Выключатели и измерительные трансформаторы в КРУ 6-220 кВ - Требования к выключателям для работы в КРУ

1. ТРЕБОВАНИЯ К ВЫКЛЮЧАТЕЛЯМ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫМ ДЛЯ РАБОТЫ В КРУ

Основным аппаратом, от работы которого в основном зависят бесперебойность и надежность электроснабжения потребителей, из всего оборудования, применяемого в любых конструкциях комплектных распределительных устройств, является выключатель.
С учетом этого, а также в связи с вводом в эксплуатацию значительных мощностей в энергетике и интенсивным развитием электрификации во всех отраслях народного хозяйства, повысились требования, предъявляемые к выключателям для КРУ.
Основные требования к выключателям для КРУ, к конструкции, механической стойкости и работоспособности, электрической прочности изоляции, нагреву при длительной работе и токах короткого замыкания (КЗ), стойкости при сквозных токах КЗ, коммутационной способности, надежности и безопасности приведены в ГОСТ 687-78Е "Выключатели переменного тока на напряжение свыше 1000 В. Общие технические условия".
На выключатели для КРУ распространяются также требования безопасности, изложенные в государственных стандартах системы стандартов безопасности труда (ССБТ): ГОСТ 12.2.007.0-75* "Изделия электротехнические. Общие требования безопасности"; ГОСТ 12.2.007.3-75* "Электротехнические устройства на напряжение свыше 1000 В. Требования безопасности".
В объем общих требований к выключателям для КРУ входят требования по климатическим условиям эксплуатации. Они рассчитаны на климатическое исполнение У, категорию размещения 2 для применения в КРУ наружной установки и 3 для КРУ внутренней установки.
Для выключателей, работающих в КРУ, нижнее значение рабочей температуры окружающего воздуха принимается равным минус 25 °С. Выключатели рассчитываются для работы на высоте над уровнем моря до 1000 м и удовлетворяют в части воздействия климатических факторов внешней среды требованиям ГОСТ 15150-69* и ГОСТ 15543-70*.
Выключатели, применяемые в КРУ, подразделяются: по принципу гашения электрической дуги - на маломасляные, электромагнитные, вакуумные и элегазовые; по виду привода в зависимости от рода энергии, используемой в процессе включения - с двигательным приводом зависимого (прямого) действия (электромагнитным, электродвигательным), непосредственно использующим электроэнергию постоянного, переменного или выпрямленного тока; с двигательным приводом независимого (косвенного) действия, использующим энергию, запасенную в приводе до совершения операции; пружинным, с запасаемой потенциальной энергией предварительно заведенных пружин; пневматическим или пневмогидравлическим, с запасаемой потенциальной энергией предварительно сжатого газа (воздуха) в резервуаре привода (выключателя). Все выключатели, применяемые в КРУ последних конструкций, имеют встроенные приводы, являющиеся неотъемлемой, конструктивно не вы деленной частью выключателя.
Выключатели могут быть рассчитана на работу при автоматическом повторном включении (АПВ) и не предназначены для работы при АПВ.
К основным номинальным параметрам выключателя относятся: номинальное напряжение UH0M;    набольшее рабочее напряжение Uн.ном; номинальный ток Iном; номинальный ток отключения/оном; Iном  включающих и отключающих устройств выключателя (привода) и элементов вспомогательных цепей управления, блокировки, сигнализации, защиты.
Обязательным требованием, предъявляемым к конструкции выключателей, является то, что все резьбовые соединения должны иметь элементы против самоотвинчивания; трущиеся части нуждающиеся в периодической смазке, должны иметь смазочные отверстия или приспособления для смазки; металлические части должны иметь защитные покрытия; должно быть место с контактной площадкой для присоединения заземляющего проводника с указанием знака заземления.
Выключатели должны иметь: указатели включенного и отключенного положения, причем если выключатель выполнен в виде отдельных полюсов, то такой указатель устанавливается на каждом полюсе; удобно расположенные элементы устройства для регулировки при монтаже и эксплуатации, а также для осмотра и ремонта; электрические и пневматические элементы схем управления и питания выключателя или привода сжатым газом; контактные зажимы выводов, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 10434 -82, гост 21242-75 ; ГОСТ 19132-86; возможность замены отдельных деталей и сборочных единиц при производстве ремонтных работ; газоотводы, выхлопные и предохранительные устройства, расположенные так, чтобы выброс продуктов, образующихся при гашении дуги, был направлен в сторону от места, где может работать обслуживающий персонал, а также размещаться элементы выключателя для КРУ, находящиеся под напряжением; счетчики числа срабатываний (обязательно на выключателях с пружинными приводами).
Конструкция выключателя с приводом, кроме приведенного выше назначения, обеспечивает возможность: местного оперативного и неоперативного отключения путем ручного воздействия на элемент механизма (защелку, кнопку, клапан и пр.); местного неоперативного включения путем ручного воздействия на элемент механизма и (или) использования специального приспособления (домкрата, рычага и др.).
В конструкциях пружинных приводов предусматриваются: блокировка, препятствующая работе выключателя, когда привод не находится в состоянии готовности; устройство для автоматического и ручного или только ручного завода включающей пружины (пружин), которое должно допускать завод пружины непосредственно после включения выключателя для возможности осуществления АПВ; устройство для сигнализации об окончании завода пружины и готовности к включению  выключателя в виде отдельного вспомогательного контакта на две цепи, а также механического указателя; устройства для присоединения с помощью штепсельного разъема или вилки с цепями управления для оперативного включения выключателя; исполнение со встроенными расцепителями отключения (до шести у привода ПП-67 или выключателя ВМПП-10), в том числе: одного или двух отключающих электромагнитов, одного минимального расцепителя напряжения с выдержкой времени, до четырех расцепителей максимального тока без выдержки времени или до трех расцепителей с выдержкой времени.
Выключатель, применяемый в КРУ, выполняет следующие механические операции и циклы операций при условиях, оговоренных ниже, и с характеристиками работы механизма выключателя, обеспечивающими нормированные параметры коммутационной способности выключателя: включение (В); отключение (О); включение - отключение (ВО), в том числе без преднамеренной выдержки времени между В и О; отключение - включение (ВО) при любой бесконтактной паузе, начиная от t6K, соответствующей t6r; отключение - включение - отключение (ОВО) с интервалами времени между операциями согласно предыдущим требованиям. Требования к циклам ОВ и ОВО относятся только к выключателям, предназначенным для работы при АПВ.
Включение выключателя с посадкой привода на защелку должно обеспечиваться при минимально регламентируемом напряжении на зажимах электромагнита выключателя (привода) во время совершения операции, а также при начальном избыточном давлении (для пневматических и пневмогидравлических приводов) в диапазонах, ограниченных нижним и верхним пределами в процентах номинальных значений величин:
напряжения для приводов зависимого (прямого) действия постоянного тока - от 85 до 110%;

напряжения для включающих электромагнитов приводов независимого (косвенного) действия - от 80 до 110%;
давления для пневматических приводов - от 85 до 105%, давления для пневматических приводов, питающихся из общего с выключателем резервуара сжатого воздуха в пределах, приведенных в табл. 1.
Диапазон напряжений для приводов зависимого (прямого) действия переменного и постоянного тока, подключаемых к сети переменного тока через выпрямительные устройства, приводится в нормативно-технических и эксплуатационных документах.
Диапазон давления для пневматических приводов, осуществляющих не только включение, но и отключение выключателя сжатым воздухом, для пневматических приводов с индивидуальным компрессором или насосом, а также для пневмогидравлических приводов приводится в нормативно-технических и эксплуатационных документах.
Отключение выключателя с помощью электромагнита, воздействующего на удерживающее устройство привода либо на пневматический или гидравлический клапан отключения, обеспечивается напряжением на зажимах электромагнита выключателя (привода) в диапазонах, ограниченных нижним и верхним пределами:
от 70 до 110% - при питании электромагнитов постоянным током;
от 65 до 120% - при питании электромагнитов переменным током, а также постоянным током при подключении электромагнитов к сети переменного тока через выпрямительные устройства.
Отключение с помощью встроенных в привод минимальных расцепителей напряжения и максимальных расцепителей тока обеспечивается по характеристикам этих расцепителей.
Минимальный расцепитель напряжения с выдержкой времени, встроенный в привод выключателя, имеет:
номинальное напряжение переменного тока 100, 127, 220 или 380 В;
напряжение срабатывания - от 35 до 50% Uном; при наличии возможности регулирования напряжения срабатывания отклонение этого напряжения относительно уставки принимается в пределах ± 10%;
напряжение возврата - не более 85% Uном;
потребление мощности при подтянутом якоре и при номинальном напряжении - не более 30 В * А;
выдержку времени срабатывания (при полном снятии напряжения) - от 0,5 до 4 с или от 1 до 9 с (в зависимости от исполнения);
отклонение времени срабатывания относительно среднего значения при пяти измерениях при уставках времени на крайних пределах и полном снятии напряжения - не выше ± 0,3 с при нижнем пределе и ± 0,5 с при верхнем пределе выдержки.
Максимальный расцепитель тока мгновенного действия (без выдержки времени), встроенный в привод выключателя, имеет следующие характеристики:
отключающие токи (в зависимости от уставки) - в диапазоне от 5 до 200 А, причем на меньший диапазон могут быть несколько исполнений отключающих токов, с плавным, ступенчатым или комбинированным способом изменения уставок и с обеспечением возможности (при ступенчатом способе) получения не менее двух уставок внутри каждого диапазона; отклонение тока срабатывания:
при ступенчатом способе изменения уставок - относительно тока уставки по шкале не более ± 10%;
при плавном способе изменения уставок — относительно среднего значения на одной уставке при пяти измерениях не более ± 4%;
потребление мощности при неподтянутом якоре и токе 5 А при уставке 5 А - не белее 30 В * А; потребление при подтянутом якоре и при других уставках должно сообщаться изготовителем по запросу потребителя.
Максимальный расцепитель тока с ограниченно зависимой выдержкой времени, встроенный в привод выключателя, имеет следующие характеристики:
отключающие токи (в зависимости от уставки) — в диапазоне от 5 до 35 А, причем с отклонениями и получением двух уставок внутри каждого диапазона, как у расцепителя тока мгновенного действия;
потребление мощности при неподтянутом якоре и токе 5 А на уставке 5 А - не более 40 В - А;
выдержку времени срабатывания (в независимой от тока части характеристик) в диапазонах от 0 до 2 с или от 0 до 4 с (в зависимости от исполнения, с плавной регулировкой от 0,5 с до наибольшей уставки и с временем срабатывания при уставке на 0 с, не превышающим 0,2 с;
отклонение времени срабатывания (в независимой от тока части характеристик) относительно среднего значения на одной уставке при пяти измерениях - не более 0,2 с;
переход на независимую от тока часть характеристики при кратности тока (относительно тока уставки) 3 ± 0,5; минимальный коэффициент возврата - не менее 0,6. По механической стойкости выключатели до среднего ремонта должны выдерживать следующее число циклов "включение - произвольная пауза — отключение" (В - tn - О):
Маломасляные и воздушные не менее 3000
Элегазовые не менее 5000
Вакуумные по указаниям в нормативно-технической документации конкретных выключателей
Для каждого полюса выключателя без осмотра и ремонта дугогасительного устройства допустимое число операций отключения (коммутационная износоустойчивость) при токах КЗ и при нагрузочных токах указывается в нормативно-технической документации на конкретный тип выключателя, причем для токов КЗ оно должно составлять: не менее приведенного в табл. 2 при токах в диапазоне от 60 до 100% Iоном; не менее числа операций, в 2 раза большего числа операций 0, приведенного в табл. 2, при токах в диапазоне от 30 до 60% Iоном   для воздушных выключателей и в 2,5 раза больше для остальных выключателей. Для электромагнитных выключателей это число регламентируется нормативно-технической документацией.
Таблица 2

Требования к электрической прочности изоляции выключателей приведены в ГОСТ 1516.1-76* и подтверждаются в стандартах и технических условиях на конкретные типы выключателей. Там же указываются требования электрической прочности изоляции выключателей категории размещения 2 в части конденсации влаги (выпадения росы).
Испытательные напряжения частоты 50 Гц выключателей для КРУ с нормальной изоляцией приведены в табл. 3.
В эксплуатации при вводе в действие нового оборудования или после ремонта испытания повышенным напряжением проводятся по нормам приемно-сдаточных испытаний, приведенным в гл. 1.8 ПУЭ для электроустановок потребителей и по "Нормам испытаний электрооборудования" для предприятий энергосистем Минэнерго СССР.
Межвитковая изоляция обмоток электромагнитов цепей управления выключателя должна выдерживать в течение 1 мин воздействие приложенного между выводами обмотки напряжения переменного тока частотой 50 Гц или повышенной. Действующее значение этого напряжения должно быть равно 3,5 Uп.ном для обмоток переменного тока и 2,5 Un-ном для обмоток постоянного тока.
Требования к выключателям по нагреву в продолжительном режиме приведены в ГОСТ 8024-84. Приведенные в стандарте наибольшие допустимые температуры нагрева элементов выключателей, а также превышения температуры не должны быть больше регламентируемых при следующих условиях: для главной цепи - при токе, равном Iном;
для обмоток электромагнитов продолжительного режима работы, включая обмотки минимальных расцепителей напряжения -при напряжении на выводах, равном 1,1 Uп.ном,
для обмоток максимальных расцепителей тока, при наименьшей уставке отключающего тока для конкретного исполнения расцепителя - при токе, равном 5,5 А для исполнения с наименьшей уставкой 5 А, и 10 А для исполнения с наименьшей уставкой 10 А и более;
для контактов, контактных зажимов и других элементов вспомогательных цепей продолжительного режима - при токе 10 А; для элементов цепи с потреблением до 0,5 А - при токе 1 А.
Наибольшие допустимые температуры (и их превышения) элементов вспомогательных цепей (кроме электродвигателей) кратковременного режима работы (только в период включения или отключения выключателя) должны соответствовать требованиям ГОСТ 8024-84 после 10-кратного срабатывания при напряжении на выводах обмотки, равном 1,1 Uп.ном Для обмоток включающих электромагнитов приводов зависимого действия, при напряжении UnM0M - с минимально возможными интервалами времени между моментами подачи напряжения. Обмотки отключающих электромагнитов должны, кроме того, выдерживать без повреждений, могущих препятствовать исправной работе, приложенное в течение 10 с (после срабатывания) напряжение, равное 1,1 Un-H0M.
У электродвигателей приводов в случае использования их при напряжении, превышающем наибольшие допустимые температуры, их превышения должны соответствовать требованиям ГОСТ 183-74** после 10-кратного срабатывания привода при напряжении на зажимах двигателя, равном Uп.ном, с минимально возможными интервалами времени между моментами подачи напряжения.
В части требований к стойкости при сквозных токах КЗ выключатель во включенном положении должен выдерживать без повреждений, препятствующих его исправной работе, электродинамическое и термическое воздействия сквозных токов КЗ с параметрами до нормированных значений:
наибольший пик i (ток электродинамической стойкости, равный 2,55 Iо.ном);
начальное действующее значение периодической составляющей  Iнf равное Iо.ном;
среднеквадратичное значение тока за время его протекания (ток термической стойкости) /т не менее Iо.ном;

Рис. 1. Периодическая и апериодическая составляющие тока КЗ: АА и ВВ — огибающие кривой тока; ВХ — нулевая линия; СС — кривая смещения нулевой линии кривой тока (кривая апериодической составляющей); ЕЕ' — момент прекращения соприкосновения дугогасительных контактов (возникновения дуги); 10 п — действующее значение периодической составляющей тока отключения, отнесенное к моменту ЕЕ; l'a — апериодическая составляющая тока отключения в момент ЕЕ; i — амплитуда тока отключения в момент ЕЕ'
время протекания тока (время КЗ) tK, равное 1 или 3 с. По согласованию с заказчиком допускается у конкретных типов выключателей нормировать значения / и 1Н П большими, чем приведены выше.
Элементы цепей максимальных расцепителей, включая обмотки электромагнитов, встроенные в привод, должны при подтянутом якоре выдерживать без повреждений протекание тока 150 А в течение 1 с для расцепителей мгновенного действия на уставки отключающего тока менее 80 А и 2 с для расцепителей с выдержкой времени, а обмотки электромагнитов расцепителей мгновенного действия на уставки отключающего тока 80 А и более должны выдерживать протекание тока 250 А в течение 1 с.
Коммутационная способность выключателей при КЗ должна обеспечиваться при указанных ниже характеристиках и условиях.
По напряжению сети должно выбираться номинальное напряжение выключателя Uном.
По току отключения, отнесенному к соответствующим нормированным ниже условиям восстановления напряжения. Действующее значение его периодической составляющей 10 п, момент прекращения соприкосновения дугогасительных контактов (рис. 1)-должно соответствовать/о ном; процентное содержание его апериодической составляющей /а в момент, указанный выше 3 (см. рис. 1) - должно соответствовать нормированному значению Рн, определяемому по кривой рис. 2 в функции времени т от момента возникновения КЗ до момента прекращения соприкосновения дугогасительных контактов (время т принимается равным собственному времени отключения выключателя to c с добавлением 10 мс).

Восстанавливающееся напряжение должно соответствовать нормированным характеристикам собственного переходного восстанавливающегося напряжения (Г1ВН), определяемым двумя параметрами (ис и t3), а также координатами и и td, определяющими линию запаздывания (рис. 3), или четырьмя параметрами (и 1, ис, tj, t2), а также координатами и'и td.

Рис. 2. Процентное содержание апериодической составляющей тока КЗ
Применение двух или четырех параметров в зависимости от Uном выключателя принимается по табл. 4 и рис. З.В этой же таблице указаны также значения коэффициента первого гасящего полюса Кп г и коэффициента

Значения нормированных характеристик для ПВН, определяемых двумя и четырьмя параметрами, приведены в ГОСТ 687-78*Е.

Рис. 3. Нормированные характеристики ПВН определяемого двумя (а) и четырьмя (б) параметрами:
1 — условная граничная линия ПВН; 2 — линия запаздывания ПВН (параллельная граничной линии)

Начальное действующее значение периодической составляющей тока включения до нормированного значения 1В Н должно быть не менее Iо.ном, а его наибольший пик /в до нормированного значения L „ должен быть не менее 2,55 Т ,,.
в.н                                                                                                 5 В.Н
Наряду с Iо.ном для оценки коммутационной способности иногда широко применяют (особенно инофирмы) параметр мощности отключения выключателя.
Повреждения в шкафах КРУ в основном носят временный характер, и если это повреждение отключить выключателем и дать возможность восстановиться прочности перекрытой изоляции, то при повторном включении выключателя присоединение к шкафу КРУ будет продолжать работать в нормальном режиме. Статистика показывает, что такие повреждения составляют 80% их общего числа.
Возможность выполнения выключателем АПВ позволяет значительно повысить надежность энергоснабжения потребителя и повысить экономическую эффективность. Вместе с тем имеются случаи, когда после отключения выключателем тока КЗ повреждение в цепи остается, и выключатель должен иметь способность повторного отключения тока КЗ.
В части требований к коммутационной способности выключателей они должны выдерживать стандартные и испытательные циклы при номинальных значениях токов включения и отключения.
Выполняемая выключателем последовательность коммутационных операций с заданными интервалами между ними для выключателей, предназначенных для работы при АПВ, регламентируется циклами:
цикл 1: О - t6T - ВО - 180 с - ВО: цикл 1 а: О - £бт ВО - 20 с - ВО; цикл 2: О - 180 с - ВО - 180 с - ВО.
Обозначения:
О - операция отключения тока КЗ; ВО - операция включения на ток КЗ и немедленно следующая за нею операция отключения; - гарантированная для данного выключателя минимальная бестоковая пауза при АПВ, значения которой могут находиться в пределах 0,3-1,2 с, причем для выключателей, предназначенных для работы при быстродействующем АПВ (БАПВ), они принимаются равными 0,3 с; 180 и 20 с - промежуток времени. Коммутационная способность выключателей, работающих в режиме АПВ, обеспечивается также при бестоковых паузах, больших £бт.
Для выключателей, не предназначенных для работы при АПВ, применяется только цикл 2.
Если один и тот же выключатель применяется с разными типами приводов, то (при необходимости) изготовитель может нормировать для каждого из этих типов привода свои значения тока включения и отключения.
Выключатели должны отключать токи намагничивания ненагруженных трансформаторов. Выключатели на 110 и 220 кВ в отношении отключения ненагруженных линий должны удовлетворять требованиям ГОСТ 12450-82.
Из всего электрооборудования и приборов, применяемых в КРУ, выключатель является наиболее сложным и ответственным элементом и его надежность имеет решающее значение в определении надежности всего распределительного устройства (РУ) из шкафов КРУ.
Надежность работы выключателя характеризуется отказом его в работе или его несущественными повреждениями. Отказ - неисправность, которая не дает возможности выключателю выполнять свою основную функцию включения или отключения, например, перекрытие изоляции выключателя, повреждение токоведущей цепи, препятствующее прохождению тока, отказы в гашении электрической дуги. При отказе выключатель выводится из эксплуатации. Несущественные повреждения - это неисправности, при которых выключатель может оставаться в работе, но их можно устранить в последующем, когда представится возможность. Отказы и несущественные повреждения, обусловленные неправильной эксплуатацией, при оценке надежности не учитываются.
Количественно надежность выключателя может выражаться вероятностью безотказной работы или интенсивностью отказов. В объем требований к выключателям по надежности входят механический ресурс, средний срок службы до среднего ремонта и срок службы выключателя до списания.
Механический ресурс выключателя до капитального ремонта принимается не менее числа циклов, приведенных выше при рассмотрении требований к механической износостойкости.
Средний срок службы выключателей до первого среднего ремонта, если до этого срока не исчерпан механический ресурс выключателя или нормированное допустимое число операций по коммутационной износостойкости, принимается: не менее 8 лет для маломасляных и электромагнитных выключателей; не менее 10 лет - для вакуумных и элегазовых; для выключателей с государственным Знаком качества указанные сроки увеличиваются на 1 год.
Срок службы выключателя до списания составляет не менее 25 лет. Установленная безотказная наработка выключателей указывается в технических условиях на конкретные типы выключателей.
Требования безопасности к конструкции выключателей, приведенные в ГОСТ 12.2.007.3-75* следующие:
на выключателях (приводах) должны быть указатели включенного и отключенного положений, причем применение для этих целей только сигнальных ламп не допускается;
масляные выключатели должны иметь указатели уровня масла;
вакуумные выключатели должны иметь защиту от рентгеновского излучения при испытаниях повышенным напряжением;
длина рукоятки рычажного привода должна быть не более 350 мм для одноплечевых и не более 700 мм для двуплечевых рычагов. Диаметр окружности, описываемый концом рукоятки штурвального привода, должен быть не более 700 мм. Среднее усилие по окружности во всех указанных случаях не должно превышать 245 Н (25 кгс);
в пружинных приводах выключателей должна быть предусмотрена возможность установки механических блок-замков для выполнения блокировки с аппаратами внешних присоединений;
не допускается оперативное включение вручную выключателей с двигательным приводом;
допускается производить оперативное включение выключателей вручную, если мощность КЗ в месте установки выключателей не превышает 150 MB-А, а ток КЗ не превышает: 6 кА - начального эффективного значения периодической составляющей; 15 кА - амплитудного значения;
электрическая схема выключателя должна исключать возможность его самопроизвольного включения и отключения;
выключатели массой более 20 кг должны иметь устройства для их подъема, опускания и удерживания на весу при монтажных и такелажных работах;
для присоединения заземляющего проводника должны применяться сварные или резьбовые соединения. Заземляющие зажимы должны соответствовать требованиям ГОСТ 21130-75*.
Не допускается использование для заземления болтов, винтов, шпилек, выполняющих роль крепежных деталей.
Создатели и разработчики новых конструкций выключателей вопросам безопасности уделяют особое внимание.