Въздушни прекъсвачи

ЕлектроенергетикаТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 6, 2012

Основната класификация на различните видове прекъсвачи високо напрежение се извършва според вида на дъгогасителната камера и по-точно според вида на флуида, в който и с помощта на който се гаси дъгата. Сред разпространените типове са елегазови, вакуумни, маслени, а в настоящата статия ще бъдат разгледани въздушните прекъсвачи (ВП). При тях енергията на сгъстения предварително въздух се използва и като движеща сила, преместваща контактите, и като дъгогасяща среда.

Практическото използване на сгъстения въздух за гасене на електрическата дъга във високоволтовите прекъсвачи е започнало през 20-те години на двадесети век. През 1929 г. в пробна експлоатация се появяват първите образци на въздушни прекъсвачи за напрежение 10 - 20 kV, в които гасенето на електрическата дъга се осъществява от сгъстен въздух при налягане от 1 MPa. Основната изолация на тези прекъсвачи била изпълнена от порцелан. Несъвършенствата в конструкцията им се дължат на факта, че особеностите на гасене на електрическата дъга в сгъстен въздух били все още недостатъчно добре изследвани. Освен това пневматичните им системи създавали проблеми. Необходимо било време, за да могат конструкторите да преодолеят тези недостатъци и да направят ВП конкурентоспособни по отношение на маслените прекъсвачи. След Втората световна война в Европа и Русия, в резултат на научноизследователски и конструкторски работи, били създадени серии въздушни прекъсвачи за напрежение 35 - 220 kV, предназначени за подстанции.

Понастоящем въздушните прекъсвачи имат изключително широко приложение и в много случаи изместват маслените. Тези прекъсвачи позволяват достигане на комутируеми напрежения от 750 до 1150 kV. Възможен е преход и към по-високи класове на напрежение, а също така и към токове на изключване между 63 и 80 kА при напрежение 110 - 750 kV и 160 - 240 kА при напрежение 20 - 30 kV. Широкото приложение на въздушните прекъсвачи се обуславя от тяхната способност до голяма степен да удовлетворяват предявяваните изисквания както по отношение на техническите параметри, така и по експлоатационни характеристики, като изключение може би правят икономическите им характеристики.

Сред основните фактори за използването на сгъстен въздух за въздушните прекъсвачи могат да бъдат отбелязани:

- отсъствие на замърсяване на околната среда;

- ниски експлоатационни разходи, свързани със запълването на ВП със специална дъгогасяща среда и нейната подмяна;

- постоянство на свойствата на сгъстения въздух в широк диапазон на околните температури;

- пожаробезопасност.

Към недостатъците му могат да се причислят:

- висока стойност на компонентите на въздушните прекъсвачи;

- повишената чувствителност на въздушните прекъсвачи към твърди режими на изключване (по скоростта на възстановяване на напрежението);

- отсъствие на зависимост между изключващата способност на дъгогасящата среда при зададено налягане на сгъстения въздух и изключвания ток (може да се достигне до преждевременно прекъсване на тока по-рано от неговото естествено преминаване през нулата);

- необходимост от наличие във всеки обект на компресорна и изсушителна станция за сгъстен въздух.

Анализът на преимуществата и недостатъците на въздушните прекъсвачи показва, че те могат да намерят приложение главно в енергосистемите с повишени класове на напрежение, където е необходимо кратко време на изключване и ограничено ниво на комутационни пренапрежения. Освен това, въздушните прекъсвачи могат да се използват в мрежи с относително невисоки напрежения, но с големи номинални токове и токове на късо съединение.

Прекъсвачите са сред най-отговорните апарати във високоволтовите системи. При авария те винаги трябва да обезпечат адекватно функциониране. При отказ на прекъсвача, аварията се развива, което води до тежки разрушения с големи материални загуби, свързани с непроизведена електроенергия и прекратяване работата на производствени мощности. Във връзка с това, основно изискване към прекъсвачите е високата надеждност на работа във всички възможни експлоатационни режими. Изключването на прекъсвача под какъвто и да е товар не трябва да се съпровожда с пренапрежение и опасности за изолацията на елементите му. Поради това, че режимът на късо съединение за високоволтовите системи е най-тежък, прекъсвачът трябва да осигури изключване на веригите за най-кратко време.

Извеждането на един прекъсвач за ревизия и ремонт е свързано с определени трудности, тъй като е необходимо да се премине на друга схема на захранване (разпределение), или да се изключи потребителя. Във връзка с това, прекъсвачът трябва да допуска възможно най-голям брой изключвания в режим на късо съединение без ревизия или ремонт. Съвременните прекъсвачи могат да изключат без ревизия до 15 къси съединения при пълна мощност.

На фиг. 1. са показани различни схеми на въздушни прекъсвачи. Всички те са взриво- и пожаробезопасни, бързодействащи и с висока изключваща способност, добре изключват капацитивни токове и притежават сравнително голям комутационен ресурс. Прилагат се предимно за открит монтаж в подстанции.

Според вида на отделителя, може да им се направи още една класификация:

- прекъсвачи с открити отделители;

- прекъсвачи с газонапълнени отделители;

- прекъсвачи с камери в резервоар със сгъстен въздух.

В съвременните въздушни прекъсвачи налягането на сгъстения въздух е от порядъка на 2 - 4 МРа, а изолацията на тоководещите части и дъгогасителното устройство е осъществена от порцелан или други твърди изолиращи материали. Конструктивните схеми на ВП са различни и зависят от тяхното номинално напрежение, от начина за създаване на изолационната междина между контактите в изключено положение и начина за подаване на сгъстения въздух в дъгогасителното устройство (ДУ). В прекъсвачите за голям номинален ток има главен и дъгогасителен контур. Основната част от тока при включено положение на въздушния прекъсвач преминава през главния контакт 4, разположен открито (фиг. 1). При изключване на прекъсвача, главните контакти се отварят първи, след което целият ток преминава през дъгогасителните контакти, затворени в камерата 2. В момента на отваряне на тези контакти в камерата се подава сгъстен въздух от резервоара 1, създава се мощно духане, което гаси дъгата. Издухването може да бъде надлъжно или напречно. Необходимата изолационна междина между контактите в изключено положение се създава в дъгогасителната камера чрез отдалечаване на контактите на достатъчно разстояние. Въздушните прекъсвачи, изпълнени по конструктивната схема с открит отделител, се правят за вътрешни (закрити) установки с напрежение 15 - 20 kV и ток до 20 kА. В тези типове прекъсвачи, след изключването на отделителя 5, се прекратява подаването на сгъстен въздух в камерата и дъгогасителните контакти се затварят.

При въздушните прекъсвачи за открит монтаж за напрежение до 35 kV е достатъчно разкъсване на фазата само на едно място. При прекъсвачите за 110 kV и повече след изгасването на дъгата се отварят контактите на отделителя 5 и камерата му остава запълнена с въздух през цялото време на изключеното състояние. При това положение в дъгогасителната камера не постъпва сгъстен въздух и контактите в нея се затварят. По дадената конструктивна схема са създадени прекъсвачи за напрежение до 500 kV. Колкото по-високо е номиналното напрежение и изключваната мощност, толкова повече трябва да бъдат разкъсванията в дъгогасителната камера и в отделителя. При някои конструкции въздушни прекъсвачи броят на дъгогасителните камери (модули) зависи от напрежението (напр. 110 kV - една, 220 kV - две, 330 kV - четири, 500 kV - шест, 750 kV - осем и т. н.).

Независимо обаче от класификацията по различни белези, принципът на действие на дъгогасителното устройство на въздушните прекъсвачи се заключава в това, че дъгата, образувала се между контактите, е подложена на интензивно охлаждане от потока сгъстен въздух, изтичащ в атмосферата. При преминаване на тока през нулата, температурата на дъгата се намалява, а съпротивлението на междината се увеличава. Едновременно с това се извършва механическо разрушаване на дъговия стълб и изхвърляне на заредени частици от междината.

Охлаждането на дъговия стълб

с интензивно надлъжно продухване от поток на сгъстен въздух е много ефективно средство за гасене на дъгата в прекъсвачите за високо напрежение. В ДУ на въздушните прекъсвачи гасенето става в дюзи, които са оформени конструктивно на края на комутиращите контактни елементи. Дъгата, образуваща се при отваряне на контактните елементи под действието на въздушния поток, се разтяга и бързо преминава в продухващите дюзи, където се гаси. В зависимост от формата и взаимното разположение на тези елементи и дюзите, гасенето на дъгата може да стане по един от следните начини:

- едностранно продухване през една метална дюза - (фиг. 2а);

- едностранно продухване през една изолационна дюза (фиг. 2б);

- двустранно симетрично продухване през кухи контактни елементи, оформени на краищата си като дюзи (фиг. 2в);

- двустранно, несиметрично продухване чрез различно оформени като дюзи краища на контактните елементи (фиг. 2г).

Теоретичните и опитни изследвания показват, че най-ефективното гасене на дъгите при описаните ДУ може да стане при спазване на определени условия:

- скоростта на потока на сгъстения въздух в дюзата при наличие на дъга и при някаква амплитудна стойност на тока не трябва да бъде по-ниска от определена допустима стойност;

- продухващата система, включваща контактните елементи и дюзите, трябва да е оптимизирана по отношение на геометричните форми и съотношението на размерите;

- непосредствено в края на полупериода на тока на дъгата и в последващия кратък период от време скоростта на потока в дюзите трябва да достигне критична стойност, а налягането в зоната на остатъчния стълб трябва да е възможно най-голямо. При тези условия остатъчният стълб се разпада най-бързо, а заедно с това много рязко нараства и възстановяващата се електрическа якост на междината.

При въздушните прекъсвачи съществени параметри са номиналното налягане на сгъстения въздух, долната граница на налягането за поддържане на нормална работоспособност и температурата на точката на оросяване. По-често срещаните прекъсвачи работят при следните параметри:

- Номинално налягане на сгъстения въздух - 2 до 4 МРа;

- Температура на оросяване при 4 МРа налягане - не по-висока от -50° С;

- Най-високо начално налягане на сгъстения въздух - 4,1 МРа;

- Най-ниско начално налягане, при което прекъсвачът е способен да включи или изключи - 3,6 МРа;

- Най-ниска граница на налягането, при което се запазва изолационната якост между разтворените контакти - 0,7 МРа;

- Разход на въздух при едно изключване - между 25 и 70 m3 ;

- Разход на въздух при автоматично повторно включване АПВ - не повече от 99 m3.

Комутационната възможност на един разрив на ВП зависи от много фактори. Съществено значение има разстоянието Н между контактните елементи в момента на гасене на дъгата. Това се вижда от фиг. 3, където е показана опитно установена зависимост между мощността на изключване S и Н (при конкретна стойност на налягането). Ако разстоянието е по-малко от Н0, условията за гасене се влошават поради ограничения достъп на въздух. По-голямото увеличаване на разстоянието води до неравномерно подаване на въздух в зоната и локално нагряване. Това пречи на интензивното продухване на остатъчния дъгов стълб след преминаване на тока през нулевата му стойност. От друга страна, Н0 не осигурява необходимата електрическа якост между контактните елементи след спирането на подаването на сгъстен въздух в ДУ. Поради това, след изгасването на дъгата, при разделяне на дъгогасителните елементи на Н0 се отваря специален отделител, който осигурява необходимото изолационно разстояние (вж. фиг.1 а)

Начин на действие на въздушните прекъсвачи

На фиг. 4. е показано схематично действието на четири от най-често срещаните конструкции въздушни прекъсвачи.

Схема 1 е с дъгогасителни контактни възли 4 с импулсно действие и външен отделител. Импулсното действие означава, че дъгогасителните контактни елементи са затворени, отварят се за кратко време на Н0, докато трае дъгогасенето и след отваряне на отделителя се затварят наново. Характерно за тази схема е, че опорният кух изолатор 3 на ДУ и опорният плътен изолатор 7 на отделителя са закрепени върху резервоара за сгъстен въздух 1. При включен прекъсвач подвижният контактен нож 5 на отделителя е затворен към неподвижния му контактен възел 6. Отделителят е свързан последователно с контактната система 4. При подаване на команда за изключване клапанът 2 се отваря и сгъстеният въздух от 1 нахлува в кухия изолатор 3. От налягането на въздуха контактните елементи се отварят на разстояние Н0 и дъгата изгасва. Малко след това синхронизирано се задейства задвижването на отделителя и той се отваря - положението на фиг. 4, схема 1. Преди контактният нож 5 да е стигнал крайното си положение, се затваря клапанът 2 и с това се затваря контактната система 4. Останалият въздух и продуктите от горенето се изхвърлят в атмосферата. Включването на прекъсвача отново става само чрез включване на отделителя. За изравняване на напрежението, паралелно на разривите се включват високоомни шунтиращи резистори, токът през които се изключва от отделителя.

Схема 2 се различава от схема 1 по това, че отделителят е монтиран в изолатор 8, напълнен със сгъстен въздух. Горният контактен възел 6 на отделителя е свързан със затворения обем 5 и е неподвижен. Долният контактен елемент 7 е подвижен. Той е подпрян на контактна пружина и има пневматичен механизъм за отваряне (на схемата е показан в отворено състояние). Разтварянето на контактната система става както на схема 1. При това клапанът 9 е затворен, а клапанът 10 - отворен, и вътрешността на изолатора 8 е с атмосферно налягане. Пружината е притиснала контактния елемент 7 към контактния елемент 6. Малко след изгасването на дъгата в дъгогасителя 4 клапанът се премества надясно, като 9 се отваря, а 10 се затваря. От резервоара 1 се подава сгъстен въздух в изолатора 8. Пневматичният механизъм на контакт 7 го премества в долно положение, като преодолява силата на пружината. Отделителят се отваря, а клапан 2 се затваря, като се включва контактната система 4.

Предимствата на тази конструкция са:

- отделителят е в сгъстен въздух и е с по-малки габарити;

- не се влияе от атмосферните условия;

- може да изключва значително по-големи токове.

Недостатък е фактът, че изолаторът 8 е подложен продължително време на свръхналягане. При включване на прекъсвача клапанът 9 - 10 се премества в крайно ляво положение. Въздухът се изпуска от изолатора 8 и остава под атмосферно налягане. Пружината включва контактния елемент 7.

Схема 3 е осъществена с два последователни разрива, разположени хоризонтално. Носят се от опорния изолатор 2, монтиран върху съда със сгъстен въздух 1. По тази схема могат да се развият следните варианти:

- ДУ е от импулсен тип и последователно свързан с отделителя;

- целият прекъсвач е напълнен със сгъстен въздух, а контактните системи действат на две последователни стъпки - първо отварят на Н0, а след това - на по-голямо разстояние.

Схема 4 е подобна на схема 3, но резервоарът за сгъстен въздух 3 е качен горе и е свързан чрез тръба с основния резервоар 1. Така изолаторите са разтоварени. Токовите изводи се вкарват в резервоара 3 чрез проходни изолатори 4.

Конкретното конструктивно изпълнение

на някои от описаните схеми е показано на фиг. 5. На позиция "а" е показано ДУ с импулсно действие. В порцелановия изолатор 1 са монтирани неподвижен дюзообразен контактен елемент 7 и носеща тоководеща тръба 3 с подвижен дюзообразен контактен елемент с бутало 5. Подвижният контактен елемент 5 е включен към неподвижния 7 чрез контактна пружина 4. Токоотвеждането става от контактната розетка 6. Кухите части на двата контактни елемента са свързани с атмосферата чрез изпускащи тръби 2. При изключване в пространството на изолатора 1 се подава въздух под налягане. При достигане на определена стойност на налягането, буталото 5 се задейства и контактната система се отваря на Н0. След изгасване на дъгата в резултат на интензивното й продухване от сгъстения въздух, непоказаният на фигурата отделител се отваря по познатия начин. След това подаването на въздух се прекратява и контактната система се затваря. По аналогичен начин работят ДУ с два и повече разрива.

Пример за въздушен прекъсвач със свободноструйно дъгогасително устройство е показан на фиг. 5б. Неподвижният контактен възел 7 е монтиран на изолатора 8 и е разположен на открито. Подвижният контактен елемент 4 с бутало се движи в пневматичния цилиндър 3, а токоотвеждането осигурява розетката 5. Дъгогасителната дюза 6 е от изолационен материал.

Включването става чрез подаване на сгъстен въздух по изолационната тръба 10, а изключването - като се подаде сгъстен въздух в носещия изолатор 1. Този въздух извършва и продухването. Устройството е монтирано в корпуса 2. При включено положение има блокировка 9 против самоволно отваряне. Конструкциите на въздушните прекъсвачи представляват комплект от три еднополюсни въздушни прекъсвачи, нямащи обща механична връзка помежду си, но съединени в един агрегат с помощта на общи агрегатни шкафове - пневматичен и електрически.

При избора на въздушен прекъсвач трябва да се вземат под внимание редица важни параметри:

- номинално напрежение, kV;

- най-голямо работно напрежение, kV;

- номинален ток, kА;

- номинална мощност на изключване за трифазни прекъсвачи MV.А;

- ток на изключване - kАеф;

- номинално налягане на сгъстения въздух, МРа;

- допустими предели на изменение на налягането със и без АПВ, МРа;

- обем на резервоара на прекъсвача, литра;

- разход на въздух за едно изключване, литра;

- разход въздух за АПВ, литра;

- разход въздух за вентилация, литра/час;

- време за включване, сек;

- време за изключване, сек;

- собствено време за изключване, не повече от, сек;

- неедновременност на включване на фазите, не повече от, сек.

След производството на един високоволтов въздушен прекъсвач той трябва да бъде проверен и настроен. При ВП се изпитва изолацията, измерва се съпротивлението по постоянен ток, проверяват се времевите характеристики. След настройката, ВП се подлага на проверка с многократни включвания и изключвания. Съпротивлението на опорните изолатори на прекъсвача се проверява чрез мегаомметър с напрежение 2500 V. При необходимост измерването се осъществява с екраниране на външната повърхност на изолатора. Най-малкото значение на Rиз трябва да бъде:

- за прекъсвачи до 15 kV - 1000 MΩ;

- за прекъсвачи от 20 до 750 kV - 5000 MΩ.

Тези измервания се правят след механични и хидравлични изпитания на порцелана и последваща промивка и подсушаване. Съпротивлението Rиз на дъгогасителните дюзи, направени от органичен материал, се измерва след техния монтаж в прекъсвача и трябва да бъде от порядъка на 3000 MΩ. Кондензаторите на прекъсвача се изпитват в съответствие с изискванията на заводските инструкции.





Top