяга связи с приводом 14, указатели включенного и отключенного положения выключателя, блок-контакты (на рисунке не указаны) и другие элементы механизма и привода. Пружинный привод 9 монтируется на вертикальных стойках рамы 1.
Концепция построения выключателя не претерпела существенных изменений по сравнению с традиционными масляными и электромагнитными выключателями. Однако концепция привода имеет существенные отличия. При создании привода разрабатывалась конструкция, сочетающая в себе преимущество пружинного привода - малые токи потребления электромагнитами оперативного управления, возможность применения оперативного переменного тока с питанием от трансформатора собственных нужд КРУ, с относительно простой конструкцией электромагнитного привода, простейший исполнительный механизм свободного расцепления и отсутствие сложного мотор-редуктора для подзаводки рабочих пружин с большим количеством блокировок.
Вместе с тем привод должен обеспечивать необходимые скорости при размыкании подвижных контактов камеры в процессе отключения и относительно небольшую скорость и одновременность смыкания контактов при включении, которые способствуют оптимальным условиям дугогашения в вакуумной камере и снижению возникающих в процессе коммутации перенапряжений.
Особенностью пружинного привода, удовлетворяющего приведенным требованиям, являются отказ от двигательного завода пружин и применение электромагнита для завода включающей пружины 15, компактное расположение включающей пружины, сердечника 16 и катушки 17 электромагнита, а также применение простого и надежного рычажного механизма со стопорными собачками 18 и 19, который позволяет надежно фиксировать выключатель во включенном и отключенном положениях и четко с нужной скоростью выполнять операции включения и отключения.
Конструкция пружинного привода и механизма выключателя позволила довести гарантированный механический ресурс пружинного привода и выключателя до 10 тыс. циклов ВО.
При разработке выкатного элемента выключателя рамы-тележки (1) учитывался опыт проектирования устройств масляных и электромагнитных выключателей для КРУ, поэтому использование для выкатных вакуумных выключателей тех же ячеек, что и для масляных, позволяет ускорить модернизацию ячеек КРУ при замене масляных выключателей типа ВМП-10, ВПМ-10.
В базовой модели выключателя ВВКЭ-10 применяется вакуумная дугогасительная камера типа КДВХ-4-10-20/1600 УХЛ2 (номинальный ток отключения 20 кА, номинальный ток 1600 А), серийно выпускаемая НПЛ «Контакт».
Достигнутые параметры вакуумных выключателей. Основной проблемой при разработке вакуумных выключателей является создание высоконадежной конструкции, обеспечивающей заданную коммутационную способность при высокой механической и коммутационной износостойкости. Необходимо также решение задач эффективного отвода тепла от токоведущих элементов и обеспечения нормируемой температуры их нагрева при протекании номинального тока; оптимизации конструкции с точки зрения обеспечения электрической прочности изоляции; разработки и выполнения технических мероприятий, обеспечивающих снижение перенапряжений, вызываемых работой вакуумных выключателей.
Механическая износостойкость является особенно важной характеристикой вакуумных выключателей, предназначенных для электроустановок с частыми коммутациями, например, таких, как печные трансформаторы, высоковольтные электродвигатели, фильтрокомпенсирующие устройства. Разработанные для этих целей вакуумные выключатели типов ВБУ-35, ВБЦ-35, ВБЭ-110 имеют механическую износостойкость соответственно 100000, 50000 и 40000 циклов ВО (табл. 5,2).
Исследования вакуумных выключателей с механической износостойкостью свыше 20000 циклов ВО показали, что одним из основных элементов, определяющих механическую износостойкость, является сильфон вакуумной дугогасительной камеры, ресурс которого зависит не только от хода и средней скорости перемещения подвижного конца, но и от графика скорости.
Оптимизация графика скорости в выключателях серии ВБУ, ВБЦ и ВБЭ за счет применения специальных пневмобуферов двустороннего действия и снижение усилия контактных пружин за счет применения электродинамических компенсаторов позволили снизить ударные нагрузки при включении, уменьшить образование наклепа на контактных поверхностях, уменьшить вероятность появления в межконтактном промежутке механических частиц, уменьшить вероятность повторных пробоев и способствовали повышению износостойкости механизма привода.
Снизить нагрузки на защелки привода позволила также развязка полюсов, примененная для исключения возникновения виртуальных срезов тока и вызываемых ими опасных перенапряжений.
Проблема обеспечения термической стойкости и допустимого нагрева вакуумных выключателей осложняется недоступностью контактов ВДК для непосредственного измерения их температуры и отсутствием в стандартах нормативов на нагрев этих элементов.

Номинальные параметры вакуумных выключателей НПО «ЭЛВЕСТ»

Поэтому при постановке задачи на проектирование токоведущих систем выключателя (ТВС) принято руководствоваться следующими положениями, температура нагрева элементов ТВС, за исключением контактов ВДК, не должна превышать нормированных ГОСТ значений.
Ограничение коммутационных перенапряжений при отключении вакуумными выключателями малых индуктивных токов до уровня, безопасного для изоляции, достигается разновременностью размыкания контактов полюсов выключателя, при которой контакты первого полюса размыкаются на 10-15 мс раньше контактов двух других полюсов. Возможные повторные пробои межконтактного промежутка первого полюса, вызывающие высокочастотные возмущения тока в других полюсах, не приводят к виртуальным срезам, поскольку контакты этих полюсов еще замкнуты. К моменту размыкания контактов двух полюсов (через 10-15 мс) дуги в первом полюсе уже нет, и межконтактное расстояние достаточно велико, чтобы не возникли пробои от процессов в соседних полюсах.
Дополнительно разработанный блок глубокого ограничения перенапряжений (ОПНБ-10) представляет собой трехполюсную конструкцию, каждый полюс которой состоит из вакуумной, соединенной последовательно с резистором, камеры на сравнительно небольшой ток отключения.
При операции «Отключение» контакты вакуумных камер ОПНБ-10 кратковременно подключают резисторы между фазой и землей, существенно ограничивая перенапряжения.
Различные конструктивные исполнения ОПНБ-10 предусматривают либо встраивание блока в конструкцию вакуумного выключателя, либо компоновку его в виде отдельного блока.

Другие выключатели

Отметим еще некоторые выключатели:
ВВЭ-10 с электромагнитным приводом, рассчитанный на эксплуатацию в шкафах КРУ  
ВВТЭ-10-10/630У2, предназначенные для коммутации электрических цепей 10 кВ в нормальных и аварийных режимах, встраиваемые в ячейки КРУ.
ВВК-35Б-20/1000У1, предназначенные для частых коммутаций в нормальных и аварийных режимах в открытых установках 35 кВ.
ВВК-110Б-20/1000У1 для установок 110 кВ, в каждом полюсе которого заключены четыре последовательно включенные дугогасительные камеры (такие же, как и в В В К).
ВБТ-10-20/630, в схеме управления которых применяются оптотиристоры.
Параметры вакуумных выключателей ведущих мировых производителей коммутационного оборудования приведены в табл. 3.

Таблица 3
Номинальные параметры вакуумных выключателей

Как видно, область применения вакуумных выключателей ограничивается преимущественно уровнем напряжения 36 кВ. Номинальный ток отключения не превосходит 40 кА; имеются образцы на 50 кА. Появился первый вакуумный генераторный выключатель с током отключения 80 кА.
Особенности эксплуатации вакуумных выключателей. Для надежной работы вакуумных выключателей необходимо, чтобы механические характеристики, в том числе ход и провал контактов, соответствовали нормированным значениям. Определяются они двумя способами. При оперативном включении выключателя усилие привода передается через изоляционную тягу и узел контактной пружины на подвижный контакт ВДК, который перемещается на рве стояние, равное ходу контакта. Далее изоляционную тягу перемещают на расстояние, равное провалу контакта (до момента посадки привода на «защелку»), при этом взводится контактная пружина, обеспечивающая конечное контактное нажатие.
По первому способу измерения хода и провала контактов выполняются при отключенном и включенном положениях выключателя как разность расстояний между нижним фланцем ВДК и верхней шайбой.
По второму способу измерения производятся при медленном включении выключателя вручную и по результатам измерений для каждого полюса определяются характеристики выключателя.
При эксплуатации вакуумных выключателей возможен неравномерный износ контактов в полюсах, поэтому устанавливается неодновременность работы полюсов. При измерении этого параметра с помощью электронного миллисекундомера или осциллографа его значение должно быть не более 2 мс (по первому способу) и не более 1,8 мм (по второму).
Испытания изоляции вакуумных выключателей, проверка степени сохранения вакуума внутри ВДК проводятся при напряжении, меньшем номинального, с целью уменьшения рентгеновского излучения.
Тренировку камер выполняют, постепенно повышая напряжение на разомкнутых контактах камер от нуля до номинального значения испытательного напряжения. При возникновении пробоев в камере при напряжении менее испытательного делают выдержку до прекращения пробоев и только после этого повышают напряжение. Повышение напряжения при отсутствии пробоев проводят при проверке электрической прочности основной изоляции двумя ступенями: до 40 % испытательного напряжения - толчком, далее плавно со скоростью около 1 кВ в 1с, после выдержки заданного испытательного напряжения в течение 1 мин за время около 5с плавно снижают напряжение до 25 % испытательного или менее, затем напряжение отключают. При этом не должно наблюдаться пробоя пли повреждения изоляции (возникновение слабой кистевой короны в воздухе допустимо).
Впервые осматривают и подтягивают крепежные соединении выключателя через две-три недели после ввода в эксплуатацию. В дальнейшем смазку, подтяжку крепежных соединений производят периодически после выполнения выключателем каждых 2500 операций ВО при номинальном токе.
Во время эксплуатации вакуумных выключателей не реже I раза в год проверяют значение хода подвижных контактов камер выключателя, качество заземления, регулируют механизм привода и проверяют электрическую прочность основной изоляции, при необходимости проводят тренировку камер, как указано выше.
После ремонта вакуумных выключателей, замены камер, настройки привода проверяют значение хода подвижных контактов камер, наличие дополнительного дожатия контактов камер разных фаз, провал и износ контактов. Для грубого определения износа контактов определяют провал контактов визуально по рискам на витке и тяге узла поджатия. При износе контактов более чем на 4 мм дугогасительную вакуумную камеру заменяют.
Во время замены ВДК и токоотводов (при демонтаже и монтаже) не допускают поворота подвижного контакта камеры относительно корпуса камеры во избежание поломки уплотнительного сильфона внутри камеры. После установки замененной камеры ее выключатель регулируют на одновременность замыкания контактов, в паспорте камеры и выключателя фиксируют провал контактов, выключатель проверяют на соответствие техническим требованиям.