ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГАШЕНИЕ ДУГИ В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯХ
1.1 Рассмотрение устройства элегазового выключателя ВЭБ-110
В выключателе применено одноразрывное дугогасительное
устройство автокомпрессионного типа, принцип действия которого основан на интенсивном обдуве возникающей при размыкании контактов дуги особым образом сформированным потоком элегаза, сжимаемого в специально организованном объеме в процессе перемещения подвижной системы.
Конструктивно этот выключатель состоит из трех дугогасительных камер, размещенных в алюминиевых резервуарах, установленных на общей раме. Подвижные системы этих трех устройств через рычаги связаны с одним общим валом, который, в свою очередь, через рычаг и шток связан со штоком привода, установленного на той же общей раме. Таким образом, возвратно-поступательное вертикальное движение штока привода посредством вала и рычагов преобразуется возвратно-поступательное горизонтальное движение подвижных систем дугогасительных устройств.
Одной из особенностей конструкции данного выключателя является то, что весь передаточный механизм (рычажная система, вал с подшипниками, направляющие и т.п.) расположен в специальном корпусе, заполненном элегазом, что позволяет получить ряд определенных преимуществ.
Во-первых, все наиболее ответственные механические элементы выключателя (например, узлы трения) находятся в абсолютно инертной среде и совершенно не подвержены воздействию внешних климатических и иных природных факторов, что, несомненно, означает увеличение надежности работы аппарата. Во-вторых, такое конструктивное решение позволяет иметь всего одно подвижное уплотнение "воздух-элегаз" на весь выключатель, что также приводит к увеличению надежности. В-третьих, корпус передаточного механизма объединяет резервуары всех трёх фаз в один большой объем, что позволяет отказаться от применения мембранных предохранительных устройств. [1, c. 306]
Конструкция бакового элегазового выключателя
Рисунок 1. Схема бакового элегазового выключателя.
Баковый элегазовый выключатель (рисунок 1) содержит металлический бак 1 с расположенной в нем токопроводящей системой 2. В приведенном примере изображен один полюс выключателя. Металлический бак содержит два патрубка 3 с установленными на них газонаполненными вводами 4. Газонаполненные вводы состоят из полых изоляторов 5, крышек вводов 6, токопроводов 7 и экранов 8 стыка вводов. Электронагреватель 9 охватывает бак в его средней части.
Токопроводы 7 сочленяются с токопроводящей системой 2 электрического выключателя при помощи контактных соединений 10, а экраны 8 стыка вводов экранируют место стыка патрубка 3 с изолятором 5. Токопроводящая система удерживается в баке при помощи опорных изоляторов 11. Изоляторы 5 вводов устанавливаются на патрубки бака 3и крепятся к ним, а крышки вводов 6 крепятся к изоляторам 5 при помощи фланцев 12. Сам бак стоит на опорах 13.
Нагрев аппарата производится включением нагревателя 9. При этом разогреваются стенки бака 1 под нагревателем. Разогрев элегаза во всем аппарате происходит за счет теплопроводности стенок бака и конвективного движения газа.
Разогрев стенок газонаполненных вводов 4 обеспечивается практически полностью за счет конвективного подъема, нагретого элегаза из бака. На рисунке 5 это движение указано стрелками. Однако одновременно с подъемом элегаза происходит его опускание вниз по этим газонаполненным вводам. Охлаждается элегаз в результате отдачи своего тепла изоляторам 5, крышкам 6 и токопроводам 7, которые, в свою очередь, отдают это тепло наружному холодному воздуху. На рисунке 5 этот нисходящий поток холодного газа также изображен стрелками. Эти два течения проникают один в другой и частично перемешиваются. Все это снижает интенсивность передачи тепла вверх и уменьшает нагрев стенок газонаполненных вводов. Поэтому для достижения требуемого нагрева стенок газонаполненных вводов, предотвращения конденсации газа и снижения его плотности необходимо нагревать бак до более высоких температур. Это не только требует увеличения затрат энергии на нагрев, но и означает ускорение охлаждения аппарата при аварийном отключении подогрева и сокращение времени сохранения работоспособности аппарата. [2, c. 16]
В данном случае это трехполюсный элегазовый выключатель. Каждый полюс выключателя выполнен в виде металлического бака с двумя электрическими вводами. Каждый бак снабжен устройством электроподогрева, которое включается при отрицательных температурах окружающей среды (- 25°С), соответствующих условиям конденсации элегаза в электрическом аппарате. Это предотвращает снижение плотности газообразного элегаза в электрическом аппарате ниже минимального допустимого уровня, обеспечивающего требуемую отключающую способность и электрическую прочность газовой электрической изоляции. Включение и отключение нагревателя осуществляется от датчика-реле температуры окружающего воздуха. [3, c. 15]
Блоки 110, 220 кВ, конструктивно представляют собой опорные стойки, скрепленные между собой крестовинами, либо укосинами и установленными на них балками под оборудование, как правило, одного типа.
Металлоконструкции изготавливаются из сталей Ст3 и 09Г2С в зависимости от климатических условий, а также сейсмической активности площадки строительства ОРУ.
Все блоки разработаны на болтовых соединениях, а также поставляются в виде укрупненных сборочных узлов, что исключает сварку на объекте при монтаже блоков, а также ускоряет сборку.
Наличие маркировки на каждом изделии в виде наклеенной маркировочной алюминиевой таблички с номером чертежа изделия на видном месте делает удобным сборку и исключает обезличивание элементов. [4. c. 11]
Элегазовый выключатель является довольно сложным механизмом, в нем находятся резервуары, заполненные элегазом, а это удушающий газ. В случае возникновения электрической дуги, может образоваться пробой в корпусе резервуара и произойдет выброс элегаза в окружающую среду, а это может привести к трагическим последствиям на станции. Поэтому электрической дуге стоит уделить особое внимание.
1.2 Понятие и причины возникновения электрической дуги
Электрическая дуга – разновидность электрического разряда в газе, по форме существования вещества считается плазмой. Дуга представляет собой довольно таки сложный физический процесс, который сопровождается рядом следующих физических, термодинамических, химических, а также газодинамических явлений.
Электрическая дуга, возникает в начальный момент расхождения контактов в результате наличия свободных электронов газа дугового промежутка и электронов, излучаемых с поверхности катода. Свободные электроны, находящиеся в промежутке между контактами, перемещаются с большой скоростью по направлению от катода к аноду под действием сил электрического поля. Дуга состоит непосредственно с трёх областей, которые весьма отличаются по характеру протекающих в них процессов. А именно к отрицательному электроду дуги прилегает область катодного падения напряжения. За тем идет плазменный ствол дуги. Далее к положительному электроду прилегает область анодного падения напряжения. Эти области с графиком напряжений схематично приведены на (рисунке 2).
Рисунок 2. Строение электрической дуги и падения напряжения на трёх областях: 1 - катод; 1.1- катодная область; 2 – столб дуги; 3 – анод; 3.1 – анодная область; 1.2- Uд – общее падение напряжения на дуге; Uк – падение напряжения в катодной области; 1.3- Uс - падение напряжения в столбе дуги; Uа – падения напряжения в анодной области.
В большинстве случаев явление электрической дуги является вредным. При весьма значительных напряжениях и токах температура внутри дуги может достигать 10-50 тыс.°С, в результате чего плавятся контакты и токоведущие части. При напряжениях 110 кВ и выше длина дуги может достигать нескольких метров, как показано на (рисунке 3). Поэтому электрическая дуга, особенно в мощных силовых цепях, на напряжение выше 1 кВ представляет собой большую опасность. Вследствие этого электрическую дугу необходимо максимально ограничить и быстро погасить в цепях на напряжение как выше, так и ниже 1 кВ.
Рисунок 3. Электрическая дуга на высоковольтном выключателе.
При выборе способа гашения дуги следует отталкиваться от рода и величины отключаемого тока, значения напряжения и его частоты, раствора контактов, характера нагрузки и частоты коммутации. Главными критериями при выборе способа гашения являются: высокая износостойкость камеры, минимальные объемы камеры и ионизированного пространства, минимальное время горения дуги при заданном уровне перенапряжений и минимальная стоимость камеры. [5, c.16]
1.3 Способы гашения дуги в высоковольтных выключателях
При горении дуги в высоковольтном выключателе в ней одновременно протекают два противоположных процесса: ионизации и деионизации. Если скорость образования ионов вследствие термической и ударной ионизации равна скорости исчезновения ионов вследствие рекомбинации и диффузии, то в дуге будет существовать баланс ионов, и она будет устойчивой.
Отсюда, успешность отключения тока короткого замыкания и гашение дуги в выключателе будет зависеть от скорости протекания двух процессов: восстановления электрической прочности дугового промежутка и восстановления напряжения на контактах выключателя. При этом чтобы дуговой промежуток не был повторно пробит восстанавливающимся напряжением, необходимо как можно быстрее устранить из него заряженные частицы, т.е. деионизировать его. Рассмотрим несколько вариантов достижения этой цели.
1.3.1 Газовоздушное дутьё
Рисунок 4. Газовоздушное дутье. а – продольное; б – поперечное.
Охлаждение дуги улучшается, если создать направленное движение газов - дутье. Продувка вдоль или поперек дуги (рисунок 4) способствует проникновению частиц газа в его ствол, интенсивной диффузии и охлаждение дуги. Газ создается в результате разложения масла дугой (масляные выключатели) или твердых газогенерирующих материалов (автогазовое дутье). Более эффективная продувка холодным неионизированным воздухом поступающих из специальных баллонов со сжатым воздухом (воздушные выключатели).
1.3.2 Гашение дуги в вакууме
Сильно разреженный газ (10-6 – 10-8 Н/см2) имеет электрическую прочность в десятки раз выше, чем газ при атмосферном давлении. При размыкании контактов в вакууме, сразу после первого прохождения тока в дуге через ноль сила разрыва восстанавливается, и дуга не загорается снова. Эти свойства вакуума широко применяются в вакуумных выключателях 6 – 110 кВ.
1.3.3 Гашение дуги в газах высокого давления
Под высоким давлением, примерно, 2 МПа и выше воздух обладает высокой электрической прочностью. Исходя из этого, есть возможность для создания компактного, малогабаритного устройства для гашения дуги в атмосфере сжатого воздуха. Использование высокопрочных газов, таких как гексафторид серы SF6 (элегаз) так же является отличным способом гашения дуги. SF6 обладает большой электрической прочностью, намного больше чем у воздуха и водорода, и лучшими дугогасительными характеристиками даже при атмосферном давлении. Элегаз широко используется в выключателях 110 кВ и выше.
1.3.4 Гашение дуги в масле
Если контакты отключающего устройства находятся в масле, то дуга, возникающая при его размыкании, вызывает интенсивное газообразование и испарение масла. Вокруг дуги образуется пузырь газа, состоящий в основном из водорода (70-80%); быстрое разложение масла в пузыре приводит к повышению давления, что способствует его лучшему охлаждению и деионизации.
Водород обладает высокими дугогасящими свойствами; непосредственно контактируя с дугой, он способствует ее деионизации. Внутри газового пузыря происходит непрерывное движение паров газа и масла.
1.3.5 Многократный разрыв цепи электрической цепи
Трудно отключить высокий ток при высоком напряжении. Потому что, при больших значениях входной энергии и восстанавливающего напряжениядеионизация дугового промежутка становится более сложной. Например, при использовании высоковольтных выключателей в каждой фазе создается несколько прерываний дуги (рисунок 5).
Рисунок 5. Распределение напряжения по разрывам выключателя. а — распределение напряжения по разрывам масляного выключателя; б — емкостные делители напряжения; в — активные делители напряжения.
Такие выключатели имеют несколько демпфирующих устройств, рассчитанных на долю номинального напряжения. Количество обрывов на фазу зависит от типа выключателя и его напряжения. В выключателях 500 - 750 кВ может быть 12 разрывов и более.
Чтобы облегчить гашение дуги, восстанавливающееся напряжение должно быть равномерно распределено между зазорами. При отключении однофазного короткого замыкания восстанавливающее напряжение распределяется между разрывами следующим образом:
где U1, U2 — напряжения, приложенные к первому и второму разрывам;
С1 — емкость между контактами этих разрывов; С2 — емкость контактной системы относительно земли. Поскольку С2 намного выше, чем С1, то напряжение U1 > U2 и, следовательно, гасительные устройства будут работать в неравных условиях. Для выравнивания напряжения параллельно главным контактам выключателя (ГК) включают емкость или активное сопротивление (рисунок 5, б, в). Значения емкостных сопротивлений и активных шунтирующих сопротивлений выбираются таким образом, чтобы напряжение на разрывах распределялось равномерно. В выключателях с шунтирующими сопротивлениями после того, как дуга погасла между ГК, сопутствующий ток, ограниченный по значению сопротивлением, размыкается вспомогательными контактами (ВС). Шунтирующие сопротивления уменьшают скорость нарастания восстанавливающегося напряжения, что облегчает затухание дуги. [6, c.48]
1.4 Гашение дуги в высоковольтных элегазовых выключателях
В конце ХХ века в мировой энергетике произошло открытие в технологиях коммутационных аппаратов высокого напряжения. Масляные и воздушные выключатели стали постепенно уходить на второй план, уступая место элегазовым выключателям. Такое стремительное распространение на рынке элегазовых выключателей объясняется достаточно хорошими дугогасящими свойствами элегаза, химическая формула которого SF6, и повышенной безопасностью эксплуатации коммутационного оборудования с их применением. И хотя данный тип выключателей является недешевым, пока что не найдено достойных конкурентов по способам гашения дуги в элегазе.
Элегазовые высоковольтные выключатели - это устройства оперативного управления и контроля высоковольтных электрических сетей. Данные устройства имеют очень похожую конструкцию с масляными, но при этом используют для гашения дуги не масляную смесь, а соединение газов. Зачастую это сера. Элегазовые выключатели имеют ряд преимуществ, все преимущества описаны ниже. Благодаря таким свойствам элегаза, как быстрое гашение электрической дуги, хорошая электроотрицательная природа, и прекрасная диэлектрическая прочность, элегазовые выключатели приобрели популярность в классах высокого и сверхвысокого напряжений.
Самое главное преимущество элегазовых выключателей заключается в практически 100% изоляции, степени гашения дуги, физических и химических свойствах газа SF6. Электрическая прочность дугогасящей среды является одной из значимых характеристик выключателей. Элегаз имеет самую высокую диэлектрическую прочность, особенно при уровне напряжения 110 кВ и выше.
Элегаз не поддерживает горение, и не является химически активным. Продукты распада этого газа не взрывоопасны, т.е. риск воспламенения и взрыва отсутствует. Так же в связи с диэлектрической прочностью соединения SF6 электрические зазоры достаточно малы. Еще одним достоинством данного типа выключателей является то, что для сверхвысокого напряжения они требуют меньшее количество прерывателей на полюс, чем выключатели с воздушной изоляцией и масляные выключатели.
Элегазовые выключатели наружной установки просты, относительно недороги, компактны, и не требуют обслуживания. На работу этих выключателей не влияет перемена атмосферных условий. Во время эксплуатации имеют низкий уровень шума, не производя таких звуков, какие издают во время работы выключатели с воздушной изоляцией. Не требуется частой замены элегазав следствии чего эрозия контактов снижена. Контакты также не подвержены окислению.
Элегазовый выключатель может выполнять различные задачи, такие как блокировка отказов КЗ, разрыв линий передачи электроэнергии, не имеющих нагрузки, конденсаторная коммутация, реакторное переключение, и т.п.
Элегазовый высоковольтный выключатель высокого напряжения работает за счет изоляции фаз друг от друга посредством газа. В момент срабатывания сигнала о том, что необходимо произвести отключение электрооборудования, контакты отдельных камер (если устройство колонковое) размыкаются.
Таким образом встроенные компоненты образуют дугу, помещенную в газовую среду. Данная дуга способствует распадению газа на отдельные компоненты, но при этом сама уменьшается из-за высокого давления в емкости. В том случае если система установлена на низком давлении, то применяются дополнительные компрессоры для нагнетания давления и создания газового дутья. Для выравнивания тока дополнительно используется шунтирование.
Помимо плюсов, элегазовые выключатели имеют ряд недостатков. Элегаз - это удушающий газ. В случае утечки из корпуса выключателя, элегаз, будучи тяжелее воздуха, заполняет окружающее помещение, и может привести к удушению обслуживающего персонала.
Внутренние части элегазового выключателя требуют тщательной очистки во время профилактического обслуживания в чистом и сухом окружении. Необходимо удалять пыль тефлона и сульфиды.
В процессе эксплуатации элегазового оборудования существует несколько существенных моментов. После первого гашения дуги в элегазовой среде формируется химически активные и вредные для человека примеси. Уровень их опасности велик настолько, что, в процессе замены отработавшего газа SF6 следует быть особо осторожным: применять респираторы, предусмотреть защиту глаз, а внутреннюю поверхность газовых корпусов необходимо обязательно нейтрализовать с помощью раствора гашеной извести. Кроме этого, в закрытых распределительных устройствах необходима установка специальных датчиков, которые осуществляют контроль утечек элегаза. [7, с. 113]
Так же еще одним достоинством оборудования с элегазовой изоляцией является небольшие габариты. Уменьшение арендной платы за землю оправдывает высокую стоимость оборудования. КРУЭ – это высоковольтное распределительное устройство с газовой изоляцией. Предназначено для приема, распределение и передачи электрической энергии. Содержит в себе набор коммутационных аппаратов, соединительные и сборные шины, элементы релейной защиты и автоматики, средства учета и измерения. Для напряжений выше 35 кВ воздушная изоляция не применима, поэтому элементы, которые находятся под высоким напряжением, помещают в герметичные камеры, заполняемые элегазом. [8, c. 193]
В настоящее время элегазовые выключатели наиболее популярны на напряжение 110-1150 кВ. Ведутся многочисленные исследования по разработке малогабаритных электрических выключателей на напряжение 10-55 кВ, которые составят конкуренцию вакуумным выключателям.
