Измерения при наладке воздушных выключателей

УДК 621.316.572.004 С 34
В брошюре описаны измерения, проводимые при наладке и испытаниях воздушных выключателей 110—500 кВ с воздухонаполненным отделителем и 110— 400 кВ с открытым отделителем (временные характеристики, скорость движения ножа отделителя, напряжение срабатывания электромагнитов управления, сопротивление токоведущего контура и пр.). Особое внимание уделено осциллографированию операций по отключению и включению этих выключателей.
Приводятся также основные сведения по измерениям, производимым при наладке воздушных выключателей 15—35 кВ.
В брошюре даются необходимые сведения о передвижных лабораториях по наладке воздушных выключателей и используемых при этом приспособлениях.
Для лучшего уяснения описываемых в брошюре методов измерений приводятся необходимые для этого краткие конструктивные и технические характеристики воздушных выключателей.
Брошюра предназначена для квалифицированных электромонтеров пуско-наладочных бригад, электролабораторий и ремонтных служб электростанций и сетевых районов, занятых наладкой и испытаниями воздушных выключателей после монтажа или капитального ремонта.

Сидлик Лев Зиновьевич
Измерения при наладке воздушных выключателей

Для обеспечения выработки и передачи электроэнергии ведется интенсивное строительство мощных электростанций и линий электропередачи напряжением до 750 кВ. Дальнейшее развитие и объединение энергетических систем вызывает необходимость применения весьма мощных выключателей, способных справиться с быстрым отключением токов при коротких замыканиях в электрических сетях.
Этим требованиям отвечают воздушные выключатели на напряжения от 35 до 500 кВ, которые за последние 10—15 лет нашли в сетях широкое распространение и технически себя оправдали.
Воздушные выключатели на напряжение 15 кВ применяются на электростанциях как генераторные.
В воздушных выключателях для гашения дуги, возникающей между контактами и для управления ими (отключения или включения), применяется запасаемый в резервуарах выключателя сжатый воздух.
Используя энергию сжатого воздуха и его высокую диэлектрическую прочность, удалось создать воздушные выключатели, для которых характерно: быстродействие, большая отключающая способность, незначительное обгорание контактов, отсутствие дефицитных и недостаточно надежных вводов, пожаробезопасность, малый вес по сравнению с баковыми масляными выключателями.
В то же время применение воздушных выключателей вызывает ряд усложнений при их установке и эксплуатации:          необходимость оборудования подстанций воздушным хозяйством (компрессоры, резервуары сжатого воздуха, воздухораспределительная сеть) и непрерывной вентиляцией внутри опорных изоляторов и гасительных камер, опасность взрыва при наличии дефектов изоляторов или монтажа, отсутствие встроенных трансформаторов тока, а также повышенная сложность устройства и потребность в специально подготовленном для обслуживания воздушных выключателей персонале.

В электросетях напряжением 110 кВ и выше применяются воздушные выключатели 110—500 кВ с воздухонаполненным отделителем и выключатели 110—400 кВ с открытым (ножевым) отделителем. Эти выключатели, имея одинаковый принцип работы, отличаются в зависимости от напряжения числом элементов гасительной камеры и опорных изоляторов, числом элементов воздухонаполненного отделителя или размером ножа отделителя, емкостью воздушных резервуаров и конструктивными особенностями.
На вновь строящихся электростанциях и подстанциях устанавливаются выключатели с воздухонаполненным отделителем ввиду ряда их преимуществ (большая отключающая способность, отсутствие наружных контактных разрывов и связанная с этим большая надежность, наличие быстродействующего АПВ с широким диапазоном регулирования).
Как уже упоминалось, в связи с развитием сетей значительно возрастают токи короткого замыкания и поэтому возникает необходимость замены выключателей с открытым отделителем на выключатели с воздухонаполненным отделителем. Таким образом, повышается удельный вес выключателей 110—500 кВ с воздухонаполненным отделителем, находящихся в эксплуатации.
Поэтому дальнейшее изложение методов измерений и определения характеристик касается в основном этих выключателей с указанием особенностей для выключателей 110—400 кВ с открытым отделителем и выключателей 15—35 кВ.
После монтажа или капитального ремонта воздушные выключатели подлежат наладке, а также испытаниям для определения возможности включения их в эксплуатацию.
При этом производятся измерения, результаты которых сопоставляются с нормами, разработанными на основе заводских данных и опыта эксплуатации.
Ниже описано как при наладке измеряются:
временные характеристики — промежутки времени работы механизмов выключателя при отключении и включении;
скорость движения ножа отделителя;
напряжение срабатывания электромагнитов управления;
сопротивление постоянному току электромагнитов правления и омических делителей, переходные сопротивления контактов камеры, отделителя и всего токоведущего контура;
сопротивление изоляции изоляторов опорных колодок, гасительной камеры и отделителя;
емкость, тангенс угла диэлектрических потерь и сопротивление изоляции конденсаторов емкостных делителей напряжения;
сопротивление изоляции обмоток включающего и отключающего электромагнитов и вторичных цепей.
При исправном состоянии выключателя измеренные на нем характеристики должны укладываться в установленные нормы.

Сведения о воздушных выключателях

Воздушные выключатели 35—500 кВ предназначены для наружной установки при температуре окружающего воздуха от —40 до +35° С. В необходимых случаях (загрязняемые районы, густо заселенные массивы и др.) эти выключатели* могут устанавливаться и в закрытых распределительных устройствах.

*Далее под терминам «выключатель» подразумевается воздушный выключатель.

Выключатели ВВ-15 на 15 кВ предназначены для работы внутри помещений. Номинальное давление сжатого воздуха у отечественных выключателей равно 20 ат.
Выключатели на 110—500 кВ состоят из трех одинаковых полюсов, не имеющих между собой механической связи, что дает возможность управлять и каждым полюсом отдельно и совместно тремя полюсами. Полюса выключателей связаны электрической и пневматической схемой управления, а также воздухопроводами, питающими резервуары (баки) выключателя сжатым воздухом.
Выключатели на 15 и 35 кВ имеют общий для трех полюсов пневматический привод и механическую связь между полюсами, что не дает возможности производить пофазные операции.
Все выключатели 15—330 кВ завода «Электроаппарат» имеют общий для трех полюсов агрегатный шкаф, в котором находятся: вентиль для отключения баков выключателя от воздушной магистрали, воздушный фильтр, пневматическая кнопка отключения выключателя, манометры, сборки электрического управления, защиты и сигнализации и другие узлы.
У завода «Уралэлектроаппарат» имеются два   агрегатных шкафа: шкаф электрических цепей и шкаф пневматических устройств.
Управление выключателями со щита подстанции ил электростанции осуществляется дистанционно подаче командных импульсов на электромагниты управления последние в свою очередь воздействуют на клапаны выключателя.

Выключатели 110—500 кВ с воздухонаполненным о делителем.

Основанием полюса выключателя ВВН-220-1 (рис. 1) является цилиндрический стальной бак 1 ёмкостью 2 050 л, служащий резервуаром для сжатого воз духа. На нем смонтированы шкаф управления полюсов 2, дутьевые клапаны гасительной камеры 3 и отдели теля 4.
В шкафу управления находятся: электромагниты отключения и включения, пневматические блоки управления, сигнально-блокировочный контактор (СБК) с приводом, электроконтактный манометр, сигнальные лампы сборки вторичных цепей, нагревательные элементы.
На корпусах дутьевых клапанов установлены полые опорные изоляторы 5 и 6, служащие также воздухопроводами, соединяющими камеру 7 и отделитель 8 с клапанами и через них с резервуарами сжатого воздуха.
Воздухопроводы, камеры и отделители вентилируются слабым потоком сухого воздуха, проходящим снизу вверх, благодаря чему происходит осушка внутренних поверхностей фарфора от конденсирующейся на них влаги.
Камера 7 состоит из четырех одинаковых элементов, собранных в виде колонны; отделитель 8 тоже имеет четыре элемента (у камеры выключателя ВВН-220-15 пять элементов). В каждом элементе камеры и отделителя имеется один контактный разрыв между подвижным и неподвижным контактом (в камере подвижный контакт—верхний, в отделителе — нижний; ход подвижных контактов порядка 40—45 мм).
Нижние фланцы камеры и отделителя соединены трубчатой шиной 9, на которой рядом с камерой установлен омический делитель 10, состоящий, как и камера, из четырех элементов; внутри фарфоровой рубашки элемента встроено константановое сопротивление 15 000 Ом.

Фланцы элементов камеры и делителя соединены перемычками 11, т. е. каждый элемент камеры шунтирован элементом делителя. Омический делитель предназначен для выравнивания напряжения по контактным разрывам камеры при операции отключения.

Рис. 1. Полюс выключателя ВВН-220-10.
На шине рядом с отделителем установлен емкостный целитель 12, состоящий из четырех бумажно-масляных конденсаторов типа ДМН-80 (С — 0,001 мкф), которые перемычками 13 подключены к элементам отделителя. Емкостный делитель выравнивает распределение напряжения по контактным разрывам отделителя при отключении и в отключенном положении выключателя.
На верхних фланцах камеры и отделителя установлены аппаратные выводы выключателя 14 и 15. При включенном положении выключателя сжатого воздуха в опорных изоляторах, камере и отделителе нет.

Рис. 2. Схема токоведущего контура выключателя ВВН-220-10 В процессе отключения тока нагрузки или короткого замыкания.
а — выключатель включен; б — отключение камерой тока нагрузки; в — отключение отделителем тока омического делителя; г — ток нагрузки и омических делителей отключен; д — выключатель отключен; 1 — контакты камеры; 2 — омический делитель; 3 — контакты отделителя; 4 — емкостный делитель.

Под действием пружин, имеющихся в каждом элементе камеры и отделителя, их контакты подвергаются давлению порядка 200 кг, создается так называемое контактное давление.
Контакты выключателя работают так (рис. 2): при операции отключения контакты камеры разрывают отключаемый ток (рис. 2,6), затем последовательно соединенные с ними контакты отделителя размыкаются, отключают при этом ток омического делителя (рис. 2,в) и образуют изоляционный промежуток (рис. 2,г), после чего контакты камеры вновь замыкаются (рис. 2,д).

Включение выключателя осуществляется замыканием только контактов отделителя.
Схема управления полюсом выключателя приведена на рис. 3.

Рис. 3. Пневматическая схема полюса выключателей на 110, 154 и 220 кВ.
А — полости наполненные сжатым воздухом при включенном выключателе; Б — полости, временно наполняемые сжатым воздухом в процессе отключения; В — полости, наполняемые сжатым воздухом в процессе отключения и остающиеся под давлением при отключенном выключателе.
Положение элементов соответствует включенному состоянию выключателя (под действием пружин контакты замкнуты, а клапаны закрыты). К обмоткам электромагнитов отключения 1 и включения 2 постоянно подведен минус оперативного тока.

При отключении выключателя ключом управления или от защиты плюс подается через блок-контакты 3 на обмотку электромагнита отключения, благодаря чему якорь втягивается и своим бойком передвигает клапан местного пневматического управления 4, открывая при этом пусковой клапан 5.
Сжатый воздух из бака заполняет полость а, давлением на поршень клапана отключения 6 открывает этот клапан, воздух поступает в полость б, дутьевой клапан камеры 7 открывается. Воздух через канал к заполняет также объемы в и г, золотник клапана отсечки 8 приходит в движение, открывает канал л, из которого добавляется воздух (пневматический подхват).
Золотник опускается и через имеющиеся в нем отверстия м выпускает в атмосферу воздух из полости а по каналу н, клапан отключения закрывается, воздух из полости б уходит в атмосферу через отверстия п, дутьевой клапан закрывается.
Иглой 9, перекрывающей канал к, регулируется время срабатывания клапана отсечки, которое в свою очередь определяет продолжительность открытия клапана отключения и дутьевого. Таким образом, клапан отсечки дозирует количество воздуха при отключении, независимо от продолжительности импульса, подаваемого в обмотку электромагнита отключения * (клапаны 4, 5, 6,8 с соответствующими им полостями находятся в блоке отключения).
При опорожнении полости а также уходит в атмосферу воздух из связанных с нею каналом л объемов в и г, золотник отсечки возвращается пружиною в верхнее положение. За время открытого состояния дутьевого клапана воздух из баков по воздухопроводу 10 со скоростью около 300 м/сек поступает в фарфоровые рубашки гасительной камеры 11. Нарастающее давление сжатого воздуха на поршни подвижных контактов 12 преодолевает усилие пружин 13, подвижные контакты подымаются вверх, осуществляя при этом разрыв контактов в камере.

* Во всех выпускаемых теперь выключателях на 35—500 кВ прекращение подачи воздуха при отключении производится клапаном отсечки.

Для прохождения описанных процессов требуется известное время; так, для срабатывания электромагнита необходимо около 0,02 сек, несколько тысячных долей секунды требуется для открытия каждого клапана и наполнения связанных с ним полостей блоков, порядка 0,01 сек необходимо для движения воздуха по воздухопроводу, кроме того, требуется время для заполнения камеры (давление в камере достигает 10—12 ат).
Промежуток времени от момента подачи оперативного тока (плюса) на обмотку электромагнита отключения до начала размыкания дугогасительных контактов камеры называется собственным временем отключения. После размыкания контактов камеры между их поверхностями возникает дуга, которая при первом переходе тока через нуль гасится потоком воздуха, поступающим внутрь обоих полых контактов. Таким образом в камере происходит гашение дуги двусторонним про дольным дутьем (по этому способу гашение дуг, осуществляется во всех отечественных выключателях 35 500 кВ).
Воздух через полые контакты и выхлопные козырьки 29 уходит в атмосферу, после чего контакты камеры смыкаются под действием пружин.
Время от момента размыкания контактов камеры до их смыкания называется бесконтактной паузой. Смыкание контактов камеры происходит после отключения отделителя.
Работа отделителя происходит таким образом: при подаче воздуха дутьевым клапаном камеры в воздухопровод незначительная часть воздуха ответвляется в импульсную трубу 14, через обратный клапан 15 поступает в полость дутьевого клапана отделителя 16 и открывает его позже дутьевого клапана камеры. Воздух из бака устремляется по полому опорному изолятору 17 в фарфоровые рубашки элементов отделителя 18 и своим давлением на поршень подвижного контакта 19 размыкает контакты отделителя.
Таким путем происходит запаздывание отделителя, характеризуемое промежутком времени от размыкания контактов камеры до момента размыкания контактов отделителя.
Поршень в конце своего хода перекрывает выход воздуха по каналу р из отделителя в атмосферу, подвижный контакт «залипает» в отключенном положении, образуя этим изоляционный промежуток порядка 45 мм в сжатом воздухе (отделитель остается под давлением 20 ат).
1 Нормы времени (собственное время отключения, время включения и т. д.) см. в приложении II.
Одновременно с наполнением полости д воздух поступает в объемы е и ж клапана включения 20 и пускового клапана включения 21 (блок включения), а также в электроконтактный манометр 22 и пневматический привод блок-контактов выключателя 23, поршень которого перемещается и переводит контакты в положение, соответствующее отключенному состоянию выключателя. При этом обмотка электромагнита отключения обесточивается и подготовляется электрическая цепь на включение.
Для включения выключателя подается плюс «на обмотку электромагнита включения 2, который передвигает вниз клапан местного пневматического управления 24*  и пусковой клапан включения 21, после чего воздух наполняет полость з, клапан включения 20 открывается и через канал т выпускает в атмосферу воздух из объемов е, д и связанных с ними полостей, каналов и манометра; клапан 16 закрывается и своим поршнем открывает выход воздуха из отделителя через выхлопной клапан 25 контакты отделителя замыкаются, чем осуществляется включение. При включении стрелка манометра перемещается на нуль, пружина блок-контактов выключателя возвращает контактор в положение, соответствующее включенному выключателю, ток в электромагните включения обрывается.

* С 1964 г. схема местного пневматического включения на выключателях не оборудуется, а на выключателях более ранних выпусков демонтируется.

Время от подачи импульса на включение выключателя до смыкания контактов отделителя есть время включения выключателя.
При выполнении операции АПВ производится отключение выключателя от защиты с последующим включением.
Сигнализация положения выключателя осуществляется сигнальными лампами 26, включенными через блок- контакты 3.
При отключении выключателя от местного пневматического управления производится нажатие на кнопку отключения в агрегатном шкафу; воздух поступает по трубке 27, клапаны 4 и 5 опускаются; дальнейшая работа выключателя происходит как и при электрическом управлении.

Выключатели ВВН-110-6 и ВВН-154-8 имеют такую же схему управления, как выключатель ВВН-220-10, и такую же общую компоновку элементов полюса. Выключатель ВВН-110-6 не имеет омических и емкостных делителей.
Основанием полюса выключателя ВВН-330-15 (рис. 4) являются два бака 1, на каждом из которых смонтированы дутьевые клапаны камеры 2 и отделителя 3, и опорные изоляторы 4 и 5, на них установлены четыре элемента камеры 6 с омическими делителями 7 и три элемента отделителя 8 с емкостными делителями 9.
Основанием полюса выключателя ВВ-500-2000/25 (рис. 5) также являются два цилиндрических бака; на одном баке установлены две гасительные камеры по пять элементов, на втором баке — два отделителя по четыре элемента (у выключателей ΒΒ-330 того же завода имеются две гасительные камеры по четыре элемента и два отделителя по три элемента).
Основные конструктивные данные выключателей с воздухонаполненным отделителем приведены в табл. 1.

Рис. 4. Полюс выключателя ВВН-330-15.

Таблица 1
Основные конструктивные данные выключателей 110—500 кВ с воздухонаполненным отделителем

Примечания:

1. Расшифровка обозначений выключателей типа ВВН: В — выключатель; В — воздушный; Н — наружного исполнения; первая цифра — номинальное напряжение, кВ; вторая цифра — номинальная трехфазная мощность отключения, млн. ква.
2. Расшифровка обозначений выключателя ВВ-500-2000/25 — —500 кВ, 2 000 а, 25 млн. ква.
3. Номинальный ток перечисленных выключателей составляет 2 000 а.

Рис. 5. Выключатель ВВ-500-2000/25.
1 — дугогасительные камеры; 2 — отделители; 3 — конденсаторы; 4 — цилиндрические баки; 5 — омические делители.