Элегазовые выключатели распредустройств высокого напряжения - Элегазовые выключатели

3. ЭЛЕГАЗОВЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В настоящее время элегазовые выключатели используются главным образом в устройствах 110.220 кВ. В качестве дугогасительной, теплоотводящей и изолирующей среды в них применяется элегаз (электротехнический газ). Выбор элегаза (шестифтористая сера SF6) не случаен. Чистый газообразный элегаз химически не активен, безвреден, не горит и не поддерживает горения, обладает повышенной теплопроводящей способностью, удачно сочетает в себе изоляционные и дугогасящие свойства, легкодоступен и сравнительно недорог. Электрическая прочность элегаза в 2,5 раза превышает прочность воздуха. Его электрические характеристики обладают высокой стабильностью. При нормальной эксплуатации элегаз не действует на материалы, применяемые в аппаратостроении; он не «стареет» и не требует ухода, как например, масло.
Учитывая перечисленные свойства элегаза, в выключателях применяют простые конструкции дугогасительных устройств при небольшом числе разрывов и малой длительности горения дуги.
Благодаря более высокой плотности теплопередающая способность элегаза также оказывается намного лучшей по сравнению с воздухом.
Высокие электрическая прочность и теплопередающие свойства элегаза определяют и его прекрасную дугогасительную способность, что позволяет отключать в элегазе мощности в 70 — 100 раз большие, чем в воздухе. Этот газ не токсичен, химически нейтрален к конструкционным материалам, пожаробезопасен, имеет относительно низкую температуру сжижения.
Первые комплектно-распределительные устройства с элегазовой изоляцией появились на мировом рынке в середине 60-х годов ХХ века.
За прошедшие десятилетия число КРУЭ, установленных в различных странах, резко возросло несмотря на то, что при рабочем напряжении до 380 В стоимость этих устройств все еще в 1,2 - 1,5 раза превышает затраты на изготовление традиционных конструкций.
ВЭИ совместно с Ровенским заводом высоковольтной аппаратуры создали элегазовый выключатель на напряжение 10 кВ [6].
В 1996 году ВЭИ совместно с АО «Мосэнерго» разработали элегазовый выключатель 10 кВ усовершенствованной конструкции (рис. 3.1), его изготовление осуществили на опытном заводе ВЭИ.

Рис. 3.1. Выключатель элегазовый 10 кВ, установленный на тележке выключателя SCS 4-12/20 (Германия) в ячейке SCJM-1-12/16
Выключатель элегазовый ВЭГ-10-20-630 предназначен для установки в ячейку КРУ с применением используемого в ней пружинного привода. Выключатель - горшкового типа, трёхфазный на напряжение 10 кВ с током отключения 20 кА и номинальным током 630 А.
Преимущества выключателя:

1. увеличение коммутационного и механического ресурса (при токе 20 кА коммутационная износостойкость 40 операций «О» или 20 «О» и 20 «В», при номинальном токе 630 А - 1000 операций; механический ресурс - 3000 циклов ВО);
2. снижение эксплуатационных затрат;
3. уменьшение удельной материалоёмкости.

При давлении 0,2 МПа электрическая прочность элегаза приближается к прочности трансформаторного масла. Недостатком элегаза является высокая температура сжижения. При давлении 1,5 МПа температура сжижения газа составляет всего 6 °C. Чтобы избежать сжижения газа, специальная схема автоматики и нагреватель обеспечивают необходимую постоянную температуру газа.
Наиболее эффективно элегаз используется в том случае, когда струя газа с большой скоростью омывает горящую дугу.
Охлаждение дуги потоком газа можно получить в дугогасительном устройстве с автопневматическим дутьём и дутьём, создающимся при переходе газа из бака с высоким давлением (1,5...2 МПа) в бак с низким давлением (0,2 МПа) - система с двойным давлением.
Выключатели со сжатым элегазом выполняются обычно с небольшим избыточным давлением 0,2...0,4 МПа. Наиболее широко применяются конструкции с автопневматическим или магнитным дутьём.
Схема дугогасительного устройства с магнитным дутьём приведена на рис. 3.2, а. Устройство размещается в изоляционном цилиндре 1, наполненном элегазом (SF6). На дугу, возникающую между расходящимися контактами 2и 3, действует радиальное магнитное поле, создаваемое постоянными машинами 4(или последовательной катушкой). Дуга быстро перемещается по окружности, усиленно охлаждается и гаснет. Такие устройства применяются в выключателях нагрузки. Схема дугогасительного устройства с автопневматическим продольным дутьём приведена на рисунке.

Рис. 3.2. Примеры дугогасительных устройств элегазовых выключателей:
а - дугогасительное устройство с магнитным дутьём; 1 - изоляционный цилиндр;
2 и 3 - контакты; 4 - постоянный магнит, создающий радиальное магнитное поле; б- то же с автопневматическим дутьём; 1 - неподвижный контакт; 2- подвижный контакт; 3 - изоляционное сопло;  4- перегородка;
5- изоляционный цилиндр; 6 - поршень рис. 3.2, б. Подвижный контакт 2 вместе с изоляционным соплом 3, перегородкой 4 и цилиндром 5, отходя от неподвижною контакта 1, надвигается на поршень 6. Элегаз через отверстия в перегородке и через сопло омывает дугу с большой скоростью и гасит её.
Внедрение элегазовых выключателей в мире приведено в табл. 3.1 и на рис. 3.3.

3.1. Внедрение элегазовых выключателей в странах мира

Рис. 3.3. Число отдельно стоящих выключателей (1) и распределительных устройств (2) с элегазовой изоляцией, установленных в различных странах мира

Полюс элегазового выключателя представляет собой герметичный заземлённый металлический резервуар, в котором размещено дугогасительное устройство. Резервуар заполнен сжатым элегазом (в выключателях серии ЯЭ на напряжение 110 кВ номинальное давление элегаза 0,6 МПа). Конструктивная схема одного разрыва автоматического дугогасительного устройства элегазового включателя приведена на рис. 3.4. Во включённом положении (рис. 3.4, а) ламели главного подвижного контакта 3 плотно охватывают неподвижный трубчатый контакт 1, создавая цепь электрическому току. В процессе отключения выключателя (рис. 3.4, б) подвижная система, состоящая из цилиндра 4, подвижного контакта 3 и фторопластового сопла 2, опускается вниз, при этом элегаз, находящийся в полости А неподвижного цилиндра 5, сжимается, и давление в этой полости повышается. Сжатый газ направляется в зону дуги и гасит её по выходе контакта 1из сопла 2. Таким образом, элегазовый выключатель работает без выброса газа наружу; гашение дуги происходит быстро (20...25 мс) с выделением лишь незначительного количества энергии, генерируемой дугой.

Рис. 3.4. Автопневматическое дугогасительное устройство элегазового выключателя 10 кВ:
а - в положении «включено»; б- в процессе отключения (подвижные части зачернены, неподвижные заштрихованы)
Электрическая дуга частично разлагает элегаз. Основная масса продуктов разложения рекомбинирует (восстанавливается), оставшаяся часть поглощается фильтрами-поглотителями, встроенными в резервуары выключателей. Продукты разложения, не поглощенные фильтрами, взаимодействуют с влагой, кислородом и парами металла и в небольших количествах выпадают в выключателях в виде тонкого слоя порошка. Сухой порошок - хороший диэлектрик.
Подвижные части дугогасительного устройства выключателя перемещаются изоляционной тягой, связанной с пневматическим приводом, шток которого входит в резервуар. Дугогасительное устройство крепится к стенкам резервуара с помощью эпоксидных опорных изоляторов специальной конструкции.
Нельзя выполнять операции под напряжением аппаратами, находящимися в объёмах с пониженным давлением элегаза. Пребывание в помещении РУ персонала в этом случае возможно только при включённой приточно-вытяжной вентиляции и применении индивидуальных средств защиты.
Заметим, что КРУЭ практически не требуют технического обслуживания. Изоляция в них не теряет своих свойств из-за атмосферных загрязнений, что исключает необходимость периодической очистки изоляции. Такие элементы, как сборные шины, измерительные трансформаторы, вообще не требуют ремонта. Интервалы между планово-предупредительными ремонтами коммутационных аппаратов, определяемые механической прочностью подвижных систем и свойствами деталей, подверженных старению, устанавливаются от 5 до 10 лет.
Контроль осуществляют при помощи манометров и проверяют при осмотрах оборудования.
В случае утечки элегаза пополнение секции сухим элегазом осуществляется с помощью передвижной установки из баллонов с элегазом, которые через редуктор и влагопоглощающий фильтр подключаются через вентиль к секции.
В аварийной ситуации при возникновении дуги и чрезмерном повышении давления внутри оболочки разрывается специальная защитная мембрана, давление в секции сбрасывается, и тем самым предотвращается разрушение оболочки. В остальных секциях КРУЭ давление сохраняется нормальным.
Элементы оборудования, оболочки которых повреждены, должны выводиться из работы в соответствии с инструкциями.
На предприятии-изготовителе выключатель заполняют элегазом до номинального избыточного давления 0,45 МПа, затем проводят приёмо-сдаточные испытания выключателя с приводом. Заказчику выключатель и привод поставляют в раздельной упаковке.
При создании нового элегазового выключателя большое внимание уделяется конструкции его дугогасительного устройства. После проведения теоретического анализа существующих конструкций дугогасительных устройств и длительных коммутационных исследований работы выключателя было разработано дугогасительное устройство, в основе которого лежал принцип вращения электрической дуги под воздействием электромагнитного поля. При отключении выключателя его подвижный контакт размыкается с неподвижным. По мере перемещения подвижного контакта электрическая дуга перебрасывается на проводящий цилиндрический корпус дугогасящей катушки и горит между внутренней поверхностью корпуса катушки и дугостойким наконечником подвижного контакта. Ток при этом протекает по виткам катушки, создавая электромагнитное поле, под влиянием которого электрическая дуга начинает вращаться. Интенсивность воздействия на дугу электромагнитного поля, а следовательно, и скорость её перемещения в элегазе зависят от величины отключаемого тока. Такой способ гашения электрической дуги отличается от существующих «мягким» воздействием на неё дугогасящих факторов, что позволяет отключать без перенапряжений как нагрузочные токи (во всем диапазоне), так и токи короткого замыкания.
Полюс ячейки КРУЭ 110 кВ со схемой электрических соединений приведен на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Полюс ячейки КРУЭ 110 кВ со схемой электрических соединений:
1 - распределительный шкаф; 2 - полюсный шкаф; 3- разъединитель заземляющий (РЗ); 4- элегазовый токопровод; 5- кабельный ввод; 6- сборные шины; 7 - разъединители (1P, 2Р- шинные, 3Р- линейные); 8-трансформатор тока; 9- элегазовый выключатель с одним разрывом; 10- фундамент ячейки

Комплектуют КРУЭ из стационарных электрических элементов (выключателей, разъединителей, заземлителей, трансформаторов тока и напряжения, сборных шин), помещённых в герметизированные заземлённые металлические оболочки, заполненные элегазом под давлением. Оболочки отдельных элементов соединяют между собой при помощи фланцев с уплотнениями из синтетического каучука, этиленпропилена и других материалов. Внутренние объёмы оболочек некоторых элементов сообщаются между собой. В целом КРУЭ секционированы по газу. Каждая секция имеет свою контрольно-измерительную аппаратуру. Значение давления элегаза в КРУЭ выбирают с учётом создания необходимой электрической прочности. Так, для аппаратов напряжением 110 кВ при температуре 20 °С необходимый уровень электрической прочности в наиболее слабых местах обеспечивается при абсолютном давлении 0,25 МПа. В секциях выключателей элегаз обычно находится под большим давлением, чем в других секциях. В эксплуатации секции заполняют элегазом под давлением до 110 % от номинального. Утечки газа составляют менее 5 % в год. Давление в секциях контролируют по показаниям манометров или плотнономеров при значительных колебаниях температуры окружающей среды.
Ошибочные операции в КРУЭ, как правило, исключены благодаря применению электрических и механических блокировок.
Положение коммутационных аппаратов проверяют по указателям положения, механически связанным с подвижными системами аппаратов. Предусмотрены также сигнализация лампами и возможность наблюдения за положением подвижных контактов через смотровые окна.
Обслуживание КРУЭ сводится главным образом к контролю давления в секциях и пополнению их элегазом. Герметизация КРУЭ полностью исключает необходимость периодических чисток изоляции.
Перед демонтажем элементов для ремонта элегаз из секций удаляют при помощи специальных передвижных установок. Ранее отмечалось, что хотя элегаз не токсичен, однако при вскрытии элегазовых аппаратов внутренние объёмы их предварительно следует проветрить. При наличии на деталях и стенках оболочек налёта в виде белого или сероватого порошка - химических продуктов, образующихся в результате горения в элегазе дуги, его удаляют.
В КРУ следует поддерживать микроклимат с относительной влажностью воздуха 60...70 %. Для этого шкафы утепляют минераловатными плитами и оборудуют электроподогревателями, которые должны автоматически включаться, когда относительная влажность превышает 65...70 %.
Положение элегазовых выключателей определяется по механическому указателю положения. При обслуживании элегазовых установок персоналу следует помнить, что элегаз в пять раз тяжелее воздуха и при утечках скапливается на уровне пола и в других местах (подвалах, траншеях, кабельных каналах). Обслуживающий персонал, находясь в таких местах, может почувствовать недостаток кислорода и удушье. Безопасный уровень концентрации чистого (не загрязненного продуктами разложения) элегаза в помещении - не более 0,1 % (5000 мг/м3), а при кратковременном пребывании обслуживающего персонала - до 1 %. В среде с большой концентрацией элегаза человек может внезапно потерять сознание без каких-либо тревожных симптомов. Чтобы избежать этого, необходимо обеспечить доступ свежего воздуха.
Проведение работ (в том числе и операционных переключений) в помещениях РУ, где обнаружена утечка элегаза, возможно только при включенной приточно-вытяжной вентиляции и применении средств индивидуальной защиты. Это объясняется тем, что выбросы элегаза в атмосферу в случае прожига резервуаров выключателя, разрывов предохранительных мембран и в других подобных ситуациях могут быть загрязнены продуктами разложения. В продуктах разложения элегаза электрической дугой содержатся активные высокотоксичные фториды и сернистые соединения.
Наличие продуктов разложения можно обнаружить по неприятному едкому запаху. Эти химические соединения в газообразном и твёрдом состояниях чрезвычайно опасны для человека.