По Справочник по электрическим аппаратам высокого напряжения / Н. М. Адоньев, В. В. Афанасьев, И. М. Бортник и др.; Под ред. В. В. Афанасьева. — Энергоагомиздат. 1987.
Краткая история развития высоковольтных масляных выключателей (MB).
Масляные выключатели появились в конце прошлого века и долгие годы являлись единственным видом выключающего аппарата в цепях высокого напряжения. Первые масляные выключатели представляли собой бак (резервуар) круглой, овальной или прямоугольной формы. Сквозь крышку этого бака проходили изоляторы, на нижних концах которых закреплялись неподвижные контакты. Подвижный контакт, перемыкающий два неподвижных контакта одного полюса, соединялся с приводным механизмом посредством изоляционной тяги. Бак заполнялся трансформаторным маслом до определенного уровня, но так, что контактная система оказывалась полностью погруженной в масло. Между поверхностью масла и крышкой бака находился воздух при атмосферном давлении (воздушная подушка).
При отключении масляного выключателя его подвижный контакт отходит от неподвижных контактов и между ними возникают две дуги, включенные последовательно (рис. 1, а). Под действием высокой температуры дуги окружающее ее масло испаряется и разлагается, образуя вокруг дуги газовый пузырь. Процесс газообразования протекает чрезвычайно быстро и бурно, а так как масса масла обладает достаточно большой инерцией, то давление в газовом пузыре очень быстро повышается и достигает достаточно большого значения.
Рис. 1. Схемы дугогасительных устройств масляных выключателей
По мере движения подвижного контакта длина дуг и размеры газового пузыря увеличиваются. При некоторой длине дуги в один из моментов перехода тока через нуль дуга гаснет. Значительное количество водорода в газовом пузыре, по существу, и определяет высокую дугогасящую способность трансформаторного масла. Рассмотренный способ гашения дуги в масле получил название простого разрыва под маслом. В рассмотренном масляном выключателе масло служит не только дугогасящей средой, но и изоляцией между разомкнутыми контактами одного полюса (и контактами соседних полюсов, если все полюсы находятся в одном баке). Бак масляного выключателя может быть заземлен или изолирован от земли, например установкой его на изолятор. Если бак масляного выключателя заземлен, то масло также является изоляцией между частями, находящимися под напряжением и заземленными. Такие выключатели получили название баковых или многообъемных масляных выключателей (масляные выключатели с большим объемом масла).
Если бак масляного выключателя изолирован, то масло может являться либо только дугогасящей средой, либо одновременно дугогасящей средой и изоляцией между разомкнутыми контактами одного полюса. Такие выключатели получили название масляные выключатели с малым объемом масла (малообъемные или маломасляные).
Роль масла в масляном выключателе является их основным классификационным признаком.
Баковые масляные выключатели подразделяются на однобаковые (когда токоведущие части трех полюсов находятся в одном общем баке) и трехбаковые (когда токоведущие части каждого полюса находятся в отдельном баке).
Малообъемные масляные выключатели подразделяются на одноразрывные (с одним местом разрыва тока на полюс) и многоразрывные (с несколькими местами разрыва тока на полюс).
При номинальных напряжениях 3—10 кВ и токах отключения 10—25 к A масляные выключатели с простым разрывом под маслом работали в энергосистемах удовлетворительно. Однако с повышением номинального напряжения до 20—35 кВ, а затем и до 110 кВ, а также с увеличением токов отключения работа масляного выключателя с простым разрывом под маслом становилась ненадежной. Одной из попыток улучшить работу таких масляных выключателей явилось применение многократного разрыва, т. е. одновременного размыкания от 4 до 12 контактов, соединенных последовательно, и образования такого же числа дуг. Однако это мероприятие не дало существенного эффекта и от него пришлось отказаться. Для улучшения работы масляных выключателей были предложены специальные дугогасительные устройства (ДУ), или, как они назывались вначале, гасительные камеры.
Простая гасительная камера (рис. 1, б) представляет собой корпус из металла (с изолированными стенками) или из специальной пластмассы, имеющей достаточно большую механическую прочность. В верхнем дне этого корпуса закрепляется неподвижный контакт, а в нижнем имеется отверстие для подвижного контакта цилиндрической формы. Причем кольцевой зазор между подвижным контактом и стенками отверстия в дне незначителен.
При размыкании неподвижного и подвижного контактов между ними возникает дуга и образуется газовый пузырь. Вследствие небольшого объема ДУ давление в газовом пузыре существенно больше, чем при простом разрыве под маслом. При выходе подвижного контакта из отверстия в донышке вслед за ним из ДУ вырывается поток газа и паров масла, находящихся под большим давлением (газомасляное дутье). Этот момент наиболее благоприятен для гашения дуги. Однако он может и не совпадать с моментом прохождения тока через нуль, и тогда эффективность гашения дуги существенно уменьшается. При отключении малых токов давление в ДУ незначительно повышается и гашение дуги, по существу, происходит так же, как и при простом разрыве под маслом
ДУ с принудительным масляным дутьем еще до выхода подвижного контакта из ДУ явились дальнейшим усовершенствованием простой гасительной камеры.
В ДУ с продольным масляным дутьем (рис. 1, е) корпус разделен изоляционной перегородкой с отверстиями на две части. В центре перегородки расположен промежуточный контакт, который может передвигаться на небольшое расстояние. В верхней части корпуса закреплен неподвижный контакт, а в нижней имеется отверстие для трубчатого подвижного контакта. При включенном положении масляного выключателя неподвижный контакт соприкасается с верхним торцом промежуточного контакта, а нижний торец последнего — с подвижным контактом. При отключении начинается одновременное перемещение подвижного и промежуточного контактов, образуется промежуток между промежуточным и неподвижным контактами и между ними возникает дуга, называемая генерирующей. Она создает давление внутри корпуса. Промежуточный контакт проходит расстояние 15—20 мм и останавливается. Тогда между ним и подвижным контактом, продолжающим свое движение, возникает вторая дуга, называемая гасимой. Под действием давления, созданного генерирующей дугой, масло устремляется к гасимой дуге, входит в тесное соприкосновение с ней и через полость трубчатого подвижного контакта выходит в бак масляного выключателя, в котором масло находится под атмосферным давлением. Таким образом, эффективное воздействие газомасляной смеси на дугу происходит внутри ДУ еще до выхода из него подвижного контакта, что способствует быстрому гашению дуги при переходе тока через нуль.
В ДУ с поперечным масляным дутьем (рис. 1, г) к корпусу присоединен набор изоляционных пластин с центральными отверстиями. Часть пластин (через одну) имеет со прорези (щели), ведущей наружу. При размыкании неподвижного и подвижного контакта между ними возникает дуга, создающая повышенное давление в ДУ. Однако выход масла из ДУ через прорези в пластинах закрыт подвижным контактом. После прохода подвижным контактом первой щели открывается выход маслу из ДУ. Поперечная струя масла входит в тесное соприкосновение с дугой, способствуя ее гашению. Если после открытия подвижным контактом первой щели не произошло гашения дуги, то вскоре открывается вторая щель и на дугу воздействуют уже две струи масла и т. д.
ДУ с масляным дутьем позволили существенно повысить надежность работы масляного выключателя, увеличить их токи отключения и номинальные напряжения. Однако эффективность работы ДУ с масляным дутьем сильно зависит от тока отключения. При больших токах отключения давление в ДУ значительное и гашение дуги происходит успешно. При малых токах давление в ДУ небольшое и эффективность гашения дуги понижается. Кроме того, давление изменяется и за полупериод тока: оно больше при максимуме тока и меньше при переходе тока через нуль. А для успешного гашения дуги именно при переходе тока через нуль необходимо возможно более эффективное воздействие масла на дугу.
Для некоторого выравнивания давления при отключении различных токов, а также при изменении тока за полупериод были предложены следующие усовершенствования:
Введение в ДУ воздушной подушки.
Для этого в верхней части корпуса ДУ предусматривается закрытое пространство; в нем при заполнении масляного выключателя маслом остается некоторый объем воздуха, который, сжимаясь, уменьшает давление в ДУ при максимальном токе отключения, а разжимаясь, повышает давление при уменьшении тока.
Введение воздушной подушки, образуемой пружинно-поршневым механизмом. При повышении давления в ДУ сверх установленного поршень, сжимая пружину, поднимается, увеличивая объем ДУ и тем самым уменьшая давление в нем. При уменьшении тока давление начинает уменьшаться, но поршень, опускаясь, поддерживает давление на требуемом уровне
Изменение длины генерирующей дуги.
Для этого неподвижный контакт рычажной системой соединяется с пружинно-поршневым механизмом, реагирующим на давление в ДУ. При повышении давления в ДУ сверх установленного поршень, поднимаясь, перемещает неподвижный контакт, приближая его к промежуточному, так что расстояние между этими контактами и длина дуги уменьшаются. При уменьшении давления поршневой механизм разводит контакты, увеличивая длину дуги. В результате давление в ДУ поддерживается на требуемом уровне.
Создание интенсивного масляного дутья, независимого от тока. Такое дутье поперек дуги создается мощным пружинно- поршневым механизмом при размыкании контактов. Такие выключатели получили название импульсных масляных выключателей. Однако из-за сложности конструкции как самого масляного выключателя, так и привода к нему импульсные масляные выключатели не получили распространения.
Рис. 2. Эволюция технических параметров бакового масляного выключателя на 220 кВ
1 — масса трехполюсного выключателя с приводом без масла, кг; 2 — масса масла в трехполюсном выключателе, кг; 3 — удельный расход материалов, кг/(МВ-А); 4 — удельный расход масла, кг/(МВ-А).
5. Применение камер встречно-поперечного дутья (рис. 1, д).
Совершенствование масляных выключателей шло не только по пути улучшения работы ДУ, хотя это являлось главным, но и по пути улучшения изоляционных конструкций и других элементов выключателя (рис. 2).
Недостаток масляных выключателей — наличие в них масла, являющегося горючим материалом, г. е. необходимость постоянно наблюдать за уровнем масла и за его электрическими характеристиками. Последнее особенно тщательно и регулярно должно проводиться в баковых масляных выключателей. Кроме того, в баковых масляных выключателях при затянувшемся либо неудачном отключении или же пробое изоляции чрезвычайно быстро образуется большое количество газов, в результате чего может произойти взрыв масляного выключателя. Последствия такого взрыва могут оказаться очень тяжелыми, так как масло, находящееся в масляном выключателе, в зависимости от номинального напряжения имеет массу от нескольких десятков до десятков тысяч килограммов (рис. 2, кривая 2). Однако в современных конструкциях баковых масляных выключателях вероятность взрыва весьма незначительна. Малообъемные масляные выключатели практически взрыво- и пожаробезопасны.
Вследствие простоты конструкции и эксплуатации масляные выключатели получили широкое распространение в энергетике. В настоящее время они изготавливаются на напряжения от 10 до 220 кВ, номинальные токи от 200 до 11 200 А и токи отключения 90 кА.
В ДУ масляных выключателей любого исполнения под действием высокой температуры дуги происходит испарение масла и диссоциация паров его. Вокруг дуги образуется газовый пузырь, заполненный наполовину парами масла и наполовину продуктами его разложения. Последние содержат примерно 70 % водорода (причем в области дуги и ее ореола содержится атомарный водород), около 17 % ацетилена, 9 % метана и другие газообразные углеводороды. В очень малых количествах выделяется свободный углерод, который может осаждаться на поверхности детали из изоляционных материалов (в основном горизонтально расположенных). Водород обладает наибольшей теплопроводностью и наименьшей вязкостью из всех газов. Эти свойства водорода определяют собой его высокую охлаждающую способность и в значительной мере объясняют хорошую дугогасящую способность масла. Кроме того, нагреваемые дугой газы и пары масла стремятся расшириться, чему препятствует инерция окружающего газовый пузырь масла и стенки бака или ДУ. Поэтому давление в газовом пузыре даже при простом размыкании контактов в масле повышается, достигая 0,5—I МПа и более. Повышенное давление ведет к увеличению электрической прочности остаточного ствола дуги. В ДУ давление намного выше.
В баковых масляных выключателях горячие газы, выходящие из камеры, попадают в масло, в котором пары конденсируются, а газы охлаждаются при прохождении сквозь слой масла над ДУ. В воздушное пространство между поверхностью масла и крышкой бака попадают уже охлажденные газы. При недостаточной высоте слоя масла над ДУ газы (водород, метан и др.) не успевают охладиться. Поступление же горячих газов в воздушное пространство может привести к взрыву масляного выключателя. Недопустим выхлоп горячих газов и в атмосферу. Поэтому масломасляные выключатели снабжаются маслоотделителями, в которых конденсируются пары масла и охлаждаются продукты его разложения.
