Выключатели служат для включения и отключения элементов ЭС, а также и главным образом отключения токов КЗ. Отключающая способность выключателей определяется конструктивными особенностями и условиями эксплуатации. Ресурс выключателей ограничен. Отключение тока КЗ сопровождается дуговыми процессами на контактах и в гасительной камере, приводящими к оплавлениям контактов и возможным повреждениям элементов гасительных камер.
Выключатель и его привод представляют собой сложный механизм, элементы которого должны работать в определенном взаимодействии. Время отключения выключателя не должно превышать определенной величины. Все это достигается в процессе наладки систем выключателя и его привода.
Естественно, что столь тяжелый режим, как отключение тока КЗ вызывает определенную разрегулировку выключателя. Отключение тока КЗ приводит к расходованию определенного ресурса выключателя. После того, как израсходован весь ресурс, выключатель необходимо вывести в ремонт для проведения ревизии его состояния, восстановления отключающей способности и наладки привода.
Ревизия выключателя и его ремонт часто связаны с небходимостью отключения присоединения, что прерывает электроснабжение потребителей или существенно снижает надежность участка электрической сети. Одновременно требуются значительные затраты труда и транспортные издержки.
Рациональная эксплуатация выключателей позволяет более чем вдвое уменьшить издержки на поддержание их работоспособности. Понимание условий работы выключателей связано с правильной оценкой процессов, происходящих в электрической сети при отключении токов КЗ, сопровождающемся переходными процессами со стороны как источника питания, так и отключенного присоединения.
Электрическая прочность контактного промежутка.
Отключающая способность выключателя зависит от двух факторов. Первый фактор заключается в том, что отключающая способность связана с напряженностью электрического поля в зоне электрической дуги в момент приближения тока к нулю. Если напряженность, обусловленная восстанавливающимся напряжением, слишком велика, то вместо снижения ток может вновь увеличиться и отключения не произойдет.
Второй фактор заключается в зависимости отключающей способности от сопоставления изменений электрической прочности контактного промежутка и восстанавливающегося напряжения во времени. У масляных выключателей электрическая прочность нарастает быстро (рис. 3.21). При этом дуга в гасительной камере делится на узкие каналы. Деионизация ускоряется благодаря резкому увеличению давления газов в гасительной камере, достигающего десятков и более атмосфер, а водород, являющийся продуктом разложения масла в присутствии дуги, благодаря своей высокой теплопроводности охлаждает газы и способствует рекомбинации ионов (линия 1).
Рис. 3.21. Восстановление электрической прочности контактного промежутка: 1 — для масляных выключателей; 2 — для воздушных выключателей; 3— восстанавливающееся напряжение; 4 — разность электрической прочности контактного промежутка и восстанавливающегося напряжения
В воздушном выключателе этот процесс протекает иначе (2). Кривая, характеризующая восстановление электрической прочности контактного промежутка во времени, состоит из трех отрезков. На первом из них дуга продолжает гореть, так как ее охлаждение воздушным дутьем происходит снаружи, следовательно, более медленно. На втором отрезке по мере расхождения контактов дуга истончается и гаснет, после чего контактный промежуток деионизируется
(третий отрезок). Основная стадия процесса восстановления электрической прочности протекает со скоростью, не превышающей 1 — 2 кВ/мкс, окончательно деионизация наступит спустя 10—15 мкс после нулевого значения тока.
Процесс отключения тока КЗ можно рассмотреть на диаграмме, изображенной на рис. 3.21, на которой восстанавливающееся напряжение (3) вычитается из характеристики электрической прочности контактного промежутка (2). Если эта разность (4) достигает нуля, то наступает пробой. Загорание дуги в закрытом пространстве гасительной камеры при частично израсходованном сжатом воздухе и, следовательно, недостаточном дутье приводит к ее разрушению.
При конструировании выключателей для достижения большего отключаемого тока КЗ применяются специальные технические меры. Например, в современных воздушных выключателях используется основной силовой контакт Ки параллельно которому включается специальный резистор R, и последовательно с этой цепью включается вспомогательный контакт /С2 (рис. 3.22). Вначале отключается первый контакт. Сопротивление резистора, оказывающееся включенным в цепь, мало, в результате чего восстанавливающееся на контакте напряжение не превышает допустимого и дуга на нем успешно гаснет в струе сжатого воздуха. После этого благодаря ограничению резистором тока КЗ, а следовательно, и остаточного напряжения U0Ct скорость восстанавливающегося напряжения ограничивается и происходит окончательное гашение дуги на вспомогательных контактах.
Рис. 3.22. Схема отключения контактов воздушных выключателей
В стандартных дугогасительных камерах применяются две группы комбинаций контактов, включаемых последовательно. Для равномерного распределения напряжения между контактами выключателя параллельно им включается емкостный делитель напряжения.
Управление восстанавливающимся напряжением при неудаленных КЗ.
В процессе развития ЭЭС увеличиваются мощность генерирующих источников и пропускная способность сети, следовательно, уменьшается ее сопротивление. Это сопровождается ростом токов КЗ, а также скорости восстанавливающегося напряжения, что приводит к изменению условий работы выключателей. Те из них, которые уже не удовлетворяют условиям эксплуатации, со временем заменяются на более мощные. Однако в ЭС всегда находятся выключатели, которые при повреждениях в определенных зонах электрической сети не в состоянии отключить токи КЗ. Поэтому приходится ограничивать токи КЗ.
Единственное практически применимое средство сохранения скорости восстанавливающегося напряжения также ограничение токов КЗ, отключаемых выключателем.
Определение частоты ревизий выключателей.
Отключение выключателем тока КЗ сопровождается износом дугогасительных контактов, их оплавлением, возможными повреждениями дугогасительной камеры, а в масляных выключателях разложением масла, используемого в качестве дугогасящей среды. Поэтому число отключенных КЗ нужно учитывать для того, чтобы своевременно произвести внутренний осмотр выключателя, а при необходимости и его ремонт.
Степень износа элементов выключателя зависит от особенностей его конструкции, выявленных в процессе эксплуатации, а также от числа отключений и величины отключаемого тока КЗ.
Рис. 3.23. Показатель тяжести отключения в функции удаленности короткого замыкания
Эксплуатационные исследования позволили установить допустимое число отключений между ревизиями для различных значений токов КЗ. При отключении предельного тока КЗ число отключений невелико. Например, для выключателей ВВН-110-6 и ВМК-110 число отключений предельного тока КЗ (31,5 кА) равно 10, для ММО-110-125 — 8, для ВМГ-133, имеющих контакты из металлокерамики, — 2, а имеющих обычные контакты—1. Это существенно осложняет эксплуатацию электрических сетей, снижает надежность их работы и требует больших затрат труда на ревизии и ремонт, тем более, что короткие замыкания, особенно в грозовой период, происходят часто.
Для токов КЗ построены кривые, указывающие зависимость использованного ресурса а в процентах от значения отключаемого тока КЗ. Для удобства на ось ординат наносится еще величина л=100/а, указывающая на то, сколько раз можно допустить отключение тока КЗ определенного уровня.
Выключатель выводится из работы для ревизии после исчерпания его ресурса, т. е. после k-ro отключения тока КЗ:
Типы кривых для различных выключателей приведены на рис. 3.24.
Рис. 3.24. Зависимости использованного ресурса различных выключателей от величины тока КЗ:
1, 2, 3 — кривые для выключателей различных типов
Значения токов КЗ, отключенных выключателями, можно определить на основе: оценки действия релейной защиты; расшифровки осциллограмм; показаний фиксирующих приборов, используемых для определения места КЗ; расчета при известных виде и месте КЗ; показаний значения отключаемого выключателем тока КЗ, фиксируемого специальным устройством.
Рис. 3.25. Устройство для фиксации числа отключений и значений отключаемых токов КЗ
Чтобы использовать данные о ресурсе выключателей, их нужно снабдить приборами фиксации отключаемых токов КЗ. Схема подобного прибора приведена на рис. 3.25. Прибор вводится в
действие выходным контактом релейной защиты РЗ, расшунтирующим цепи тока. Выпрямленный ток протекает через катушки, снабженные герконовыми контактами. Катушки имеют определенные токи срабатывания, которые в целом за счет разного числа витков образуют нарастающую шкалу (рис. 3.26). При замыкании контактов (см. рис. 3.25) счетчики импульсов Сч1—Сч4 фиксируют превышение током уставки. О ресурсе выключателя можно судить по показаниям счетчиков уровней токов.
Частоту ревизий можно существенно уменьшить, если известно сколько КЗ отключено отдельными фазами выключателя. Например, если у выключателя, отключающего предельный ток КЗ 10 раз, фаза А отключала КЗ 8 раз, фаза В — 9 раз, а фаза С — 7 раз, то общее число отключений может быть равным 24, а ревизии еще не требуется. Поэтому целесообразно оснащать выключатели еще и устройством, фиксирующим поврежденную фазу. При отсутствии информации об отключенных токах по фазам подвергаются ревизии все три фазы выключателя.
Рис. 3.26. Гистограмма числа отключений при различных токах КЗ
