Генераторные выключатели и комплексы - Перспективы развития

Глава пятая
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ГЕНЕРАТОРНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ И АППАРАТНЫХ КОМПЛЕКСОВ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Выпускаемая мировой электротехнической промышленностью коммутационная аппаратура генераторного напряжения полностью удовлетворяет потребности энергетики по номинальным токам и номинальным токам отключения.
Успешно разрабатываются выключатели на токи отключения, достигающие 350 кА, и на номинальные токи до 50 000 А. Дальнейшее увеличение номинального тока при необходимости может быть относительно легко достигнуто увеличением степени охлаждения и в книге не рассматривается.
Отключающая способность и коммутационный ресурс выключателей могут быть повышены традиционными, хорошо изученными методами: увеличением числа разрывов, увеличением рабочего давления или их комбинацией. Поэтому далее рассматриваются только нетрадиционные способы создания устройств с большими токами отключения.
Одним из них является синхронное отключение. Как отмечено выше, несмотря на ряд очевидных преимуществ, синхронное отключение не нашло широкого применения. Это связано с неспособностью синхронного выключателя справляться с отключением токов к. з., не имеющих естественного перехода через нулевое значение. Возможным решением вопроса является создание устройств для получения большого напряжения на дуге, которые могут либо уменьшать ток до нуля, либо переключать отключаемый ток на шунтирующие резисторы, создавая тем самым более благоприятные условия дугогашения.

Другим способом создания выключателей с большими токами отключения является разделение всего диапазона отключаемых выключателем токов на два поддиапазона. В первом поддиапазоне (нижнем по отключаемым токам) выключатель базируется на известных принципах дугогашения и обеспечивает выполнение нормированного числа операций. Во втором поддиапазоне (при превышении отключаемым током заданного значения) срабатывание происходит только один раз, причем к дугогасительному устройству в этом случае автоматически подключается блок разового действия, например, с предохранителями [22] или взрывным устройством [19], обеспечивая перевод тока в высокоомную цепь и последующее его отключение каким-либо вспомогательным устройством. Указанная концепция построения генераторных выключателей, несмотря на чрезвычайную редкость такого режима, может оказаться неприемлемой для некоторых заказчиков.
К нетрадиционным методам относится шунтирование дугогасительных контактов в коммутационные интервалы времени силовыми полупроводниковыми приборами (СПП), применение в дугогасительном контуре ВДК и др.
Способы повышения механического ресурса устройств путем снижения механических нагрузок на движущиеся узлы и элементы за счет применения демпфирующих устройств, уменьшения сил трения в подвижных элементах конструкции за счет применения подшипников, вкладышей, постоянно пополняемой смазки, уменьшения удельных нагрузок и времени их действия (приложение усилий только тогда, когда это необходимо, например во время оперирования) широко известны и далее не рассматриваются.
Некоторым нетрадиционным подходам к повышению коммутационной способности и ресурса посвящена настоящая глава.

ГЕНЕРАТОРНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ С ВАКУУМНЫМИ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫМИ КАМЕРАМИ

В последние годы все более широкое применение находят вакуумные выключатели, принцип действия которых основан на явлении гашения в вакууме электрической дуги, возникающей при размыкании контактов ВДК. Горение дуги в вакууме поддерживается парами металла, попадающими в межконтактный промежуток при их испарении с поверхностей контактов. В момент перехода тока через нулевое значение быстро нарастает прочность межконтактного промежутка, обеспечивая надежное отключение цепи.
Достоинства ВДК как дугогасительных устройств хорошо известны. Основными из них являются: высокий механический (достигающий 106 циклов ВО) и коммутационный ресурсы, бесшумность при оперировании, пожаробезопасность, малые масса и габариты. ВДК в процессе эксплуатации не требуют обслуживания и не подлежат ремонту. Из недостатков, присущих ВДК, отметим явление среза тока и повторные зажигания.
ВДК, как и все другие дугогасительные устройства, прерывают протекающий через них ток незадолго до его естественного перехода через нулевое значение, что объясняется неустойчивостью горения дуги при малых токах. Токи ВДК, при которых не обеспечивается устойчивость горения дуги, называют токами среза. Токи среза ВДК составляют 1 А и менее для контактов из висмута и до 30 А для медных и вольфрамовых контактов соответственно [30].
Возникающие в отключаемой цепи при срезах тока коммутационные перенапряжения зависят в, свою очередь, от токов среза и параметров отключаемой цепи. Высокие уровни токов среза могут вызывать опасные перенапряжения. Обеспечение надежной работы оборудования в этих условиях требует специальных мер защиты.
Как известно, после погасания дуги при слишком малом расстоянии между расходящимися дугогасительными контактами может возникнуть повторный пробой. В вакуумных выключателях сильноточная дуга в момент пробоя межконтактного промежутка может сразу и не сформироваться. Возникающий высокочастотный колебательный процесс, определяемый параметрами цепи (индуктивностью L и емкостью С), накладывается на отключаемый ток. При этом суммарный ток в цепи многократно переходит через нуль. За счет высокой отключающей способности ВДК отключает ток при каждом переходе через нуль. Однако из-за большой частоты переходного процесса за время до ближайшего нуля тока контакты не успеют разойтись на значительное расстояние. Поэтому после успешного отключения при возрастании восстанавливающегося напряжения произойдет повторный пробой промежутка. Описанный процесс происходит многократно до тех пор, пока ток промышленной частоты в коммутируемой цепи не превысит амплитуду высокочастотной составляющей переходного процесса. После этого момента суммарный ток не переходит через нуль и в выключателе на протяжении следующей полуволны тока промышленной частоты возникает сильноточная дуга, горящая до ближайшего перехода тока через нуль. Повторные пробои могут происходить в течение 0,2—0,3 с после размыкания контактов ВДК и вызывать нежелательные явления в отключаемой цепи.
Современные сильноточные ВДК имеют отключающую способность до 100 кА (имеются сообщения об отключении ВДК токов до 200 кА), номинальное напряжение до 20 кВ и номинальные токи до 2500—3000 А. Механический ресурс сильноточных ВДК составляет 10 и более циклов ВО. Необходимо отметить, что масса подвижного контакта таких камер достигает 8—10 кг. При горизонтальном расположении ВДК на подвижный контакт камеры действуют большие изгибающие усилия. В связи с этим сильноточные камеры целесообразно в аппарате располагать вертикально. Описываемые ниже конструкции вакуумных генераторных выключателей предназначены для встраивания в пофазно экранированные токопроводы при естественном воздушном охлаждении.
Рассмотрим две конструкции аппаратов: выключателя нагрузки вакуумного генераторного (ВНБГ*) и выключателя вакуумного генераторного (ВБГ*).

Выключатель нагрузки вакуумный генераторный БНБГ-20  (в дальнейшем выключатель) предназначен для коммутационных операций над агрегатами гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС) и пиковых ГЭС. Выключатель рассчитан на номинальное напряжение 20 кВ, номинальный ток 10 000 А и номинальный ток отключения 31,5 кА. Предельный ток включения выключателя составляет 180 кА. В дугогасительной системе применены две последовательно включенные ВДК с Uном = 35 кВ, Iном — 1600 А и Iо.ном = 31,5 кА. Данные коммутационной износостойкости выключателя приведены в табл. 5-1.

Таблица 5-1
Коммутационная износостойкость выключателя ВНБГ-20

* Обозначение аппаратов дано в соответствии с классификатором электротехнической продукции.

Выключатель состоит из трех одинаковых полюсов и распределительного шкафа. Распределительный шкаф связывает между собой электрически и пневматически три полюса выключателя и соединяет их с магистралью сжатого воздуха.
Габариты полюса выключателя: длина — 2200 мм, ширина — 1180 мм, высота — 2095 мм. Масса полюса выключателя 1250 кг.
Устройство полюса показано на рис. 5-1. Полюс состоит из резервуара 23, сварной рамы 20, на которой закреплено алюминиевое основание 19, опорных изоляторов 21, коммутирующих устройств 5, 12, расположенных по одной оси на опорных изоляторах, съемного кожуха 14 и присоединительных узлов к токопроводу 3 и кожуху токопровода 2.

Рис. 5-1. Полюс выключателя ВНБГ-20

Рис. 5-2. Функциональная электрическая схема полюса выключателя ВНБГ-20

Резервуар полюса 23 служит сосудом для сжатого воздуха. На нем закреплены выпускные клапаны 24 и фланцы 22 для присоединения трубы подачи сжатого воздуха из распределительного шкафа в резервуар выключателя и из выключателя на элементы управления полюсом. На раме 20 со стойками 1 закреплены элементы управления полюсом: блок пусковых клапанов 25, система блок-контактов (СБК) 28, обратные клапаны 27 и клапан ускорения 26.
Коммутирующее устройство 5 выполнено в виде неподвижного полого алюминиевого цилиндра 4 с ламелями 9, внутри которого размещены главный подвижный контакт 7 с приводом 6. По оси симметрии контакта 7 расположен контакт отделителя 8. Рычажная система 29 соединяет контакт 7 с блоком 28. Устанавливается коммутирующее устройство на двух опорных изоляторах 21.
Коммутирующее устройство 12 состоит из сварного алюминиевого цилиндра 15 с ламелями 9 и окнами с крышками 17 для сборки и регулировки дугогасительного устройства. Внутри цилиндра 15 на изоляционном фланце 13 установлен привод 18, который управляет подвижными контактами двух ВДК 16. Левая по рис. 5-1. ВДК 16 закреплена на изоляционном фланце 13 и электрически и механически соединена с подвижным подпружиненным розеточный контактом 11 отделителя 10. Коммутирующее устройство 12 устанавливается на четырех опорных изоляторах. Съемный кожух 14 устанавливается на выключатель при помощи фланцев с болтовым соединением.
Функциональная электрическая схема полюса выключателя приведена на рис. 5-2. Главный токоведущий контур выключателя содержит два неподвижных токоведущих цилиндра 1,2 и подвижный контакт 3. Дугогасительный контур состоит из последовательно соединенных розеточного контакта отделителя 4 и дугогасительных контактов двух последовательно соединенных ВДК 5 и 6.
Во включенном положении выключателя все контакты замкнуты и основная часть тока протекает через контакты 1, 2, 3. Отключение выключателя происходит в несколько этапов. Сначала при отключении размыкается контакт 3, и весь ток переходит в дугогасительный контур 4, 5, 6. Затем размыкаются контакты ВДК 5, 6, и при первом переходе тока через нуль цепь обесточивается. Обесточенную цепь размыкает контакт отделителя 4, который и создает окончательный разрыв цепи выключателя. После отключения отделителя 4 контакты 5 и 6 под действием пружин, установленных в приводах, возвращаются во включенное положение.
Включение выключателя осуществляется контактом 3 главного токоведущего контура.
Выполнение операций включения и отключения и приведенная выше последовательность работы отдельных узлов обеспечивается пневматической системой полюса выключателя.

Вакуумный генераторный выключатель (ВБГ-20)  предназначен для выполнения коммутационных операций в цепях агрегатов ГАЭС и пиковых ГЭС с оперативными токами и токами к. з. до 100 кА. Выключатель может также использоваться на тепловых электростанциях с мощностью блоков до 300 МВт. Выключатель рассчитан на номинальное напряжение 20 кВ и номинальный ток 16 000 А. Данные коммутационной износостойкости ВБГ-20 приведены в табл. 5-2.
Таблица 5-2
Коммутационная износостойкость выключателя ВБГ-20

Предельный ток включения выключателя составляет 180 кА. В дугогасительной системе применена ВДК с Uном = 20 кВ, Iном=1600 А и Iо.ном=100 кА, разработанная в ВЭИ имени В. И. Ленина. ВБГ-20 состоит из трех одинаковых полюсов и распределительного шкафа, который связывает между собой электрически и пневматически три полюса выключателя и соединяет их с магистралью сжатого воздуха. Полюс выключателя рассчитан на вертикальную установку. Габариты полюса: высота — 1600 мм, длина — 1520 мм, ширина — 1200 мм.
Устройство полюса показано на рис. 5-3. Внутри алюминиевого кожуха (экрана) 1 и стеклопластиковых изоляторах 9 концентрично закреплена главная токоведущая система, состоящая из двух медных токоведущих цилиндров 3 к 6. Оба элемента этих труб могут соединяться между собой главным подвижным контактом (разъединителем) 4, приводимым в действие пневматическим приводом 11, расположенным внутри трубы 3.

Рис. 5-3. Полюс выключателя ВБГ-20

Параллельно токоведущим цилиндрам 3 и 6 расположена сильноточная ВДК 5, подвижные контакты которой замкнуты под действием приводов 2 и 7. Приводы ВДК связаны между собой изоляционными трубками 8 и 12, которые питаются от резервуара 10 через пневмоклапан, управляемый электромагнитом. Аппарат не имеет заземлителя.
Упрощенная электропневматическая схема ВБГ-20 представлена на рис. 5-4 (в отключенном положении).
Включение аппарата осуществляется при срабатывании электромагнита включения (ЭВ), который открывает распределительный клапан 1. Сжатый воздух из резервуара 19 по медным трубкам 3 и 8 и изоляционной трубке 6 подается в пневматический привод разъединителя 10. Привод 10 перемещает подвижный контакт разъединителя 9, обеспечивая электрическое соединение токоведущих цилиндров 11 и 17.

Рис. 5-4. Электропневматическая схема ВБГ-20

Одновременно с подачей команды на включение сжатый воздух по трубкам 12 и 16 подается в приводы 13 и 15 ВДК 14, и контакты ВДК замыкаются после замыкания контактов 9, 11 и 17.
Отключение аппарата происходит при срабатывании электромагнита отключения (ЭО). При этом сжатый воздух из клапана 1 через пусковой клапан 18 и далее по трубкам 4, 5 поступает на привод 10. Одновременно с этим сжатый воздух из клапана 1 через изоляционные трубки 5 и 7 подается в приводы 13 и 15, которые размыкают контакты ВДК 14 после перемещения контакта 9 на 40 мм. После размыкания контактов ВДК при переходе тока через нуль дуга гаснет.