2. ВОЗДУШНЫЕ ГЕНЕРАТОРНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ
На рис. 2-7 схематически представлена конструкция первого отечественного генераторного воздушного выключателя типа ВВ-15 на номинальное напряжение 13,8 кВ и номинальный ток 5500 А, спроектированного для Куйбышевской и Волгоградской ГЭС, а также для ряда других гидроэлектростанций. После поставки необходимого числа этих выключателей их производство было прекращено,
Положение элементов выключателя, изображенное на рис. 2-7, соответствует включенному состоянию аппарата.
Отключение может быть произведено дистанционно — посредством электромагнита отключений или с места — посредством кнопки ручного пневматического управления.
Для дистанционного управления необходимо подать командный импульс на электромагнит отключения 12. При этом сердечник электромагнита втянется и откроет пусковой клапан 14, который, в свою очередь, откроет клапан отключения 18, и тогда сжатый воздух из резервуара выключателя 23 по трубкам 17 и 19 поступит в приводы 20. Поршни приводов под действием сжатого воздуха опустятся вниз и повернут вал 8 против часовой стрелки. При этом рычаги 22 посредством изоляционных тяг 6 приведут в движение подвижные контакты 5, а кулачки 7 откроют дутьевые клапаны 1. Из дутьевых клапанов сжатый воздух поступит по фарфоровым воздухопроводам 2 в дугогасительное устройство 4. После поступления сжатого воздуха в дугогасительное устройство происходит размыкание подвижных контактов 5 с неподвижными контактами 3. Дуга, возникшая между ними, задувается в щели, образуемые изоляционными перегородками, где изгибается, удлиняясь, и быстро гасится. К моменту выхода подвижных контактов из дугогасительного устройства кулачки 7 отходят от штоков дутьевых клапанов, которые закрываются, прекращая поступление сжатого воздуха в дугогасительные устройства.
Рис. 2-7. Воздушный выключатель ВВ-15
При дальнейшем повороте вала 8 подвижные контакты 5 выходят из дугогасительного устройства, в результате чего образуется необходимый видимый изоляционный промежуток между контактами. В это время происходит переключение вспомогательных контактов 21, которые размыкают цепь электромагнита отключения и подготавливают цепь электромагнита включения. После переключения контактов 21 сердечник электромагнита отключения под действием пружины возвращается в первоначальное положение, вследствие чего клапаны 14 и 18 закрываются.
При ручном управлении с места сжатый воздух подается по медной трубке в клапан 13 путем нажатия кнопки, находящейся в распределительном шкафу. Под действием сжатого воздуха поршень клапана 13 передвигается влево. При этом шток поршня открывает клапан 14, и процесс отключения происходит так же, как при дистанционном отключении.
Включение выключателя также может быть произведено дистанционно — посредством электромагнита включения или с места — посредством кнопки ручного пневматического управления.
При дистанционном включении подается командный импульс на электромагнит включения 11. Сердечник электромагнита втягивается и открывает пусковой клапан 10, который, в свою очередь, открывает клапан включения 16. Из клапана включения сжатый воздух по трубке 15 поступает в пневматические приводы 20. Под действием сжатого воздуха поршни этих приводов поднимаются вверх, поворачивая вал 8 по часовой стрелке. При повороте вала подвижные контакты 5 поднимаются и входят в дугогасительные устройства. Перед смыканием контактов 3 и 5 кулачки 7 нажимают на штоки дутьевых клапанов и немного приоткрывают их. Сжатый воздух из дутьевых клапанов поступает в дугогасительные устройства и предотвращает дугу между смыкающимися контактами. При дальнейшем повороте вала кулачки 7 быстро опускают штоки дутьевых клапанов, и последние закрываются. В то же время происходит переключение вспомогательных контактов 21, которые размыкают цепь электромагнита включения 11 и подготавливают цепи электромагнита отключения 12. После переключения контактов 21 сердечник электромагнита включения под действием пружины возвращается в первоначальное положение, и клапаны 10 и 16 закрываются.
При ручном управлении с места сжатый воздух по медной трубке подается в клапан 9 путем нажатия кнопки, находящейся в распределительном шкафу. Сжатый воздух передвигает поршень клапана 9 влево. При этом шток поршня открывает пусковой клапан 10, и дальнейший процесс включения происходит точно так же, как при дистанционном включении.
Технические характеристики выключателя BB-15
Номинальный ток отключения.............................................................. 85 кА
Амплитуда предельного сквозного тока
короткого замыкания................................................. ........ 250 кА
Амплитуда тока включения............................................................... 250 кА
Номинальное давление воздуха........................................................ 2 МПа
Время отключения, не более................................................................. 0,12 с
Время включения, не более ................................................................. 0,2 с
Вместимость резервуаров.................................................................... 400 дм3
Расход воздуха
на одно отключение........................................................................................ 1,2 м3
на одно включение......................................................................................... 0,5 м3
Масса выключателя............................................................................... 3000 кг
Эти выключатели имели дугогасительные устройства с поперечным воздушным дутьем.
Принципиальная схема и общий вид генераторного воздушного выключателя типа ВВГ-20 на номинальное напряжение 20 кВ, номинальные токи 12 500 А (без принудительного воздушного охлаждения) и 20 000 А (с принудительным воздушным охлаждением) приведены на рис. 2-8. Номинальное давление воздуха 2 МПа. Выключатель имеет полюсное управление. Между полюсами выключателя на 12 500 А установлены изоляционные перегородки.
Токоведущий контур выключателя состоит из двух контуров: главного и дугогасительного.
Рис. 2-8, Принципиальная схема (а) и общий вид (б) генераторного воздушного выключателя ВВГ-20
Главный контур выключателя рассчитан на длительный номинальный ток и состоит из двух шинопроводов 1 (главных неподвижных контактов) и разъединителя 2 (главного подвижного контакта).
Дугогасительный контур выключателя состоит из двух последовательно соединенных дугогасительных камер 3 и 5 (с продольным воздушным дутьем), шунтирующих резисторов 4 и 9 (сопротивление 0,7 Ома каждый) и отделителя 10. Последовательно с резисторами 4 и 9 включена вспомогательная дугогасительная камера 6, предназначенная для отключения тока, проходящего по шунтирующим резисторам 4 и 9 после погасания дуги в камерах 3 и 5. Дуга, возникающая на контактах дугогасительного устройства 6, обычно гасится струей сжатого воздуха при прохождении тока через нуль. Если при отключении в цепи имеет место большая скорость восстановления напряжения, то пробивается искровой промежуток 7 и в дугогасительном контуре возникает ток, но уже ограниченный резисторами 4, 9 и 8, что способствует быстрому гашению дуги. В этом случае окончательное гашение дуги происходит на искровом промежутке 7. Контакты камер 3, 5 и 6 — импульсного типа, и по завершении процесса отключения они вновь смыкаются под действием пружин.
Когда выключатель включен, основная часть тока проходит но главному токоведущему контуру, т. е. по контактам 1 и 2. Распределение тока между главным и дугогасительным контуром задается отношением их индуктивных сопротивлений. При отключении выключателя сначала размыкаются контакты 1 и 2 и весь ток переходит в дугогасительный контур. Приблизительно через 0,04 с после размыкания разъединителя 2 происходит размыкание контактов дугогасительных камер 3 и 5.
Рис. 2-9. Электропневматическая схема воздушного выключателя ВВГ-20
Дуга в этих камерах гаснет обычно за время 0,01 с, и тогда в цепь включаются шунтирующие резисторы 4 и 9. Через 0,008 с после размыкания контактов камер 3 и 5 размыкаются контакты камеры 6 и разрывают ток, проходящий по шунтирующим резисторам 4 и 9. Спустя еще 0,03 с при полностью обесточенной цепи размыкаются контакты отделителя 10. Процесс включения происходит в обратном порядке, т. е. сначала замыкаются контакты отделителя 10, а потом уже контакты разъединителя 2.
Электропневматическая схема этого выключателя представлена на рис. 2-9. Изображение элементов схемы соответствует отключенному выключателю.
Включение выключателя осуществляется подачей командного импульса на электромагнит включения 14, который открывает пусковой клапан 12. Последний посредством трубок 4 и 11 соединен с резервуаром 1. При открытии клапана 12 сжатый воздух из пространства В поступает к поршню 13, перемещает его и тем самым открывает клапан 15. Тогда сжатый воздух по трубке 9 поступает к поршню 42 привода 41, а по трубке 23 — к поршню 34 привода 36. При перемещении поршней последовательно поворачиваются сначала ножи отделителя 44, а затем ножи разъединителя 46, осуществляя замыкание соответствующих цепей. Поршни 34 и 42 при своем движении производят переключение контактов цепи управления 21 и 30 посредством металлических тяг 22, 25 и 29.
Отключение осуществляется подачей командного импульса ва электромагнит отключения 18, который открывает пусковой клапан 19, соединенный трубкой 10 с пространством В. Из клапана 19 воздух поступает к поршню 17, перемещает его и открывает клапан 16. Тогда воздух по трубке 24 поступает к поршню 34, передвигает его, осуществляя размыкание ножей разъединителя 46. Вал 37 соединен тягой 28 с рычагом 26, который прижимается к ролику 27. При повороте вала 37 ролик27 передвигает золотник 20 справа налево. Тогда сжатый воздух по трубке 7 через кольцевую выточку на золотнике поступает к поршню 6, который, перемещаясь, открывает клапан 5. Последний открывается и выпускает воздух из пространства А через отверстие Б. После этого открывается дутьевой клапан 3 и воздух из резервуара по трубке 2 поступает в главные дугогасительные камеры 32 и 45 и во вспомогательную камеру 54 (для предотвращения вибрации контакта 62 воздух одновременно подается по трубке 60 к поршню 59, который прижимает контакт 62 к контакту 63). Главные дугогасительные камеры 32 и 45 имеют одностороннее продольное воздушное дутье с жестко фиксированным дугоулавливателем и снабжены охладителями выходящего воздуха ОВ. Контакты камер шунтированы резисторами 31 и 50. После размыкания главных контактов воздух по трубке 49 поступает в клапан 56 и через регулировочное отверстие 57 к поршню 58.
Последний перемещается, открывает клапан 56, из которого воздух поступает к поршню 61 и передвигает поршень вправо. При этом контакты 62 и 63 размыкаются, а возникающая между ними дуга может погаснуть в зависимости от параметров восстанавливающегося напряжения либо без переброса на вспомогательные контакты 47 и 48, либо после переброса и подключения параллельно этим контактам резистора 55 (электрод 47 изолирован от корпуса камеры).
Из правой дугогасительной камеры сжатый воздух по трубке 53 через дополнительный объем 52 и регулировочное отверстие 51 поступает к поршню 42. При передвижении последнего осуществляется отключение отделителя 44. Такая схема подачи воздуха обеспечивает необходимое запаздывание при отключении отделителя после гашения дуги. После того как рычаг 26 проскочит ролик 27, клапан 20 под действием пружины вернется в исходное положение. Тогда сжатый воздух из пространства слева от поршня 6 выходит в атмосферу через регулировочное отверстие 8 и клапан 5 закрывается. Когда пространство А через отверстие в поршне клапана заполнится сжатым воздухом, то дутьевой клапан 3 закроется и прекратит подачу сжатого воздуха в дугогасительные камеры 32 и 45. Контакты последних замыкаются. В конце процесса размыкания разъединителя и отделителя контакты их цепей управления под действием рычагов 39 и 40 и тяг 22, 25, 29 и 38 перейдут в отключенное положение, разрывая цепь электромагнита отключения.
Дроссельные устройства 33, 35 и 43 позволяют регулировать время срабатывания приводов 36 и 41.
Технические параметры воздушного выключателя ВВГ-20
Номинальное напряжение........................................................................ 20 кВ
Наибольшее рабочее напряжение 24 кВ
Номинальный ток без искусственного охлаждения
при частоте 50Гц............................................................................. 12 500 А
при частоте 60 Гц................................................................................ 11 300 Л
Номинальный ток при искусственном охлаждении
при частоте 50 Гц ............................................... 20 000 А
при частоте 60 Гц....................................................................... 18100 А
Номинальный ток отключения
при частоте 50 Гц...................................................................................... 160 к А
при частоте 60 Гц...................................................................................... 130 кА
Относительное содержание апериодической
составляющей, не более................................................................................. 0,2
Амплитуда номинального тока включения
при частоте 50 Гц............................................................................ 385 кА
при частоте 60 Гц............................................................................ 340 кА
Предельный сквозной ток — наибольший пик (электродинамическая стойкость)
при частоте 50 Гц............................................................................ 410 кА
при частоте 60Гц......................................................................... 340 кА
Начальное эффективное значение периодической составляющей
при частоте 50 Гц................................................................................... 160 к А
при частоте 60 Гц . . . . 144 kA
Термическая стойкость — ток в течение трех секунд
при частоте 50 Гц......................................................................... 160 кА
при частоте 60 Гц.......................................................................................... 144 кА
Номинальное давление сжатого воздуха............................................. 2 МПа
Падение давления в резервуаре
за одно отключение........................................................................ 0,5—0,55 МПа
Собственное время отключения — до момента расхождения дугогасительных контактов
основных........................................................................................ Не.. более 0,12 с
вспомогательных........................................................................... Не.. более 0,148 с
Время до момента погасания дуги на дугогасительных контактах
основных........................................................................................ Не.. более 0,14 с
вспомогательных........................................................................... Не.. более 0,168 с
Собственное время включения............................................................. 0,10 с
Выключатель ВВГ-20 не имеет электромагнитного экранирования, что приводит к сильному нагреву металлических частей, расположенных недалеко от выключателя, особенно при токах, близких к номинальному. Сравнительно несложно осуществить частичное экранирование этого выключателя. Пример экранирования одного полюса выключателя ВВГ-20 приведен на рис. 2-10. Подвод тока к выключателю и отвод от него тока выполнен медными трубчатыми токопроводами 5. Последние соединяются с контактными зажимами выключателя посредством гибких связей. К концам заземленного экрана 6, внутри которого находится токопровод 5, приварены патрубки 7, имеющие фланцы 4. К фланцам 4 посредством болтов крепятся стойки 3, приваренные по концам экранирующего сегмента 1.
Рис. 2-10. Экранирование воздушного выключателя ВВГ-20
Рис. 2-11. Экранирующее устройство выключателя ВВГ-20
С внутренней стороны экранирующих сегментов 1 закреплены изолирующие перегородки 2. Для наглядности экранирующее устройство изображено на рис. 2-11. Такое простое экранирующее устройство позволяет устанавливать выключатель ВВГ-20 в рассечку экранированных токопроводов, а также исключает нагрев ферромагнитных элементов, находящихся вблизи выключателя. Экраны несколько увеличивают междуполюсное расстояние выключателя. Во избежание этого можно разместить средний полюс со смещением относительно крайних полюсов.
На рис. 2-12 изображен разрез одного полюса генераторного выключателя нагрузки для аппаратного генераторного комплекса КАГ-15 на номинальное напряжение 15,75 кВ и номинальный ток 28 500 А. Номинальный ток отключения 31,5 кА. Динамическая стойкость 650 кА. Заземленный металлический немагнитный резервуар 15 образован двумя концентрическими цилиндрами с кольцевой полостью для водяного охлаждения. По торцам кожух закрыт стеклопластиковыми вводами 28, на которых закреплено дугогасительное устройство с выводами 20 и 29. Основная токоведущая система состоит из двенадцати коробчатых ножей 8, размыкающихся в виде зонта и прижимающихся во включенном положении выключателя к цилиндрическим контактам 7 и 25 посредством сильных пружин растяжения 9, закрепленных в центре каждого ножа.
Рис. 2-12. Воздушный выключатель нагрузки аппаратного комплекса КАГ-15
Движение ножей и растяжение контактных пружин осуществляется конусами 6 и 17, связанными посредством штоков 21 и 26 с пневматическим приводом 18 и масляным демпфером 22. Главное дугогасительное устройство выключателя состоит из разрезного контакта 5, дугогасительного контакта 2, жестко связанных с конусами 6 и 17 и с поршнем привода 18, неподвижного сопла с конфузором 3 и дутьевого клапана 30. Параллельно главным контактам включены шунтирующий резистор 10 и подвижный контакт 14, который введен в кожух 15 через эпоксидный ввод 13. Номинальное давление воздуха в системе управления выключателем 2 МПа, а в кожухе выключателя 0,6 МПа; сжатый воздух поступает в кожух по трубе 11.
При подаче команды на включение срабатывает электромагнит включения и система управления (не показанная на рисунке) подает сжатый воздух по воздухопроводу 23 под поршень 19 привода 18. Поршень вместе с конусами 6 и 17 передвигается влево; при этом рычаги 27, упираясь правыми роликами в конус 17, поворачиваются вокруг оси и посредством контактных пружин 9 включают ножи. Во включенном положении выключателя конус фиксируется пружинным роликовым фиксатором 12. Прежде чем ножи сомкнутся с контактом 7, разрезной контакт 5 входит в кольцевой контакт 4. После прихода контактной системы во включенное положение срабатывают связанные с ней контакты цепи управления, снимается команда с электромагнита включения и воздух сбрасывается из воздухопровода 23 и привода 18 в атмосферу.
При отключении выключателя сжатый воздух подается по воздухопроводам 24 и 31, поршень 19 переходит в правое положение, при этом рычаги 27, поворачиваясь по часовой стрелке, вначале снимают натяжение пружин, а затем, упираясь в конус 6, левыми роликами через толкатели внутри пружин отводят ножи 8. В отключенном положении выключателя конусы удерживаются фиксатором 12. При перемещении конуса 6 на 40 мм размыкаются контакты 4 и 5 и дуга сбрасывается потоком воздуха на дугогасительный контакт 2 и дугоулавливатель, где и гасится. Выхлоп воздуха осуществляется через ввод 1, проходящий сквозь кожух шинопровода. Дутьевой клапан 30 к моменту размыкания контактов находится в полностью открытом положении под действием сжатого воздуха, поступившего под его поршень. Через несколько сотых долей секунды после открытия клапана 30 срабатывает клапан отсечки 32, воздух выбрасывается из-под поршня дутьевого клапана и последний закрывается. Одновременно с подачей сжатого воздуха в главный дутьевой клапан воздух подается и в механизм подвижного вспомогательного контакта 14, опускает его до соприкосновения с контактом 16 и открывает через вспомогательный дутьевой клапан (не показанный на рисунке) выход воздуху через сопло в атмосферу.
Рис. 2-13. Воздушный выключатель типа ВНСГ-15
Спустя 0,03—0,04 с подвижный контакт 14 размыкается с контактом 16 и дуга, возникшая между ними, гасится потоком воздуха, выходящего через сопло контакта 14.
Водяное охлаждение применяется при номинальных токах свыше 12,5 кА.
На рис. 2-13 изображен один полюс выключателя нагрузки типа ВНСГ-15. По своему конструктивному устройству он незначительно отличается от описанного выше выключателя нагрузки КАГ-15.
Технические характеристики выключателя ВНСГ-15
Номинальное напряжение..................................................................... 15.. кВ
Наибольшее рабочее напряжение...................................................... 17,5.. кВ
Номинальный ток.............................................................................. 12 500 А
Номинальный ток отключения........................................................... 31,5.. кА
Относительное содержание апериодической
составляющей, не более................................................................................... 0,63
Амплитуда номинального тока включения........................................... 82 кА
Амплитуда предельного тока включения
при синхронизации........................................................................................ 115.. кА
Предельный сквозной ток:
амплитуда...................................................................................................... 480.. кА
начальное действующее значение периодической
составляющей.................................................................................................. 190.. кА
Термическая стойкость—предельный ток
длительностью 4 с........................................................................................... 190 кА
Время отключения, не более.................................................................. 0,08 с
Время включения.................................................................... 0,058—0,068 с
Ток электромагнитов отключения............................................................ 12 А
Масса выключателя с блоком управления и распределительным шкафом 8120 кг
