Высоковольтные выключатели служат для включения и отключения под нагрузкой электрических цепей в нормальных режимах работы и для автоматического отключения при коротких замыканиях в аварийных режимах.
В цепях с напряжением 10 кВ и более воздушный промежуток между расходящимися контактами настолько сильно ионизируется, что через него беспрепятственно проходит ток, т. е. горит электрическая дуга. Температура дуги составляет несколько тысяч градусов, и если ее быстро не погасить, то в считанные секунды контакты расплавляются, повреждаются близко расположенные приборы и аппараты. Интенсивность дуги зависит также от силы тока в цепи в момент его размыкания (чем больше ток, тем мощнее дуга и тем труднее ее погасить). Именно такие условия возникают в случаях, когда высоковольтный выключатель отключает цепь, в которой возникло короткое замыкание. Отключение и включение токов короткого замыкания является наиболее тяжелым режимом работы выключателей. Поэтому силовые выключатели в установках напряжением выше 1000 В обеспечиваются специальными дугогасительными системами, способными погасить мощную электрическую дугу за доли секунды. По быстродействию высоковольтные выключатели разделяют на сверхбыстродействующие (с временем отключения до 0,06 с), быстродействующие (0,06 - 0,8 с), умеренного действия (0,08 - 0,12 с) и небыстродействующие (0,12 -0,25 с).
В зависимости от среды, в которой расходятся контакты и гасится дуга, выключатели бывают: масляные, со специальными жидкостями, воздушные (пневматические), электромагнитные (воздушные), автогазовые (с газом, генерируемым твердым веществом под действием температуры дуги), элегазовые, вакуумные.
В элегазовых выключателях в качестве изоляционной среды используют электрический газ — элегаз (шестифтористую серу SF6), обладающий высокой диэлектрической прочностью (в 2,5 раза больше прочности воздуха), с хорошей дугогасительной способностью (в 4 раза выше, чем воздушных) и теплопроводностью. Нашей промышленностью выпускаются элегазовые герметические устройства на напряжение 110 кВ и выше. Зарубежные фирмы выпускают коммутационные аппараты с элегазом на напряжение 3 кВ и более. Хорошая дугогасительная способность элегаза позволяет конструировать коммутационные аппараты с высокой отключающей способностью, а герметичность и высокая надежность значительно облегчает их эксплуатацию.
Вакуумные выключатели (ВВ) (давление не более 1,3102Па), как и элегазовые, надежны, удобны в эксплуатации; менее пожаро- и взрывоопасны по сравнению с масляными выключателями. Гашение дуги в вакууме происходит очень быстро в результате большой скорости диффузии паров металла, которые образуются во время горения дуги, и их быстрой рекомбинации на контактах.
Вакуумные выключатели имеют большой срок службы (механическая износостойкость достигает 5 • 106 операций). Число коммутаций с номинальным током около 600 А равно (500 - 1000-103). Практически без ремонта ВВ могут работать до 25 лет. ВВ и элегазовые выключатели до 10 кВ применяются на подстанциях минского метрополитена, концерна "Белэнерго" и других предприятиях. Однако используемые в настоящее время ВВ требуют эпизодического обслуживания (регулировки, смазки, контроля хода, поджатия) и могут создавать опасные перенапряжения при коммутации некоторых видов нагрузки. Привод обычных ВВ принципиально не отличается от приводов масляных и электромагнитных выключателей. Он содержит значительное количество передаточных звеньев между электромагнитом (или пружинами включения и отключения пружино-моторного привода) и подвижными контактами вакуумной дутогасительной камеры (ВДК).
В вакуумных выключателях фирмы "Таврида электрик" (Москва) используется привод с магнитной защелкой и ВДК собственного производства, в основу конструкции которого заложен принцип соосности электромагнита привода и ВДК в каждом полюсе выключателя. Оригинальная конструкция ВВ позволила существенно упростить кинематическую схему, отказаться от нагруженных узлов трения. В результате механический ресурс составил 50 тыс. операций включения-выключения без обслуживания в течение всего срока службы (в этих ВВ детали изоляции, подверженные ударным нагрузкам при включении-выключении, выполнены из современных ударопрочных пластиков с высокими механическими характеристиками).
Новая серия ВВ с магнитной защелкой обладает по сравнению с традиционными следующими преимуществами:
• отсутствие необходимости обслуживания в течение всего срока эксплуатации;
• простота и надежность привода;
• большой механический ресурс;
• малые габариты и масса;
• адаптация к различным видам КРУ и КСО.
На ТП напряжением до 10 кВ чаще всего применяют выключатели нагрузки (ВНР и ВНРЗ), масляные (ВМП, ВПМ) и электромагнитные (ВЭМ) выключатели.
Рис. 9. Выключатель нагрузки ВНР-10/400-10з: 1 — рама; 2 — опорный изолятор; 3 — контакты с держателями; 4 — ножи; 5 — гасительная камера; 6 — основной верхний контакт; 7, 12 — изоляционная и блокировочная тяги; 8 — рычаг; 9 — гибкий соединитель; 10 — нож заземления; 11, 15 — валы заземляющего устройства и выключателя; 13 — пружины; 14 — резиновые шайбы
Выключатели нагрузки ВНР (рис. 5-9) предназначены только для включения и отключения токов нагрузки. Для отключения цепей при коротких замыканиях на выключателях нагрузки устанавливают высоковольтные предохранители ВНРЗ. Выключатели нагрузки монтируются на стальной раме с опорными изоляторами. На верхних изоляторах (для каждой фазы) установлены неподвижные контакты — рабочие и дугогасительные. Дугогасительный контакт располагается в пластмассовой камере (рис. 10), внутри которой находится вкладыш из органического стекла. Вкладыш состоит из двух частей и в собранном виде образует узкую щель для входа подвижного дугогасительного контакта. На нижних изоляторах закреплены ножи — подвижные рабочие контакты, состоящие из двух соединенных между собой медных полос. Подвижные дугогасительные контакты расположены между двумя направляющими полосами, прикрепленными к ножу. На раме в подшипниках установлен вал, к которому приварены три рычага с фарфоровыми тягами. Подвижная система выключателя нагрузки отключается с помощью двух пружин. Чтобы установить предохранители, к раме крепится дополнительный каркас с опорными изоляторами, которые имеют контактные губки и пружины. На этом каркасе может быть смонтировано устройство, подающее команду на отключение выключателя при перегорании предохранителя.
Рис. 10. Дугогасительное устройство:
1 — пластмассовый корпус; 2 — вкладыши; 3, 5 — подвижный и неподвижный дугогасительные контакты; 4 — отверстия для соединительных винтов; 6 — основной неподвижный контакт выключателя; 7 — гибкая связь; 8 — пружинящая пластина
При этом размыкаются главные контакты, затем дугогасительные, а возникающая дуга затягивается в щель между вкладышами. Под действием высокой температуры дуги органическое стекло интенсивно выделяет газы, которые с большой скоростью вырываются из камеры и в сотые доли секунды гасят дугу.
Заземляющее устройство выключателя нагрузки представляет собой вал с приваренными к нему контактными пластинками (ножами) и может располагаться сверху или снизу рамы выключателя и соответственно заземлять стойки неподвижных или подвижных контактов выключателя.
Простейшая механическая блокировка между двумя валами выключателя и заземляющих ножей исключает возможность включения заземляющих ножей при включенном выключателе и включения выключателя при включенных ножах заземления. Управление заземляющим устройством выполняется с помощью привода ПР-2 или другого ручного привода.
Масляные выключатели — устройства, у которых дутогасительной средой является трансформаторное масло. Когда между контактами, находящимися в масле, возникает дуга, под действием высокой температуры масло переходит в газообразное состояние (до 70% водорода, который не поддается ионизации). Давление газа быстро повышается до нескольких десятков атмосфер, что способствует быстрому гашению дуги.
В зависимости от объема масла выключатели бывают: баковые (многообъемные) и горшковые (малообъемные). В РУ на 10 кВ в основном применяют малообъемные выключатели, каждый полюс которых находится в отдельном цилиндре: ВМП-10 (масляный подвесной), ВМПП-10 (с пружинным приводом), ВК-10 (колонковый), ВМПЭ-10 (с электромагнитным приводом) и др.
Рис. 11. Выключатель ВМП-10: 1 — полюс; 2 — изолятор; 3 — рама; 4 — изоляционная тяга; 5 — главный вал; 6 — масляный буфер; 7 — болт заземления
Выключатель ВМП-10 (рис. 11 ), применяемый на напряжение 10 кВ и номинальные токи 630 и 1000 А, используется вместо выключателя ВМГ-10. Выключатель имеет три полюса, смонтированные на общей заземленной металлической раме, внутри которой расположены главный вал, отключающие пружины, масляный и пружинный буферы.
Рис. 12. Разрез полюса выключателя ВМП-10:
1, 7 — выводы; 2, 9 — крышки; 3 — неподвижный розеточный контакт; 4, 6 — фланцы; 5, 25 — цилиндры; 8 — роликовый токосъем; 10 — колпак; 11, 24 — пробки; 12 — маслоотделитель; 13 — корпус механизма; 14 — ось; 15 — направляющая колодка; 16 — рычаг; 17 — упоры; 18, 19 — стержни; 20 — стопорный винт; 21 — шайба; 22 — дугогасительная камера; 23 — маслоуказатель
Полюсы крепят к раме шестью фарфоровыми опорными изоляторами (по два на полюсе) с эластичным соединением арматуры, что повышает механическую устойчивость выключателя. Главный вал соединяется с механизмом каждого полюса изолированными тягами. Полюс выключателя (рис. 12) представляет собой цилиндр из прочного изоляционного материала — стеклоэпоксида, на концах которого заармированы металлические фланцы. На верхнем фланце крепится корпус выпрямляющего механизма, передающего движение от вала выключателя к токоведущему стержню. Этот корпус (из алюминиевого сплава) закрывается сверху крышкой из изоляционного материала. Внутри размещают, кроме выпрямляющего механизма, рожковый токосъем и маслоотделитель, который предотвращает выброс масла при отключении тока короткого замыкания.
Нижний фланец закрывается силуминовой крышкой, на которой расположен розеточный неподвижный контакт. Использование силумина уменьшает магнитные потери в выключателе. На каждой крышке устанавливается цилиндр с дугогасительной камерой.
Уровень масла в выключателе определяется с помощью маслоуказателя.
Рис. 13. Выключатель ВЭМ-10:
1, 9 — изоляционные кожух и тяга; 2 — счетчик; 3 — дугогасительная камера; 4 — магнитопровод; 5, 12 — подвижный и неподвижный контакты; 6 — контактор; 7 — электромагнитный привод; 8 — рама (тележка); 10, 13 — токоотвод и токоподвод; 11 — изолятор; 14 — катушка магнитного дутья
Электромагнитные выключатели (ВЭМ-10) (рис. 13) не требуют для своей работы масла, что делает их взрыво- и пожаробезопасными, а высокая токоустойчивость контактов и дугогасительных камер обеспечивает большое количество включений в электроустановках с частыми коммутационными операциями. Дугогасительная система состоит из электромагнита и дугогасительной камеры. На П-образный магнитопровод электромагнита надета катушка электромагнитного дутья. Дугогасительная камера представляет собой пакет тонких керамических пластин с Л-образными вырезами и располагается между полюсными наконечниками электромагнита, над контактами выключателя.
Пластины в пакете уложены в шахматном порядке и обладают высокой дугоустойчивостью и теплопроводностью, допуская температуру 2000 °С. По концам пакета в специальных керамических лотках закреплены медные электроды (рога), по которым движется дута в процессе отключения выключателя. Она затягивается вверх по узким щелям между холодными керамическими пластинами, отдает теплоту, растягивается по длине и гаснет. Дуга движется вверх в дугогаситель-ную камеру под действием электродинамических сил и тепловых потоков. Катушка магнитного дутья имеет небольшое сопротивление и включается последовательно в электрическую цепь, через нее проходит полный ток отключаемой цепи. В результате между полюсными наконечниками электромагнита создается интенсивное магнитное поле, которое заставляет дугу двигаться по медным рогам, так как на каждый проводник с током (в том числе и на электрическую дугу), находящийся в магнитном поле, действует электродинамическая сила, направление которой, как известно, определяется по правилу левой руки. Гашению дуги способствует также резкое снижение тока в электромагнитном выключателе из-за увеличения сопротивления дуги. Время горения дуги при отключении токов короткого замыкания не превышает 0,02 с.
При отключении малого тока электродинамическая сила, действующая на дугу, небольшая. В этом случае передвижению дуги в щели дугогасительной камеры способствуют цилиндры воздушного дутья, закрепленные на подвижных контактах выключателя. При отключении выключателя поршни передвигаются в цилиндрах и выталкивают воздух между размыкающимися дугогасительными контактами (система принудительного дутья).
Контактная система выключателя состоит из главных и дугогасительных контактов. Наконечники дутогасительных контактов выполнены из металла (кирита), обеспечивающего большой срок их службы. При включении выключателя сначала замыкаются дугогасительные контакты, а затем шунтирующие их главные контакты. При отключении контакты размыкаются в обратном порядке. Таким образом защищаются от обгорания главные контакты.
