Выключатели высокого напряжения служат для коммутации электрических цепей во всех эксплуатационных режимах: включения и отключения токов нагрузки, токов намагничивания трансформаторов и зарядных токов линий и шин, отключения токов КЗ, а также при изменениях схем электрических установок.
Каждый режим работы имеет свои особенности, определяемые параметрами электрической цени, в которой установлен выключатель. Тяжелым режимом работы является отключение тока КЗ, когда выключатель подвергается воздействию значительных электродинамических сил и высоких температур. Отключение сравнительно малых токов намагничивания и зарядных токов линий имеет свои особенности, связанные с возникновением опасных коммутационных перенапряжений, утяжеляющих работу выключателей.
Требования, предъявляемые к выключателям во всех режимах работы, следующие:
1) надежное отключение любых токов в пределах номинальных значений;
2) быстродействие при отключении, т. е. гашение дуги в возможно меньший промежуток времени, что вызывается необходимостью сохранения устойчивости параллельной работы станций при КЗ;
3) пригодность для автоматического повторного включения после отключения электрической цепи защитой;
4) взрыво- и пожаробезопасность;
5) удобство обслуживания.
Для оперативного обслуживания необходимо, чтобы каждый выключатель или его привод имел хорошо видимый и безотказно работающий указатель положения ("Включено", "Отключено"). Если выключатель не имеет открытых контактов и его привод отделен стенкой от выключателя, то указатель должен быть и на выключателе, и на приводе.
На подстанциях применяют выключатели разных типов и конструкций. В них заложены различные принципы гашения дуги и используются различные дугогасящие среды (трансформаторное масло, сжатый воздух, элегаз, твердые газогенерирующие материалы и т. д.). Однако преимущественное распространение получили масляные баковые выключатели с большим объемом масла, маломасляные выключатели с малым объемом масла и воздушные выключатели. Перспективны элегазовые и вакуумные выключатели.
Основными конструктивными частями выключателей всех типов являются токопроводящие и контактные системы с дугогасительными устройствами, изоляционные конструкции, корпуса и вспомогательные элементы (газоотводы, предохранительные клапаны, указатели положения и т. д. ), передаточные механизмы и приводы.
Масляные выключатели
В баковых выключателях с большим объемом масла (серий МКП, У, С и др.) масло используется как для гашения дуги, так и для изоляции токопроводящих частей от заземленных конструкций, в маломасляных выключателях серий ВМГ, BMП, BMПП, ВМПЭ, ВК, МГГ, ВМК и др. для гашения дуги и не обязательно для изоляции от земли частей, находящихся под напряжением. Их баки специально изолируются от земли. Выключатели изготовляются с раздельными полюсами.
Промышленностью выпускаются маломасляные выключатели и на напряжение 110-220 кВ серии ВМТ. Отличительной особенностью конструкций этой серии выключателей являются маслонаполненные фарфоровые колонны, каждая из которых состоит из опорного и камерного изоляторов. В камерных изоляторах размешены дугогасительные устройства и механизмы управления. Маслонаполненные колонны герметичны. Надмасляное пространство в них заполнено газом (азотом), находящимся под постоянным давлением (0,5-1МПа). Давление создается перед вводом выключателя в работу и сохраняется без пополнения до очередного ремонта.
Гашение дуги в масляных выключателях обеспечивается воздействием на нее дугогасящей среды - масла. Процесс сопровождается сильным нагревом, разложением масла и образованием газа в виде газового пузыря (температура газовой смеси в камере выключателя Т-800-2500 К). В газовой смеси содержится до 70% водорода, что и определяет высокую дугогасящую способность масла, так как в водороде дугой отдается в десятки раз больше энергии, чем в воздухе. Быстрое нарастание давления в газовом пузыре до значений, превышающих атмосферное (при отключении тока КЗ давление может достичь 3-8 МПа), способствует эффективной деионизации межконтактного пространства в выключателе.
Дуга между расходящимися контактами гаснет в момент прохождения тока через нулевое значение, так как в это время к ней практически не подводится мощность, температура дуги падает, и дуговой промежуток почти теряет проводимость. Однако первое погасание дуги не исключает ее повторного зажигания. Все зависит от двух принципиально отличных друг от друга обстоятельств: скорости нарастания так называемого восстанавливающегося напряжения, стремящегося пробить промежуток между контактами, и скорости нарастания изолирующих свойств промежутка, препятствующих пробою. Если скорость восстановления напряжения на контактах полюса выключателя окажется выше скорости восстановления изолирующих свойств среды, дуга загорится и процесс ее гашения повторится. Прекращение процесса зажигания дуги наступит лишь тогда, когда восстанавливающееся напряжение станет недостаточным для пробоя все увеличивающегося промежутка вследствие движения подвижных контактов.
В современных масляных выключателях применяются эффективные дугогасящие устройства, ускоряющие восстановление электрической прочности промежутка. Помогают снизить скорость восстановления напряжения в выключателях некоторых типов шунтирующие резисторы, присоединяемые параллельно главным контактам дугогасительных камер.
Кроме скорости восстановления напряжения на длительность горения дуги в масляных выключателях влияют следующие факторы: сила тока, отключаемого выключателем; высота слоя масла над контактами; скорость расхождения контактов.
Чем больше значение отключаемого тока, тем интенсивнее газообразование и тем успешнее гашение дуги.
При отключении небольших токов гашение дуги может затянуться, так как энергии, выделяемой при этом дугой, бывает недостаточно для ее гашения. При отключении токов намагничивания процесс гашения сопровождается возникновением перенапряжений, связанных с обрывом (срезом) тока до момента его естественного прохождения через нуль. Перенапряжения приводят к повторным пробоям. Упомянутые выше шунтирующие резисторы позволяют снизить кратность перенапряжений. Положительную роль они играют и при отключении зарядных токов линий электропередачи. Через шунтирующие резисторы разряжается емкость отключаемой линии, благодаря чему напряжение на проводах, созданное остаточным зарядом, понижается. При сниженной амплитуде напряжения, воздействующего на каждый полюс выключателя, уменьшается вероятность повторных пробоев.
Высота слоя масла над контактами имеет существенное значение при гашении дуги. Чем больше слой масла, тем больше давление в газовом пузыре, тем интенсивнее процесс деионизации. Вместе с тем высокий уровень масла в баке снижает объем воздушной подушки, что может привести к опасному повышению давления внутри бака и сильному удару масла в крышку.
При небольшом слое масла над контактами горючие газы, проходя через него, не успевают охладиться и в результате смешения с кислородом воздуха могут образовать гремучую смесь.
Скорость расхождения контактов в выключателе играет важную роль. При высокой скорости движения контактов дуга быстро достигает своей критической длины, при которой восстанавливающееся напряжение оказывается недостаточным для пробоя большого промежутка. Одним из способов увеличения скорости удлинения дуги является увеличение числа последовательных разрывов в каждом полюсе выключателя.
Вязкость масла в выключателе отрицательно сказывается на скорости движения контактов. Вязкость увеличивается с понижением температуры масла.
Загустение и загрязнение смазки трущихся частей передаточных механизмов и приводов в значительной степени отражаются на скоростных характеристиках выключателей. В ряде случаев движение контактов может оказаться замедленным или вообще прекратиться, контакты зависнут. При ремонтах необходимо удалять старую смазку в узлах трения и заменять ее новой консистентной незамерзающей смазкой марок ЦИАТИМ-221, ЦИАТИМ-201, ГОИ-54.
Приводы выключателей. Приводы служат для включения и отключения масляных выключателей за счет энергии, поступающей в них от внешнего источника. По виду используемой энергии они могут быть электромагнитными, пневматическими и пружинными. По способу включения и отключения выключателей приводы подразделяют на полуавтоматические, осуществляющие включение выключателя с помощью приложения мускульной силы, а отключение как дистанционно от ключа (устройства релейной защиты), так и вручную, и автоматические, осуществляющие включение и отключение выключателя дистанционно (от релейной защиты), а также отключение вручную.
Основными частями привода являются:
- силовое устройство, служащее для преобразования подведенной к приводу энергии в механическую;
- операционный и передаточный механизмы, служащие для передачи движения от силового устройства к механизму выключателя и для удержания его во включенном положении;
- отключающее устройство.
Электромагнитные приводы постоянного тока применяются для управления всеми типами масляных выключателей напряжением 10-220 кВ. Привод представляет собой корпус с электромагнитом включения и операционным механизмом. В корпусе размещены также электромагнит отключения, контакты вспомогательных цепей, механизм ручного отключения и в ряде случаев механический указатель положения выключателя, жестко связанный с его валом.
На рис. 1 показан привод для маломасляного выключателя. Силовое устройство - электромагнит включения - представляет собой магнитопровод с обмоткой 3 и сердечником 2 со штоком 1. Тяговое усилие, необходимое для включения выключателя, создается сердечником 2, который втягивается электромагнитом при прохождении по его обмотке тока. Усилие передается выключателю системой рычагов операционного и передаточного механизмов.
После завершения операции включения выключателя цепь электромагнита автоматически разрывается и сердечник под действием силы тяжести (и пружины) опускается вниз.
Для отключения выключателя в обмотку электромагнита отключения подается оперативный ток. Сердечник втягивается электромагнитом, и его боек ударяет в одно из звеньев механизма свободного расцепления 9 . Звенья механизма свободного расцепления складываются, вал выключателя поворачивается под действием встроенных отключающих пружин - происходит отключение выключателя.
Остановимся более подробно на некоторых элементах электромагнитного привода, с которыми часто сталкивается оперативный персонал в своей практической деятельности. К таким элементам относятся запирающий механизм, отключающее устройство и механизм свободного расцепления.
Запирающий механизм необходим для удержания выключателя во включенном положении. Простейшая конструкция запирающего механизма приведена на рис. 2. Удерживающее (запирающее) звено 1 с роликом 2 прижимается защелкой 3 вращающим моментом М. Для расцепления механизма, т. е. для поворота звена 1 в направлении, указанном стрелкой М , надо защелку 3 повернуть против вращения часовой стрелки. Такой поворот выполняется электромагнитом отключения 4 или вручную, воздействием на рычаг отключения.
Для надежной работы запирающего механизма трущиеся поверхности ролика и защелки подвергаются шлифовке, они должны содержаться в чистоте и регулярно смазываться незамерзающей смазкой.
Отключающее устройство состоит из электромагнита и перемещающегося внутри обмотки ферромагнитного сердечника со штоком. При подаче напряжения на обмотку электромагнита (ключом или от реле) его сердечник втягивается и, ударяя по "хвосту" защелки, расцепляет запирающий механизм привода. Основные требования, которые могут быть предъявлены к электромагнитным механизмам отключения, - это быстродействие и постоянство динамических характеристик независимо от колебаний (в допустимых пределах) напряжения источника питания и температуры окружающей среды. Для этого должно быть обеспечено свободное (без "заеданий") перемещение сердечника электромагнита на всем его пути, отрегулирован запас хода сердечника, проверена надежная работа электромагнитного механизма отключения при отклонениях напряжения от номинального на его выводах.
Рис. 1. Привод электромагнитный для маломасляных выключателей:
1 - шток с пружиной; 2 - сердечник; 3 - обмотка электромагнита включения; 4 - удерживающий рычаг; 5 - ролик; 6, 8 - контакторы вспомогательных цепей; 7 - вал привода; 9 - рычаги механизма свободного расцепления; 10 - защелка; 11 - рычаг ручного отключения; 12 - электромагнит отключения; 13 - сборка зажимов; 14 - корпус привода
Рис. 2. Запирающий механизм
Механизм свободного расцепления - система складывающихся рычагов в приводе является связующим звеном между силовым устройством и передаточным механизмом. Он разобщает силовое устройство с передаточным механизмом для последующего отключения выключателя в любой момент времени независимо от того, продолжает или нет действовать сила, осуществляющая включение. Необходимость такого механизма связана с требованием немедленного отключения выключателя действием релейной защиты в случае включения его на неустраненное КЗ.
На рис. 3 показана принципиальная схема дистанционного управления масляным выключателем с электромагнитным приводом. Схема соответствует отключенному положению масляного выключателя.
Включение выключателя осуществляется поворотом рукоятки ключа SA на 45° по часовой стрелке, при этом замыкаются контакты 1-3 в цепи реле команды "включить" КСС. Это реле замыкает контакты KCC .1 в цепи питания контактора КМ. Контактор срабатывает и замыкает цепь электромагнита включения УАС - выключатель включается, ключ SA возвращается в нейтральное положение. Аналогично включается выключатель и при действии устройства автоматики, где команда на включение подается реле.
Отключение выключателя осуществляется поворотом ключа на 45° против вращения часовой стрелки, при этом создается цепь питания реле команды "отключить" КСТ. Реле замыкает контакты КСТ.1, в результате чего через замкнутые вспомогательные контакты привода выключателя АкВ.1 подастся напряжение на электромагнит отключения YAT - выключатель отключается, ключ SA возвращается в нейтральное положение.
Срабатывание устройства релейной защиты также приводит к отключению выключателя, так как контакты выходного реле защиты включены параллельно контактам реле КСТ.
Заметим, что реальные схемы управления выключателями выглядят более сложными: они содержат цепи блокировок и сигнальные цепи.
Важнейшей блокировкой является блокировка против повторения операций включения и отключения, когда предпринимается попытка включения выключателя после его автоматического отключения на неустраненное КЗ. В этом случае команда на включение, поданная ключом, сможет затянуться, а выключатель тем временем отключится релейной защитой. Такое состояние схемы управления приводит к повторному включению выключателя. Блокировка запрещает в данном случае повторные включения.
Схемы управления обычно дополняются устройствами сигнализации в виде сигнальных ламп, показывающих включен или отключен выключатель после снятия соответствующей команды. В схемах предусматривается световая и звуковая сигнализация о несоответствии положения выключателя и его ключа управления (например, в случае автоматического отключения выключателя релейной защитой), а также сигнализация контроля цепей включения и отключения выключателя.
В электрических схемах управления и сигнализации выключателей всегда имеются контакты, коммутирующие вспомогательные цепи: электромагнитов включения и отключения, сигнальных ламп и другие цепи постоянного тока. Контакты управляются с помощью кинематических передач между валом привода и валом контактора. Скорость срабатывания контактов определяется технологической необходимостью: есть контактные пары, которые должны быстро размыкаться (или замыкаться) в конце выполнения операции или даже после ее завершения; имеются контакты, скорость срабатывания которых зависит от скорости движения перемещающихся частей, и т. д. Конструкции контактов весьма разнообразны. В отечественных приводах используются наборные контакты типа КСА (контакты сигнальные Аксентона). В эксплуатации необходимо следить за состоянием контакторов, нарушение в работе которых может привести к отказу в работе привода.
Схемы управления и сигнализации применяются на подстанциях в различных вариантах в зависимости от типа выключателя и его привода, использования устройств телемеханики и других условий.
Пневматические приводы применяются для управления масляными выключателями серий У, С и др. Источником энергии для них является сжатый воздух. В качестве силовых элементов используются поршневые пневматические блоки одностороннего действия (рис 4), в которых сжатый воздух при работе привода подается с одной стороны поршня 3, а обратный ход поршня осуществляется действием пружины 4. Кинематическая схема пневматического привода подобна схеме электромагнитного привода.
Рис. 3. Схема управления выключателем с электромагнитным приводом
На рис. 5 показан пневматический привод типа ШПВ-46П для масляного выключателя У-220, созданный на базе электромагнитного привода. В нем вместо электромагнита включения установлен пневматический блок, который состоит из рабочего цилиндра 4, дутьевого клапана 5 , патрубка 6, соединяющего дутьевой клапан с воздухосборником сжатого воздуха 1, устройства ручного отключения 3, электроподогревателя 7 , включаемого при низких температурах наружного воздуха. К воздухосборнику присоединен контактный манометр 2, контролирующий давление сжатого воздуха. Привод рассчитан на номинальное давление сжатого воздуха 2 МПа. Объем воздуха в воздухосборнике достаточен для осуществления цикла АПВ.
Привод крепится на баке выключателя и соединяется тягой с механизмом полюса выключателя. Каждый полюс имеет самостоятельную схему управления, обеспечивающую дистанционное трехполюсное и пофазное управление выключателем.
Пружинные приводы предназначаются для маломасляных выключателей 6-10 кВ . Источником энергии в приводах служат мощные предварительно заведенные рабочие пружины. Завод пружины обычно осуществляется с помощью электродвигателя, соединенного с редуктором, но возможен и ручной завод съемным рычагом. Время завода пружин для разных типов приводов составляет от нескольких секунд до десятков секунд.
Операция включения выключателя, выполняемая за счет потенциальной энергии рабочих пружин, может происходить лишь после их полного завода, что контролируется специальной блокировкой и сигнализируется указателем готовности привода к работе. В пружинных приводах ППМ-10, ПП-67 рабочие пружины должны заводиться перед каждой операцией включения. Завод рабочих пружин возможен как при отключенном, так и при включенном выключателе - в последнем случае для осуществления электрического АПВ.
Рис. 4. Принципиальная схема поршневого пневматического блока одностороннего действия:
1 - подача сжатого воздуха; 2 - цилиндр; 3 - поршень;
4 - пружина; 5 - шток
Отключение выключателя выполняется за счет энергии отключающих пружин, расположенных в механизме самого выключателя и заводимых при его включении.
В приводах установлены электромагниты включения и отключения, кнопки подачи команд на электромагниты, имеется указатель готовности привода к включению, а также механический указатель положения выключателя.
Одно из преимуществ пружинных приводов состоит в том, что они не требуют для своей работы источника постоянного оперативного тока. Питание оперативных цепей управления, оперативных цепей релейной защиты и автоматики, цепей обогрева шкафов КРУ осуществляется от источников переменного тока (выносных однофазных трансформаторов, подключенных к вводам линий, трансформаторов собственных нужд).
Неполадки в работе масляных выключателей и их устранение. Неполадки (отказы и повреждения) в работе масляных выключателей, как правило, приводят к крупным авариям с образованием пожаров в распределительных устройствах. Наиболее часто повторяющимися неполадками являются отказы выключателей в отключении токов короткого замыкания, неисправности контактных систем, перекрытия элементов внутренней и внешней изоляции, поломки изолирующих частей, а также отказы передаточных механизмов и приводов.
Рис. 5. Пневматический привод типа ШПВ-46П для масляного выключателя с большим объемом масла типа У-220
Случаи отказов в отключении токов КЗ объясняются главным образом несоответствием фактической отключающей способности выключателей условиям их эксплуатации. В результате развития энергосистем токи КЗ возрастают до значений, недопустимых для отключения ранее установленными на подстанциях выключателями. В связи с этим в эксплуатации необходимо систематически проверять соответствие параметров выключателей реальным условиям их работы. Кроме того, на практике не должны создаваться такие схемы работы подстанций, при которых мощность короткого замыкания превышает отключающую способность выключателей. В аварийных и ремонтных ситуациях при необходимости соединения на параллельную работу двух систем шин и более (например, включением секционных выключателей) эта операция должна сопровождаться проведением мероприятий, приводящих к ограничению токов КЗ.
К неполадкам контактных систем относят недовключения подвижных контактов, зависания контактов в промежуточном положении, разрушения металлокерамики, поломки розеточных контактов.
Неполадки в контактных системах, как правило, препятствуют отключениям и включениям выключателей и заканчиваются образованием дуги с последующим взрывом выключателя.
Перекрытия изоляции являются самым массовым видом повреждений выключателей. Они происходят при коммутационных и грозовых перенапряжениях, а также в результате загрязнения изоляции уносами промышленных предприятий, расположенных вблизи подстанции.
У выключателей серий ВМГ и ВМП нередки случаи перекрытий опорной изоляции по загрязненной и увлажненной поверхности.
Внутрибаковые перекрытия в выключателях наружной установки наблюдались при попадании в них влаги, всплытии льда при наступлении положительных температур, снижении диэлектрических свойств масла, вытекании масла из бака. В эксплуатации необходимо тщательно следить за целостью сварных соединений баков, уплотнением крышек, появлением неплотностей под болтами и заглушками, исправностью кранов и масловыпускателей.
К поломкам изолирующих деталей относят прежде всего разрушения фарфоровых тяг выключателей серий ВМГ, изоляционных тяг выключателей ВМПП-10. Разрушения фарфоровых тяг неоднократно приводили к перекрытию выключателей.
Отказы в работе передаточных и операционных механизмов приводов происходят в результате поломок отдельных деталей и нарушений регулировки. Это приводит к заеданию валов, застреванию тяг и ненормальной работе контактных систем, что являлось источником серьезных аварий.
Распространенными причинами отказа приводов являются некачественная регулировка, затирания в механизме расцепления и сердечников электромагнитов, дефекты пружин, нарушения связей между частями механизма привода из-за выпадения осей, пальцев.
Часты отказы в работе выключателей с пружинными приводами, например типа ВМП-10П. Отмечены случаи самопроизвольного включения выключателей этого типа во время завода пружин.
Осмотры и обслуживание масляных выключателей.
При наружном осмотре проверяют действительное положение каждого выключателя по показанию его сигнального устройства и соответствие этого положения изображенному на оперативной схеме. Проверяют состояние поверхности фарфоровых покрышек вводов, изоляторов и тяг, целость мембран предохранительных клапанов и отсутствие выброса масла из газоотводов, отсутствие следов просачивания масла через сварные швы, разъемы, краны. На слух определяют отсутствие треска и шума внутри выключателя. По цвету термопленок устанавливают температуру контактных соединений. Обращают внимание на уровень масла в баках и соответствие его температурным отметкам на шкалах маслоуказателей.
При значительном понижении уровня или уходе масла из бака принимают меры, препятствующие отключению выключателем тока нагрузки и тем более тока короткого замыкания. Дня этого отключают автоматические выключатели (снимают предохранители) на обоих полюсах цепи электромагнита отключения. Затем создают схему, при которой электрическая цепь с неуправляемым выключателем отключается другим выключателем, например шиносоединительным или обходным.
В зимнее время при температуре окружающего воздуха ниже - 25°Сусловия гашения дуги в масляных выключателях резко ухудшаются вследствие повышения вязкости масла и уменьшения в связи с этим скорости движения подвижных частей.
Для улучшения условий работы масляных выключателей при длительном (более суток) понижении температуры должен включаться электроподогрев, отключение которого производится при температуре выше - 20°С.
На скорость и надежность работы выключателей большое влияние оказывает четкая работа их приводов при возможных в эксплуатации отклонениях напряжения от номинального в сети оперативного тока. При пониженном напряжении усилие, развиваемое электромагнитом отключения, может оказаться недостаточным и выключатель откажет в отключении. При пониженном напряжении в силовых цепях привод может недовключить выключатель, что особенно опасно при его работе в цикле АПВ. При повышенном напряжении электромагниты могут развивать чрезмерно большие усилия, которые приведут к поломкам деталей привода и сбоям в работе запирающего механизма. Для предупреждения отказов в работе приводов их действие периодически проверяют при напряжении 0,8 и 1,15 U ном . Если выключатель оборудован АПВ, опробование на отключение целесообразно производить от защиты с включением от АПВ. При отказе в отключении выключатель должен немедленно выводиться в ремонт.
