Воздушные выключатели - Характеристики современных воздушных выключателей

1-3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОВРЕМЕННЫХ ВОЗДУШНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ
Каждый тип воздушного выключателя определяется множеством характеристик, дающих полное представление о его параметрах, конструкции, применении и условиях эксплуатации. Среди характеристик выключателей различного типа принято выделять группы номинальных характеристик, присущих. всем типам выключателей и служащих для определения нормальных условий их работы.
В настоящее время Международная электротехническая комиссия (МЭК), в которую входит ряд стран, в том числе и СССР, ведет большую работу по стандартизации номинальных и других основных характеристик выключателей и методов их обеспечения при испытаниях. Национальные стандарты на выключатели стран, входящих в МЭК, хотя и учитывают специфические условия страны, в общем руководствуются рекомендациями комиссии.
К номинальным характеристикам воздушных выключателей по МЭК относятся : номинальное напряжение Un0u\ номинальный уровень изоляции; номинальная частота /н; номинальный ток /ном; номинальный ток отключения /0.ном; номинальное переходное восстанавливающееся напряжение при коротком замыкании на выводах выключателя; номинальный ток включения /в.вом; номинальная длительность короткого замыкания; номинальная последовательность операций (номинальные циклы); номинальное давление р питания сжатым воздухом для оперирования и для отключения тока; номинальное напряжение питания включающих и отключающих устройств (электромагнитов) Un. ном; номинальные характеристики при неудаленных коротких замыканиях для трехполюсных выключателей с номинальным напряжением 52 кВ и выше и током отключения свыше 12,5 кА, предназначенных для прямой связи с воздушными линиями передачи; номинальный ток отключения ненагруженных линий для трехполюсных выключателей с номинальным напряжением 72,5 кВ и выше, предназначенных для коммутации воздушных линий передачи; номинальный ток отключения в режиме рассогласования фаз (для выключателей напряжением свыше 110 кВ); номинальный ток отключения ненагруженных кабелей; номинальный ток отключения конденсаторов (одиночных); номинальный малый индуктивный ток отключения; номинальное напряжение питания вспомогательных цепей; номинальная частота питания вспомогательных цепей.
Рассмотрим основные из этих характеристик.
Номинальным напряжением (/ном согласно ГОСТ 687—78 называется наивысшее из стандартных напряжений (линейное), при котором должен работать выключатель. Выключатель должен надежно работать также и при напряжении, превышающем на 5—20% номинальное напряжение. Это напряжение называется наибольшим рабочим напряжением UH.p.
По терминологии МЭК номинальное напряжение соответствует действующему значению наибольшего линейного напряжения систем, для которых предназначен выключатель. Номинальному напряжению по МЭК в СССР соответствует наибольшее рабочее напряжение. В табл. 1-1 приведены номинальные напряжения, принятые МЭК и в СССР.

Номинальные Uном и наибольшие рабочие Uнр напряжения (кВ)

Под номинальным уровнем изоляции выключателей понимают значения испытательных напряжений, воздействию которых подвергается основная изоляция выключателей.
Особые требования предъявляются при испытаниях к изоляции воздушных выключателей (преимущественно межконтактной), образуемой за счет электрической прочности сжатого воздуха. В главе третьей электрическая прочность сжатого воздуха будет рассмотрена подробно; здесь лишь следует упомянуть, что в связи со специфичностью этого вида изоляции, имеющего значительный разброс пробивных напряжений в зависимости от содержания в сжатом воздухе пыли и влаги, его испытания выделяются в стандарте СССР из других видов испытаний и проводятся по специальной методике, предусматривающей многократное приложение к этой изоляции каждого вида испытательного напряжения со сменой воздуха в процессе испытаний путем оперирования выключателем.
В табл. 1-2 и 1-3 приведены испытательные напряжения для выключателей, принятые МЭК и в СССР.
Номинальная частота fu — это промышленная частота, для которой спроектирован выключатель и к которой отнесены другие номинальные характеристики. В СССР это частота 50 Гц, а в США, Канаде и некоторых странах Юго-Восточной Азии — 60 Гц.
Номинальный ток /Ном —это действующее значение тока, который выключатель должен длительно пропускать без повреждений при номинальной частоте с температурой различных частей, не превышающей заданную. В табл. 1*4 приведены наибольшие допустимые температуры различных частей воздушных выключателей по МЭК (публикация 145, 1976 г.), по ГОСТ 8024—69 и по проекту стандарта СЭВ.
Испытательные напряжения выключателей (в том числе воздушных) по МЭК (публикация 56-2)

Допустимое превышение температуры указанных частей над температурой окружающего воздуха может быть получено вычитанием значения нормируемой температуры окружающего воздуха (40° С по МЭК и СЭВ и 35° С по ГОСТ 8024—69) из значения соответствующей температуры, указанной в таблице.
В воздушных выключателях применяются изоляционные материалы следующих классов нагревостойкости.
Класс Y: хлопок, шелк, бумага или их комбинации, без пропитки.
Класс А: то же, с пропиткой или покрытием.
Класс Е: синтетические органические материалы, такие, как смолы, компаунды и др.
Класс В и F: слюда, стекловолокно, асбест и т. д. или их комбинации, с соответствующими связующими материалами.
Класс Н: материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна с кремнийорганическими связующими.
Класс С: керамические  материалы, стекло, кварц и их комбинации без связующих или с неорганическими связующими.
В табл. 1-5 приведены номинальные токи выключателей.
Ток отключения /0 — это наибольший ток короткого замыкания, который выключатель способен отключить в заданных условиях в цепи с восстанавливающимся напряжением промышленной частоты, соответствующим наибольшему рабочему напряжению выключателя, и с заданным переходным восстанавливающимся напряжением, равным номинальному.
Ток отключения характеризуется двумя значениями, соответствующими моменту начала расхождения контактов выключателя: действующим значением его периодической составляющей /о. п, называемой для краткости номинальным током. отключения /о. ном и нормированным процентным содержанием апериодической составляющей рн, представляющим собой отношение наибольшего значения апериодической составляющей (ta) тока отключения к амплитуде периодической составляющей (/о.п V2) того же тока в момент расхождения контактов.
На рис. 1-1 показан характер изменения тока в цепи при возникновении в ней короткого замыкания.
Процентное содержание апериодической составляющей в токе отключения может существенно зависеть от места возникновения к. з. и от наименьшего возможного для данного выключателя времени к. з между возникновением к. з. и размыканием дугогасительных контактов. Для расчета выключателей выбрана усредненная кривая затухания апериодической составляющей, представленная на рис. 1-2. Процентное содержание апериодической составляющей по этой кривой определяется с учетом наименьшего собственного времени отключения выключателя.
Испытательные напряжения изоляции воздушных выключателей
и того же полюса относительно земли и между разомкнутыми контактами одного по ГОСТ 1516.1-76

Примечание. 1. Если в выключателях с нормальным уровнем изоляции испытательные напряжения изоляции относительно земли и  между разомкнутыми контактами одного и того же полюса различаются между собой, то испытательные напряжения изоляции между разомкнутыми контактами указаны в скобках. 2. Справа от косой черты указаны испытательные напряжения изоляции между контактами одного и того же полюса для выключателей с повышенным уровнем изоляции между контактами.

Для выключателей, отключение которых  происходит только с использованием какого-либо вида вспомогательной энергии, к собственному времени отключения добавляется половина периода номинальной частоты (например, для 50 Гц — 0,01 с), что примерно учитывает время действия релейной защиты. Таким образом, полный ток отключения i0 будет
(1-1)
В табл. 1-6 приведены номинальные токи отключения.
Как показывает опыт проектирования воздушных выключателей, дугогасительные устройства с воздушным дутьем при заданном номинальном токе отключения могут допускать очень высокое содержание апериодической составляющей, что позволяет конструировать выключатели с очень малым собственным временем отключения. Например, выключатель, разрывающий номинальный ток отключения с содержанием апериодической составляющей 50%, может иметь собственное время отключения 0,02 с.

Номинальный ток включения /в.ном — это ток, который выключатель может включить при наибольшем рабочем напряжении. Ток /в.ном должен быть равен 2,5-кратному номинальному ТОКУ отключения /0. ном.
Номинальная длительность короткого замыкания — эта время, в течение которого выключатель может пропускать номинальный ток отключения. Это время по МЭК составляет 1 с.
В ГОСТ 687—78 этой характеристике соответствует стойкость к сквозным токам:
а)       электродинамическая, характеризуемая амплитудным значением тока к. з., равным 2,5 /0.ном;
б)      термическая, характеризуемая временем протекания тока к. з., равного номинальному току отключения. Это время принимают равным 1 или 2 с для выключателей на Uном>330 кВ и 1 или 3 с для выключателей на Uном<220 кВ.
В табл. 1-7 приведена рекомендуемая МЭК  координация номинальных величин для напряжений 123 кВ и выше.
Номинальное переходное восстанавливающееся напряжение при коротком замыкании на выводах выключателя (ПВН).
Наибольшая допустимая температура нагрева частей воздушных выключателей  

Примечание. 1. В скобках для сравнения приведены температуры нагрева частей, работающих в элегазе. 2. Указанные в таблице температуры допустимы только в тех случаях, если они не нарушают нормальной работы других частей выключателя (например, не изменяют усилий пружин, не вызывают заедания, или недопустимого трения подвижных частей). 3. Покрытие должно быть таким, чтобы оно не повреждалось при коммутационных испытаниях, испытаниях на стойкость к сквозным токам и при механических испытаниях; в противном случае контакты считаются не покрытыми. 4. Если детали контактов имеют разные покрытия, то допустимые температуры принимают  для контактов — по той детали, для которой в таблице указаны меньшие значения, а для разборных контактных соединений — по той детали, для которой указаны большие значения. 5. В качестве покрытий допускаются и другие, не указанные в таблице покрытия при соответствующих температурах, выбранных на основе исследований; в частности, МЭК предусматривает никелирование с допустимыми температурами (как при серебрении).
Таблица 1-5
Номинальные токи (А)

* Допускается в технически обоснованных случаях.
При отключении любого вида короткого замыкания на контактах выключателя после погасания дуги восстанавливается переходное напряжение, обусловленное собственными параметрами сети в месте установки выключателя.
Номинальные токи отключения (кА)
Форма волны переходного восстанавливающегося напряжения меняется в зависимости от конфигурации реальных цепей. В настоящее время разработаны достаточно надежные методы расчета ПВН, хотя еще приходится прибегать к непосредственному измерению ПВН в сети.

Рис. 1-1. Периодическая и апериодическая составляющие тока короткого замыкания
АА' н ВВ' — огибающие кривой тока; Вх — нулевая линия; СС — кривая смещения нулевой линии (кривая апериодической составляющей); ЕЕ' — момент размыкания дугогасительных контактов (возникновения дуги); /0,„ — действующее значение периодической составляющей тока отключения, отнесенное к моменту ЕЕ'\ 1а — апериодическая составляющая тока отключения в момент ЕЕ'; /0— амплитуда тока отключения в момент ЕЕ'
Рис,. 1-2. Процентное содержание апериодической составляющей в токе короткого замыкания
Таблица 1-6

Координация номинального напряжения,  номинального тока, номинального тока  отключения выключателей (по МЭК)

В ряде случаев, особенно в системах с напряжением свыше 100 кВ при больших значениях токов к. з., ПВН содержит начальный участок с высокой скоростью нарастания, за которым следует участок с меньшей скоростью. Этот тип волны достаточно хорошо изображается ее огибающей из трех прямолинейных отрезков, определяемой методом четырех параметров (рис. 1-3).
В сетях с напряжением ниже 100 кВ при относительно небольших токах к. з. ПВН приближается к затухающим колебаниям одной частоты. В этом случае ПВН может быть задано либо непосредственно частотой восстанавливающегося напряжения и его амплитудой, либо огибающей, состоящей из двух отрезков прямой.

На рис. 1-3 и 1-4 изображена также так называемая линия запаздывания, учитывающая влияние емкости на стороне питания выключателя, уменьшающей скорость нарастания напряжения в течение первых нескольких микросекунд.

Рис. 1-3. Нормированные характеристики ПВН, определяемые четырьмя параметрами (Uu Uс, U и ti) i —условная граничная линия ПВН; 2 — линия запаздывания ПВН (параллельна граничной линии)

* Для промежуточных значений /Q ном значения определяются линейной интерполяцией.

Рис. 1-4. Нормированные характеристики ПВН, определяемые двумя параметрами (Ue и t9)
1 — нормированная граничная линия; 2 — нормированная линия запаздывания ПВН (параллельна граничной линии)

Нормированные характеристики ПВН при разрывании номинального тока отключения для номинальных напряжений до 100 кВ (по МЭК)

Линия запаздывания 2 начинается на оси времени с номинальным запаздыванием td проходит параллельно первому отрезку условной граничной линии ПВН 1 и заканчивается при напряжении U
Выключатель должен отключать ток в любой цепи, для которой линия ПВН один раз пересекает линию запаздывания.
В табл. 1-8 и 1-9 приведены нормированные характеристики ПВН, отображенного двумя параметрами для выключателей на напряжение до 100 кВ с коэффициентом первого отключающего полюса /Сп.г=1,5 (для систем с незаземленной нейтралью) и четырьмя параметрами для выключателей на напряжение выше 100 кВ с коэффициентом первого отключающего полюса Кп.г=1,3 (для систем с заземленной нейтралью), при разрывании номинального тока отключения, рекомендуемые МЭК в настоящее время и намечаемые для будущего.
Таблица 1-9
Нормированные характеристики ПВН при разрывании номинального тока отключения для номинальных напряжений выше 100 кВ (по МЭК)

Нормированные характеристики ПВН при номинальных напряжениях до 35 кВ (ГОСТ 687—78)1

Для выключателей на классы напряжения свыше 123 кВ в настоящее время начальная скорость восстанавливающегося напряжения U1/t1 принята равной 1 кВ/мкс, однако в связи с ростом установленных мощностей и изменением структуры энергосистем предполагается увеличение этой скорости до 2 кВ/мкс.
В ГОСТ 687—78 скорость нарастания ПВН также значительно повышена по сравнению со стандартом 1970 г.
В табл. 1-10 и 1-11 приведены принятые ГОСТ 687—78 нормированные характеристики ПВН для выключателей напряжением до 35 кВ (определение огибающей ПВН по двум параметрам, см. рис. 1-4) и 110 кВ и выше (по четырем параметрам, см. рис. 1-3). Следует отметить, что в настоящее время МЭК рассматривает вопрос о дополнительном ужесточении начальной части ПВН при коротком замыкании на шинах, поскольку при значительной протяженности последних (что имеет место на мощных станциях и подстанциях) эффект снижения ПВН из-за сосредоточенных емкостей, учитываемых линией запаздывания, не проявляется вследствие существенной индуктивности между местом к. з. и местоположением этих емкостей. Поскольку значение Ui зависит от тока на шинах, оно вычисляется умножением значений t/*r на ток короткого замыкания (Ui=UirI0.u).
Приведенные требования к ПВН имеют важнейшее значение для воздушных выключателей и во многом определяют их конструкцию. Это вызвано прежде всего тем, что отключающая способность подавляющего числа дугогасительных устройств;

Рис. 1-5. Зависимость тока отключения от скорости восстановления напряжения
1 — успешные испытания; 2 — неуспешные испытания
Рис. 1-6. Схема неудаленного короткого замыкания Г —источник мощности; фазное напряжение; I—ток неудаленного короткого замыкания; В — выключатель; реактивное сопротивление на стороне источника; реактивное сопротивление на стороне линии; zB — волновое сопротивление линии; L — длина линии до места короткого замыкания
с воздушным дутьем существенно зависит от параметров ПВН„ и в первую очередь от скорости нарастания ПВН.
На рис. 1-5 приведена зависимость тока отключения от скорости восстановления напряжения для одного из современных воздушных выключателей.
На рис. 1-3 штриховой линией нанесен предлагаемый к нормированию МЭК начальный участок ПВН с пиком   и временем U достижения пика:

В некоторых точках энергосистем реальные ПВН как по скорости нарастания, так и по уровню значительно превосходят нормируемые для выключателей общего применения. Такие случаи возможны, в частности, когда выключатели прямо присоединены к трансформаторам, дающим ток, превышающий: 30% номинального тока отключения, когда отсутствует заметная дополнительная емкость между выключателем и трансформатором, когда распределение энергии сверхмощных станций осуществляется при небольшом числе отходящих линий или когда выключатели устанавливаются в цепях мощных генераторов, шунтовых конденсаторных и реакторных установок.

Нормированные характеристики ПВН (со стороны сети) при номинальных напряжениях 110 кВ и выше (ГОСТ 687—78)

В настоящем параграфе используется терминология и приводятся требования, изложенные в рекомендации МЭК «Выключатели переменного тока высокого напряжения» (публикация 56-2, изд. 3, 1971 г.), а также в Государственном стандарте СССР ГОСТ 687—78 «Выключатели переменного тока на напряжение свыше 1000 В».

\

Было бы экономически невыгодным предъявлять повышенные требования ко всем выключателям. Поэтому как у нас, так и за рубежом для указанных случаев разрабатываются выключатели, рассчитанные на сверхжесткие условия в отношении ПВН, для чего в их конструкции имеются специальные меры, которые будут рассмотрены в соответствующих главах.
При токах отключения, меньших номинального, предписываются параметры с повышенными скоростями нарастания ПВН. Повышенные скорости нарастания ПВН при отключении тока, равного примерно 30 % номинального, для выключателей от 35 кВ и выше вызваны специфическими условиями, возникающими при к. з. за мощными трансформаторами.
Номинальные характеристики для неудаленных коротких замыканий. Поскольку неудаленные к. з. являются определяющим режимом для дугогасительных устройств воздушных выключателей, нормирование которого в последние годы привело к коренному пересмотру воззрений на конструкции воздушных выключателей, остановимся на характеристиках этого режима.
Принципиальная схема  с параметрами при неудаленном к. з. (н. к. з.) представлена на рис. 1-6. Принято рассматривать режимы н. к. з. только при однофазных замыканиях на землю в системах с эффективно заземленйой нейтралью, поэтому режимы н. к. з. МЭК нормирует для выключателей с номинальным напряжением 52 кВ и выше (а в СССР — начиная  со 110 кВ).
Под действием фазного напряжения Uф = Uн. р / V3 в цепи,  содержащей последовательно соединенные реактивные сопротивления х8 и хЬу протекает ток IL. Действующие значения падения напряжения на стороне питания и вдоль линии соответственно равны Us=IlXs и Ul^IlXl. После отключения тока мгновенное значение напряжения относительно земли на линейном выводе выключателя будет U0 = Y2UL. Это напряжение обращается в нуль после прохождения вдоль отрезка линии между выключателем и местом короткого замыкания и отражения от концов отрезка серии волн, образующих переходное напряжение на стороне линии в форме затухающих- пилообразных колебаний. На практике эта форма несколько искажается за счет емкостей, сосредоточенных на выводах выключателя, однако расчеты ведутся без учета этих искажений.
В момент отключения выключателя напряжение на его питающем выводе также будет равно С/0, затем оно будет возрастать до наибольшего значения Uм, зависящего от характеристик ПВН на стороне питания, а после окончания переходного процесса станет равным Uт = V2/3Uн. р. Таким образом, результирующее ПВН на выводах выключателя определится как разность U8—UL (рис. 1-7).
Номинальная последовательность операций (номинальные циклы). Известно, что в большинстве случаев короткие замыкания на линиях, не. связанные с повреждением основной изоляции, могут самоликвидироваться при прерывании тока на время   несколько большее времени деионизации открытой дуги. Многочисленные исследования показали, что вплоть до напряжений 750 кВ деионизация открытой дуги происходит за время, не превышающее 0,3 с. Для определения характера к. з. и немедленного восстановления питания в случае, когда электрическая дуга самоликвидируется, к выключателям предъявляется требование о выполнении определенной последовательности операций.
Поскольку важность максимально быстрого восстановления электрической связи чрезвычайно велика как с точки зрения устойчивости систем, так и с точки зрения энергоснабжения потребителей, обычно делается две или три проверки самоликвидации короткого замыкания. В зависимости от результатов этих проверок применяемые последовательности операций получили следующие названия:
успешное автоматическое повторное включение (АПВ) при ликвидации к. з. после первого отключения

где *бт — бестоковая пауза;
неуспешное АПВ (к. з. не ликвидировалось после первого отключения, выключатель включился и снова отключился)

двойное АПВ (после неуспешного АПВ делается вручную ключом или автоматически еще одна попытка ликвидировать к. з.)
>где t1 — выдержка времени.
В соответствии с этим МЭК нормирует для выключателей, предназначенных для быстродействующего АПВ (подавляющая часть воздушных выключателей) номинальную последовательность операции вида О — 0,3 с — ВО — 3 мин — ВО, я ГОСТ 687—78 —два номинальных цикла: цикл I
О — 0,3 с — ВО — 3 мин — ВО
я цикл IA
0 — 0,3 с —ВО —20 с —ВО.
Для выключателей, не предназначенных для быстродействующего АПВ, МЭК нормирует два цикла:
О — З мин —ВО —3 мин —ВО и ВО—15 с —ВО,
л ГОСТ 687—78 — цикл 0 — 3 мин — ВО — 3 мин — ВО.
Сложность выполнения воздушными выключателями указанных циклов обычно состоит в отличие от оперирования масляными выключателями не в числе операций (так как скорость деионизации дугогасительных промежутков воздушных выключателей весьма велика), а в необходимости подпитки дугогасительных камер между операциями сжатым воздухом и обеспечения термической стойкости сопротивлений, шунтирующих главные контакты.
Для того чтобы начать в любом из циклов вторую операцию отключения, при номинальном давлении сжатого воздуха необходимо иметь такое соединение объема дугогасительных камер с питающей системой, чтобы давление сжатого воздуха в камере могло восстановиться за время, меньшее 0,3 с; в противном случае коммутационная способность выключателя должна определяться при более низком давлении сжатого воздуха. Это относится и к другим паузам между отключениями.
С точки зрения термической стойкости шунтирующих сопротивлений следует также учитывать ненормируемый, но имеющий место в практике режим, когда при грозовых перенапряжениях в течение относительно короткого времени происходят многочисленные отключения выключателя (считается реальным случай с 14 отключениями в течение 2 ч).
В выключателях, предназначенных для электротермических установок, в нормальных эксплуатационных условиях нередки отключения с интервалом 15—20 мин, тогда как необходимость в циклах, нормируемых для сетевых выключателей, здесь отсутствует.
Номинальное давление сжатого воздуха — это давление, при котором определены условия гашения и оперирования приводом воздушного выключателя. Для выключателей, снабженных собственным резервуаром, под номинальным давлением сжатого воздуха следует понимать давление, измеренное в резервуаре непосредственно перед операцией включения или отключения. В международных стандартах номинальные давления сжатого воздуха не нормируются. Приводим принятые в СССР номинальные давления (в мегапаскалях) с указанием пределов отклонений от номинала:
0,6 ± 0,05; 1 ± 0,05; 1,5 ±0,1; 2,0±0,1; 2,6±0,1;
3,2 ±0,1; 4,0 ±0,1; 5,0 ±0,1.
Чрезвычайно важной характеристикой сжатого воздуха, применяемого для питания воздушных выключателей, является его относительная влажность авл (%), определяемая, как известно, отношением количества влаги увл, содержащегося в воздухе при данной температуре, к наибольшему количеству влаги Yioo, которое в нем может содержаться при этой же температуре (100%-ная влажность):
(1-3)
При большой влажности сжатого воздуха и значительных перепадах температуры окружающего воздуха в течение короткого времени часть влаги может выпасть на изоляционных частях выключателя и привести к перекрытию по поверхности. Как будет показано ниже, от содержания влаги в сжатом газе существенно зависит и электрическая прочность самого сжатого газа. На рис. 1-9 для примера показано изменение относительной влажности сжатого воздуха авл, измеренное в двух резервуарах (кривые 1 и 2) воздушного выключателя, при изменении температуры окружающего воздуха от —1 до —20° С в течение 5 сут. Влажность воздуха, подаваемого в выключатель, составляла 50%. Следует отметить, что ГОСТ 15150—69 нормирует гораздо более существенное изменение температуры, а именно 40 К в течение 8 ч, и гораздо более низкий нижний предел температуры (до —60°С). Из рис. 1-9 видно, что уже при окружающей температуре —20° С часть водяных паров конденсируется, приводя к существенному ухудшению изоляции.
Применяются три способа осушки воздуха, подаваемого в выключатели: химический, абсорбционный и термодинамический.
Первый основан на пропускании влажного воздуха через химические осушители, содержащие влагопоглощающее вещество, например силикагель, а, второй — на пропускании воздуха через специальные, например керамические, фильтры.

Рис. 1-9. Изменение влажности и температуры сжатого воздуха в резервуаре воздушного выключателя при эксплуатации
Оба способа включают в себя обязательный процесс регенерации влагопоглощающего вещества, обычно при помощи подогревателей. Из-за относительно низкой пропускной способности н сложности эксплуатации эти способы не получили широкого распространения. К преимуществам их следует отнести отсутствие необходимости компрессоров высокого давления. Более распространена термодинамическая сушка, заключающаяся в комбинированном охлаждении и затем в пропускании сжатого воздуха высокого давления через редукторный клапан с целью понижения давления. Например, для питания воздушных выключателей с номинальным давлением до 5 МПа и достижения влажности, не превышающей 25%, применяется сжатый воздух с верхней ступенью давления 23 МПа.
Для расчета содержания влаги, (кг/м3) в сжатом воздухе, используемом для питания воздушных выключателей, можно пользоваться следующим выражением:
(1-4)
где еп. д — отношение парциальных давлений водяного пара и воздуха при насыщении, млн-1; авл — относительная влажность
воздуха, в долях единицы; р — абсолютное давление сжатого воздуха, МПа; Т — термодинамическая температура, К.
На рис. 1-10 приведены зависимости вц.д при насыщении от температуры при различных давлениях сжатого воздуха.
При помощи рис. 1-10 и формулы (1-4) можно вычислить: содержание влаги в резервуарах выключателя при заданной относительной влажности и температуре; количество выпадающей влаги при заданной начальной относительной влажности и заданном перепаде температур; необходимый перепад давлений при термодинамической сушке для получения заданной влажности воздуха.
Из рис. 1-10 и формулы (1-4) следует также один из важнейших для воздушных выключателей выводов о том, что количество влаги, содержащееся в 1 м3 сжатого воздуха при одной и той же относительной влажности и температуре, практически не зависит от давления сжатого воздуха.
Действительно, согласно (1-4) отношение влагосодержания Твлр при абсолютном давлении сжатого воздуха р к влагосодержанию увд. а при атмосферном давлении ра (0,1 МПа) и одних и тех же значениях авл и Т будет и при любых р сохраняет примерно одинаковое значение.

Номинальный ток отключения ненагруженной линии — это ее
максимальный ток, который выключатель должен отключать при его номинальном напряжении.

Рис. 1-10. Содержание влаги в сжатом воздухе в зависимости от температуры при различном абсолютном давлении сжатого воздуха
В табл. 1-13 приведены номинальные токи отключения ненагруженной линии: по МЭК и принятые в СССР. Для однородных воздушных линий при частоте 50 Гц токи отключения, приведенные в табл. 1-13, соответствуют длине линии (в километрах), численно равной примерно 1,2 номинального напряжения в киловольтах (в СССР — 1,2 наибольшего рабочего напряжения).
Как правило, воздушные выключатели современной конструкции отключают емкостный ток ненагруженной линии при его первом после размыкания контактов переходе через нуль. При этом, если размыкание контактов произошло за несколько миллисекунд до нуля, напряжение восстанавливается на еще не полностью разошедшихся контактах. Если восстанавливающееся напряжение при этом будет больше восстанавливающейся электрической межконтактной прочности, то возможны пробои межконтактного промежутка. Различают два вида пробоев: повторное зажигание (не более чем через 5 мс после отключения тока) и повторный пробой (более чем через 5 мс после отключения тока).

Рис. 1-11. Процесс отключения воздушным выключателем ненагруженной линии при наличии повторных пробоев Сл — емкость линии; £ я 2^9. д. с. и сопротивление эквивалентного генератора; Сп — емкость элементов сети, подключенных к генераторной сети выключателя В; уп — проводимость реакторов, подключенных к линии; — емкостный ток линии; Ui — напряжение источника тока; Ut — напряжение на линии; t/g — наибольшее напряжение при первом повторном пробое; Ug — наибольшее напряжение при втором повторном пробое

Таблица 1-13
Номинальные токи отключения ненагруженной линии

Важнейшим требованием для воздушных выключателей является недопустимость повторных пробоев при отключении ненагруженной линии, так как они могут привести к значительным коммутационным перенапряжениям:

На рис. 1-11 показан процесс отключения выключателем ненагруженной линии при повторном пробое [70]. Так как нагрузка чисто емкостная, то ток ic опережает напряжение на 90°. При протекании емкостного тока линии через индуктивность источника питания в цепи возникает заметное падение напряжения uL. За счет этого падения напряжения, которое находится в противофазе по отношению к падению напряжения па емкости при отключении емкостной нагрузки ic на левом выводе выключателя происходит скачок напряжения, равный амплитуде падения напряжения на индуктивности ULm. Этот скачок сопровождается колебаниями с частотой, определяемой индуктивностью и емкостью источника питания.

Эффективным средством снижения коммутационных перенапряжений как при отключении цепи выключателем, так и, в особенности, при включении ее на ненагруженную линию является применение в выключателях шунтирующих сопротивлений, что будет рассмотрено в гл. 6.
Помимо рассмотренных требований, к выключателям предъявляются требования, касающиеся коммутаций в специальных режимах: при асинхронном ходе, при отключении ненагруженных трансформаторов, кабелей, конденсаторных батарей, реакторов и др.
Надежность работы выключателей. В заключение необходимо подчеркнуть, что сейчас во всем мире особое внимание уделяется надежности работы выключателей, так как от нее в первую очередь зависит надежность работы энергосистем в целом, а следовательно, бесперебойность энергоснабжения потребителей. Хотя в стандартах большинства стран критерии надежности пока еще не нормируются;, накопленный опыт эксплуатации и испытаний воздушных выключателей показывает, что около 70 % отказов происходит из-за механических неисправностей; на втором месте стоят отказы при коммутациях и из-за повреждения изоляции.
Для повышения механической надежности воздушных выключателей многие фирмы идут по пути увеличения объема механических испытаний при заданном гарантируемом механическом ресурсе. Для оценки необходимого числа механических операций (обычно циклов ВО) в процессе испытания при заданном гарантируемом механическом ресурсе /Сг.ц и вероятности безотказной работы Рб.р(я) с доверительной вероятностью у можно пользоваться формулой
(1-8)
где х22т+2 — квантиль распределения функции х2 с 2т+2 степенями свободы; т — число отказов при п испытаниях. Значения функции 0,5х2 в зависимости от т таковы:
-1
Для примера по выражению (1-18) оценен требуемый объем механических испытаний длй /Сг. ц= 1000 и y=0A когда в процессе испытаний не имелось отказов (т=0) и имелся один отказ (т= 1):

Из других важнейших критериев надежности выключателей следует назвать допустимую вероятность отказов при коммутационных испытаниях на отключение токов короткого замыкания и гарантируемый коммутационный ресурс выключателей.
По методике испытаний на коммутационную способность при отключении токов короткого замыкания, принятой в настоящее время в СССР, предусмотрено проведение по шесть опытов в каждом из основных режимов (отключение при 100%, 60% и 30 % номинального тока отключения, 90 %, 75 % и 60 % номинального тока отключения в режиме неудаленного к. з. и 25 % номинального тока отключения в режиме рассогласования фаз), в которых не допускается отказа. Если принять функцию распределения вероятности негашения дуги соответствующей биномиальному закону распределения, что практически подтверждается огромным опытом испытаний выключателей во всем мире, то нижняя доверительная граница вероятности отказа при одном отключении и доверительной вероятности 0,8 составит (с округлением до третьего знака) 0,765 [65]. Если в одном из 6 опытов произойдет отказ, то допускается продолжить испытания в этом режиме до 12 опытов, причем если ПРИ этом больше отказов не будет зафиксировано, то выключатель тоже считается выдержавшим испытания. Такой подход к оценке испытаний вполне оправдан, так как при одном отказе
Число коммутаций

из 12 нижняя доверительная граница вероятности отказа при одном отключении и той же доверительной вероятности составит 0,770, что даже выше, чем при успешных 6 опытах. Для сравнения с ранее принятой методикой, когда выключатель считался выдержавшим испытания при проведении 3 успешных опытов, важно отметить, что там нижняя доверительная граница вероятности, отказа при одном отключении составляла всего 0,585.
На надежность выключателей, помимо описанных факторов, в значительной мере влияет также коммутационный ресурс, по исчерпании которого необходимо ремонтировать контактную и дугогасительную систему. Минимальное допустимое число коммутаций п\ в диапазоне от 60 до 100% номинального тока отключения /0. ном для воздушных выключателей по ГОСТ 687—78 должно быть таким:

При этом допустимое число отключений должно составлять не менее 2/3 суммарного числа операций.
Для выключателей, предназначенных для частых коммутационных срабатываний и коммутации электротермических установок, нормируемые числа коммутаций приведены в табл. 1-14.