Применение новых выключателей в КРУ до 35 кВ - Требования к выключателям

3. ТРЕБОВАНИЯ К ВЫКЛЮЧАТЕЛЯМ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫМ ДЛЯ РАБОТЫ В КРУ
Из всего оборудования, которое применяется в современных комплектных распределительных устройствах, основным аппаратом, от работы которого во многом зависят бесперебойность и надежность электроснабжения потребителей, является выключатель.
В последние годы в связи с вводом в эксплуатацию значительных мощностей в энергетике, а также интенсивным развитием электрификации во всех отраслях на- родного хозяйства значительно повысились требования к выключателям. Широкое внедрение автоматики, телеуправления и механизации в электроснабжении, резкое повышение единичных мощностей трансформаторов и энергосистем в целом, а отсюда рост номинальных токов, токов коротких замыканий потребовали скорейшего создания новых видов выключателей высокого напряжения, специально предназначенных для встраивания в КРУ, которые имели бы повышенное быстродействие и возможность многократных быстродействующих АПВ, повышенную износоустойчивость контактов и механизмов, электрическую изоляцию, удобство обслуживания, монтажа, эксплуатации, взрыво- и пожаробезопасность и т. п.
В создании таких выключателей значительную роль приобретает поиск качественно новых решений, основанных на более широком использовании результатов теоретических и опытных исследований.
Выключатель выполняет длительную работу при номинальном токе и напряжении с всевозможными коммутационными операциями, такими как отключение токов короткого замыкания, отключение токов перегрузки, отключение и включение при номинальном токе, отключение емкостных токов холостых воздушных и кабельных линий, отключение индуктивных токов ненагруженных трансформаторов, отключение при делении несинхронно работающих систем, включение при коротком замыкании и др. В общем случае выключатель переменного тока высокого напряжения представляет собой аппарат, предназначенный для нечастых операций.
Вместе с тем для некоторых специальных электрических установок (например, электропечных) необходимы выключатели, пригодные для частых замыканий и размыканий электрических цепей при номинальных токах.
Если считать наиболее ответственной для выключателя операцию отключения токов короткого замыкания, когда в наиболее напряженных условиях работы находятся все его основные элементы, то при определенных схемных условиях и режимах работы системы в процессе таких коммутационных операций, как отключение емкостных токов, отключение малых индуктивных токов и т. п., могут возникнуть коммутационные перенапряжения, опасные как для системы, так и для самого выключателя. Относительная величина таких перенапряжений во многом может зависеть от конструктивных свойств выключателя. Поэтому к выключателю должны предъявляться требования не только как к простому размыкателю тока в цепи высокого напряжения, но и как к аппарату, который должен обеспечивать всевозможные коммутационные операции без появления в отключаемых цепях опасных побочных явлений.
С учетом того, что 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 или включения должно находиться в заданных пределах. Поэтому этими условиями определяются основные требования к конструкции выключателя; соответствие параметров выключателя предполагаемым условиям работы в системе; надежность и безотказность работы всех его элементов в течение установленного периода эксплуатации.
Анализируя рассмотренные виды выключателей, их. параметры, устройства, принцип действия, а также характерные особенности монтажа, наладки и эксплуатации, с точки зрения выбора типа целесообразно классифицировать выключатели, которые могут быть применены в КРУ напряжением 6—10—35 кВ, по следующим принципам: по роду дугогасящей среды: по способу гашения дуги, по способу электрической изоляции находящихся под высоким напряжением токоведущих и других частей; по номинальному току и напряжению; по коммутационной (отключающей и включающей) способности; по степени быстродействия; по пригодности для мгновенных АПВ; по конструктивной связи приводного механизма выключателей с приводом; по роду установки. В табл. 14 приведены сравнительные данные выключателей, применяемых в КРУ по данным на 1 января 1974 г., по роду дугогасящей среды и по способу гашения дуги на максимальные номинальные параметры.

Таблица 14

В табл. 15 приведены характерные преимущества и недостатки основных типов выключателей, применяемых в КРУ.
Общие технические требования к выключателям изложены в ГОСТ 687-70. В стандарте приведены параметры, характеризующие устойчивость и коммутационную способность выключателей. В стандарте основное внимание уделено требованиям к выключателям и методам их испытаний, но нет рекомендаций по выбору выключателей для практического применения их в КРУ и в других электроустановках. Выбор и проверка выключателей производится с учетом возможных расчетных режимов их работы в конкретных условиях систем по условиям длительного режима работы, когда UH=U сн, In>Iраб макс, где UH, Iи — номинальные напряжения и ток выключателя; UномS — номинальное напряжение сети; /раб.макс — максимальный рабочий (длительный) ток цепи с учетом форсированного (послеаварийного или ремонтного) режима.
Выключатель проверяют на устойчивость к сквозным токам к. з., на термическую устойчивость, на коммутационную способность, которая характеризуется двумя токами отключения (симметричным и асимметричным), током включения и допустимыми параметрами восстанавливающегося напряжения. Выключатель, удовлетво-ряющий перечисленным выше требованиям, может быть установлен в данной цепи энергосистемы.
Сравнительная качественная оценка выключателей для КРУ

Таблица 15

Широкая возможность применения в настоящее время в КРУ напряжением 6—10 кВ выключателей заставляет потребителя делать правильный их выбор. Ясно, когда нужны КРУ напряжением 6 кВ, номинальным током до 3200 А, динамической устойчивостью 125 кА. В настоящее время на такие параметры изготавливается серийно одна конструкция выключателя, только с электромагнитным гашением дуги, и одна конструкция КРУ серии K-XXIV завода МЭЩ. Если нужны шкафы КРУН напряжением 35 кВ, такие шкафы также изготавливаются в СССР одной конструкции только с малообъемным масляным выключателем. А если предстоит выбрать КРУ на напряжение 6 кВ номинальным током 1000 А, динамической устойчивостью 52 кА, здесь можно остановиться на выборе КРУ с малообъемным масляным выключателем, а можно с электромагнитным выключателем. Когда условия эксплуатации требуют определенную частоту отключений, также ясно, что необходимо применять выключатель с электромагнитным гашением дуги. А если условия равны и по параметрам и по требованиям эксплуатации, возникает определенная трудность в относительной оценке и выборе выключателей. В этом случае рассматриваются такие требования, предъявляемые к выключателям, как простота и надежность в эксплуатации, удобство монтажа и степень их заводской готовности, а также их стоимость.

Многолетний опыт эксплуатации показал, что наиболее универсальными и совершенными в настоящее время следует признать малообъемные масляные выключатели. За последнее время в этом направлении много сделано заводами электропромышленности. Принято направление на отказ от применения выключателей с навесными приводами. В недалеком будущем КРУ будут укомплектовываться выключателями только со встроенными приводами, а это решает вопрос повышения степени заводской готовности, отпадает необходимость в наладке, регулировке, так как выключатель с приводом собран и отрегулирован на заводских стендах. Выросли параметры выключателей по сравнению с недавно широко применяемыми выключателями ВМГ-133 и МГГ-10. Применение узлов и конструктивных решений, хорошо зарекомендовавших себя в выключателях на напряжение 10 кВ, в частности, многощелевой дугогаси- тельной камеры поперечно-продольного дутья, позволило при малых габаритах получить весьма высокие отключающиеся мощности выключателей серий ВМПЭ-10 и ВМПЭ-35. Характерно то, что все типы выключателей серии ВМП максимально унифицированы. В качестве базовой модели принят освоенный массовым производством на ряде заводов и хорошо оснащенный выключатель ВМП-10, большая часть деталей и сборочных единиц которого использована и в других выключателях этой серии.
До настоящего времени в электроснабжении применяются шкафы КРУН наружной установки с масляными баковыми выключателями типа ВМБ-10, но, учитывая низкие электрические параметры и исключительУ но ограниченное применение, их рассматривать не будем/
Вместе с тем следует отметить, что в Англии в КРУ исключительно широко применяются малообъемные масляные баковые выключатели, причем с параметрами напряжением 3, 6, 11 и 33 кВ на номинальные токи от 400 до 2500 А и мощностью отключения от 150 до 750 MB-А. При этом габариты шкафов КРУ с этими выключателями несравненно малы, ширина шкафа КРУ с выключателем до 1500 А —600 мм.
В 1969—1970 гг. УЭТМ по договору с заводом МЭЩ провел предварительные конструкторские разработки баковых масляных выключателей на напряжение 10 кВ для КРУ. Целью работ являлся поиск основных конструктивных решений, определение минимальных габаритов и других технико-экономических показателей баковых выключателей. Было проработано несколько конструктивных схем баковых выключателей на номинальный ток 2500 А. По результатам проведенных работ можно сделать заключение, что разработка серии баковых выключателей для КРУ на 10 кВ на токи 630, 1000,1600, 2500 А стоком отключения 20 кА выполнена на уровне образцов лучших зарубежных фирм и позволила бы создать малогабаритные шкафы КРУ с шириной не более 700 мм. Баковые выключатели на указанные параметры по своим технико-экономическим показателям (за исключением массы масла) не уступают маломасляным выключателям на те же параметры. Однако большой объем масла для баковых выключателей показал дальнейшую нецелесообразность применения баковых масляных выключателей на напряжение до 10 кВ для КРУ внутренней установки.
Все более широкое применение, начиная с конца 60-х годов, получили выключатели с электромагнитным гашением дуги. По мере усовершенствования конструкции и изыскания новых, более надежных электроизоляционных материалов, обладающих наряду с высокой термодугостойкостью более высокой дугогасящей способностью, электромагнитные выключатели получат в будущем преимущественное применение, так как они наиболее перспективны. Новые материалы должны обеспечивать более интенсивное охлаждение дуги, т. е. обладать высокой  теплопроводностью, иметь достаточно большое электрическое сопротивление при высоких температурах и быть трекингостойкими. Некоторый недостаток выключателей — большая масса по сравнению с распространенными малообъемными маломасляными выключателями — в определенной мере компенсируется простотой конструкций и обслуживания в процессе эксплуатации. Особенности конструкции электромагнитных выключателей обусловливают более простые способы их наладки, проверки, обслуживания в процессе работы и существенное снижение эксплуатационных расходов по сравнению с маслонаполненными выключателями. На электроподстанциях Московского метрополитена электромагнитные выключатели исключительно хорошо себя зарекомендовали, и: в настоящее время работники метрополитена имеют большой опыт эксплуатации выключателей ВЭМ-10 и систематически проводят установку этих выключателей в старые конструкции КРУ и даже КСО взамен выключателей ВМГ-133 [Л. 7].
Широкое применение электромагнитные выключатели нашли за рубежом. Для США электромагнитный выключатель является основным выключателем, применяемым в КРУ. Широкое применение эти выключатели нашли также в Японии, Бельгии, Франции.
Созданию новых электромагнитных выключателей большое внимание уделяют институты и заводы электротехнической промышленности. Только в 1972 г. был освоен серийным производством выключатель типа ВЭМ-6 -3200/40-125, а ВЭИ имени В. И. Ленина работает над созданием новых выключателей.
Новые выключатели с электромагнитным гашением дуги (типа Д12-40 и Д12-65) осваивает коллектив РЗВА по закупленной лицензии у фирмы «Саче» Италия. Эти выключатели находятся на уровне лучших мировых образцов, выпускаемых в настоящее время зарубежными фирмами. Каждый тип выключателя имеет четыре исполнения в зависимости от номинального тока: 630— 1250, 1600, 2500 и 3600 А.
Вакуумные выключатели пока еще широко не применяются, так как это новое направление в аппаратостроении. В основном выпускаются выключатели нагрузки
напряжением 10 кВ с током отключения 2 кА, которые и устанавливаются в КРУ заводом МЭЩ. Вакуумные выключатели используются в установках, где требуется исключительно большое количество циклов отключения. В настоящее время проведены большие научно-исследовательские работы по исследованию гашений дуги в вакууме, что позволит повысить технические параметры вакуумных выключателей. Высокие изоляционные свойства вакуума (до 10е В/см) и высокая скорость восстановления его электрической прочности после гашения дуги (до 2-104 В/мкс) позволяют создать сверхбыстродействующие, малогабаритные вакуумные выключатели. Герметичность вакуумных дугогасительных камер, отсутствие окисления контактов обусловливают целый ряд достоинств вакуумных выключателей, приведенных выше.
Новые камеры многократно отключают ток 10 кА при 10 кВ и ток 7 кА при 35 кВ. Ведется разработка вакуумных выключателей напряжением 10 кВ с номинальным током до 2000 А с предельно отключаемым током до 20 кА, а также 12,5 кА при напряжении 35 кВ. Вакуумные дугогасительные камеры имеют, как правило, торцовую контактную систему. В камерах с отключаемым током примерно 10 кА и выше контакты имеют сложную форму, обеспечивающую вращение дуги по периферии контактов под действием магнитного поля отключаемого тока. Камера снабжена системой металлических экранов, выполняющих ряд функций, таких как защита стенок изоляционного корпуса камеры от металлизации продуктами эрозии контактов, выравнивание распределения напряжения внутри вакуумного пространства камеры и вдоль изолятора и др. Для сверхбыстродействующих выключателей с собственным временем, меньшим или равным 5 мс, применяется индукционно-динамический привод.
Область применения вакуумных выключателей может быть очень широка, однако, учитывая их сравнительно высокую стоимость, в первую очередь их следует применять в тех случаях, когда наиболее полно используются их положительные качества. В случаях, когда главным требованием к выключателям является высокая надежность, большой срок службы, снижение расходов на эксплуатацию, высокая электрическая прочность вакуумной изоляции, высокая скорость восстановления электрической прочности после гашения дуги и практическая нечувствительность к скорости спада тока к нулю.
Применение вакуумных выключателей сдерживалось некоторое время сравнительно высоким уровнем среза тока (до 15 А средний и до сотен ампер — максимальный), что приводило к опасным перенапряжениям в цепях с высоким волновым сопротивлением (трансформаторы, реакторы) и с пониженным уровнем испытательного напряжения (двигатели). В настоящее время найдены пути уменьшения тока среза, и в тех случаях, когда это необходимо, будут применяться выключатели с гарантированным максимальным током среза [Л. 10].
Практика разработки вакуумных выключателей в США, Японии, Англии показала, что ими достигнута в выключателях отключающая способность камер 40 кА при 3 кВ и 26 кА при 35 кВ, а номинальные токи отдельных образцов достигают 3000 А. Эксплуатационные характеристики вакуумных выключателей оказались настолько высокими, что в Японии они вытесняют другие типы выключателей на напряжениях 3—35 кВ. Такой же процесс начинается и в Англии. Фирма Hitachi (Япония) поставила целому ряду потребителей КРУ с самым мощным вакуумным выключателем на 36 кВ, 1200 А, 1500 MB-А. В каждой фазе применены две керамические вакуумные дугогасительные камеры, изоляция обеспечена эпоксидной смолой. Шкаф вакуумного выключателя высотой 1975 мм, шириной 1200 мм и глубиной 1165 мм встраивается в КРУ как выкатная тележка.
Объем вакуумного выключателя в сборе примерно в 2 раза меньше объема воздушного выключателя с эквивалентными параметрами. На такие параметры (напряжением 3-8 кВ) изготовляют серийно выключатели для КРУ в США. Большое применение в США нашли вакуумные выключатели напряжением до 15 кВ, которые имеют ток отключения к. з. 31 кА, такие выключатели рассчитаны на 20000 циклов отключения нагрузочных токов. На НЗВА будут освоены новые конструкции мощных вакуумных выключателей напряжением 10 и 35 кВ, мощностью отключения до 500 MB-А. Представляется возможным довести выключатель ВНВП-10/320-2У2 в ближайшее время до номинального тока 800 А.
При массовом производстве для общепромышленных целей вакуумные выключатели станут экономически выгодными и их стоимость удастся существенно снизить.  Разработка и освоение управляемых полупроводниковых вентилей на напряжения в несколько киловольт позволят создать выключатели с бездуговой коммутацией. Электрическое разъединение обесточенной цепи ввиду безопасности может производиться простейшими коммутационными аппаратами типа отделителей. Для создания таких выключателей необходимо дальнейшее усовершенствование и повышение надежности управляемых полупроводниковых вентилей. Первое время такие выключатели будут рассчитаны на напряжение 6—10 кВ. Применение таких выключателей значительно увеличит быстродействие, срок службы выключателя, повысит устойчивость к механическим воздействиям. Для коммутации тока в таких выключателях используются встречно-параллельно включенные тиристоры, но они не смогут найти массового применения из-за необходимости последовательного и параллельного соединения большого количества дорогостоящих вентилей, больших потерь энергии, сложной системы охлаждения. Вместе с тем они могут найти применение для специальных целей, если необходимо обеспечить высокое быстродействие (до 10 мкс), токоограничение (при искусственной коммутации), коммутацию нагрузки в заданную фазу (включение емкостей без переходных процессов и т. п.), очень частые операции включения или отключения под нагрузкой и при к. з.
В выключателях высокого напряжения с шунтирующими контактами более перспективным является применение не тиристоров, а неуправляемых вентилей-диодов, при этом значительно упрощается конструкция и схема управления выключателя. Параметры диодов выше, чем у тиристоров, и при заданном номинальном напряжении и токе отключения потребуется меньшее количество вентилей. Применение в будущих КРУ новых конструкций выключателей позволит свести до минимума эксплуатационные расходы.