Высоковольтный вакуумный выключатель

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшим оборудованием распределительных сетей являются коммутационные аппараты, от работы которых зависит надежность всех подстанций, линий электропередачи и распределительных устройств во всех режимах эксплуатации.
Развитие энергетики нашей страны в программе экономического подъема и развития Российской Федерации, которая предусматривает проведение в жизнь активной энергосберегающей политики на базе ускорения научно-технического прогресса. Электрификация России развивается по пути разработки и внедрения электроустановок с использованием современных высокоэффективных электрических машин и аппаратов, линий электропередач, разнообразного электротехнологического оборудования, средств автоматики и телемеханики. Поэтому наметилась тенденция к снижению энергопотребления и потерь электроэнергии у потребителей в связи с этим возникает необходимость в разработке новых проектов электроснабжения объектов.
Первые разработки вакуумных выключателей были начаты в 30-е годы XX века, действующие модели могли отключать небольшие токи при напряжениях до 40 кВ. Достаточно мощные вакуумные выключатели в те годы так и не были созданы из-за несовершенства технологии изготовления вакуумной аппаратуры и, прежде всего, из-за возникших в то время технических трудностей по поддержанию глубокого вакуума в герметизированной камере.Для создания надежно работающих вакуумных дугогасительных камер, способных отключать большие токи при высоком напряжении электрической сети, потребовалось выполнить обширную программу исследовательских работ. В ходе проведения этих работ примерно к 1957 г. были выявлены и научно объяснены основные физические процессы, происходящие при горении дуги в вакууме.
1 Высоковольтный вакуумный выключатель. Назначение и принцип действия. Среди современного высоковольтного оборудования, предназначенного для коммутации электрических цепей в энергетике, особое место отводится вакуумным выключателям. Они широко применяются в сетях от 6 до 35 кВ и реже в схемах 110 или 220 кВ включительно.
Их номинальный ток отключения может составлять от 20 до 40 кА, а электродинамической стойкости — порядка 50÷100. Общее время отключения таким выключателем нагрузки или аварии составляет около 45 миллисекунд.
Рисунок 1 – Общий вид высоковольтного вакуумного выключателя
Вакуумные выключатели предназначены для совершения коммутационных операций в электроснабжающих сетях высокого напряжения. Конструктивно вакуумный выключатель состоит из трех отдельных полюсов или колонок (по одной на каждую фазу). Все колонки устанавливаются на одном приводе посредством опорного изолятора из полимера, фарфора или текстолита. У каждой из них имеются два вывода для подключения ошиновки.
Устройство вакуумного выключателяНа рисунке 1.2 видно, что внутри устройство состоит из двух контактов, подведенных под соответствующие потенциалы полюсов. Один из них выполняется подвижным, второй стационарным, как и в других типах выключателей. Силовые контакты вакуумного выключателя располагаются внутри герметичной камеры, способной сохранять вакуум в течении длительного периода времени (несколько десятков лет). Для чего в состав камеры включаются специальные металлические сплавы и керамические добавки. Именно этот элемент стал камнем преткновения для реализации такого выключателя в 30-е годы прошлого века.
Современные технологии предоставляют возможность сохранения вакуума внутри емкости, в том числе, с учетом динамических нагрузок, которые ей приходится претерпевать во время коммутаций. Для постоянного поддержания состояния сильно разреженной газовой среды, внутри вакуумной камеры, устройство комплектуется сильфонным компонентом. Он исключает возможность проникновения воздуха или другого газа внутрь вакуумной камеры при перемещении подвижного контакта.
Рисунок 1.2 – Конструкция вакуумного выключателя
Принцип гашения электрической дуги. При разрыве контактов между поверхностями возникает ионизация пространства. Если в воздушных выключателях с методом электромагнитного дутья эту ионизацию искусственно растягивают на несколько метров, а в элегазовых и масляных выключателях стараются погасить диэлектрическим материалом, то в вакуумных применяется другая технология. Основной принцип основан на том, что в идеальном вакууме отсутствует какое-либо вещество, способное к выделению заряженных частиц. Поэтому в момент разделения контактов, из-за разности потенциалов, единственным источником ионизации являются пары раскаленного металла.
Они продолжают движение между контактными поверхностями, но при переходе синусоиды электрического тока через ноль, заряженные частицы утрачивают энергию для ионизации и перемещения, их место быстро занимает пустое пространство с высокой электрической прочностью и дуга рвется. Ионы металлов примыкают к ближайшей поверхности - контактам или стенкам камеры. Такой принцип действия позволяет сократить время на прекращение горения дуги и предоставляет ряд преимуществ, в сравнении с другими типами коммутационных аппаратов. Но чрезмерные коммутационные перенапряжения могут привести к деформации поверхности, что будет препятствовать нормальному замыканию контактов, увеличит переходное сопротивление и вызовет перегрев внутри вакуумной камеры.
2. Сфера применения и типы вакуумных выключателей. Как и любая другая электротехническая продукция, вакуумные выключатели подразделяются на несколько типов, в зависимости от класса напряжения, для которого предназначен аппарат. Поэтому условно их можно подразделить на:
- Устройства на 6 - 10 кВ;
- Устройства на 35 кВ;
- Устройства на 110-220 кВ.
Вторым критерием является мощность отключаемого потребителя, в соответствии с которой модели отличаются по максимальному рабочему току или по мощности.
Если первые модели, выпущенные еще в СССР, обеспечивали отключение, сравнительно небольших нагрузок из-за конструктивного несовершенства вакуумной камеры и технических характеристик контактов, то современные модели могут похвастаться куда более термоустойчивым и прочным материалом поверхности. Это обуславливает возможность установки таких коммутационных агрегатов практически во всех отраслях промышленности и народного хозяйства. Сегодня вакуумные выключатели используются в таких сферах:
- В распределительных электроустановках как электрических станций, так и распределительных подстанций;
- В металлургии для питания печных трансформаторов, снабжающих сталеплавильное оборудование;
- В нефтегазовой и химической промышленности на пунктах перекачки, переключающих пунктах и трансформаторных подстанциях;
Для работы первичных и вторичных цепей тяговых подстанций на железнодорожном транспорте, осуществляет питание вспомогательного оборудования и не тяговых потребителей;
На горнодобывающих предприятиях для питания комбайнов, экскаваторов и других видов тяжелой техники от комплектных трансформаторных подстанций.
В любой, из вышеперечисленных отраслей народного хозяйствования, вакуумные выключатели повсеместно вытесняют устаревшие масляные и воздушные модели.
3. Критерии выбора и эксплуатация высоковольтных вакуумных выключателей. 3.1 Особенности монтажа ВВУстановка вакуумного выключателя выполняется в уже имеющиеся ячейки, шкафы КРУ, остающиеся из-под масляных или воздушных выключателей, или монтируются в новую ячейку на этапе строительства распредустройства, подстанции или электроустановки. Болтовые крепления к металлическим конструкциям должны плотно затягиваться, обеспечивая и неподвижность коммутационного аппарата при интенсивных динамических колебаниях.
Весь процесс должен осуществляться в строгом соответствии с требованиями, как указаний завода изготовителя, так и нормативных документов, регламентирующих работу устройств в соответствующей отрасли. Обязательными для применения в любых цепях являются нормативные величины, устанавливаемые ПУЭ. Где указаны расстояния от токоведущих частей до заземленных конструкций, электрические параметры и прочие требования к установке вакуумных выключателей.
Ошиновка производиться металлическими шинами из меди или алюминия, которые перед монтажом предварительно зачищаются для получения минимальных показателей переходного сопротивления.
После завершения установки и подключения управленческих цепей к блоку контроля выключателем или приводу, необходимо осуществить ряд манипуляций и проверок:
Очистить поверхность наружных изоляторов от всевозможных засорителей для исключения возможности протекания токов утечки;
Проверка работоспособности привода, ручное отключение и соответствие обозначения флажка на нем действительному положению -вкл/выкл;
Испытание изоляционных свойств смонтированного устройства посредством подачи напряжения промышленной частоты;
Измерение величины переходного сопротивления между контактами;
В случае хранения вакуумного устройства на складе более двух лет, перед подключением к коммутационным цепям необходимо производить комплекс испытаний, чтобы убедиться в прочности промежутка на случай отключения токов кз.
3.2 Особенности эксплуатации ВВ. После ввода в эксплуатацию вакуумный выключатель обязательно проходит периодические осмотры и испытания - текущий и капитальный ремонт, профконтроль, осмотр. Которые устанавливаются правилами технической эксплуатации, а также заводскими инструкциями.
Помимо регламентных работ коммутационный агрегат может отключаться от аварийных нагрузок, что может существенно повредить рабочую поверхность контактов. Поэтому после срабатывания в аварийном режиме, обслуживающий персонал обязан произвести внеплановый осмотр коммутационного устройства на предмет выявления подгаров, оплавлений, пятен выброса металла и прочих дефектов, свидетельствующих о возможном снижении проводимости или изоляционных свойств, номинальных характеристик и т.д. Результаты осмотров вакуумного выключателя после аварийных отключений должны заноситься в соответствующий журнал.
3.3 Особенности контроля и управления ВВ. Управление может осуществляться как дистанционно, так и вручную. Все коммутационные операции производятся через управленческий блок, который перерабатывает команды и передает их на привод устройства. Универсальный электромагнитный привод позволяет удерживать рабочие контакты в заданном положении. Все современные модели обеспечиваются магнитной защелкой, обеспечивающей четкую фиксацию положения вне зависимости от его исправности.
Информация о работе коммутационного аппарата отображается на блоке управления или передается через управленческие сети на пульт оперативного персонала. Поэтому функции контроля могут осуществляться диспетчерским персоналом через систему телемеханики, где все команды посылаются через оперативные токи и не требуют личного присутствия.
Ручное отключение напрямую воздействует на привод, но требует личного присутствия работников возле ячейки или шкафа выкатного типа.
При выборе конкретной модели ВВ обязательно учитываются следующие параметры:
Напряжение электроустановки - в соответствии с которым определяется тип изоляции;
Электродинамическая стойкость, в случае возникновения тока короткого замыкания;
Термическая стойкость, при удаленных от места установки вакуумного выключателя авариях;
Климатическое исполнение.
Рисунок 3 – Выбор и буквенное обозначение ВВ
Наиболее известными производителями вакуумных выключателей являются отечественные компании: «Таврида электрик», «НПП Контакт», ОАО «Самарский трансформатор», «ПО ЭЛКО», «РЗВА» и другие. Из зарубежных: Siemens, ABB, HEAG.
В таблице 1 приведены сравнительные характеристики некоторых наиболее популярных вакуумных выключателей.
Таблица 1 – Основные характеристики ВВ
Выключатель серии Номинальное напряжение, кВ. Номинальный ток, А Ток
отключения, А Термическая стойкость, кА Динамическая стойкость, кА
ВВЭ-М-10 10-11 630,1000, 1600, 2000, 2500, 3150 20; 31,5; 31,5; 40 20; 31,5; 31,5; 40 51, 81, 81, 128
BB/AST 10-12,5/1000 10 — 12 1000 12,5 12,5 32
BB/TEL-10-12,5/1000 У2 10 1000 12,5 12,5 32
15ADV20 AA3F1 13,8 — 15 1200 20 20 38
ВВЭЛ-110-20/1600 110 — 126 1600 20 20 41
3.4 Преимущества и недостатки вакуумных выключателей. К преимуществам данного вида коммутационных аппаратов следует отнести:
Сравнительно небольшие габариты, в отличии от масляных и воздушных;
Отличаются малыми габаритами и возможностью быстрой замены, особенно в выкатных ячейках;
Не производят такого большого шума при переключениях;
Отлично выполняют свои функции не зависимо от положения камер в пространстве;
Полностью экологичны и безопасны для здоровья в отличии от элегазовых выключателей;
Не требуют дозаправки и содержания отдельного хозяйства для этой цели;
Отличаются высокой надежностью.
К недостаткам вакуумных выключателей относят:
Неспособность выдерживать большие токи короткого замыкания;
Возникновение перенапряжения при отсекании малых индуктивных токов;
Малый коммутационный ресурс отключения аварийных токов.
Заключение. Современный высоковольтный вакуумный выключатель представляет собой быстродействующий коммутационный аппарат нового поколения, рассчитанный на более долгий срок службы, нежели его предшественники с масляной или элегазовой средой для тушения электрической дуги. Статистически процент их применения в электроустановках выше 1000 Вольт стабильно растёт.Каждый высоковольтный вакуумный выключатель обладает своими характеристиками и конструктивными особенностями, так как используется в сетях с разным напряжением и током. Также разные производители вносят свои индивидуальные коррективы в устройство и конструкцию своих изделий. Но основные элементы всё же остаются неизменными.
Ряд преимуществ вакуумных дугогасительных устройств обуславливается более эффективным принципом гашения дуги, создает предпосылки для предотвращения аварийных режимов энергосистемы и позволяет существенно сократить затраты на обслуживание.
Основные трудности, сдерживающие развитие вакуумных коммутационных аппаратов связаны с теплоотводом от контактов как при длительной нагрузке номинальным током, так и в процессе отключения. Это обусловлено тем, что теплопередача от контактов через объём камеры к её стенкам чрезвычайно низка, передача тепла конвекцией отсутствует.
В связи с этим, вся выделяемая в контактах и токоведущих стержнях теплота должна быть отведена практически лишь посредством теплопроводности в аксиальном направлении к выводам камеры, присоединяемым, как правило, к охлаждающим радиаторам.
Список использованных источников:
ГОСТ 19431-84 "Энергетика и электрификация. Термины и определения"
Нормативная документация: СП, РД, ПБ, СО
eq Правила представителей устройства eq электроустановок планирование . – М: eq Энергия включения , 2014
Правила eq технической фиксирует эксплуатации eq электроустановок экономическую потребителей. – eq М социальных .: Омега-eq Л исследований , 2009. – 272 с.
Книга 1 автора
Барыбин Ю.Г. Справочник по проектированию электроснабжения / М.: Энергоатомиздат, 2012.
Дорошев К. И. Комплектные распределительные устройства с электромагнитными выключателями завода «Электрощит». — Электрические станции, 2012, № 2, с. 72—73.
Кужеков, С.Л. Практическое пособие по электрическим сетям и электрооборудованию / С.Л. Кужеков. – Ростов н/Д : Феникс, 2012. – 492 с.
Макаров, Е.Ф. Справочник по электрическим сетям 0,4-35 кВ и 110-1150 кВ / Е.Ф. Макаров. – М. : Папирус Про,2015. – Т. 5. – 624 с.
Румянцев, Д.Е. Современное вакуумное коммутационное электротехническое оборудование сетей и подстанций /Д.Е. Румянцев. – М.: ИПК госслужбы, 2013. – 71 с.
eq Рожкова глобальную Л.eq Д экспериментов . Электрооборудование eq электрических масштабности станций eq и нанотехнологии подстанций: eq Учебник оппозиции для eq сред участника .проф. eq образования оппозиции . – М: eq Издательский нанотехнологии центр «eq Академия оппозиции », 2011. – 448 с.
Книга 2-3 авторов
Афонин, В.В. Элегазовые выключатели распределительных устройств высокого напряжения / В.В. Афонин, К.А.Набатов. – Тамбов : Изд-во ТГТУ, 2011. – 96 с.
Балаков, Ю.Н. О достигнутых параметрах выключателей / Ю.Н. Балаков, Б.Н. Неклепаев, А.В. Шунтов // Электрические станции. – 2016. – № 10. С. 56 – 60.
Быков Е. И., Колузаев А. М. Элекртомагнитные выключатели ВЭМ-6 и ВЭМ-10. М„ «Энергия», 2013, 104 с.
Вакуумные коммутационные аппараты / Г.Н. Александров, В.В. Борисов, Г.А. Евдокимов и др. – СПб., 2015. – 62 с.
Козлов В. Б., Лукацкая И. А., Тихонов В. Н. Вакуумные выключатели. — В кн.: Новая техника в электроснабжении и электрооборудовании промышленных предприятий. М., МДНТП имени Ф. Э. Дзержинского, 2011, № 1, с. 130—132.
Кравченко А. Н., Метельский В. П., Рассальский А.Н. «Высоковольтные выключатели 6—10 кВ» 2006
Набатов К.А., Афонин В.В. «Высоковольтные вакуумные выключатели распределительных устройств» 2015.
Книга 4-х авторов
Солянкин А. Г., Павлов М. В., Павлов И. В., Желтов И. Г. «Теория и конструкции выключателей» 2003.