Воздушные выключатели - Системы управления воздушными выключателями

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫМИ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯМИ
8-1. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И ПРИНЦИПЫ ИХ ПОСТРОЕНИЯ
Классификация. Под системой управления воздушным выключателем понимается совокупность элементов, определяющая работу выключателя в требуемой последовательности.
Основными элементами системы управления являются: 1) включающий и отключающий электромагниты; 2) пусковые клапаны; 3) вспомогательные (промежуточные) клапаны; 4) дутьевой клапан; 5) пневматический (гидравлический) механизм (привод), приводящий в движение подвижные контактные части или другие элементы выключателя; 6) контакту цепи управления; 7) механизмы, осуществляющие переключение контактов цепи управления; 8) металлические и изоляционные воздухопроводы, соединяющие отдельные элементы выключателя; 9) изоляционные тяги, соединяющие подвижные элементы выключателя, находящиеся под различным потенциалом.
Различие между отдельными системами управления заключается в способах приведения в действие подвижных контактов дугогасительного устройства, контактов, коммутирующих ток в шунтирующем сопротивлении, контактов отделителя (если он имеется), контактов цепи управления и дутьевых клапанов. По этому признаку системы управления воздушными выключателями подразделяются на следующие типы: с механической передачей, с пневматической, с пневмо-механической, с пневмо-гидравлической и с пневмо-световой передачей.
В системе управления с механической передачей все основные подвижные элементы и звенья выключателя соединены изоляционными и металлическими тягами с общим пневматическим приводом, который сообщает им поступательное или вращательное движение.
В системе управления с пневматической передачей каждый подвижный элемент перемещается под действием самостоятельного пневматического привода. Сжатый воздух, поступая в эти приводы, производит перемещение подвижных контактов, а также открытие и закрытие клапанов в заданной последовательности. В системах управления с пневматической передачей отсутствуют подвижные металлические или изоляционные тяги. Сжатый воздух является той средой, которая обеспечивает передачу движения от одного элемента к другому.
В системе управления с пневмо-механической передачей одна часть подвижных элементов выключателя имеет свои встроенные приводы и приводится в действие сжатым воздухом, а другая часть подвижных элементов соединяется изоляционными и металлическими тягами с отдельными (или общим) приводами.
В системе управления с пневмо-гидравлической передачей одна часть подвижных элементов выключателя приводится в движение сжатым воздухом, а другая — жидкостью. Следовательно, сжатый воздух и жидкость являются теми средами, которые обеспечивают передачу движения от одного элемента к другому.
В системе управления с пневмо-световой передачей командный импульс передается с заземленных частей к электромагниту управления, находящемуся на высоком потенциале, посредством светового луча. Электромагнит управления открывает пусковой клапан, а все остальные элементы выключателя приводятся в движение сжатым воздухом.
В системах с пневмо-гидравлической и пневмо-световой передачей отдельные подвижные элементы могут быть соединены между собой изоляционными или металлическими тягами.
Основные принципы построения систем управления воздушными выключателями. Как указывалось в начале этого параграфа, система управления воздушного выключателя состоит из большого числа разнообразных элементов. С повышением номинального напряжения выключателя увеличивается число модулей дугогасительного устройства (см. гл. 9), приходящееся на один полюс, а следовательно, и число элементов, образующих систему управления. Так как модули одного полюса соединены последовательно, то подвижные элементы модулей должны приходить в движение практически в одно и то же время. Возможно меньшая разновременность действия должна быть и между системами управления отдельными приводами одного, и того же выключателя. Следовательно, система управления выключателем должна быть построена таким образом, чтобы обеспечить постоянство времени действия ее аналогичных элементов. Это может быть достигнуто подбором длины и поперечного сечения воздухопроводов, подающих сжатый воздух к аналогичным элементам системы управления, или введением дроссельных устройств с таким расчетом, чтобы время появления сжатого воздуха в этих элементах и характер нарастания в них давления воздуха были практически одинаковы. Кроме того, должны быть одинаковы силы, необходимые для перемещения аналогичных элементов системы управления.
Сумма времени срабатывания отдельных элементов системы управления определяет время выполнения выключателем операций отключения, включения и автоматического повторного включения.
Время отключения выключателя, т. е. время от момента подачи командного импульса на отключение до погасания дуги, является одной из важнейших характеристик воздушного выключателя. В современных воздушных выключателях оно различно, от 0,03 до 0,12 с. Время, необходимое для гашения дуги в воздушных выключателях, не превосходит 0,01—0,02 с в зависимости от различия во времени между моментами размыкания контактов и моментом прохождения тока через ноль. Таким образом, время, за которое система управления должна сработать, составляет 0,01—0,10 с. Уменьшение времени отключения является важнейшей задачей при разработке системы управления воздушным выключателем, особенно для классов напряжения более 330 кВ.
Время включения, т. е. время от момента подачи командного импульса до момента замыкания контактов, составляет в современных воздушных выключат елях 0,1 с и более в зависимости от номинального напряжения и номинального тока.
Если уменьшение времени отключения является важнейшей задачей при разработке системы управления воздушным выключателем, то уменьшение времени включения не имеет такого значения для работы выключателя.
Правильно разработанная и выполненная система управления должна обеспечить стабильность времени отключения (включения) в продолжение всей эксплуатации выключателя при допустимых изменениях внешних условий работы выключателя (температура окружающей среды, атмосферное давление воздуха и т. д.). Стабильность времени включения и отключения особенно важна при использовании выключателя для синхронного включения и отключения электрической цепи [60]. Так, например, синхронное включение цепи возможно, если отклонение времени включения не превышает ±1 мс.
Время срабатывания отдельных элементов системы управления не остается постоянным. Оно зависит от температуры окружающей среды и давления воздуха в элементах системы управления. Время срабатывания электромагнита, кроме того, зависит от напряжения на его зажимах.
Рассмотрим, чем определяется время включения и отключения и какие причины могут вызвать его изменение в тех или иных пределах.
Время срабатывания системы управления складывается из времени:
действия электромагнита управления, открывающего пусковой клапан;
открытия вспомогательных (промежуточных) и дутьевых клапанов;
срабатывания пневматических (гидравлических) приводов в системах управления с механической, пневмо-механической и пневмо-гидравлической передачей;
прохождения механического командного импульса по изоляционной тяге в системах управления с механической и пневмо-механической передачей;
прохождения командного импульса по трубопроводу, заполненному жидкостью, в системах управления с пневмо-гидравлической передачей;
заполнения сжатым воздухом воздухопроводов, соединяющих отдельные элементы системы управления с пневматической или пневмо-механической передачей, и прохождения по ним командного импульса;
прохождения командного импульса по световоду в системах управления с пневмо-световой передачей.
Время действия отключающих электромагнитов обычной конструкции в среднем составляет 0,012—0,020 с. Применение быстродействующих электромагнитов позволяет сократить это время до 0,003—0,008 с, а использование электродинамических или индукционно-динамических устройств — до 0,0015—0,0020 с [6, 36].
Время срабатывания электромагнита управления зависит от изменения напряжения на его зажимах. В соответствии с ГОСТ 689—78 электромагнит отключения должен надежно работать при изменении напряжения на его зажимах в пределах от 65 до 120% номинального, а электромагнит включения— при изменении напряжения в пределах от 85 до 110% номинального. Понижение напряжения существенно увеличивает время срабатывания электромагнита управления. В табл. 8-1 приведены данные изменения времени срабатывания электромагнита управления, применяемого в выключателях серии ВВБ, от напряжения на его зажимах.

Таблица 8-1
Изменение времени срабатывания электромагнита, мс

В этой таблице знак минус соответствует уменьшению времени срабатывания электромагнита, а знак плюс — увеличению времени срабатывания. Так, например, при понижении напряжения на 35 % от номинального время срабатывания электромагнита увеличивается на 6,8 мс при давлении 21 • 10⁵ Па, а при повышении напряжения на 20 % время срабатывания уменьшается на 1,17 мс. Такое изменение времени срабатывания электромагнита существенно сказывается на времени включения и отключения выключателя.
Повышение стабильности времени срабатывания электромагнита может быть обеспечено применением специальной схемы регулирования напряжения питания электромагнита для поддержания его близким к номинальному. При такой схеме питания электромагнитов управления разброс времени их срабатывания не будет превышать ±0,5 мс.
Как видно из табл. 8-1, при напряжении на зажимах электромагнита, незначительно отличающемся от номинального, время срабатывания электромагнита практически не зависит от давления воздуха в пусковом клапане. Изменение сопротивления обмотки электромагнита и подводящих проводов при колебаниях  температуры окружающей среды не будет влиять на время срабатывания электромагнита, если применена соответствующая схема регулирования напряжения питания электромагнита.   
Время открытия клапанов составляет 0,005—0,010 с, причем у клапанов прямого действия оно меньше, чем у дифференциальных. Факторы, влияющие на время открытия клапанов, были рассмотрены в § 7-3. Температура окружающей среды сказывается на времени открытия пневматического клапана из-за изменения плотности воздуха и некоторого изменения вязкости смазки. Как видно из формул (7-14), (7-16), (7-22), (7-25) — (7-27), время срабатывания клапана обратно пропорционально корню квадратному из температуры. Так, например, при понижении температуры воздуха от 273 до 233 К время срабатывания клапана увеличится на 7—8 %. Время срабатывания клапанов, расположенных в обогреваемом шкафу управления, можно считать практически не зависящим от температуры окружающей среды.
Давление в клапане влияет на время его открытия, а именно: при понижении давления в клапане время его открытия уменьшается, а при повышении давления — увеличивается. Это обусловлено тем, что при понижении давления в клапане пневматическое время его открытия будет меньше. Множитель  в формуле (7-14) при понижении давления в клапане уменьшается и наоборот, при увеличении давления — увеличивается. 
Время передачи командного импульса в системах управления с пневматической и пневмо-механической передачей tn осуществляется посредством заполнения или опоражнивания изоляционного воздухопровода.
Процесс заполнения воздухопровода сжатым воздухом подробно рассмотрен в § 2-8 и описывается формулами, приведенными в этом параграфе. Время передачи командного импульса по такому воздухопроводу зависит от давления, при котором срабатывает исполнительный механизм, установленный на приемном конце воздухопровода. Возможны два случая (см. рис. 2-14):
давление на приемном конце воздухопровода, необходимое для приведения в действие исполнительного механизма, больше рн;
давление, при котором срабатывает исполнительный механизм, меньше давления р\ на выходном конце воздухопровода.

Время передачи командного импульса посредством светового луча можно считать равным нулю вследствие большой скорости света.
Система управления должна обеспечить надежную работу выключателя при наименьшем расходе сжатого воздуха. Наибольшее количество воздуха расходуется при операции отключения выключателя, причем подавляющая часть этого воздуха расходуется на гашение дуги. Для надежного гашения электрической дуги необходимо обеспечить требуемую интенсивность дутья в продолжение всего времени горения дуги. Увеличение полупериода тока из-за наличия в токе короткого замыкания постоянной составляющей и взаимного смещения нулей тока в случае трехфазного короткого замыкания приводит к тому, что длительность горения дуги может достигать 20 мс. Выключатель должен обеспечить отключение в цикле ОВО номинального тока отключения. Резервуар выключателя имеет ограниченную емкость. Поэтому с увеличением длительности горения дуги, особенно при втором отключении в цикле ОВО, давление в резервуаре выключателя вследствие расхода воздуха на отключение понижается и эффективность воздушного дутья уменьшается. В среднем к концу второго  отключения давление сжатого воздуха в резервуаре выключателя составляет 60— 70% номинального. Падение давления за это время будет тем меньше, чем больше запас сжатого воздуха. Этот запас определяется объемами собственно дугогасительного устройства, изоляционного воздухопровода и резервуара для сжатого воздуха, а также расходом воздуха на отключение. Технически возможно выполнить суммарный объем настолько большим, чтобы при отключении падение давления было незначительным. Однако такое решение является экономически неоправданным. Оно приводит к увеличению габаритных размеров выключателя и ухудшению его технико-экономических показателей.
Расход воздуха на отключение при прочих равных условиях в значительной степени зависит от принципа конструкции дугогасительного устройства. В дугогасительных устройствах с импульсными контактами, т. е. с контактами, размыкающимися только на время гашения дуги, а затем вскоре вновь смыкающимися, сжатый воздух расходуется нерационально, так как значительное его количество выходит в течение некоторого промежутка времени после погасания дуги, а также тратится на заполнение так называемого вредного пространства, т. е. участков воздухопроводов между дутьевым клапаном и дугогасительным устройством.
Уменьшение объема вредного пространства достигается сокращением длины воздухопроводов. Объем вредного пространства зависит, кроме того, от расположения дутьевого клапана. Если выключатель имеет один дутьевой клапан, общий для всех трех полюсов, то вполне понятно, что объем вредного пространства увеличивается на объем участка воздухопровода от дутьевого клапана до каждого полюса. Установка отдельного дутьевого клапана для каждого полюса уменьшает объем вредного пространства. В выключателях на напряжения 10— 20 кВ с токами отключения до 40—50 кА ввиду незначительных междуполюсных расстояний и небольшого расхода воздуха обычно устанавливается один дутьевой клапан, общий для всех полюсов. А в мощных генераторных выключателях на 10—20 кВ с токами отключения более 63 кА и в выключателях на 35 кВ может устанавливаться по отдельному дутьевому клапану для каждого полюса. В выключателях на напряжения 110 кВ и выше в целях уменьшения вредного пространства и длины воздухопровода устанавливается по одному дутьевому клапану на каждом полюсе, а в тех случаях, когда полюс состоит из нескольких элементов (см. рис. 9-25), каждый из них имеет по отдельному дутьевому клапану.
Стремление уменьшить объем вредного пространства привело к размещению дугогасительного устройства непосредственно в резервуаре со сжатым воздухом. Это позволило не только устранить вредный объем, но и значительно повысить эффективность воздушного дутья.
Пофазное управление достигается установкой на каждом полюсе выключателя отдельной системы управления, способной обеспечить выполнение всех требуемых операций: включения, отключения, повторного включения и т. д. Эти системы не имеют между собой механической связи. Таким образом каждый полюс выключателя независимо от других полюсов, может быть включен, отключен или отключен с последующим повторным включением.
В табл. 8-2 приведены примерные емкости резервуаров и расход воздуха в различных воздушных выключателях.
Система управления воздушным выключателем состоит из двух частей. Одна часть находится под потенциалом земли и помимо различных пневматических устройств содержит
Таблица 8-2
Примерные емкости резервуаров и расход воздуха в воздушных выключателях

электромагниты управления, вспомогательные контакты и клеммные сборки. Другая часть системы управления находится под номинальным напряжением. В нее помимо различных пневматических устройств входит дугогасительное устройство. Обе части системы управления соединяются между собой изоляционными тягами или воздухопроводами из изоляционных материалов. Конструкции изоляционных тяг и воздухопроводов рассмотрены в [3, 4, 5, б, 7].
Оценив время срабатывания отдельных элементов системы управления и факторы, влияющие на это время, можно дать оценку системе управления в целом.
Система управления с механической передачей обеспечивает одинаковое взаимное положение аналогичных подвижных элементов как одного полюса выключателя, так и всех его полю- сов в продолжение операций включенной отключения. Последнее будет иметь место только при наличии механической связи между системами управления отдельными полюсами, например посредством общего вала или стальных тяг.
Связь между подвижными элементами системы управления посредством валов или тяг значительно увеличивает общую массу подвижных частей системы. Это приводит к необходимости существенного увеличения силы, потребной для перемещения подвижных частей в заданный отрезок времени. Масса соединительных тяг может быть уменьшена, если они будут работать только на растяжение как при операции включения, так и при операции отключения.
Иногда высказывается мнение, что система управления с механической передачей имеет минимальное число пневматических элементов (клапанов и приводов). Это мнение не совсем правильно. Система управления с механической передачей имеет минимальное число пневматических элементов только в том случае, если все подвижные элементы приводятся в движение от общего пневматического устройства. Это имеет место в некоторых конструкциях воздушных выключений на напряжения 10—35 кВ, например в выключателях ВВ-15 [5, 6].
Из примера 8-1 видно, что применение систем управления с механической передачей обеспечивает быстродействие выключателя при номинальных напряжениях до 1150 кВ.
Система управления с пневматической передачей не может обеспечить одинакового взаимного положения аналогичных подвижных элементов и одну и ту же скорость их перемещения в продолжение операций включения или отключения. Это обусловлено тем, что каждый подвижный элемент имеет свое пневматическое устройство, приводящее его в движение. Минимальное отклонение от одинакового взаимного положения аналогичных элементов системы управления можно обеспечить подбором воздухопроводов, соединяющих отдельные элементы, установкой регулируемых и нерегулируемых дроссельных устройств,
выбором пружин с различными характеристиками в аналогичных элементах и тому подобными мерами.
Система управления с пневматической передачей не имеет подвижных изоляционных и металлических тяг, что является ее преимуществом. Она обеспечивает не меньшее быстродействие, чем системы управления с механической, пневматической и пневмо-гидравлической передачей в выключателях на номинальное напряжение до 220—330 кВ. При напряжениях 500 кВ и выше система управления с пневматической передачей по быстродействию уступает другим системам. Число пневматических элементов в этой системе управления не больше, чем в других системах.
Система управления с пневмо-механической передачей лучше обеспечивает одинаковое положение подвижных элементов, чем система управления с пневматической передачей, но хуже, чем система с механической передачей. Система управления с пневмо-механической передачей позволяет обеспечивать быстродействие выключателя для номинальных напряжений до 1150 кВ. Число пневматических элементов в этой системе не меньше, чем в предыдущих.
Система управления с гидравлической передачей обеспечивает одинаковое положение аналогичных подвижных частей так же, как система управления с пневматической передачей. По быстродействию она несколько лучше системы с пневматической передачей. Наличие в этой системе управления пневматических и гидравлических элементов сильно усложняет конструкцию выключателя. Система управления с пневмо-гидравлической передачей не получила широкого распространения.
Система управления с пневмо-световой передачей по одинаковому положению аналогичных подвижных частей эквивалентна системе с пневматической передачей. Она обеспечивает значительно большее быстродействие при любых номинальных напряжениях, в том числе и при напряжениях более 1150 кВ. Недостатком системы управления с пневмо-световой передачей является наличие на высоком потенциале источника питания электромагнита управления. Такой источник должен надежно работать при температурах ±50 °С и обеспечивать бесперебойную работу электромагнита управления в течение не менее одного года. Пока широкого промышленного выпуска таких источников нет. Пневмо-световая система управления находит применение только в тех случаях, когда другие системы не позволяют получить необходимое время отключения.
В последующих параграфах настоящей главы и частично в главе девятой рассмотрены системы управления, широко применяемые в современных воздушных выключателях. Для наглядности полости системы управления, заполненные сжатым воздухом при положении элементов, показанном на схеме, затушеваны мелкими точками.