Замена воздушных дугогасительных камер на вакуумные

Перцев А.А., Ляшенко В.Д., Рыльская Л.А.

В результате модернизации воздушного выключателя ВВ- 10 на номинальный ток отключения 20 кА при 10 кВ путем замены воздушных дугогасительных камер на вакуумные получен аппарат, дугогасительный блок которого рассчитан на механическую износостойкость 150 тыс. циклов, электрическую износостойкость при токе 1000 А — 75 тыс. циклов, а при токе 20 кА - 200 отключений. Рассмотрена возможность повышения надежности работы устройства КАГ-24-30/30000 УЗ путем замены в нем воздушных дугогасительных камер на вакуумные.
The obtained modernization of air-blast circuit-breaker BB- 10 for a rated breaking current 20 kA at 10 kV with the help of substation of air-blast interrupter by vacuum interrupters is described apparatus has an arc extinguishing unit designed for mechanical life of 150 thousand cycles, electrical life of 75 thousand cycles at a current 100 A and 200 breakings at a current 20 kA. Consideration is given to the possibility of improving yte reliability of а КАГ-24-30/300 УЗ equipment by replacement of its air-blast interrupters to vacuum ones.

В лаборатории больших мощностей ГУП ВЭИ с середины 60-х годов эксплуатировался воздушный выключатель ВВ-10 на номинальное напряжение 10  кВ, номинальный ток отключения 20 кА [1]. В схемном отношении он включен между машинным генератором ТИ- 12, обеспечивающим получение при КЗ мощности до 250 МВ.А, и одним из трех испытательных трансформаторов: повышающим 6/12 кВ, 20 МВ.А для испытаний коммутационной способности аппаратов или одним из понижающих трансформаторов 6,6/0,55 кВ, 1,8 MB.А или 10 MB.А для испытаний аппаратов на сквозные токи и термическую стойкость.

Выключатель ВВ-10 выполнял лишь функцию так называемого защитного аппарата, т.е. отключал испытательный трансформатор от генератора ТИ- 12. Функцию включения выполнял другой, так называемый включающий аппарат, соединенный последовательно с защитным. Поэтому дугогасящие контакты и разъединитель выключателя ВВ-10 смыкались всегда без тока. Но отключение могло произойти и при токе Х.Х. испытательного трансформатора (несколько ампер) при условии, что испытуемый аппарат отключил успешно поданную на него токовую нагрузку, и при полном токе КЗ (до 20 кА) в случае отказа этого аппарата.
К силовым шинам генератора ТИ-12 присоединены тиритовые разрядники, ограничивающие уровень возможных перенапряжений амплитудой не более 23 кВ. Наибольшие трудозатраты за время эксплуатации стенда по поддержанию его в рабочем состоянии требовались для выключателя ВВ- 10. Обусловлено это чрезвычайно малой электрической износостойкостью этого аппарата при отключении тока КЗ, которая при токе 20 кА составляет лишь 20 отключений.
Надежность работы стенда в 1999 г. существенно увеличена, а эксплуатационные расходы минимизированы после модернизации защитного выключателя. Модернизация состояла в замене воздушных дугогасительных камер на вакуумные. Остальные элементы выключателя изменений не претерпели. Сохранены в прежнем виде также схема управления выключателем и схема защиты генератора от перенапряжений.
С мая 2004 г. пошел шестой год успешной эксплуатации модернизированного выключателя. За это время аппаратом выполнены около 5500 операций отключения, в том числе половина из них при токе менее 1 кА, в основном ток Х.Х. трансформаторов 20, 10 и 1,8 MB.А. Другая половина отключений приходится на ток от 1 до 20 кА. Не произошло ни одного случая отказа в отключении.
Положительный опыт модернизации воздушного выключателя и превращения его в вакуумный, возможно, заинтересует персонал, эксплуатирующий воздушные выключатели. Опыт замены воздушных дугогасительных камер на вакуумные показал, что такая модернизация обходится недорого. Основные затраты обусловлены покупкой вакуумных дугогасительных камер. Все работы по их монтажу в выключателе и установлению требуемых режимов движения контактов, силы контактного давления и тому подобное вполне под силу квалифицированным специалистам на местах.
Целью статьи является показ на конкретном примере содержания работ при переделке выключателя.
Кроме того, рассмотрена возможность качественного улучшения характеристик весьма сложного и дорогого устройства. Речь идет о «Комплектном устройстве КАГ-24-30/30000 УЗ », эксплуатирующемся в цепи главных выводов турбогенераторов мощностью 800 и 1000 МВт. Ожидается, что введение в его конструкцию вакуумных дугогасительных камер взамен воздушных и возложение на них функций по коммутации как рабочего, так и аварийного тока приведет к увеличению в десятки раз электрической износостойкости, уменьшению числа перекрытий внутренней изоляции, сокращению на порядок расхода сжатого воздуха, сокращению эксплуатационных расходов.

Отключаемый ток. к А
Рис. 1. Электрическая износостойкость при напряжении 10 кВ камер КДВА-10-25/1600 (1) и КДВ-35-25/1600 (2) в зависимости от отключаемого тока.
Выбор вакуумной дугогасительной камеры. Ставилась задача в результате модернизации получить аппарат, обеспечивающий без замены камер значения износостойкости не менее:

1. механической - 150 тыс. циклов ВО;
2. электрической при токе 1000 А - 75 тыс. циклов ВО;
3. электрической при токе 20 кА - 200 отключений.

При этих значениях износостойкости и указанном выше распределении числа отключений при малых (менее 1 кА) и больших (больше 1 кА) токах можно рассчитывать на работу выключателя без сбоев и отказов в работе камер в течение 20 лет при трехсменной работе стенда.
В [2] приведены данные о последних разработках вакуумных дугогасительных камер, выполненных ВЭИ. Опубликованный материал свидетельствует об отсутствии камер на номинальное напряжение 10 кВ, удовлетворяющих перечисленным требованиям по износостойкости. Наибольшей износостойкостью обладает камера типа КДВА-10-25/1600: ее механическая износостойкость составляет 60 тыс. циклов, электрическая при 1600 А - 40 тыс. циклов и при токе 25 кА - 40 циклов. Механическая износостойкость этой камеры меньше требуемой в 2,5 раза. Из зависимости электрической износостойкости этой камеры от отключаемого тока (/ на рис. 1) следует, что при отключении тока 20 кА износостойкость возрастает с 40 до 70 циклов. Но это значение примерно в 3 раза меньше требуемых 200 отключений. Электрическая износостойкость камеры этого типа при токе менее 1600 А не может превысить 60 тыс. циклов из-за ограничения по механической износостойкости. Итак, при использовании в выключателе камер на 10 кВ для решения поставленной задачи потребуется минимум три комплекта камер и двукратное выведение выключателя из работы для их замены. Задача достижения необходимой износостойкости выключателей без замены камер может быть решена при использовании камеры на напряжение 35 кВ, например КДВ-35-25/1600 [2]. Номинальное значение хода подвижного контакта в этих камерах составляет 16,5 мм. Использование их при напряжении не более 10 кВ позволяет уменьшить ход до 8-10 мм. При этом механическая износостойкость, как показал опыт, увеличивается не менее чем до 150 тыс. циклов, чем решается задача получения требуемой механической износостойкости. Эта камера обеспечивает не менее 100 отключений тока 25 кА. При этом, как установлено опытом, износ контактов не превышает 30% установленной нормы. На этом основании расчетное значение износостойкости камеры при 25 кА будет не менее 200 отключений [2]. (Опытная проверка результата этого расчета требует больших финансовых затрат). При токе 1250 А износостойкость этой камеры не менее 60 тыс. циклов. Из зависимости электрической износостойкости камеры при различных токах (2 на рис. 1) находим, что износостойкость камеры при токе 1,0 кА близка к 100 тыс. циклов, а при токе 20 кА достигает 300 отключений. Следовательно, применение в модернизируемом выключателе камер КДВ- 35-25/1600 решает поставленную задачу достижения требуемых механической и электрической износостойкости выключателя без замены камер.
Экономический эффект от использования более дорогих камер на 35 кВ вместо камер на 10 кВ также оказывается положительным. При использовании камер на 10 кВ требуется минимум три комплекта. Кроме того, необходимо учесть ущерб от остановки в работе стенда, а также трудозатраты по двукратной замене камер и настройке выключателя.
Установка вакуумных дугогасительных камер в выключателе ВВ- 10. Расположение вакуумных камер в выключателе после модернизации приведено на рис.2. При модернизации из конструкции выключателя удаляются глушитель с разрядным промежутком и резистор. Остальные элементы полюсов остаются на местах, в том числе неподвижный контакт 2, поршень с подвижным контактом 3, изоляторы 4 и 5, разъединитель 7, 9, 10, 11. Камера 1 закреплена на фланце 2а соосно с подвижным контактом 3 и поршнем пневмопривода 8. Основными элементами крепления являются изоляционные стержни 19 и планка 20. Они жестко удерживают камеру за фланец неподвижного контакта. Дополнительную устойчивость камере против боковых перемещений придают детали 12, 13,14. Подвижный вывод камеры соединяется с подвижным контактом 3 и поршнем 8 через муфту 5. Это важный узел сопряжения камеры с механизмом выключателя. Муфта 5 обеспечивает:

1. приемлемую одновременность размыкания контактов камер в полюсах выключателя при операции отключения несмотря на различные силы сварки контактов камер при токах КЗ и отсутствие жесткой механической связи между подвижными контактами полюсов;
2. передачу давления от контактной пружины 6 на подвижный контакт камеры во включенном состоянии выключателя;
3. передачу движения от пневмопривода 8 на подвижный контакт камеры при операции отключения;
4. устранение влияния погрешностей (некоторая несоосность, перекосы) установки камеры на выключателе.

Контактная пружина 6 нажимает на подвижный контакт 3 выключателя с силой 1,6-1,8 кН. Это же давление необходимо для контактов камеры 1. Совпадение не случайно, поскольку и в камере 1, и в воздушном выключателе использованы плоские контакты, рассчитанные на пропускание близких по значению сквозных токов. Согласование хода поршня с требуемым ходом подвижного контакта камеры (10 мм) достигнуто за счет создания зазора А2 между контактами 2 и 3 выключателя. Наличие зазора также исключает возможность протекания тока через эти контакты. Путь тока в полюсе проходит от токосъема 9 через нож 10, контакт 7, шины 16, 17, зажим 18 и далее через камеру к токосъему 15.

Рис. 2. Вакуумный защитный выключатель: 1 - ВДК; 2, 2а - неподвижный контакт с фланцем; 3 - подвижный контакт; 4 - полый изолятор; 5 - муфта; 6 - контактная пружина; 7 - контакт разъединителя; 8 - поршень; 9 - токосъем нижний; 10 - нож разъединителя; 11 - тяга; 12 - гайка; 13 - фланец; 14-гайка; 15-токосъем верхний; 16 - шина; 17 - шина гибкая; 18 - зажим; 19 - стержень изоляционный; 20 - планка; 21 - клапан; 22 - резервуары для воздуха; 23 - воздухосборник; AI, А2, АЗ - зазоры.

Хвостовик муфты 5 скреплен резьбовым соединением с подвижным контактом

1. и проходит через отверстие диаметром 30 мм в контакте 2 с зазором АЗ = 0,5 мм на сторону. Это существенно сокращает расход воздуха при операции отключения и допускает работу выключателя при пониженном до 5,5 ати давлении воздуха.

Как видно, контакты камеры обычно находятся в замкнутом состоянии. Включение выключателя осуществляется смыканием ножа разъединителя 10 и контакта 7 с помощью пневмопривода разъединителя. При выполнении операции отключения сжатый воздух из резервуаров 22 поступает через полый изолятор 4 в пространство над поршнем 8 в каждом из полюсов. Поршень перемещается вниз и, преодолевая силу контактной пружины, разводит контакты камеры на 10 мм. Между контактами при их размыкании возникает вакуумная дуга, которая, как правило, прерывает ток при его первом переходе через нулевое значение, чем завершается электрический разрыв отключаемой цепи. Одновременно осуществляется подача воздуха в привод разъединителя. Скорость подачи воздуха в привод подобрана так, чтобы отключение ножа произошло после погасания дуг в камерах 1. После срабатывания пневмопривода разъединителя закрывается клапан 21, поступление воздуха из резервуара 22 в воздухоприемник 23 прекращается, давление над поршнем 8 уменьшается и пружиной 6 контакты камеры 1 смыкаются. Разъединитель же остается в разомкнутом положении. Измерения показали, что в модернизированном выключателе:

1. собственное время отключения не более 45 мс;
2. отключение разъединителя происходит через 20 мс после погасания дуг в камерах;
3. время возврата контактов камер в замкнутое состояние составляет 200 мс.

Измерен также расход воздуха при выполнении цикла ВО. Он равен 100 л ат против 250 л ат до модернизации. Уменьшение расхода воздуха обусловлено тем, что функцию дугогашения выполняет вакуумная дугогасительная камера 1, не требующая расхода воздуха, а отверстие диаметром 30 мм в неподвижном контакте 2 выключателя, через которое из межконтактного зазора уходил в глушитель 6 воздух, гасящий дугу, теперь перекрыто хвостовиком муфты 5. Заметим, что вместе с воздухом в глушитель и не только в него выбрасывались продукты эрозии контактов 2 и 3. Вследствие сокращения расхода воздуха оказалось возможным понизить номинальное значение давления с 10 до 7 ати, что существенно снизило механические нагрузки в пневмоприводах полюсов и разъединителя и повысило надежность их работы. Благодаря этому в несколько раз сократилось время на профилактику механизма выключателя.
Замена в выключателе ВВ-10 воздушных дугогасительных камер на вакуумные позволила получить аппарат с исключительными характеристиками по механической и электрической износостойкости, с высокой надежностью и минимальными эксплуатационными расходами, что подтверждено опытом эксплуатации в течение более пяти лет. Это дает основание рекомендовать подобную модернизацию и в других подходящих обстоятельствах.
В качестве примера рассмотрим изменение характеристик комплектного устройства КАГ-24-30/30000 УЗ (далее устройство), если в нем осуществить замену воздушных дугогасительных камер на вакуумные. Это устройство предназначено для выполнения коммутационных операций и измерений напряжения в цепи главных выводов турбогенераторов мощностью 800 и 1000 МВт с номинальным напряжением 24 кВ и частотой 50 Гц [3]. В состав полюса устройства входит выключатель нагрузки. Он состоит из главной токоведущей системы, главной и вспомогательной дугогасительных камер, элементов отделителя и других узлов. Главная и вспомогательная дугогасительные камеры представляют собою полюс воздушного выключателя на отключаемый ток до 30 кА. Рабочий ток (до 30 кА) длительно протекает по шунтирующему пути главной токоведущей системы, минуя дугогасительные камеры. Длительное удержание восстанавливающегося напряжения осуществляется воздушными промежутками в главной токоведущей системе и в отделителе. Контакты дугогасительных камер при этом находятся в замкнутом состоянии. Они размыкаются лишь на время дугогашения. Здесь имеет место полная аналогия с работой камер и разъединителя в выключателе ВВ-10. Характеристики выключателя нагрузки с воздушными дугогасительными камерами приведены в таблице. Из таблицы видно, что электрическая износостойкость устройства при токах 25-30 кА не превышает 25 отключений, десятка включений при том же токе или одного включения на аварийный ток с наибольшим пиком 310 кА. После выработки любого из приведенных ресурсов необходимо выполнить средний ремонт устройства.

Если заменить в выключателе нагрузки воздушные дугогасительные камеры на три соединенные параллельно вакуумные дугогасительные камеры [4] и переложить на них функцию включения нагрузки, сняв эту функцию с отделителя, то параметры износостойкости устройства приобретут значения, указанные в таблице.
Сопоставление значений в двух колонках таблицы указывает на приобретение устройством нового эксплуатационного качества по электрической износостойкости. Оно возрастет в четыре раза при токе 4-5 А и в 40-100 раз при токе 25-30 А. Кроме того, устройство даст возможность включиться на аварийный ток с наибольшим пиком 310 кА 30 раз.
Малая электрическая износостойкость действующего устройства обусловлена энергичным разрушением дугой контактов в воздушных дугогасительных камерах при отключении тока, а также контактов отделителя дугой предварительного пробоя при включении тока. При этом продукты эрозии оказываются во внутреннем объеме заземленного кожуха, которым закрыты токоведущие части. Внутри кожуха расположены также опорные изоляторы. Естественно, что продуктами эрозии загрязняются поверхности всех элементов, находящихся внутри кожуха. В особенности это относится к изоляторам, загрязнение которых стимулируется электрическим полем. Миграцию продуктов эрозии облегчает обдув воздухом со скоростью до 6 м/с элементов внутри кожуха, созданный для увеличения теплоотвода. Свой вклад в миграцию вносят 3,5 м3 воздуха, поступающего из дугогасительных камер внутрь кожуха за десятые доли секунды при выполнении каждой операции отключения.
Характеристики КА Г-24-30/30000 УЗ с воздушными или вакуумными дугогасительными камерами

Не исключено, что процесс миграции продуктов эрозии является основным источником отказов, связанных с перекрытиями внутренней изоляции полюса, о чем сообщается в [5]. С заменой воздушных дугогасительных камер на вакуумные прекращается поступление продуктов эрозии контактов внутрь объема кожуха. Эти продукты остаются внутри герметичного объема вакуумных камер. Контакты отделителя работают исключительно в бестоковом режиме, и их эрозия становится минимальной. Отпадает необходимость в расходовании 3,5 м3 воздуха при каждом отключении. Таким образом, источник отказов, о котором говорилось выше, полностью устраняется. Поэтому можно ожидать более надежной работы внутренней изоляции в полюсах устройства. Устранение расхода воздуха для дугогашения позволяет многократно сократить его потребление устройством. Не исключено, что окажется возможным, как и в ВВ-10, уменьшить его давление на 15-25 % без нарушения работы механики. Это мероприятие положительно скажется на увеличении механической износостойкости и снижении затрат на эксплуатацию устройства.
Выполненная эскизная проработка показывает, что вакуумные камеры хорошо вписываются на место расположения воздушных камер. Разумеется, модернизация устройства не может быть выполнена местными силами. Ее можно сделать совместной скоординированной работой квалифицированных специалистов заинтересованных организаций. Но думаем, что затраты на эту работу окупятся за счет предотвращения даже одного аварийного отключения энергоблока мощностью 800 или 1000 МВт.

Выводы

1. Описан способ модернизации воздушного выключателя путем замены воздушных дугогасительных камер на вакуумные. Показаны преимущества такой модернизации, подтвержденные опытом более чем пятилетней эксплуатации.
2. На примере комплектного устройства КАГ-24-30/30000 показано, какие достоинства могут быть приобретены этим устройством в случае его модернизации с применением вакуумных дугогасительных камер.

Список литературы

1. Цейров Е.М. Воздушные выключатели высокого напряжения. М.: ГЭИ, 1957. С.  225-230.
2. Белкин Г.С., Лукацкая И.А., Перцев А.А., Ромочкин Ю.Г. Новые разработки ВЭИ в области вакуумных дугогасительных камер // Электротехника, 2001, № 9. С. 17-23.
3. Устройство комплектное КАГ-24-30/30000 УЗ. Техническое описание. 1984.
4. Перцев А.А., Белкин Г.С., Рыльская Л.А. Коммутационные процессы в вакуумных выключателях с параллельным соединением ду го гасительных камер // Электротехника, 2003, №11. С. 39-45.
5. Журавлев С.В., Кузьмичева К.И. Анализ причин повреждения выключателя нагрузки в цепи генераторного напряжения КАГ-24 Тюменьэнерго // VII Симпозиум «Электротехника 2010», 2003. Т. 2, докл. 1.22. С. 73-76.