Классификация и обозначения выключателей.
Масляные выключатели получили большое применение в электроустановках благодаря простым и достаточно эффективным дугогасительным свойствам трансформаторного масла. Масляные выключатели подразделяют на многообъемные и малообъемные. В многообъемных выключателях масло служит дугогасительной и изолирующей средой (для изоляции токоведущих частей от заземленных баков, в которых они расположены), в малообъемных — только дугогасительной средой.
Обозначение выключателя состоит из букв и цифр. Буквы в определенном сочетании обозначают тип выключателя, цифры — номинальное напряжение, на которое изготовлен выключатель. Значения букв: В — выключатель, М — масляный (второе значение М — малообъемный), П — подвесной или подстанционный, К — камерный или колонковый, Г — горшковый; одной буквой обозначают типы: С — «Свердловск», У — «Урал».
Принцип гашения дуги. Гашение электрической дуги в дугогасительных камерах выключателей происходит следующим образом. При расхождении подвижных и неподвижных контактов в каждой фазе образуются дуги, количество которых зависит от конструкции выключателя и его дугогасительных камер. Под действием высокой температуры масло в дуговом промежутке разлагается и превращается в газ (около 70% водорода, 20% этилена и 10% метана). Газ образует газовый пузырь, окружающий дугу. Интенсивная деионизация дуги и ее гашение происходят благодаря следующим факторам, характерным для всех типов выключателей с дугогасительными камерами: наличие водородной среды, высокое давление в газовом пузыре, охлаждение газового пузыря благодаря вихревому движению масла вокруг него, интенсивное охлаждение дуги холодными слоями масла, что достигается дроблением дуги на несколько мелких дуг и растягиванием ее в продольном и поперечном направлениях. В начальный момент расхождения контактов расстояние между контактами еще невелико, дуга коротка, и она, погасая в момент прохождения тока через нуль, затем снова зажигается. С увеличением длины дуги растет ее сопротивление, восстанавливающееся напряжение на расходящихся контактах становится меньше пробивной прочности промежутка и дуга гаснет.
Многообъемные выключатели на напряжение 35 и 110 (220) кВ.
В установках напряжением 35; 110 (220) кВ применяют многообъемные выключатели типов С-35, МКП-35, МКП-110 (220) и др.
Выключатель С-35 (рис. 22) состоит из трех баков 5 с проходными изоляторами (вводами) 1, установленными на крышках 3, электромагнитного привода 10, соединенного с фазами (баками) выключателя посредством вертикальной и горизонтальной штанг, сварного каркаса 7 и лебедки 8 для опускания и подъема баков 5 с маслом при осмотре и ремонте рабочих деталей выключателя, укрепленных на крышках 3. Выключатель снабжен газоотводом 4, предохранительным клапаном 2, маслоуказательным стеклом 6, и маслоспускным крапом 9.
Стальная крышка 1 (рис. 23, а) является основанием, к которому крепятся все основные узлы. Каждая фаза имеет по два ввода, закрепленные на крышке с помощью шпилек. Основной частью ввода является бакелитовая втулка 5, через которую пропущен токоведущий стержень 15, заканчивающийся наконечником 2 с гайками. Для повышения влагостойкости пространство между бакелитовой втулкой 5 и фарфоровой покрышкой 6 заполнено морозостойкой мастикой 4 сверху это пространство закрыто круглой литой крышкой 3. На вводах установлены трансформаторы тока 7. К нижней части токоведущих стержней прикреплены медные Г-образные неподвижные контакты 9. Подвижная дугогасительная камера 10 закреплена на изолирующей штанге 16, соединенной с приводным механизмом 18 и перемещающейся в направляющей втулке 8. Бак 14 имеет форму эллиптического конуса, выполнен из стали, внутри обшит в 2 ряда изоляцией 11 из высокопрочного электрокартона и снабжен краном 13 для спуска масла. Под дном бака размещено нагревательное устройство 12, которое включается для подогрева масла при температуре воздуха ниже —20°С, если она держится не менее суток. Бак с маслом подвешен к крышке о помощью четырех стяжных шпилек 17.
Корпус 5 дугогасительной камеры (рис. 23, б) состоит из двух одинаковых частей, изготовленных из материала АГ-4С и соединенных между собой посредством стяжных болтов 10. Внутренняя полость камеры облицована дугостойким изоляционным материалом 7. В выхлопные отверстия, расположенные в верхней части и с боков камеры, установлены втулки 4 и 6 из дугостойкого материала. В камере размещается подвижной контакт 8, выполненный в виде перемычки с металлокерамическими напайками 12, который опирается на четыре контактных пружины 9.
Рис. 22. Общий вид выключателя С-35
Пружины обеспечивают надежное контактное соединение между неподвижными контактами 14, снабженными металлокерамическими пластинами 13, и подвижным контактом 8. Они служат также буфером, смягчающим удар подвижного контакта о неподвижные контакты при включении и сообщают камере первоначальное ускорение при отключении. Ход подвижного контакта ограничивается двумя парами выступов 11. Корпус 3 воздушной подушки камеры гайкой 2 соединяется с изолирующей штангой 1, которая посредством приводного механизма перемещает камеру вверх и вниз при операциях включения и отключения.
Рис. 23. Фаза (а) и разрез дугогасительной камеры (б) выключателя С-35
При отключении образуются две дуги между подвижным и неподвижным контактами, повышается давление масла и газов в камере, и дуга растягивается в сторону выхлопных отверстий, как показано стрелками. Дуга удлиняется как в поперечном, так и в продольном направлениях по мере передвижения вниз камеры с подвижным контактом. Соприкасаясь с холодными слоями масла, дуга охлаждается, деионизируется и гаснет.
Важную роль в работе выключателя играет буферное пространство — не заполненный маслом верхний объем бака. Давление газа, образующееся при гашении дуги, передается через масло стенкам и дну бака. Буферное пространство позволяет маслу расширяться вверх, из-за чего уменьшается давление на стенки и дно бака. Если это пространство недостаточно (высокий уровень масла), то возможен взрыв бака. При низком уровне масла в баке охлаждение газов маслом может быть недостаточным, и входящий в состав газов водород, имеющий высокую температуру, соединяясь с кислородом воздуха, может вызвать взрыв. Следовательно, взрыв масляного выключателя возможен как при высоком, так и при низком уровне масла. Во время эксплуатации строго следят за уровнем масла, для этого баки снабжают специальными указателями. Предохранителями от взрывов служат выхлопные трубы и предохранительные клапаны.
Выключатель МКП-35 (масляный, камерное гашение дуги, подстанционный) состоит из трех баков овальной формы. Его основной отличительной особенностью от выключателя С-35 являются дугогасительная камера и процесс гашения дуги в ней. Неподвижный контакт 3, расположенный в дугогасительной камере (рис. 24, а), отжимается пружиной 7 для предупреждения ударов и вибрации при включении, а также для создания контактного нажатия во включенном положении выключателя. Корпус дугогасительной камеры имеет дугогасительный отсек 2, сообщающийся с основной частью камеры 1. В отсеке 2 после заполнения бака маслом образуется буферная воздушная среда, так как в нем нет отверстий для выпуска воздуха, которым снабжена камера 1 (отверстие 5). Нижнюю часть камеры выполняют из изолирующих пластин 5, образующих отверстие для прохода подвижного контакта 4 и две поперечные щели 6 с выходом в общий масляный бак, а также отверстие, соединяющее эти щели с отсеком 2.
Процесс гашения дуги в камере выключателя схематично показан на рис. 24, б. После расхождения контактов 3 и 4 возникает дуга, вызывающая образование газов. Газы создают давление в основной камере 1 и отсеке 2. При движении контакта 4 вниз сначала открывается верхняя поперечная щель 6, и масло под давлением устремляется в бак, пересекая дугу. При дальнейшем движении контакта 4 вниз открывается вторая (нижняя) щель, через которую масло из камеры также направляется в бак.
Рис. 24. Разрез дугогасительной камеры выключателя МКП-35 (а) и этапы гашения дуги в ней (б)
Рис. 25. Выключатель МКП110М с приводом (а) и разрез одной фазы (б)
Интенсивное гашение дуги обеспечивается удлинением и дроблением ее в двух поперечных щелях, охлаждением в результате соприкосновения с холодными слоями масла и наличием деионизирующей среды с высоким давлением. Выключатель МКП-110М на напряжение 110 кВ имеет три цилиндрических бака 7 (рис. 25, а и б), на крышках которых установлены проходные маслонаполненные изоляторы 5 с указателями уровня масла в них 18, встроенные трансформаторы тока 16, механизм для включения и отключения 17. К токоведущим стержням проходного изолятора внутри баков прикреплены дугогасительные устройства 14. Подвижные контакты торцового типа, укреплены на траверсе 12, перемещаются штангой 13 в направляющем устройстве 15. В нижней части показан лаз 8, через который проникают в бак Для осмотра и ремонта выключателя. Нормально лаз герметически закрыт крышкой. Внутренняя поверхность бака изолирована электротехнической фанерой 11. Кран 10 служит для спуска масла, а лаз 9 — для производства работ под баком по подогреву.
На рис. 25, а и б также показаны: 6 — предохранительный клапан; 4 — газоотвод; 3 — указатель включенного и отключенного положения выключателя; 2 — маслоуказатель; 1 — привод. Выключатель МКП-110М устанавливают на низких фундаментах с высотой не менее 200 мм над уровнем планировки.
Дугогасительное устройство (рис. 26, а и б), присоединенное к каждому стержню проходного изолятора, состоит из бакелитового цилиндра 2, закрепленного на стержне проходного изолятора держателем 1. В цилиндре помещаются неподвижные контакты 3 и 5, накладки с отверстиями 4, соединяющими камеру с баком, и изолирующая штанга 11 с двумя подвижными контактами 12. На штанге 11 установлены пружины 6, создающие контактное нажатие во включенном положении выключателя и способствующие увеличению скорости движения подвижного контакта в процессе отключения. При движении траверсы 8 вниз и расхождении контактов 5-12 и 3-12 между ними создаются дуги, из которых дуга I генерирующая, а дуга 11 гасимая. Генерирование газов создается из-за искусственного уменьшения дугового промежутка между подвижными контактами 12 и неподвижными 5. Гашение дуги начинается вслед за расхождением контактов благодаря поперечному дутью через отверстия 4. Параллельно неподвижным контактам присоединен шунтирующий резистор 13 из нихромовой спирали, намотанной на бакелитовый цилиндр 2, закрытый сверху вторым бакелитовым цилиндром с отверстиями.
Рис. 26. Процесс гашения дуги (а) и устройство дугогасительной камеры (б) выключателя МКП-110М
Эти резисторы обеспечивают равномерное распределение напряжения между двумя дугогасительными камерами, снижение скорости восстановления напряжения и уменьшения пика напряжения, появляющегося на контактах выключателя после отключения, уменьшение мощности дуги при окончательном разрыве цепи. Выключатель МКП-110М при отключении работает по двухступенчатому циклу: сначала размыкаются контакты внутри дугогасительных устройств и в них обрывается цепь тока; затем ток, протекающий от держателя 1 через резистор 13 и гибкий соединитель 7, рвется контактами 9 и 10 в открытом пространстве.
Малообъемные масляные выключатели. В настоящее время вместо масляных выключателей с большим объемом масла на напряжения 6; 10; 35 и 110 кВ широко применяют масляные выключатели с малым объемом масла. Уменьшения объема масла в этих выключателях достигают за счет того, что масло в них используется только как среда для гашения дуги, а для изоляции токоведущих частей служат фарфоровые изоляторы. Масса масла в таких выключателях незначительна (от 4,5 до 600 кг в зависимости от напряжения и отключаемой мощности). Конструкция малообъемных выключателей проще выключателей с большим объемом масла из-за отсутствия у них дорогостоящих и громоздких проходных изоляторов.
Выключатель ВМП-10 имеет баки 8 (рис. 27, а) закрепленные на опорных изоляторах 7, установленных на раме 1. В подшипниках рамы свободно вращается вал 4, на котором устанавливают рычаг (на рис. 27, а не показан), соединяющий выключатель с его приводом. На валу 4 жестко закреплен двуплечий рычаг 3, одним концом присоединяемый к отключающей пружине 2, а другим — к тяге 11 приводного механизма выключателя. Для смягчения ударов предусмотрены буфера: пружинный 5 (при включении) и масляный 9 (при отключении). Уровень масла в выключателе контролируется маслоуказателем 10. Выключатель при монтаже поднимают с помощью ушка 12. Болт 6 служит для заземления рамы выключателя.
Рассмотрим фазу выключателя ВМП-10. К цилиндру 9 (рис. 27, б), выполненному из стеклоэпоксида, прикреплен металлический фланец 17 с нижней крышкой 14, на которой размещен неподвижный контакт 16. Над последним находится камера поперечного дутья 19. В алюминиевом баке 5 размещен механизм управления подвижного контакта 20, соединенный с рычагом 6. Токосъем с подвижного контакта выполнен роликами 22, имеющими через направляющие стержни 7 электрическое соединение с верхним выводом 21. Нижний вывод 15 является продолжением крышки 14. Стеклоэпоксидный и металлический баки соединяются фланцем 8. Сверху бак 5 закрыт крышкой 3 с газоотводным колпачком 1 и пробкой 2 для долива масла. Под крышкой размещен маслоотделитель 4. В нижней части выключателя установлен маслоуказатель 12.
Рис. 27. Общий вид (а), разрез фазы (б) и дугогасительная камера (в) выключателя ВМП-10
Дугогасительная камера поперечного масляного дутья (рис. 27, в) состоит из пакета изоляционных пластин 1, 3 и 5, стянутых изоляционными шпильками 4. В нижней части камеры расположены один над другим поперечные дутьевые каналы 8, 9 и 10, а в верхней — масляные карманы 2. Поперечные дутьевые каналы имеют раздельные выходы 6 и 7, направленные кверху. Большие и средние токи гасятся дутьем в поперечных каналах, а малые токи, если они не будут погашены в поперечных каналах, гасятся с помощью дутья в масляных карманах.
Процесс гашения дуги (см. рис. 27, б) происходит следующим образом: после отрыва подвижного контакта 20 от неподвижного возникшие под действием дуги газы, не имея выхода через центральное отверстие 10 и поперечные каналы 13 камеры, которые вначале закрыты контактом 20, создают большое давление в нижней части цилиндра. Масло заполняет часть буферного пространства 18, увеличивая давление в нем. По мере перемещения стержня вверх газы вместе с маслом буферного пространства 18 устремляются через поперечные каналы 13 в продольные боковые каналы 11 и гасят дугу. Дуга, тянущаяся за подвижным контактом 20, разлагает масло в масляных карманах 19; газы способствуют гашению дуги. Масло при срабатывании выключателя почти не расходуется, так как выбрасываемое масло, охлаждаясь в баке, стекает в дугогасительную камеру.
Рис. 28. Выключатель ВМК-35
Для повышения дугостойкости съемный наконечник подвижного контакта и верхние торцы розеточного контакта имеют облицовку из металлокерамики (кирита).
Выключатель ВМП-10 имеет несколько исполнений, которые отражаются дополнительными буквенными обозначениями: К — для комплектных распределительных устройств; Т — для районов с тропическим климатом; У — усиленное исполнение.
Выключатели ВМК (выключатель малообъемный колонковый) изготовляют на напряжение 25; 35 и 110 кВ. Они относятся к выключателям ускоренного действия. В колонке, укрепленной на основании 8 (рис. 28), в изоляторе 3 находится дугогасительная камера 9, а в изоляторе 5— изоляционная тяга 7 с подвижным контактом 6, представляющим медный стержень в виде свечи. Неподвижный контакт 2 выполнен розеточного типа подобно выключателю ВМП-10; подвижный контакт снабжен роликовым токосъемным 4. Дугогасительная камера 9 представляет собой цилиндр, набранный из гетинаксовых дисков 10 с отверстиями в центре для подвижного контакта. Между дисками образованы масляные карманы 11. При размыкании контактов 2 и 6 между ними возникает дуга, которая растягивается по карманам 11 и гасится в них газами с избыточным давлением, достигающим (4:5) 10+5 Па. Чтобы разгрузить фарфоровые изоляторы от высокого давления, дугогасительную камеру помещают внутри толстостенного бакелитового цилиндра 1. Сегменты розеточного контакта выполнены из дугостойких киритовых пластин, наконечник подвижного контакта снабжен металлокерамической облицовкой. Применение дугостойких материалов значительно удлиняет срок службы контактируемых элементов, подвергающихся высоким температурным воздействиям при отключениях больших токов нагрузки и особенно токов КЗ.
Выключатель ВМК-25 представляет одну фазу выключателя ВМК-35 и применяется в РУ-27,5 кВ тяговых подстанций переменного тока.
