Высоковольтные выключатели

Технический Университет Молдовы

Энергитический Факультет

Кафедра "Електроэнергетики"

Partea electrică a centralelor

Îndrumări metodice pentru laborator "Высоковольтные выключатели" (specializările EI şi SRE)

Методические указания к лабораторной работе

"Высоковольтные выключатели"

Chişinău 2005

Содержание

1. Цель работы

2. Основные сведения

2.1 Краткая теория

2.2 Конструкция выключателя ВВ/TEL

2.3 Конструкция полюса

2.4 Конструкция вакуумной дугогасительной камеры

3. Принцип действия модуля

3.1 Включение

3.2 Отключение

3.3 Блоки управления

4. Технические характеристики ВВ/TEL

5. Область применения и условия выбора выключателей

6. Программа работы

7. Структура отчета

Литература

1. Цель работы

Изучение конструкции, принципа действия и области примения ваккумных выключателей.

2. Основные сведения

2.1 Краткая теория

Электрическая прочность вакуума (10-6 мм. рт. ст. ) значительно выше прочности других сред, применяемых в выключателях, Объясняется это увеличением длины среднего свободного пробега электронов, атомов, ионов и молекул по мере уменьшения давления. В вакууме длина свободного пробега частиц превышает размеры вакуумной камеры. В этих условиях удары частиц о стенки камеры происходят значительно чаще, чем соударения между частицами. При высокой электрической прочности вакуума (≈30 кВ/мм) расстояние между контактами может быть очень малым (от 2÷2,5 см) , поэтому размеры дугогасительной камеры могут быть также относительно небольшими. Процесс восстановления электрической прочности промежутка между контактами при отключении тока протекает в вакууме значительно быстрее, чем в газах.

Для надежности работы вакуумного выключателя и увеличения срока его службы весьма важную роль играет износостойкость контактов, которые рапыливаются во время горения дуги. Металлы, используемые для контактов, должны обладать механической прочностью, высокой проводимостью, стойкостью относительно эрозии и сваривания. Применение получили бипарные сплавы: Cu-Bi, Cu-Te, Ag-Bi, и др.

В лаборатории представлены вакуумные выключатели промышленной группы «Таврида-Электрик» (BB/TEL), предназначенные для работы в закрытых распределительных устройствах 6-10-20 кВ с ячейками КСО (камера стационарная одностороннего обслуживания) или КРУ (комплексное распределительное устройство).

2.2 Конструкция BB/TEL

Рис. 2.1. Конструкция BB/TEL

В отличиe от большинства существующих выключателей, в основу устройства BB/TEL заложен принцип раздельного управления контактами вакуумных дугогасительных камер фаз аппарата. Данный принцип позволил существенно уменьшить количество движущихся частей привода.

Вакуумные дугогасительные камеры установлены внутри полых опорных изоляторов, закрепленных на общем основании. Подвижные контакты дугогасительных камер жестко соеденины со своими приводами посредством изоляционных тяг, которые также располагаются внутри опорных изоляторов. Таким образом, все элементы конструкции полюса имеют общую ось симметрии, вдоль которой детали механизма совершают возвратно-поступательное движение. Это позволяет существенно упростить кинематическую схему BB/TEL, отказаться от применения нагруженных шарнирных и рычажных звеньев, что, в свою очередь, делает возможным создание коммутационного аппарата с высоким механическим ресурсом, не требующим обслуживания и регулировки в течении всего срока слыжбы. Так ресурс по коммутационной стойкости при номинальном Iном, операций ВО (включение – отключение) составляет – 50000, при токах короткого замыкания IO НОМ, операций ВО составляет – 100. Срок службы до списания – 25 лет.

Приводы фаз располагаются внутри основания выключателя. Они механически соеденены между собой посредством общего вала, который выполняет три функции:

обеспечивает синхронизацию фаз, предохраняя от неполнофазных режимов работы;

приводит в действие вспомогательные контакты выключателя;

обеспечивает механическую блокировку работы РУ, в котором установлен BB/TEL и управляет визуальными индикаторами положения BB/TEL.

2.3 Конструкция полюса выключателя

Рис. 2.2. Электромагнитный привод с магнитной защелкой.

Электромагнитный привод может находиться в двух устойчивых положениях – отключено и включено.

Фиксация якоря в этих положениях производится без применения механических защелок и обеспечивается:

- силой упругости отключающей пружины в положении отключено;

- силой, создаваемой остаточным магнитным потоком кольцевого постоянного магнита, в положении включено.

Операция включения и отключения производится путем подачи управляющих импульсов напряжения разной полярности на однообмоточнуй катушку электромагнитного привода.

2.4 Конструкция вакуумной дугогасительной камеры

В момент размыкания контактов в вакуумном промежутке коммутируемый ток инициирует возникновение электрического разряда, называемого «вакуумная дуга». Существование вакуумной дуги поддерживается за счет металла, испаряющегося с поверхности контактов в вакуумный промежуток. Плазма, образованная ионизированными парами металла, является проводником тока и поддерживает его протекание между контактами до момента перехода тока через ноль. В этот момент дуга гаснет, а оставшиеся пары металла мгновенно (за 7-10 микросекунд) конденсируются на поверхности контактов и других деталей дугогасительной камеры, восстанавливая электропрочность вакуумного промежутка. В это же время на разведенных контактах восстанавливается приложенное к ним напряжение. Если при восстановлении напряжения на поверхности контакта (как правило, анода) остаются перегретые участки, они могут служить источником эмиссии заряженных частиц, вызывающих пробой вакуумного промежутка, с последующим протеканием тока через него. Для избежания подобных отказов необходимо управлять вакуумной дугой, равномерно распределяя тепловой поток по всей поверхности контактов. Наиболее эффективным способом управления дугой является наложение на нее продольного (сонаправленного с направлением тока) магнитного поля, которое индуцируется самим током. Данный способ применен в вакуумных дугогаси-тельных камерах, которые разработаны и производятся предприятием «Таврида Электрик». Эта конструкция имеет явные преимущества:

- высокая отключающая способность;

- минимальные габариты и вес;

- малая величина тока среза (4-5 ампер), ограничивающая коммутационные перенапряжения до безопасных величин Продольное магнитное поле минимизирует коммутационный износ контактов (эрозию) и обеспечивает значительный коммутационный ресурс.

а) Вакуумные дугогасительные камеры

б) Продольное магнитное поле равномерно распределяет вакуумную дугу по поверхности контактов

Рис. 2.3.

3. Принцип действия модуля.

3.1 Включение

В отключенном положении выключателя контакты вакуумной камеры (ВДК) удерживаются в разомкнутом состоянии действием отключающей пружины, которое передается на подвижный контакт ВДК посредством тягового изолятора. Для включения модуля на обмотку электромагнитного привода разряжается предварительно заряженный включающий конденсатор блока управления. Импульс тока, протекающего по обмотке электромагнитного привода в результате разряда конденсатора, создает магнитное поле в зазоре между якорем и плоским магнитопроводом.

Рис. 3.1.

По мере роста тока в обмотке электромагнитного привода сила электромагнитного притяжения между якорем и плоским магнитопроводом возрастает до величины, превышающей силу удержания, создаваемую пружиной отключения. В этот момент якорь привода начинает двигаться по направлению к магнитопроводу, толкая тяговый изолятор и подвижный контакт ВДК (линия 1 на рисунке).

В процессе движения якоря по направлению к магнитопроводу воздушный зазор уменьшается, благодаря чему сила притяжения якоря увеличивается. Быстро растущая электромагнитная сила стремительно ускоряет движущиеся части модуля до скорости примерно 1 м/с. Такая скорость является оптимальной для процесса включения и позволяет избежать дребезга контактов при их соударении, существенно снижая при этом вероятность пробоя вакуумного промежутка до момента замыкания контактов (линия 2 на рисунке).

Ускоряющийся якорь генерирует в витках обмотки электромагнитного привода противо-ЭДС, которая препятствует дальнейшему нарастанию тока в обмотке и даже несколько снижает его (участок 1-2 на рисунке).

В момент замыкания контактов (линия 2 на рисунке) подвижный контакт останавливается, а якорь продолжает свое движение еще на 2 миллиметра, поджимая контакты через пружину дополнительного поджатия контактов.

Достигнув плоского магнитопровода, якорь останавливается, примагнитившись к магнитопроводу привода (линия 2а на рисунке). В момент остановки якоря он перестает индуцировать противо-ЭДС, что приводит к росту тока, необходимого для насыщения кольцевого постоянного магнита до достижения им необходимых магнитных свойств (участок 2а-3 на рисунке). Намагниченный до насыщения кольцевой магнит создает мощный остаточный магнитный поток, достаточный для удержания якоря привода (и соответственно, контактов модуля) во включенном положении даже после отключения включающего тока вспомогательным контактом (линия 3 на рисунке).

Испытания на стойкость к механическим воздействиям показали, что усилие удержания, развиваемого постоянным магнитом, достаточно для того, чтобы удерживать модуль во включенном положении так долго, как это необходимо по условиям эксплуатации, даже при воздействии вибрационных и ударных нагрузок.

Отключающая пружина привода также сжимается в процессе движения якоря, накапливая потенциальную энергию для выполнения операции отключения модуля.

Перемещение якоря передается на синхронизирующий вал, поворачивая его в процессе перемещения на угол 44°, для обеспечения индикации состояния модуля, управления вспомогательными контактами и приведения в действие блокировочных механизмов распредустройства.

3.2Отключение

Для отключения выключателя на обмотку электромагнитного привода разряжается предварительно заряженный отключающий конденсатор блока управления, обеспечивающий протекание через обмотку в течение 15-20 миллисекунд тока в направлении, противоположном току включения (участок 4-5 на рисунке).

Ток отключения частично размагничивает постоянный магнит, ослабляя силу магнитного притяжения якоря к плоскому магнитол ров оду.

Совместное воздействие отключающей пружины и пружины дополнительного поджатия контактов является достаточным для того, чтобы «оторвать» примагниченный якорь от магнито-провода (линия 4а). Возникающий воздушный зазор в приводе резко уменьшает силу притяжения, якорь под действием пружин интенсивно разгоняется и после 2 миллиметров свободного движения рывком увлекает за собой тяговый изолятор и подвижный контакт ВДК.

Усилие стартового рывка на подвижном контакте может достигать величины 2000 Н, что позволяет эффективно разрывать точки микросварок на поверхности контактов, которые могут возникать из-за термического воздействия токов короткого замыкания.

Размыкание контактов происходит с интенсивным ускорением, способствуя достижению максимальной отключающей способности модуля (линия 5 на рисунке).

По достижении якорем крайнего положения контакты ВДК удерживаются в разомкнутом состоянии усилием отключающей пружины, которое передается на подвижный контакт посредством тягового изолятора.

Перемещение якоря передается на синхронизирующий вал, поворачивая его в процессе перемещения на угол 44°, для обеспечения индикации состояния модуля, управления вспомогательными контактами и приведения в действие блокировочных механизмов распредустройства.

3.3 Блоки управления выключателем

Для управления (включения и отключения) выключателем, а также для сопряжения с существующими цепями релейной защиты и управления предназначены блоки управления BU/TEL различных типов.

При выполнении операций ВКЛ/ОТКЛ на катушки электромагнитных приводов выключателя разряжаются предварительно заряженные конденсаторы блоков управления. Таким образом обеспечивается строгое дозирование электрической энергии, что позволяет снизить совокупное разрушительное воздействие на контактную систему вакуумных дугогасительных электроэрозионных, тепловых и механических факторов, что в свою очередь способствует повышению коммутационного и механического ресурса всего вакуумного выключателя.

Блоки управления имеют встроенные блоки питания. Выбор типа блока управления зависит от рода оперативного напряжения (постоянное, переменное, выпрямленное), его источников, функционального назначения ячейки объема релейной защиты и автоматики, типа используемой аппаратуры и других параметров.

4. Технические характеристики вакуумных выключателей

4.1 Структура условного обозначения выключателя

Пример записи обозначения выключателя напряжением 10 кВ с номинальным током отключения 12,5 кА, номинальным током 630 А, климатического исполнения У2, конструктивного исполнения 45 по каталогу:

BB/TEL-10-12,5/630-У2-45.

4.2 Технические характеристики

5. Область применения и условия выбора

Выключатели BB/TEL применяются в составе комплектных распределительных устройств серии КРУ/TEL , выкатных элементов ВЭ/TEL, для замены морально и физически устаревших выключателей шкафов КРУ серий К, КМ, КРУ, КР, КСО, КРУН напряжением 6-10-20 кВ.

В зврубежной практике вакуумные выключатели используются на напряжения до 220 кВ и выше.

Положительные стороны вакуумных выключателей:

1) простота конструкции - отсутствие клапанов, компрессоров, других вспомогательных устройств;

2) исключительная надежность - перерывы в работе присоединений, вызванных ремонтом выключателей, практически исключен;

3) быстродействие;

4) отсутствие шунтирующих резисторов, поскольку скорость восстанавливающейся электрической прочности промежутка между контактами исключительно высока;

5) отсутствие масла и других горючих материалов;

6) относительно небольшие размеры и масса выключателей;

7) отсутствие ударных нагрузок на фундаменты характерных для масляных выключателей;

8) бесшумная работа;

9) низкая стоимость.

Весьма вероятно, что в ближайшем будущем вакуумные выключатели вытеснят большую часть выключателей, применяемых в настоящее время.

Выбор выключателей

При выборе выключателей необходимо учесть 12 различных параметров, но так как заводами-изготовителями гарантируется определенная зависимость параметров, например

,

допустимо производить выбор выключателей по важнейшим параметрам:

по напряжению установки Uуст ≤ Uном ;

по длительному току Iнорм ≤I ном ; Imax ≤ Iном ;

по отключающей способности.

В первую очередь производится проверка на симметричный ток отключения по условию

.

Затем проверяется возможность отключения апериодической составляющей тока КЗ

где iа, ном - номинальное допускаемое значение апериодической составляющей в отключаемом токе для времени т; βН— нормированное значение содержания апериодической составляющей в отключаемом токе, % (по каталогам или по рис. 4.54); iа, τ — апериодическая составляющая тока КЗ в момент расхождения контактов τ; τ — наименьшее время от начала КЗ до момента расхождения дугогасительных контактов:

;

здесь где tз,min =0,01 с — минимальное время действия релейной защиты;

tсв - собственное время отключения выключателя.

Если условие Iп,τ ≤ I отк,ном соблюдается, а то допускается проверку по отключающей способности производить по полному току КЗ:

По включающей способности проверка производится по условию

где iу -ударный ток КЗ в цепи выключателя; — начальное значение периодической составляющей тока КЗ в цепи выключателя; — номинальный ток включения (действующее значение периодической составляющей); iвкл — наибольший пик тока включения (по каталогу). Заводами-изготовителями соблюдается условие , где — ударный коэффициент, нормированный для выключателей. Проверка по двум условиям необходима потому, что для конкретной системы kу может быть более 1,8.

На электродинамическую стойкость выключатель проверяется по предельным сквозным токам КЗ:

где — наибольший пик (ток электродинамической стойкости) по каталогу; — действующее значение периодической составляющей предельного сквозного тока КЗ. Проверка по двум условиям производится по тем же соображениям, которые указаны выше.

На термическую стойкость выключатель проверяется по тепловому импульсу тока КЗ:

где Вк— тепловой импульс тока КЗ по расчету; — среднеквадратичное значение тока за время его протекания (ток термической стойкости) по каталогу; tтер — длительность протекания тока термической стойкости по каталогу, с.

Проверка выключателей по параметрам восстанавливающегося напряжения на контактах выключателя в учебном проектировании обычно не производится, так как в большинстве энергосистем реальные условия восстановления нагиэюкения соответствуют условиям испытания выключателя.

6. Программа работы

1. Изучить методические указания к лабораторной работе и методические материалы, имеющиеся в лаборатории.

2. Изучить конструкцию BB/TEL, представленную в лаборатории.

3. Изучить принцип действия модуля (включение, отключение, гашение эл. дуги).

4. Изучить технические характеристики BB/TEL.

5. Изучить условия выбора выключателей при проектировании.

7. Структура отчета

1. Цель работы.

2. Особенности вакуума при гашении эл.дуги.

3. Особенности работы дугогасительных камер BB/TEL.

4. Процесс включения и отключения BB/TEL.

5. Привести эскизы дугогасительных камер, полюса и самого выключателя.

6.Область применения и условия выбора выключателей.

7. Список использованной литературы.

Литература

1. А.А.Васильев и др. "Электрическая цепь станций и подстанций". М. Энергоиздат, 1990.

2. Л.Д.Рожкова, В.С. Козулин " Электрооборудование станций и подстанций". М. Энергоиздат, 1987.

3. "Методические материалы и инструкции по эксплуатации BB/TEL группы "Таврида Электрик" за 2003, 2004 годы.