КУКЕКОВ Г. А. Выключатели переменного тока высокого напряжения. «Энергия», 1972.
Книга посвящена вопросам теории, методам расчета и конструкциям выключателей переменного тока высокого напряжения.
Вопросы теории физических процессов протекающих в выключателях, изложены применительно к методам расчета характеристик этих процессов и расчета основных элементов конструкции и аппаратов в целом. Рассмотрены также некоторые общие вопросы рационального проектирования этих выключателей.
Книга предназначена для инженеров, работающих в области проектирования высоковольтной аппаратуры, и может также служить учетным пособием для студентов электротехнических и энергетических вузов и факультетов.
ПРЕДИСЛОВИЕ
За последние годы, в связи с вводом значительных мощностей в электроэнергетике и интенсивным развитием электрификации, значительно повысились требования к высоковольтной электроаппаратуре, в частности к выключателям переменного тока высот кого напряжения. Поэтому в области высоковольтного выключателеаппаратостроения все более сложной становится проблема создания современных конструкций выключателей, отличающихся высокими техническими параметрами, надежностью и технико-экономическими характеристиками и отвечающих современным требованиям и перспективам развития электроэнергетики.
В создании таких выключателей значительную роль приобретает поиск качественно новых решений, основанных на все более широком использовании в разработках результатов теоретических, и опытных исследований, а также на дальнейшем развитии и усовершенствовании методов расчета основных элементов конструкции.
Во втором издании данной книги это положение в какой-то мере находит отражение. Книга переработана по отдельным главам и дополнена новыми разделами. В ней большое внимание уделяется вопросам теории и методам расчета характеристик отдельных процессов, протекающих в выключателях, и определению основных параметров отдельных элементов конструкции и выключателей в целом.
Особенно это касается вопросов теории и расчета процессов гашения электрической дуги в дугогасителях различных типов и выводов приближенных соотношений, необходимых для практических расчетов характеристик и геометрических параметров рабочих элементов этих устройств. Новая глава, четвертая, посвящена рассмотрению электродугового размыкания электрических цепей в электрических системах переменного тока высокого напряжения. В этой главе дается краткий, упрощенный анализ совокупности основных электромагнитных процессов в электрических цепях переменного тока высокого напряжения и физических процессов в области электрической дуги, протекающих при электродуговом размыкании. В этой же главе рассматривается постановка задачи расчета дугогасителей выключателей переменного тока высокого напряжения.
Глава пятая существенно переработана и дополнена, в ней более подробно рассмотрены вопросы теории гашения электрической дуги в дугогасителях с продольным воздушным дутьем воздушных выключателей. Новая глава, шестая, посвящена исследованию процессов гашения электрической дуги в дугогасителях элегазовых выключателей переменного тока высокого напряжения. В этих двух главах использованы как материалы, опубликованные за последние годы советскими и зарубежными авторами, так и обобщенные результаты опытных и теоретических исследований на физических моделях дугогасителей с продольным газовым (воздушным и в элегазе) дутьем, проведенных под руководством и при непосредственном участии автора в лаборатории электрических аппаратов ЛПИ имени М. И. Калинина.
В остальные главы книги внесены исправления в соответствии с новыми опубликованными материалами и новой редакцией ряда ГОСТ, а также необходимые дополнения.
Материал книги в целом подбирался таким образом, чтобы при рассмотрении отдельных задач расчета в достаточной мере осветить физическую сущность рассматриваемых процессов и дать математическую трактовку их, необходимую для практических расчетов. Вопросам конструкции выключателей, так же как и в первом издании, уделено меньшее внимание, поскольку они в достаточной мере освещены в книгах, каталогах и в фирменных инструкциях по монтажу и эксплуатации выключателей.
* В книге под элегазом понимается шестифтористая сера (SF6).
Глава первая
ОБЩИЕ ИСХОДНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКА ДЛЯ РАСЧЕТА И КОНСТРУИРОВАНИЯ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
1-1. ТИПИЧНЫЕ УСЛОВИЯ РАБОТЫ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ В СОВРЕМЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ И СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
В электрических установках и системах передачи переменного тока высокого напряжения выключатель является основным коммутационным аппаратом автоматического действия, с помощью которого осуществляются любые изменения схемы цепей тока при всех возможных для данной точки системы режимах работы, Типичными коммутационными операциями для выключателей являются:
а) отключение токов перегрузки и токов короткого замыкания (сверхтоков);
б) включение при коротком замыкании;
в) отключение, при делении несинхронно работающих систем;
г) отключение и включение при номинальном токе;
д) отключение емкостных токов холостых воздушных длинных и кабельных линий;
е) отключение индуктивных токов ненагруженных трансформаторов.
Типичной для выключателей является также длительная работа при номинальном токе и напряжении.
В общем случае выключатель переменного тока высокого напряжения представляет собой аппарат, предназначенный для нечастых операций. Однако для некоторых специальных электрических установок (электропечных и др.) необходимы также и выключатели, природные для частых замыканий и размыканий электрических цепей при номинальных токах.
Наиболее ответственной для выключателя (и для системы) операцией является отключение токов короткого замыкания, когда - создаются наиболее напряженные условия работы основных элементов конструкции аппарата. Вместе с тем при определенных условиях и режимах работы системы в процессе таких
коммутационных операций, как отключение емкостных токов, отключение малых индуктивных токов и др., могут возникать коммутационные перенапряжения, опасные как для системы, так и для самого выключателя. В отдельных случаях, в зависимости от номинальных данных аппарата решение этой задачи осуществляется путем применения соответствующих способов гашения электрической дуги отключения, применения включаемых в схему аппарата активных сопротивлений и др.
Значительно более легкими являются условия работы выключателей предназначенных только для отключения относительно небольших токов нагрузки или пусковых токов электродвигателей переменного тока.
В процессе выполнения той или иной операции основные элементы конструкции выключателя подвергаются различного рода воздействиям. Токоведущие элементы и контакты аппарата испытывают кратковременное интенсивное тепловое и электромагнитное воздействие тока короткого замыкания или длительное воздействие тока номинальной величины, электроизоляционные элементы — воздействие электрического поля при номинальном напряжении или при перенапряжениях. Кроме того, в выключателе могут также возникать и протекать процессы, вызывающие значительные тепловые, механические и электрические нагрузки на отдельные элементы конструкции. Такими процессами могут быть: горение и гашение электрической дуги в дугогасителе, нарастание давления газа в замкнутых объемах и рабочих пространствах, образование зоны ионизации в изолирующих промежутках, динамические механические нагрузки в механизмах, и опорных элементах и ряд других.
Поскольку на выключатель возлагается функция быстрой автоматической локализации места аварии в системе при коротком замыкании, его конструктивные элементы должны быть устойчивы ко всем видам воздействий при данных условиях работы. Кроме того, время отключения (включения) должно находиться в заданных пределах,
Этими условиями определяются основные требования к конструкции выключателя:
а) соответствие физических свойств (параметров) выключателя предполагаемым условиям работы в системе;
б) надежность и безотказность работы всех основных элементов конструкции в течение установленного периода эксплуатации (при выполнении п. «а»).
Общие требования к выключателям переменного тока высокого напряжения даны в ГОСТ 687—67.
Кроме общих требований, в отдельных случаях к выключателям могут быть предъявлены также специальные требования в зависимости от специфических условий, для работы в которых они предназначаются, например:
а) возможность работы на движущихся установках (электровозы, суда и т. д.);
б) возможность работы на больших высотах над уровнем моря;
в) пригодность для работы в условиях тропического климата;
г) пригодность для работы при весьма низких температурах;
д) возможность работы в сырых, запыленных и взрывоопасных помещениях.
В ходе проектирования должен учитываться весь комплекс перечисленных выше требований.
Рассматривая выключатель как некоторый высоковольтный механизм, можно установить ряд особенностей, которые необходимо принимать во внимание.
В ряде случаев один конструктивный узел или деталь выполняет несколько функций, например, нагреваемый током токоведущий элемент может нести большую механическую и электродинамическую нагрузку, тяги механизмов, дутьевые трубы и другие детали могут служить изоляторами и т. д»
Во время работы выключателя в нем обычно протекает сложный комплекс связанных между собой переходных процессов, например сложное воздействие на элементы механизма сил, вызванных действием пружин, действием переменного давления газа в дугогасителе, действием электродинамических сил и др. При расчете таких узлов и, протекающих в них процессов возникает ряд трудностей, в связи с чем, как будет видно дальше, в этих случаях принимаются обоснованные упрощенные расчетные предпосылки.
Особо сложный характер имеют процессы в дугогасителях выключателей при горении и гашении электрической дуги отключения. Поэтому расчет и конструирование дугогасительных устройств имеют специфический характер. В электроаппаратостроении еще и в настоящее время нет достаточно разработанных точных методов расчета наиболее ответственного узла дугогасящего устройства, и поэтому при проектировании в значительной мере используются результаты научных теоретических и опытных лабораторных исследований процессов горения й гашения дуги в различного рода дугогасительных системах, а также результаты исследований и испытании выключателей на отключающую способность, проводимых на испытательных стендах и сетевых установках. Следует, однако, отметить, что приближенные методы расчета, хотя они подчас и носят ориентировочный характер, должны совершенствоваться и широко внедряться в практику проектирования высоковольтных выключателей. Этим может , быть существенно сокращено время, необходимое на отработку конструкций выключателей в лабораториях и на испытательных стендах.
Характерными для высоковольтного выключателестроения является большое число применяемых способов гашения дуги. Это приводит к многообразию не только конструкций дугогасящих устройств, но и самих выключателей.
Целесообразность применения того или иного способа гашения дуги h,s следовательно, типа выключателя определяется в основном исходными данными и предполагаемыми условиями эксплуатации (номинальное напряжение, номинальный ток, мощность отключения, частота отключений и др.).
При проектировании выключателей особое значение имеет предварительное решение трех основных вопросов;
а) уточнение исходных данных;
б) выбор типа выключателя;
в) выбор и уточнение конструктивной схемы,
При решении проблемы создания выключателя сверхвысокого напряжения на большую отключаемую мощность или вообще новой серии выключателей выбор типа и конструктивной схемы играет решающую роль.
В результате длительного опыта проектирования, производства, монтажа и эксплуатации выключателей высокого напряжения установились некоторые конструктивные формы отдельных деталей, узлов и самих аппаратов в целом, а также и технология их производства.
При проектировании новых типов выключателей это в некоторой мере должно приниматься во внимание, но вместе с тем в связи с повышением требований, а также в связи с тенденцией внедрения новейших достижений науки и техники в производство перед конструктором стоит также задача поиска новых, более рациональных конструктивных и расчетных решений, основанных на глубоком изучении физических процессов, использовании новых опытных данных, применений расчетов и внедрении достижений в области современной технологии производства.
Должны быть также приняты, во внимание современные тенденции в области проектирования распределительных устройств высокого напряжения, компоновка которых во многом может зависеть от конструктивных форм, габаритов и других показателей и характеристик выключателя.
Внешние конструктивные формы выключателей должны соответствовать современным требованиям эстетики.
1-2. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ РАСЧЕТА И КОНСТРУИРОВАНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ
Процесс проектирования высоковольтного выключателя для серийного производства слагается из трех основных стадий.
Эскизное проектирование. В ходе его уточняются технические требования на проектируемый выключатель, проводятся поиски наиболее выгодных принципиальных решений и ориентировочно намечаются наиболее приемлемые типы и- принципиальные конструктивные варианты.
Техническое проектирование. В ходе этой основной стадии окончательно устанавливается наиболее приемлемый тип и вариант конструкции, производятся все необходимые расчеты и конструирование отдельных узлов, деталей и выключателя в целом. Подготовляется также техническая документация для изготовления опытного образца.
Рабочее проектирование. В ходе этой заключительной стадии на основании опыта производства и данных испытания экспериментального образца вносятся уточнения ,в конструкцию и составляются рабочие чертежи для производства головного промышленного образца. Изготовляется также необходимая документация для технологической подготовки серийного выпуска выключателя.
Всем перечисленным стадиям обычно предшествует и сопутствует ряд опытных исследований и испытаний макетов и образцов отдельных деталей, узлов и опытных образцов выключателя.
В процессе проектирования высоковольтного выключателя подлежат разрешению отдельные вопросы, которые находятся между собой в определенной связи.
Можно рекомендовать как наиболее рациональный следующий порядок решения этих вопросов при отсутствии ориентировочных данных о конструкции и размерах дугогасительного устройства принятого типа:
Уточнение исходных данных для проектируемого выключателя.
Выбор типа выключателя.
Составление конструктивной схемы выключателя и предварительная компоновка конструкции:
Расчет дугогасительного устройства и ориентировочное определение его конструктивной формы и размеров.
Расчет общей электрической изоляции выключателя и определение линейных размеров токоведущего контура, изоляционных расстояний и линейных размеров опорных изоляционных элементов.
Расчет и конструирование основных узлов:
а) расчет электродинамических сил, воздействию которых могут подвергаться отдельные элементы токоведущего контура проектируемого выключателя в условиях эксплуатации;
б) расчет элементов токоведущего контура на нагрев номинальным током при длительной работе, на устойчивость к действию токов короткого замыкания (т. к. з.) и конструирование этих элементов;
в) расчет контактных систем выключателя на нагрев номинальным током и на устойчивость к действию т. к. з.;
г) расчет и конструирование изоляторов выключателя;
д) расчет основных газодинамических характеристик выключателя (в случае проектирования воздушного выключателя); е) расчет и конструирование приводных механизмов;
ж) расчет и конструирование опорных конструкций, баков, резервуаров, трубопроводов, элементов схемы гидравлического или пневматического управления;
з) определение исходных механических характеристик, необходимых для выбора пристроенного привода (если выключатель не имеет встроенного, например, пневматического привода);
и) общая уточненная компоновка конструкции выключателя. В том случае когда ориентировочные данные по дугогасительному устройству выбранного типа известны, надобность в проведении предварительного расчета дугогасительного устройства отпадает.
В ряде случаев при проектировании сложных узлов расчет отдельных элементов приходится вести параллельно; например, тепловые расчеты дугогасительных контактов ведутся параллельно с расчетом дугогасительного устройства, так как и те и другие вместе составляют один узел. Точно так. же при расчете общей электрической изоляции выключателя иногда приходится предопределять тип изолятора; при расчете же токоведущего стержня проходного изолятора необходимо иметь данные о размерах и строении электрической изоляции последнего.
