Принцип гашения дуги в масляных выключателях: . , . » elektri4estwo.ru

Масляные и вакуумные выключатели: конструкция, назначение, обозначение

1. Главная→
2. Статьи→
3. Масляные и вакуумные выключатели: конструкция, назначение, обозначение

Основная задача высоковольтных выключателей — отключение нагрузки в электрических сетях в рабочих и аварийных режимах. Это необходимо для обеспечения безопасности персонала в ходе ремонтных и других работ. В этой статье мы поговорим о масляных и вакуумных высоковольтных выключателях, их назначении, а также особенностях их конструкции. Мы также расскажем о преимуществах современных коммутационных аппаратов.

Содержание

1. Назначение вакуумных и масляных выключателей
2. Конструкция масляных выключателей
3. Виды масляных выключателей
4. Эксплуатация масляных выключателей
5. Конструкция вакуумных выключателей
6. Принцип работы вакуумного выключателя
7. Особенности применения вакуумных выключателей
8. Преимущества вакуумных выключателей над масляными

Назначение вакуумных и масляных выключателей

Любой коммутационный аппарат в высоковольтных сетях должен выполнять две основные функции.

Отключение электрических цепей как под нагрузкой, так и без нее.Коммутационный аппарат должен работать как в нормальном, так и в аварийном режиме. Это значит, что он должен не только в течении долгого времени выдерживать номинальные токи, но и быть способным отключить кратковременные токи короткого замыкания, в несколько раз превосходящие по величине рабочие токи. В аварийном режиме выключатель должен автоматически отключить электрическую цепь, чтобы предотвратить повреждение аппаратуры и подключенных приборов.

Важно!

Выключатели классифицируют в зависимости от того, в какой среде происходит гашение дуги.

При выборе коммутационного аппарата также учитывают его свойства, в том числе

• надежность, длительный срок службы, безопасность для подключенного оборудования и окружающих;
• быстродействие — малое время отклика и отключения;
• удобство в обслуживании и управлении. Работу современных аппаратов можно контролировать удаленно;
• простота и скорость монтажа;
• небольшой вес и габариты;
• доступная цена, ремонтопригодность.

Конструкция масляных выключателей

Каждый коммутационный аппарат этого вида включает в себя следующие элементы:

1. Силовая контактная группа. Она состоит из свечи (подвижного элемента) и розетки (стационарного элемента). Между контактами возникает электрическая дуга, которая гасится аппаратом.
2. Изоляторы. Они изолируют токопроводящие части от корпуса и друг от друга.
3. Баки с маслом. В различных моделях их число варьируется от 1 до 3. В масляной среде происходит гашение электрической дуги.
4. Блок-контакты. Они делятся на группы, которые обеспечивают управление аппаратурой и контрольную функцию.

5. Приводы. Они могут быть автоматическими и ручными. В масляных выключателях они собраны на основе крупной включающей катушки соленоида (ее иногда называют просто катушкой включения/отключения). Отключающая катушка выполняет роль ударного механизма, сбивающего с защёлки включенное устройство выключателя.
6. Отключающие пружины. Они необходимы для размыкания силовой части и определяют скорость расхождения контактов.

Виды масляных выключателей

 

Основных видов конструкции два:

1. Баковые выключатели. Обычно эти устройства рассчитаны на небольшие токи отключения. Масло в них выполняет две функции: гасит дугу и обеспечивает изоляцию токоведущих частей и дугогасительного аппарата.

Конструкции, рассчитанные на напряжение до 20 кВ, снабжаются одним баком для масла. Все три полюса находятся в нем.
Модели, предназначенные для работы с напряжением 35 кВ и выше, оборудованы тремя баками. Соответственно, каждая из фаз расположена отдельно от других. Приводы в таких коммутационных аппаратах могут быть персональными (пофазными) и групповыми, электромагнитными или воздушными. В некоторых моделях также предусмотрена функция автоматического повторного включения (АПВ). Особенностью масляных выключателей на 35 кВ и более является наличие встроенных трансформаторов тока.

2. Маломасляные выключатели.  В отличие от баковых коммутационных аппаратов, масло в них служит исключительно для гашения дуги. Для изолирования токоведущих деталей и дугогасительного аппарата применяются твердые диэлектрики, например, керамика или текстолит, а также эпоксидные смолы. Масляные выключатели с такой конструкцией имеют обозначение ВМП или ВМГ.

Аппараты этого типа отличаются меньшими габаритами и массой. Они также обеспечивают более высокий уровень защиты от пожаров и взрывов. В некоторых моделях маломасляных выключателей присутствуют емкостные трансформаторы напряжения и тока. Такие аппараты отличаются более крупными габаритами и сложной конструкцией.

Масляные выключатели выпускаются в двух исполнениях:

1. Модели, в которых дугогасительная камера расположена снизу. Подвижный контакт в таких аппаратах движется сверху вниз.
2. Модели, в которых дугогасительная камера расположена сверху. В них контакт движется снизу вверх. Модели такого типа на сегодняшний день считаются наиболее технически совершенными среди масляных выключателей.

Конструкция масляных выключателей может предусматривать наличие встроенной системы защиты и управления. Она может включать в себя различные реле:

• выдержки времени;
• максимального тока моментального действия;
• минимального напряжения;
• электромагниты отключения.

Эксплуатация масляных выключателей

Любая коммутационная аппаратура в высоковольтных сетях требует соблюдения ряда правил при монтаже, пуско-наладке и эксплуатации. Перед вводом выключателя в эксплуатацию необходимо провести ряд мероприятий:

1. Провести регулировку силовой контактной группы. Важно убедиться, что подвижный элемент (свеча) входит в розетку на необходимое расстояние. Регулировка проводится после установки аппарата. Сотрудник открепляет свечу контактной группы, а затем фиксирует ее на необходимом уровне.
2. Провести испытания. Они включают в себя различные виды проверок изоляции и других элементов конструкции масляного выключателя. В обязательном порядке проводятся испытания повышенным напряжением промышленной частоты, частым включением/выключением и так далее. После окончания всех проверок составляется протокол, в котором фиксируются полученные результаты. На их основе принимается решение о возможности ввода аппарата в эксплуатацию, необходимости его ремонта.

О том, как они проходят, вы можете прочитать в другой нашей статье.

Перед вводом выключателя в эксплуатацию также необходимо проверить

• наличие масла в баке или в баках, его уровень и качество;
• крепление всех элементов привода;
• состояние изоляторов;
• чистоту блок-контактов.

Все манипуляции должны проводиться квалифицированной бригадой при соблюдении всех требований безопасности.

Конструкция вакуумных выключателей

Конструкция каждой модели вакуумных выключателей имеет свои особенности, обусловленные различными типами привода, номинальными рабочими напряжениями и токами. Вакуумные выключатели различных производителей непохожи друг на друга. Тем не менее, все ключевые элементы остаются неизменными и присутствуют в любом выключателе. К ним относятся:

1. Корпус. Он должен иметь высокий запас прочности, поэтому делается из металла. Внутри корпуса устанавливается привод включения/выключения.
2. Полюса токоведущих частей. Как и в выключателях других типов, их три. Они обеспечивают подключение к сети и отключение от нее.
3. Диэлектрический корпус вакуумной камеры. Он изготавливается методом литья и содержит силиконовые и эпоксидные смолы.
4. Тележка для перемещения в конструкции КРУ. Важно обратить особое внимание на этот элемент, так как у различных производителей он может сильно отличаться.

Стандартно вакуумные выключатели имеют 3 полюса (по числу фаз). В конструкции полюсов выделяют следующие элементы:

1. Верхний токопроводящий вывод.
2. Дугогасительная камера.
3. Диэлектрический корпус.
4. Подвижная часть силовой контактной группы.
5. Нижний отходящий токопроводящий вывод.
6. Гибкий элемент токоведущей шины.
7. Тяга с изолятором.

Отдельного упоминания заслуживает конструкция вакуумной камеры. Этот элемент выключателя является неразборным. Оценить состояние контактной системы и уровня вакуума можно только в процессе испытаний с помощью измерительных приборов. При выходе камеры из строя ее не ремонтируют, а заменяют на новую. Основными элементами ее конструкции являются:

1.  Подвижный и неподвижный силовые контакты. Между ними и образуется электрическая дуга.
2. Экранирующий механизм. Он помогает снизить помехи при коммутации.
3. Изоляционный корпус. Обычно он производится из керамики.
4. Сильфон. Он не допускает разгерметизации вакуумной дугогасительной камеры (ВДК) при движении контактов.
5. Выводы подвижного и неподвижного контактов.

Современные модели выключателей могут управляться как по месту установки, так и дистанционным способом. Любой коммутационный аппарат также может функционировать в аварийных режимах. В этом случае сигнал на отключение поступает от блока релейной защиты или специальной автоматики. В такой ситуации происходит подача питания на электромагнит отключения, после чего токопроводящие силовые контакты размыкаются.

Важно!

Некоторые производители выпускают модели коммутационных устройств, в составе которых присутствует и релейная защита, и противоаварийная автоматика. Такие устройства называются реклоузерами.

Принцип работы вакуумного выключателя

 

В первую очередь нас интересует процесс гашения дуги. Он основан на свойствах вакуума, в частности — на высокой электрической прочности и диэлектрических характеристиках. Дуга возникает при разрывании контактов и поддерживается за счет испаряющегося с их поверхности металла. Ее гашение происходит при переходе тока через ноль. За счет диэлектрических свойств вакуума и быстрого процесса деионизации повторно дуга не возникает.

Важно!

У данного вида коммутационных аппаратов есть серьезный недостаток, который заключается в возможности появления среза тока. Это явление происходит в случаях, когда гашение дуги происходит до перехода тока через ноль. Срез тока вызывает коммутационные перенапряжения, которые негативно влияют на всю технику, подключенную к сети. Для того, чтобы избежать повреждений, используются ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН).

Особенности применения вакуумных выключателей

Современные коммутационные аппараты этого типа могут устанавливаться как в комплектных, так и в открытых распределительных устройствах. Вакуумные выключатели отличаются высокой скоростью работы и длительным сроком службы. Многие модели, выпускаемые сегодня, могут работать минимум 30 лет при условии регулярного обслуживания и правильной эксплуатации. Сегодня вакуумные выключатели все чаще используются в электроустановках классов напряжения 1000 В и более.

Важно!

Все выключатели, вне зависимости от типа, должны оснащаться механизмом ручного отключения, позволяющим произвести отключение выключателя даже в случае выхода из строя его привода либо цепей управления.

Преимущества вакуумных выключателей над масляными

 

Сегодня в промышленности применяются оба этих вида коммутационных устройств, но последние быстро сдают свои позиции. В Китае, например, от масляных выключателей отказались полностью. Их заменили более совершенными аппаратами.

Ученые на практике доказали, что гашение дуги в вакууме значительно более эффективно, чем в масляной среде. Само электрооборудование можно считать более практичным за счет меньших габаритов. К другим преимуществам вакуумных выключателей относятся:

1. Простота в обслуживании. Конструкция масляных выключателей требует постоянного поддержания уровня наполнения бака либо дугогасительной камеры маслом.
2. Долговечность. Срок службы вакуумных коммутационных аппаратов в 1,5-2 раза превышает показатели масляных выключателей.
3. Минимум шума и отходов, требующих специальной утилизации. При отключении токов КЗ не происходит выброса газов и масла из вакуумного выключателя.
4. Простой ремонт. Вакуумную камеру легко заменить в случае ее выхода из строя.
5. Небольшие габариты, простота монтажа и регулировки.

Дугогасительные устройства масляных выключателей

Первые масляные выключатели состояли из бака (резервуара) круглой, овальной или прямоугольной формы. Сквозь крышку такого бака проходили изоляторы, на нижних концах которых крепились неподвижные контакты. Подвижной контакт

переключает два неподвижных контактов одного полюса, соединялся с приводным механизмом посредством изоляционной тяги. Бак заполнялся трансформаторной маслом до определенного уровня, но так, чтобы контактная система была полностью погружена в масло. Между поверхностью масла и крышкой бака находилось воздуха, которое отвечало атмосферном давлении (воздушная подушка).

 

В рассматриваемом выключатели масло (olive tree) служит не только дугогасящий средой, но и изоляцией между разомкнутыми контактами одного полюса (и контактами соседних полюсов, если все полюса находятся в одном баке). Бак масляного выключателя может быть заземлен или изолированный от земли, например, размещением его на изоляторе. Если бак масляного выключателя заземлен, то масло также изоляцией между частями, находящимися под напряжением и заземленными частями. Такие выключатели называются баковых или многообъемных масляных выключателей [13].

Если бак масляного выключателя изолирован, то масло может быть или только дугогасящий средой, или одновременно дугогасящий средой и изоляцией между разомкнутыми контактами одного полюса. Такие выключатели называются выключателя с малым объемом масла (малообъемные или малооливни). Масло в этих выключателях является их основной классификационным признаком по способу тушения (extinguishing) дуги.

В конструкциях масляных выключателей применяют различного рода дугогасильные системы (рис. 1.2). Простой разрыв с елеем (рис. 1.2, а) применяются ют в выключателях без дугогасительных камер. Простая тушильным камера — это металлический корпус с изолированными стенками или из специальной пластмассы, имеет достаточно большую механическую прочность (рис. 1.2, б). В верхнем дне такого корпуса крепится неподвижный (stationary) контакт (contact), а в нижнем имеется отверстие для подвижного контакта цилиндрической формы. Причем кольцевой зазор между подвижным контактом и стенками отверстия в дне незначительный. При размыкании неподвижного и подвижного контактов между ними возникает дуга и образуется газовый пузырь. Вследствие небольшого объема дугогасящего устройства, давление в газовом пузыре существенно больше, чем при простом разрыве в масле. При уходе подвижного контакта из отверстия в дне, вслед за ним дугогасящего устройства вырывается поток газа и паров масла, находящихся под большим давлением в камере. Этот процесс называется газооливного дутья. Такой момент наиболее благоприятен для гашения дуги. Но он может и не совпадать с моментом прохождения тока через ноль, и тогда эффективность гашения дуги существенно уменьшается. При отключении малых токов давление в дугогасительных устройства незначительно повышается и гашения дуги происходит так же, как и при простом разрыве в масле.

В дугогасительных устройства с продольным масляных дутьем (рис. 1.2, в) корпус разделен изоляционной перегородкой с отверстиями на две части. В центре перегородки расположен промежуточный контакт, который может перемещаться на небольшое расстояние. В верхней части корпуса закреплен неподвижный контакт, а в нижней есть отверстие для трубчатого подвижного контакта. При включенном положении масляного выключателя неподвижный контакт касается верхнего конца промежуточного контакта, а нижний — подвижного контакта. При выключении начинается одновременное перемещение подвижного и промежуточного контактов образуется промежуток между промежуточным и недвижимым контактами и между ними возникает дуга, которая называется генерирующей. Она создает давление внутри корпуса. Промежуточный контакт проходит расстояние 15-20 мм и останавливается. Тогда между ним и подвижным контактом продолжает свое движение, возникает вторая дуга, которая называется тушильным. Под действием давления, созданного генерирующей дугой, масло направляется в тушильным дуги, входит в тесное соприкосновение с ней и через полость трубчатого подвижного контакта выходит в бак выключателя, в котором масло находится под атмосферным давлением. Итак, эффективное воздействие газооливовои смеси на дугу происходит внутри дугогасящего устройства еще до выхода из него подвижного контакта, способствует быстрому тушению дуги при переходе тока через ноль.

В дугогасительных устройства с поперечным масляных дутьем (рис. 1.2, г) к корпусу присоединены набор изоляционных пластин с центральными отверстиями. Часть пластин (через одну) имеет прорези (щели), выходящих наружу. При отключения недвижимого и движимого контактов между ними возникает дуга, создает повышенный (increased) давление в камере. Выход масла из камеры через прорези в пластинах закрыт подвижным контактом. После прохождения подвижного контакта первой щели, открывается выход масла с дугогасящего устройства. Поперечный поток масла входит в тесное соприкосновение с дугой, способствуя его тушению. Если после открытия подвижным контактом первой щели не произошло гашения дуги, то откроется вторая щель и на дугу влиять уже две струи масла и т.д.

Дугогасительные устройства с масляной дутьем позволили существенно повысить надежность работы масляных выключателей, увеличить их токи отключения и номинальные напряжения. Эффективность работы дугогасящего устройства с масляной дутьем существенно зависит от тока отключения. При больших токах отключения давление в дугогасительных устройства значительный и гашения дуги происходит успешно. При малых токах давление в камере небольшой и эффективность гашения дуги снижается. Кроме того, давление изменяется и при синусоидальной изменении тока за период: он больше при максимуме тока и меньше при переходе тока через ноль. Для успешного гашения дуги именно при переходе тока через ноль необходимо обеспечить более эффективное воздействие масла на дугу.

Дугогасительные системы (камеры) современных масляных выключателей по принципу действия делятся на три основные группы.

1. Дугогасительные устройства с автодуттям, в которых дутья газопаровой смеси и масла в зону гашения дуги создается за счет энергии, выделяющейся самой дугой.

2. Дугогасительные устройства с принудительным масляных дутьем, в которых масло в зону гашения дуги (к месту разрыва дуги) подается с помощью специальных гидравлических механизмов с помощью постороннего источника энергии.

3. Дугогасительные устройства с магнитным гашением дуги в масле, в которых столб дуги под влиянием поперечного магнитного поля перемещается в узкие, заполненные маслом каналы и щели, образованные стенками из изоляционного материала.

Наиболее распространенными в конструкциях как баковых, так и малооливних выключателей является дугогасительные устройства первой группы, поскольку они обеспечивают большую эффективность тушения сравнительно несложных конструкциях камер. Принципиальные схемы работы простейших дугогасительных камер с автодуттям приведены на рис. 1.3.

Газовый пузырь, который образуется вокруг дуги при размыкании контактов, приводит к существенному повышению давления в ограниченном объеме камеры (состояние I). Масло и продукты ее распада, пытаясь выйти через отверстия в камере, создают интенсивное продольное обдува дуги потоками газопаровой смеси и масла вдоль дуги (рис. 1.3, а) при выходе подвижного контакта с камеры (состояние II), или поперек дуги (рис. 1.3 , б) при наличии выхлопного отверстия, расположенного против места разрыва (состояние II). После гашения дуги камера наполняется маслом (состояние III).

Современные масляные выключатели оборудуются также более сложными камерами, в которых используются показаны принципы в различных комбинациях с одним, двумя и большим количеством разрывов на фазу (phase) или имеют камеры с продольно-поперечным дутьем.

Высоковольтные масляные выключатели: назначение и виды

Высоковольтные масляные выключатели (ВМВ) – вид высоковольтных выключателей, в которых в качестве изолирующей и дугогасящей среды используется специальное трансформаторное масло. По принципу работы масляный выключатель имеет существенное отличие от воздушного и элегазового, однако процесс гашения дуги несколько схож с процессами, происходящими в газовой среде. Основное отличие заключается в том, что гашение дуги происходит не самой средой выключателя, а продуктами распада, выделяющимися при нагреве масла до высокой температуры от столба дуги. Процесс образования газа, состоящего до 60% из водорода, и приводит к повышению давления в области горения дуги и расхождения контактов. У масляных выключателей в дугогасительных камерах предусмотрены специальные отверстия для выхода таких газов – дугогасительные щели. В зависимости от их расположения поток газов может проходить параллельно продольной оси столба дуги – продольное дутье, поперечно или под углом в одном направлении — поперечное дутье, либо перпендикулярно продольной оси дуги симметрично во встречных направлениях – встречное дутье.

По конструкции масляные выключатели можно разделить на два типа: баковые и маломасляные, отличающиеся по объему используемого масла и способу изоляции токоведущих частей. В баковых выключателях контактная система находится в резервуаре специальной формы (эллипсоидальной или цилиндрической), заполненном маслом на 70-80%, которое помимо функции гашения дуги является еще и основным изолирующим материалом. Поверх масла находится воздушная подушка, которая посредством газоотводной трубки с подпружиненной крышкой (обратный клапан), предохраняющей от попадания внутрь бака пыли и влаги, соединена с окружающей средой. При гашении дуги выделившийся газ поднимается через толщу масла, охлаждается и скапливается в воздушной подушке. При избыточном давлении (обычно возникает из-за скопления большого количества газа, выделяющегося при повторных отключениях и неуспевающего охладиться) срабатывает обратный клапан и избытки газа выходят в атмосферу.

В маломасляном выключателе основной изоляцией являются твердые диэлектрики (фарфор, керамика, текстолит, эпоксидные смолы). В связи с этим прочность корпуса у маломасляных выключателей меньше, чем у баковых, что приводит к снижению значений отключаемых токов. Выделяющийся при гашении дуги газ выходит через отводной канал, снабженный специальным маслоотделителем, в верхней части выключателя.

К достоинствам баковых выключателей можно отнести высокую надежность, довольно простую конструкцию корпуса и механизма отключения, возможность применения в условиях тяжелой эксплуатации, обусловленную прочностью корпуса. Кроме того в баковых выключателях применяют встроенные измерительные трансформаторы тока и измерители напряжения. К основному недостатку бакового выключателя можно отнести большой объем используемого масла, требующего периодического инструментального контроля за его физическим состоянием и химическим составом, трудоемкость работ по замене, а также повышенная пожароопасность.

У маломасляных выключателей основным преимуществом является малые габариты и вес, а также относительно низкая пожароопасность, обусловленная отсутствием области скопления газов, содержащих водород. Недостатки – невозможность совершения многочисленных повторных коммутаций, невысокая отключающая способность, необходимость частой смены и доливки масла.

Масляный выключатель — Что такое Масляный выключатель?

Коммутационное устройство, предназначенное для включения и отключения силовых высоковольтных цепей и электрооборудования

Масляный выключатель — это коммутационное устройство, предназначенное для включения и отключения силовых высоковольтных цепей и электрооборудования как под нагрузкой, так и без нее.

Этот процесс разрыва электрической цепи выполняется выключателем за счет размыкания силовых контактов, погруженных в трансформаторное масло — из-за этого происходит гашение электрической дуги между ними.

То есть масло служит дугогасительной средой и справляется со своей задачей весьма эффективно.

Устанавливаются они почти всегда в ячейках КРУ (комплектное распределительное устройство) или КСО (камера сборная односторонняя), а также в ОРУ (открытых распределительных устройствах).

После размыкания контактов выключателя масло служит для гашения дуги и как изолирующий материал между высоковольтными контактами.

Только выключатели маломасляные устроены таким образом, что масло в них служит исключительно для дугогашения и лишь частично для изоляции.

Во время процесса отключения в масле, при возникновении дуги в области контакта достигается очень высокая температура, порядка 6 тыс. градусов.

Однако, за счет свойств масла и химической реакции с парами, возникающими во время этого процесса, выделение теплоты при горении дуги не наносит вреда этому электрическому коммутационному устройству.

Все масляные выключатели конструктивно состоят из:

• силовой контактной группы — в неё входит подвижный (свеча) и неподвижный контакт (розетка), между которым и возникает дуга, гасящаяся в масле;

• изоляторы, которые обеспечивают надёжную изоляцию токопроводящих частей от корпуса, и друг от друга;

• 1^го или 3^х баков с трансформаторным маслом;

• группы блок-контактов, выполняющих контролирующую и управляющую роль;

• приводы к масляным выключателям, собраны на довольно мощной включающей катушке, называющейся соленоидом или катушкой соленоида;

• отключающая катушка выполняет роль ударного механизма, сбивающего с защёлки включенное устройство выключателя. Также привод может быть ручной;

• специальные отключающие пружины, которые размыкают силовую часть при отключении. За счёт них зависит скорость расхождения контактов.

При подаче питания на катушку соленоида включения его массивный сердечник втягивается, тем самым приводя в движение рычажный механизм, который, в свою очередь, направляет подвижные контакты, то есть свечи, в направлении розеток.

Также механизм включения может быть выполнен и на ручном приводе, тогда работу соленоида должен будет выполнять человек с помощью специального рычага, разумеется, в диэлектрических перчатках.

После тока как свечи вошли в розетку на 20-25 мм, механизм масляного выключателя встает на защелку.

Во время работы, в ячейках где установлены высоковольтные выключатели, должны быть изготовлены блокирующие устройства, которые не позволят механически, включенный высоковольтный аппарат выкатить из ячейки КРУ.

Масляные выключатели, установленные в ячейках должны быть оснащены системами защиты.

Таким образом, он работает в автоматическом режиме.

Его работа и назначение схожи с обычным низковольтным автоматическим выключателем.

При подаче отключающего сигнала или нажатия на механическую кнопку происходит сбивание устройства с защелки и за счет пружин, электрическая цепь разрывается, и он переходит в отключенное состояние.

Отключающие сигналы, которые управляют выключателем, приходят от релейной защиты и автоматики.

Конструкция масляных выключателей выполняется 2^х основных типов:

• баковые — обладают большим объемом масла, оснащены одним большим баком сразу для 3^х контактов трехфазного напряжения;

• горшковые (маломасляные) — с меньшим объемом масла, но и с дополнительной системой дугогашения, и 3^мя раздельными баками. В них на каждой фазе присутствует отдельный металлический цилиндр, заполненный маслом, в каком и происходит разрыв контактов и подавление электрической дуги.

Электрическая дуга в высоковольтных выключателях. Методы гашения электрической дуги



Описание процесса отключения электрической цепи переменного тока при коротком замыкании

При размыкании контактов выключателя ток не прерывается. Согласно закону Ленца в цепи возникает ЭДС Е_L=-Ldi/dt, препятствующая изменению тока. Последний находит для себя путь через газовый промежуток между расходящимися контактами выключателя, который перекрывается электрической дугой. Чтобы прервать ток, дуга должна быть погашена. В цепях переменного тока благоприятные условия для гашения дуги возникают каждый раз, когда ток приходит к нулю, т.е. 2 раза в течение каждого периода. Диаметр дугового столба, температура и ионизация газа резко уменьшаются. В некоторый момент времени ток приходит к нулю и дуговой разряд прекращается. Однако цепь еще не прервана.

После нуля тока в газовом промежутке, еще в некоторой мере ионизованном, продолжается процесс деионизации, т.е. процесс превращения его из проводника в диэлектрик, а в электрической цепи начинается процесс восстановления напряжения на контактах выключателя от относительно небольшого напряжения на дуге до напряжения сети. Эти процессы взаимосвязаны. Исход взаимодействия дугового промежутка с электрической цепью зависит от соотношения между энергией, подводимой к промежутку, и потерями энергии в нем, зависящими от дугогасительного устройства выключателя.

Если в течение всего переходного процесса потери энергии преобладают, дуга не возникнет вновь и цепь будет прервана. В противном случае дуга возникнет вновь и ток будет проходить еще в течение половины периода, после чего процесс взаимодействия повторится. Функция выключателя заключается не столько в том, чтобы «погасить» дугу, а скорее в том, чтобы исключить возможность ее нового зажигания путем эффективной деионизации промежутка различными искусственными средствами. При этом используется исключительное свойство газа — быстро, в течение нескольких микросекунд, превращаться из проводника в диэлектрик, способный противостоять восстанавливающемуся напряжению сети.

Для понимания устройства и работы выключателей необходимо ознакомиться с физическими процессами в дуговом промежутке в процессе отключения. В этой статье рассмотрены методы гашения дуги в воздушных и масляных выключателях.

Физические процессы в дуговом промежутке выключателя при высоком давлении

Электрической дугой, точнее дуговым разрядом, называют самостоятельный разряд в газе, т.е. разряд, протекающий без внешнего ионизатора, характеризующийся большой плотностью тока и относительно небольшим падением напряжения у катода. Ниже рассмотрена дуга высокого давления, т.е. дуговой разряд при атмосферном и более высоком давлении.

Различают следующие области дугового разряда:

• область катодного падения напряжения;
• область у анода;
• столб дуги.

Область катодного падения напряжения представляет собой тончайший слой газа у поверхности катода. Падение напряжения в этом слое составляет 20-50 В, а напряженность электрического поля достигает 10⁵10⁶ В/см. Энергия, подводимая из сети к этой области, используется на выделение электронов с поверхности катода.

Механизм освобождения электронов может быть двояким:

• термоэлектронная эмиссия при тугоплавких и огнеупорных электродах (вольфрам, уголь), температура которых может достигнуть 6000 К и выше
• автоэлектронная эмиссия, т.е. вырывание электронов из катода действием сильного электрического поля при «холодном» катоде.

Плотность тока на катоде достигает 3000-10000 А/см⁵. Ток сосредоточен на небольшой ярко освещенной площадке, получившей название катодного пятна. Освобождающиеся электроны движутся через дуговой столб к аноду.

У анода положительные ионы приобретают ускорение в направлении к катоду. Электроны уходят в анод и образуют в тонком слое отрицательный заряд. Падение напряжения у анода составляет 10-20 В.

Процессы в дуговом столбе представляют наибольший интерес при изучении выключателей, поскольку для гашения дуги используют различные виды воздействия именно на дуговой столб. Последний представляет собой плазму, т.е. ионизованный газ с очень высокой температурой и одинаковым содержанием электронов и положительных ионов в единице объема.

Высокую температуру в дуговом столбе создают и поддерживают электроны и ионы, участвующие в тепловом хаотическом движении нейтральных молекул и атомов, но имеющие также направленное движение в электрическом поле вдоль оси дуги, определяемое знаком заряда частиц. Этому движению препятствует нейтральный газ. Происходят частые соударения электронов и ионов с нейтральными частицами. Поскольку длина свободного пробега электронов при высоком давлении мала, потеря энергии при упругих столкновениях с молекулами и атомами, приходящаяся на каждое столкновение, мала и недостаточна для ионизации частиц. Однако число столкновений, претерпеваемых электронами, весьма велико. В результате энергия электронов передается нейтральному газу в виде тепла.

Средняя энергия «электронного газа» не может сколько-нибудь заметно превысить среднюю энергию нейтрального газа, поскольку дополнительная энергия, приобретаемая электронами и ионами в своем направленном движении вдоль оси лугового столба, мала по сравнению с тепловой энергией газа. Следовательно, ионы, электроны, а также нейтральные атомы и молекулы находятся в тепловом равновесии. При этом удельная ионизация дугового столба полностью определяется температурой и при изменении одной из этих величин неизбежно изменяется и другая.

Поскольку при высоком давлении газа атомы и молекулы подавляющим образом преобладают над электронами и имеют почти ту же высокую температуру, большая часть возбужденных и ионизованных атомов и молекул получается при соударениях между нейтральными частицами, а не при столкновениях с электронами. Таким образом, электроны ионизуют не непосредственно при соударениях с нейтральными частицами (как это происходит в вакууме), а косвенно, повышая температуру газа в дуговом столбе. Такой механизм ионизации называют термической ионизацией. Источником энергии, необходимой для термической ионизации, является электрическое поле.

В дуговом столбе имеются потери энергии, которые в установившемся состоянии уравновешиваются энергией, получаемой из сети. Основная часть энергии уносится из дугового столба возбужденными и ионизованными атомами и молекулами. Вследствие разности концентраций заряженных частиц в дуговом столбе и окружающем пространстве, а также разности температур ионы диффундируют к поверхности дугового столба, где происходит их нейтрализация. Эти потери должны восполняться образованием новых ионов и электронов, связанным с затратой энергии. В установившемся состоянии градиент напряжения в столбе дуги всегда таков, что имеющая место ионизация компенсирует потери электронов через рекомбинацию. Градиент напряжения зависит от свойств газа, состояния, в котором он находится (спокойное, турбулентное), а также от давления и тока. При повышении давления газа градиент напряжения увеличивается вследствие уменьшения свободного пробега электронов. С увеличением тока градиент напряжения уменьшается, что объясняется увеличением площади сечения и температуры дугового столба. Дуговой столб стремится принять такое сечение, чтобы в рассматриваемых условиях потери энергии были минимальны.

Вольт-амперные характеристики дуги

Зависимость градиента напряжения Е=dU/dl в столбе дуги от тока при очень медленном изменении последнего представляет собой статическую характеристику дуги (рис.1,а), зависящую от давления и свойств газа.

Рис.1. Вольт-амперные характеристики дуги:
а — статическая характеристика;
б — динамические характеристики

В установившемся состоянии каждой точке характеристики соответствуют некоторое сечение и температура дугового столба. При изменении тока дуговой столб должен изменить свое сечение и температуру применительно к новым условиям. Эти процессы требуют времени, и поэтому новое установившееся состояние наступает не сразу, а с некоторым запозданием. Это явление называют гистерезисом.

Допустим, что ток внезапно изменился от значения I₁ (точка 1) до значения I₂ (точка 2). В первый момент дуга сохранит свои сечения и температуру, а градиент уменьшится (точка 2′). Подводимая мощность будет меньше необходимой для проведения тока I₂. Поэтому сечение и температура начнут уменьшаться, а градиент увеличиваться, пока не наступит новое установившееся состояние в точке 2 на статической характеристике. При внезапном увеличении тока от значения I₁ до значения I₃ градиент напряжения увеличится (точка 3′). Подводимая к дуге мощность будет больше необходимой для проведения тока I₃. Поэтому сечение и температура столба начнут увеличиваться, а градиент напряжения уменьшаться, пока не наступит новое установившееся состояние в точке 3 на статической характеристике.

При плавном изменении тока с некоторой скоростью градиент напряжения не успевает следовать за изменением тока в соответствии со статической характеристикой. При увеличении тока градиент напряжения превышает значения, определяемые статической характеристикой, а при уменьшении тока градиент напряжения меньше этих значений. Кривые E=f(I) при изменении тока с некоторой скоростью представляют собой динамические характеристики дуги (сплошные линии на рис.1,б).

Положение этих характеристик по отношению к статической характеристике (см. пунктирную кривую) зависит от скорости изменения тока. Чем медленнее происходит изменение тока, тем ближе расположена динамическая характеристика к статической. В заданных условиях дугового разряда может быть только одна статическая характеристика. Число динамических характеристик не ограничено.

При анализе электрических цепей принято оперировать понятием сопротивления. Поэтому говорят и о сопротивлении дуги, понимая под этим отношение напряжения у электродов к току. Сопротивление дуги непостоянно. Оно зависит от тока и многих других факторов. По мере увеличения тока сопротивление дуги уменьшается.

Рис.2. Напряжение на дуге при переменном токе:
а — напряжение дуги как функция тока;
6 — напряжение дуги как функция времени

Вольт-амперная характеристика дуги переменного тока показана на рис.2,а. В течение четверти периода, когда ток увеличивается, кривая напряжения лежит выше статической характеристики. Следующую четверть периода, когда ток уменьшается, кривая напряжения лежит ниже статической характеристики.

Дуга зажигается в точках 1 и 3 и угасает в точках 2 и 4. На рис.2,б показана характеристика дуги как функции времени. Интервалы 2-3 и 4-1 соответствуют неустойчивому состоянию, при котором происходит интенсивное взаимодействие дуги с постоянными цепи R, L и С. Эти короткие интервалы времени, продолжительность которых составляет несколько микросекунд, используются для интенсивной деионизации промежутка между контактами выключателя, чтобы воспрепятствовать новому зажиганию дуги. В зависимости от условий процесс взаимодействия может закончиться двояко: или дуга погаснет и цепь будет прервана, или дуга возникнет вновь и процесс взаимодействия повторится через половину периода при более благоприятных условиях.

Гашение дуги в воздушных выключателях

В воздушных выключателях дуга гасится в потоке воздуха высокого давления. Гасительное устройство выключателя (рис.3,а) представляет собой камеру, в которой помещены два сопла, служащие одновременно контактами. Выхлопные стороны сопел соединены с областью низкого давления. При разведении контактов вследствие разности давлений возникает поток воздуха, направленный в сопла симметрично в обе стороны.

Рис.3. Дугогасительное устройство воздушного выключателя с двухсторонним дутьем:
а — схема;
б — распределение давления вдоль оси

На рис.3,б показано распределение давления вдоль оси. В середине промежутка между соплами имеется точка торможения потока, давление в которой обозначено через р_o.

В обе стороны от этой точки давление уменьшается и достигает в горловинах сопел приблизительно половины р_o. За горловинами давление продолжает падать до давления выхлопа.

Процесс гашения дуги протекает следующим образом. Между размыкающимися контактами возникает дуга, которая под действием воздушного потока быстро переносится вдоль оси. При этом опорные пятна дуги перемещаются внутрь сопел по потоку, как показано на рис.3. Дуга в промежутке между соплами имеет цилиндрическую форму.

Рис.4. Распределение температуры в поперечном направлении на участке между соплами:
а — дуга;
в — тепловой пограничный слой

Распределение температуры в поперечном направлении показано на рис.4. В зоне дуги а она составляет приблизительно 20000 К и резко спадает к тепловому пограничному слою в, образующемуся около дуги. Здесь температура изменяется в пределах от 2000 К до температуры холодного воздуха. По мере подхода тока к нулю диаметр цилиндрической части дуги быстро уменьшается. При токе, равном нулю, он меньше 1 мм. Однако температура в этой части дуги еще очень высока (15000 К).

Важнейшим фактором, способствующим гашению дуги, является турбулентность в пограничном слое между дугой и окружающим ее относительно холодным воздухом. Вследствие высокой температуры дуги плотность газа в столбе приблизительно в 20 раз меньше, чем в окружающей среде. Поэтому скорость газа внутри дугового столба значительно выше скорости в соседних слоях (скорость обратно пропорциональна корню квадратному из плотности). Вследствие диффузии частиц из области с большой скоростью в область с малой скоростью и обратно в пограничном слое возникают значительные срезывающие силы, образуются вихри и весь объем приобретает высокую турбулентность. В дуговой столб вносится относительно холодный неионизованный газ, вследствие чего столб теряет свою однородность. Он расщепляется на тысячи тончайших проводящих нитей, непрерывно изменяющих свою форму и положение (рис.5).

Рис.5. Влияние турбулентности на столб дуги вблизи нуля тока (схема)

Они имеют высокую температуру и высокую удельную ионизацию и окружены холодным слабо ионизованным газом. Известно, что скорость диффузии из цилиндрического объема обратно пропорциональна квадрату диаметра. Чем тоньше ионизованные нити, тем быстрее происходит обмен частиц с окружающей более холодной и менее ионизованной средой. Турбулентность увеличивает диффузию во много раз. Она проявляется особенно резко в горловинах сопел, где скорость плазмы максимальна — 6000 м/с. После нуля тока в течение короткого промежутка времени, исчисляемого микросекундами, происходит распад проводящего канала и дальнейшее уменьшение температуры определяется тепловым пограничным слоем, остывание которого происходит значительно медленнее.

Рис.6. Схема замещения, поясняющая влияние сопротивления дуги и емкости

Рис.7. Взаимодействие дуги с электрической цепью

Существенное влияние на процесс отключения оказывает сопротивление дуги и емкость, включенная параллельно дуговому промежутку (рис.6). Если пренебречь сопротивлением дуги, ток i₀=I_msinɷt подходит к нулю практически линейно (рис.7). Однако сопротивление дуги не равно нулю. Поэтому ток i_B в дуговом промежутке выключателя уменьшается:

(1)

где t₀ — момент размыкания контактов.

Как видно из рисунка, напряжение на дуге изменяется в соответствии с вольт-амперной характеристикой. Скорость снижения тока существенно уменьшается в течение последних 5…10 мкс до прихода его к нулю. Это время мало, но оно в несколько раз больше постоянной времени дуги и поэтому существенно влияет на состояние дуги при нуле тока (точка 1). Дуга легко угасает. Сопротивление дуги видоизменяет и кривую ПВН. Процесс восстановления напряжения начинается в точке 1; напряжение достигает максимума в точке 2, когда i_L=i_C=0.

Этап возможного теплового пробоя

Если температура газа в промежутке не снизится до некоторого критического значения, определяемого свойством газа и давлением, промежуток сохранит свою проводимость после нуля тока (точка 1) и под действием ПВН возникнет ток остаточной проводимости (рис.8).

Рис.8. Погасание дуги с задержкой,
вызванной появлением тока остаточной проводимости

При благоприятных условиях он невелик и быстро затухает (точка 2). Однако если процесс охлаждения недостаточно интенсивен, ток остаточной проводимости увеличивается; происходит повторный разогрев плазмы, возобновляется процесс ионизации и дуга возникает вновь. Это явление получило название теплового пробоя, так как электрический пробой невозможен, поскольку промежуток ионизован и не приобрел еще электрической прочности.

Произойдет такой пробой или нет, зависит от исхода двух взаимосвязанных процессов, протекающих в промежутке, из которых один определяется интегралом во времени подводимой мощности (произведения тока и напряжения на промежутке), а второй — интегралом во времени потерь, вызванных теплопроводностью и конвекцией. Это означает, что процесс взаимодействия продолжится до тех пор, пока ток не исчезнет или дуга не возникнет вновь. Явление теплового пробоя характерно для первых 20 мкс после нуля тока в условиях, когда скорость восстанавливающеюся напряжения велика, например при неудаленных КЗ.

Этап возможного электрического пробоя

Если тепловой пробой не произошел, межконтактный промежуток продолжает подвергаться воздействию ПВН. Дуговой канал имеет еще повышенную температуру и пониженную плотность. Спустя несколько сотен микросекунд после нуля тока, когда ПВН достигает максимального значения, наступает этап возможного электрического пробоя. В основе его лежит не баланс энергий, а процесс образования электронов в электрическом поле. Если увеличение концентрации электронов превысит некоторое критическое значение, то произойдет образование искры, которая перейдет в дуговой разряд.

Гашение дуги в масляных выключателях

В масляных выключателях контакты размыкаются в масле, однако вследствие высокой температуры дуги, образующейся между контактами, масло разлагается и дуговой разряд происходит в газовой среде. Приблизительно половину этого газа (по объему) составляют пары масла. Остальная часть состоит из водорода (70%) и углеводородов различного состава. Газы эти горючи, однако в масле горение невозможно из-за отсутствия кислорода. Количество масла, разлагаемого дугой, невелико, но объем образующихся газов велик. Один грамм масла дает приблизительно 1500 см³ газа, приведенного к комнатной температуре и атмосферному давлению.

Гашение дуги в масляных выключателях происходит наиболее эффективно при применении гасительных камер, которые ограничивают зону дуги, способствуют повышению давления в этой зоне и образованию газового дутья сквозь дуговой столб. На рис.9 приведена схема простейшей гасительной камеры.

Рис.9. Схема простейшей гасительной камеры масляного выключателя

В процессе отключения контактный стержень 1 перемещается вниз. Между контактами 1 и 2 возникает дуга. Происходит интенсивное газообразование и давление в камере быстро увеличивается. Относительно холодный газ, образующийся на поверхности масла, перемешивается с плазмой дуги. Пограничный слой приходит в турбулентное состояние, способствующее деионизации. Однако дуга не может погаснуть до тех пор, пока расстояние между контактами не достигнет некоторого минимального значения, определяемого восстанавливающимся напряжением. Этот минимальный промежуток образуется, когда подвижный контакт еще находится в камере. Когда стержень покидает пределы камеры, газы с силой выбрасываются наружу. Возникает газовое дутье, направленное по оси, способствующее гашению дуги.

После погасания дуги контактный стержень продолжает свое движение, чтобы обеспечить необходимое изоляционное расстояние в отключенном положении.

Напряжение на дуге масляного выключателя по крайней мере в 3 раза больше, чем у воздушного выключателя. Электрическая прочность промежутка восстанавливается быстрее (со скоростью около 2 кВ/мкс). Поэтому при одинаковом токе КЗ дугогасительное устройство масляного выключателя может быть рассчитано на вдвое большее напряжение и вдвое большее волновое сопротивление, чем устройство воздушного дутья.

Характерные свойства воздушных и масляных выключателей

В воздушных выключателях дутье в дуговом промежутке создается от внешнего источника энергии и не зависит от отключаемого тока. После нуля тока восстанавливающееся напряжение оказывается приложенным к короткому промежутку, заполненному горячим ионизованным газом. Скорость восстановления электрической прочности промежутка определяется охлаждением газа и удалением его из промежутка потоком свежего воздуха. Это требует времени и поэтому процесс восстановления электрической прочности промежутка запаздывает.

Рис.10. Характеристики восстанавливающейся электрической прочности
дугового промежутка воздушного выключателя

На рис.10 приведены типичные кривые восстанавливающейся электрической прочности дугового промежутка воздушного выключателя. Они имеют S-образную форму. При этом основная стадия процесса восстановления электрической прочности промежутка протекает со скоростью, не превышающей 1-2 кВ/мкс, и начинается спустя 10-15 мкс после нулевого значения тока. С увеличением отключаемого тока запаздывание увеличивается, а скорость восстановления электрической прочности уменьшается. Нижняя пунктирная кривая соответствует случаю неудовлетворительной работы выключателя, поскольку процесс восстановления электрической прочности промежутка протекает слишком медленно. Номинальный ток отключения воздушною выключателя ограничен восстанавливающейся электрической прочностью промежутка.

В масляных выключателях для образования газовою дутья используется энергия самой дуги. Давление в гасительной камере и сила дутья в первом приближении пропорциональны отключаемому току. Чем больше последний, тем эффективнее деионизация промежутка и быстрее восстанавливается его электрическая прочность. Однако по мере увеличения тока увеличиваются механические напряжения в частях гасительной камеры. Поэтому номинальный ток отключения ограничен механической прочностью гасительной камеры.

Характерные свойства воздушных и масляных выключателей проявляются при отключении асимметричного тока КЗ. Как известно, быстродействующие выключатели при наличии соответствующей релейной защиты размыкают свои контакты, когда апериодическая составляющая отключаемого тока еще не успевает затухнуть. Следовательно, эти выключатели должны быть способны отключать как симметричный, так и асимметричный ток, т.е. ток, не смещенный или смещенный относительно оси времени в зависимости от условий. Асимметрия тока β (относительное содержание апериодической составляющей в токе КЗ) определяется как отношение апериодической составляющей к амплитуде периодической составляющей тока КЗ к моменту τ размыкания контактов выключателя

(2)

Асимметрия отключаемого тока зависит от постоянной времени цепи Т_a=Х/(ɷR), а также от τ — времени размыкания контактов выключателя с учетом времени срабатывания релейной защиты. Чем больше постоянная времени и чем быстрее размыкаются контакты выключателя, тем больше асимметрия отключаемого тока. Наибольшую постоянную времени имеют генераторы, трансформаторы и реакторы. Поэтому наибольшую асимметрию следует ожидать при КЗ вблизи генераторов и сборных шин станций. Расчеты показывают, что асимметрия тока, отключаемого быстродействующими выключателями, установленными в главных РУ мощных станций, может достигнуть 80%. Менее быстродействующие выключатели в этих же условиях могут встретиться с асимметрией порядка 40-50%. Выключатели, установленные в распределительных сетях, встречаются с асимметрией, не превосходящей 20%.

При наличии апериодической составляющей в отключаемом токе:

• увеличивается действующее значение тока;
• промежутки времени между моментами, когда ток достигает нуля, становятся неодинаковыми: они попеременно больше или меньше полупериода;
• уменьшается скорость изменения тока di/dt при подходе его к нулевому значению;
• уменьшается возвращающееся напряжение на полюсе выключателя.

Увеличение действующего значения тока и изменение промежутков времени между нулевыми значениями тока могут при неблагоприятных условиях привести к значительному увеличению выделяемой энергии по сравнению с энергией, выделяемой при отсутствии апериодической составляющей тока. Энергия, выделяемая в дуге, определяет ионизацию газа в промежутке, а в масляных выключателях — также количество образующихся газов и давление в камере, следовательно, механические напряжения в элементах выключателя, степень оплавления контактов и др.

Уменьшение скорости изменения тока при подходе его к нулю уменьшает ионизацию промежутка к моменту погасания дуги, что облегчает процесс отключения.

Уменьшение возвращающегося напряжения также облегчает процесс отключения.

Рис.11. Возвращающееся напряжение при асимметрии отключаемого тока

Как видно из рис.11, периодическая составляющая тока КЗ i_п смещена по отношению к напряжению сети на угол φ, близкий к π/2. Если фаза замыкания α=φ, то апериодическая составляющая тока отсутствует, момент прихода тока к нулевому значению и погасания дуги близок к моменту максимума напряжения. Возвращающееся напряжение определяется ординатой ab. При замыкании в любой другой момент времени в составе отключаемого тока появляется апериодическая составляющая и момент прихода тока к нулю смещается. В рассматриваемом случае при α=27° возвращающееся напряжение после большой полуволны тока определяется ординатой а’b’, а после малой полуволны — ординатой а»b» (при построении кривых периодическая и апериодическая составляющие тока приняты условно незатухающими).

Из приведенного анализа следует, что при наличии апериодической составляющей в отключаемом токе появляется ряд новых факторов, влияющих на процесс отключения, часть которых утяжеляет этот процесс, другая часть облегчает его.

Итоговое действие апериодической составляющей зависит от свойств выключателя.

Масляные выключатели, отключающая способность которых ограничена механической прочностью гасительной камеры, имеют при отключении большого тока значительный запас в восстанавливающейся электрической прочности дугового промежутка. Увеличение действующего значения отключаемого тока, обусловленное наличием апериодической составляющей, увеличивает тяжесть отключения, поскольку увеличивается энергия, выделяющаяся в дуге, а облегчающие факторы, вносимые апериодической составляющей тока КЗ (уменьшение скорости подхода тока к нулю и уменьшение возвращающегося напряжения), масляными выключателями не используются. О таких выключателях говорят, что они чувствительны к току, поскольку энергия, выделяющаяся в дуге, определяется в основном током.

Воздушные выключатели, отключающая способность которых ограничена электрической прочностью промежутка, используют облегчающие факторы, вносимые апериодической составляющей тока (уменьшение скорости снижения тока и возвращающегося напряжения). Увеличение действующего значения отключаемого тока, вызываемое апериодической составляющей, не увеличивает тяжести отключения, поскольку вносимые утяжеляющие и облегчающие факторы компенсируются. О таких выключателях принято говорить, что они чувствительны к напряжению.

При выборе выключателя по отключающей способности следует учитывать асимметрию отключаемого тока КЗ. Однако нормированные (номинальные) значения асимметрии β_ном установлены одинаковыми как для масляных, так и для воздушных выключателей.



Техническое описание высоковольтных выключателей ВМП-10

1.1 Общие сведения

Высоковольтные выключатели служат для отключения и включения электрических цепей под нагрузкой, а также отключения токов к. з. и выпускаются для наружной и внутренней установки на различные номинальные токи и напряжения. В зависимости от среды, в которой осуществляется процесс гашения электрической дуги, выключатели разделяют на жидкостные, газовые и вакуумные. Из жидкостных наиболее распространены масляные выключатели, а из газовых — воздушные. Вакуумные выключатели будут использоваться в новой серии КРУ.
Масляные выключатели бывают многообъемные и малообъемные. В многообъемных все токоведущие части, кроме выводов, помещены в бак, заполненный минеральным (трансформаторным) маслом, которое служит для гашения дуга и изоляции токоведущих частей. На напряжение до 10 кВ включительно изготовляют однобаковые выключатели (все три фазы размещены в одном баке), а на напряжение 35 кВ и выше — трехбаковые (каждая фаза размещена в отдельном баке). В простейших выключателях использован способ гашения дуги при ее свободном горении в масле.
Процесс гашения дуги при отключении тока нагрузки или к. з. происходит следующим образом. Электрическая дуга, обладая высокой температурой, разлагает и превращает окружающий ее слой масла в газ, давление которого достигает 0,5—1 МПа. Отдавая теплоту на испарение и разложение масла, ствол дуги интенсивно охлаждается. Охлаждение дуги, циркуляция масла, возникающая в зоне ее горения, и повышенное давление газа способствуют деионизации и гашению дуги. Для удаления газа и снижения давления внутри бака выключателя предусматривается газоотвод.
Многообъемные выключатели в РУ на напряжение до 10 кВ из-за возможности их разрушения (взрыва), сопровождаемого выбросом большого количества масла, и необходимости специальных помещений (камер) для установки применяют редко. Такие выключатели, снабженные дугогасительными камерами, широко применяются в открытых РУ на напряжение 35 кВ и выше.
В малообъемных выключателях на каждый полюс имеется отдельный бачок, в котором размещены контакты и дугогасительная камера. Так как бачки установлены на изоляторах, масло служит только для гашения дуги. Малообъемные масляные выключатели используются преимущественно в электроустановках напряжением до 10 кВ. Из-за малого объема масла и применения специальных дугогасительных камер они не могут быть повреждены при отключении токов к. з. вследствие взрыва и поэтому могут устанавливаться в любом помещении, без специальных камер и в ячейках КРУ.

1.2 Технические характеристики

Предназначены для коммутации цепей номинальным напряжением 10 кВ трехфазного переменного тока промышленной частоты в нормальном режиме работы установки, а также для автоматического отключения этих цепей при токах короткого замыкания и перегрузках. Используются для комплектации шкафов КРУ и КСО в электроустановках общепромышленного назначения. По роду установки выключатели разделяются на две группы: – для обычных распределительных устройств (например, ячеек типа КСО) – для комплектных распределительных устройств (КРУ) с ячейками выкатного типа. В этом случае к обозначению типа выключателя добавляется буква ‘К’. Технические характеристики представлены в таблице 1.

Структура условного обозначения:
– В выключатель
– М маломаслянный
– П подвесное исполнение полюсов
– Номинальное напряжение, кВ
– номинальный ток, А
– номинальный ток, отключения, кА
– К для КРУ

Таблица 1 – Технические характеристики

Параметр	Значение
Напряжение, кВ
номинальное	10
наибольшее	11,5
Номинальный ток, А	630
Предельный ток отключения, кА	20
Предельный сквозной ток, кА
амплитуда	52
эффективное значение периодической составляющей	20
Ток термической устойчивости, 4-х секций	20
Ток включения, кА, амплитуда	52
эффективное значение периодической составляющей	20
Собственное время отключения выключателя с приводом, в секундах	0,1
Собственное время включения выключателя с приводом, в секундах	0,3
Время отключения до погасания дуги, в секундах	0,12
Масса выключателя без масла, кг	137

Применяются приводы электромагнитные постоянного тока типа ПЭ11 или пружинные приводы типа ПП67 (для ВПМ10), привод пружинный типа ППВ10 (для ВПМП 10).

1.3 Устройство и принцип действия ВМП-10

Малообъемный масляный подвесной выключатель ВМП-10 показан на рисунке 1, а. На лицевой стороне стальной рамы 1 установлены фарфоровые изоляторы 5, на которых подвешены полюса 6 выключателя. Главный вал 4 связан с подвижными контактами через тяги 3, выполненные из влагостойкого изоляционного материала, и рычаг 9. Внутри рамы размещена отключающая пружина 2. Полюс выключателя (рисунок 1, б) с выводами 18 и 22 состоит из прочного влагостойкого изоляционного цилиндра 21, на концах которого имеются металлические фланцы 11 и 20.

Рисунок 1 – Масляный выключатель ВМП-10: а — общий вид, б — полюс
На верхнем фланце 11 укреплен корпус 24 из алюминиевого сплава с расположенными внутри него выпрямляющим механизмом 8, стержневым контактом 12, роликовым токосъемом 10 в направляющих 23 и маслоотделителем 25. Корпус закрывается крышкой 26, в которую ввинчена пробка 7 маслоналивного отверстия. Нижний фланец 20 закрывается крышкой 15, на которой расположен розеточный контакт 19. В крышку ввинчена пробка 17 маслосливного отверстия 16. Внутри цилиндра над розеточным контактом установлена дугогасительная камера 13 поперечного дутья. Цилиндр снабжен указателем уровня масла 14.
Дугогасительная камера состоит из пакета изоляционных пластин, стянутых изоляционными шпильками. В нижней части камеры расположены один над другим поперечные дутьевые каналы, а в верхней — масляные «карманы». Поперечные дутьевые каналы имеют раздельные выходы, направленные кверху. Дуга при больших значениях отключаемого тока гасится дутьем в поперечных каналах, а при малых (если не будет погашена в каналах) — с помощью дутья в масляных карманах.

Современная электроэнергетика

Страница 35 из 130

5.3.3. Масляные выключатели

Принцип действия дугогаситсльпых устройств. В дугогасительных устройствах традиционных масляных выключателей гашение дуги осуществляется путем эффективного ее охлаждения в потоке газопаровой смеси, вырабатываемой дугой в результате разложения и испарения масла. В зависимости от назначения масла можно выделить две основные группы масляных выключателей:

• баковые (многообъемные) масляные выключатели, в которых масло используется для гашения и изоляции токоведущих частей от заземленного бака;
• маломасляные (малообъемные) масляные выключатели, в которых масло используется только для гашения дуги и изоляции между разомкнутыми контактами одного полюса.

В состав газопаровой смеси, возникающей в результате разложения масла под действием дуги, входит до 70 % водорода Н₂, обладающего по сравнению с воздухом в 8 раз более высокой теплопроводностью, но меньшей предельной электрической прочностью. Поток газопаровой смеси в зоне горения дуги обладает высокой температурой 800—2500 К. Механизм охлаждения столба дуги при больших (обычно выше 100 А) и малых значениях тока дуги различен. При больших токах охлаждение дуги происходит главным образом за счет принудительной конвекции в потоке газопаровой смеси при большом давлении. С увеличением тока интенсивность конвективного охлаждения и давление в зоне гашения дуги увеличиваются. При небольших токах конвекция и давление газа в зоне гашения дуги снижаются, условия охлаждения дуги ухудшаются и время гашения дуги затягивается. Повышение давления в зоне гашения дуги в результате принудительной подачи масла может существенно улучшить условия гашения дуги при отключении небольших токов.

Можно считать, что основными условиями для наиболее эффективного гашения дуги являются:

• интенсивное дутье газопаровой смеси в зоне дуги, особенно в момент тока, близкого к нулю;
• максимально возможное высокое давление газопаровой смеси в области дуги в конце полупериода тока.

Дугогасительные системы с автоматическим дутьем получили наиболее широкое применение благодаря своей эффективности и простоте конструкции. В зависимости от конструкции дугогасительных камер различают продольное дутье (рис. 5.8, а), когда поток газопаровой смеси направлен вдоль столба дуги, поперечное (рис. 5.8, б), когда поток направлен перпендикулярно или под некоторым углом к столбу дуги, и встречное (рис. 5.8, в), когда поток направлен противоположно по отношению к направлению движения подвижного контакта с дугой. Часто в дугогасительных устройствах используется их комбинация.

Гашение дуги может быть разбито на три основных этапа (рис. 5.9):

• первый этап (рис. 5.9, а). После размыкания контактов дуга горит в замкнутом, как правило небольшом, пространстве, создавая за счет разложения масла значительные давления. Это так называемый «режим замкнутого пузыря». В течение этого этапа в результате выделяющейся в дуге энергии в замкнутом объеме создается (аккумулируется) высокое давление (до 10 МПа), которое используется на следующем этапе гашения дуги;
• второй этап (рис. 5.9, б) наступает с момента начала истечения газопаровой смеси из области замкнутого объема через рабочие каналы, открываемые при перемещении подвижного контакта за пределы предкамерного объема. Этап характеризуется изменением давления газопаровой смеси в камере и рабочих каналах, куда затягивается дуга, а также интенсивного истечения газопаровой смеси и завершается процессами распада столба дуги и восстановления электрической прочности межконтактного промежутка;
• третий этап (рис. 5.9, в). Происходят удаление из камеры оставшихся после гашения дуги горячих газов, продуктов разложения масла и заполнение внутренней полости камеры свежим маслом. На этом этапе происходит подготовка камеры для последующего ее включения и нового отключения. В масляных выключателях, предназначенных для работы в цикле АПВ, этот этап имеет очень важное значение.

Эффективность ДУ и ресурс масляных выключателей в значительной мере обусловливаются физико-химическими процессами, происходящими в зоне горения дуги. Образующиеся под влиянием дуги продукты разложения масла (Н₂, С и др.), ионизированный газ, пары материала контактов понижают отключающую способность ДУ и ограничивают коммутационный ресурс. Свободные частички углерода, образуя коллоидную взвесь, снижают электрическую прочность изоляционного промежутка и утяжеляют процесс включения КЗ в режиме АПВ из-за преждевременного пробоя межконтактного промежутка. Продукты разложения масла и изоляционных материалов камеры ДУ влияют на состояние контактов, их структуру и переходное сопротивление. Время горения дуги возрастает по мере накопления продуктов разложения в масле. Все это, естественно, требует постоянного контроля за состоянием качества масла, его уровнем в ДУ. Коммутационный ресурс в большой степени зависит от тока I_о.ном выключателя и реальных токов отключения. Так, при I_о.ном = 20кА для маломасляного выключателя на напряжение 35 кВ количество отключений N Ј 10, а при токе I_о.ном = 10 кА допустимое число отключений возрастает до N Ј 30. Вышеизложенные особенности требуют постоянного контроля за техническим состоянием масляных выключателей.

Конструкции масляных выключателей. Масляные выключатели благодаря простоте конструкции явились первыми выключателями высокого напряжения. Но отмеченные выше технические сложности по их эксплуатации, а также повышенные взрыво- и пожароопасность, необходимость в сложном масляном хозяйстве привели к значительному вытеснению этих типов выключателей. В настоящее время можно встретить в эксплуатации баковые выключатели на напряжение 220 и 110 кВ. Маломасляные выключатели можно разделить на две группы. Первая, более многочисленная, — с установкой ДУ в нижней части фазы и перемещением подвижного контакта на включение сверху вниз (см. рис. 5.8, в). Вторая — с перемещением подвижного контакта на включение снизу вверх и установкой ДУ в верхней части полюса. Выключатели второй группы более эффективны, так как в них повышаются отключаемые токи и улучшаются динамические процессы при отключении.

На рис. 5.10 представлена одна фаза (полюс) колонкового маломасляного выключателя ВК-10. Он выпускается на напряжение 10 кВ, номинальные токи 630, 1000 и 1600 А, номинальные токи отключения 20; 31,5 кА. Выключатели ВК-10 с пружинным приводом предназначены для работы в шкафах КРУ внутренней и наружной установки, а также в режиме АПВ.

Три полюса выключателя устанавливаются на литое основание, в котором расположены рычаги механизма, связанные со встроенным пружинным приводом. Полюс выключателя (рис. 5.10, а) образован изоляционным цилиндром 1, внутри которого проходят токоведущие элементы, соединенные с верхним неподвижным розеточным контактом 2 и обоймой 3, присоединенной к направляющим стержням 4. Токоподвод к подвижному контакту 5 от направляющих стержней осуществляется роликовым устройством 6. Подвижный контакт 5 присоединен к рычагу механизма управления 11 посредством изоляционной тяги 7. На обойму 3 сверху устанавливается распорный цилиндр 8, а на него дугогасительное устройство 9. Маслоуказатели 10 поплавкового типа расположены наверху полюса.

На рис. 5.10, б представлена конструкция дугогасительной камеры комбинированного масляного дутья, состоящей из пакета изоляционных пластин разной конфигурации, стянутых шпильками. Верхняя перегородка имеет кольцо 12, изготовленное из дугостойкого материала (фторопласта). Камера имеет центральное отверстие для прохода подвижного стержня. В верхней части камеры изоляционные пластины образуют три поперечные, расположенные одна под другой, дутьевые щели 13 для больших токов, связанные вертикальным каналом 14 с под камерным и надкамерным пространствами.

В нижней части камеры имеются два глухих масляных кармана 15 для гашения малых токов. При гашении малых токов ввиду недостаточности давления газопаровой смеси, создаваемого в течение первого этапа, дуга не гаснет при движении стержня вдоль дутьевых щелей 13 и достигает глухих карманов 15. В этом случае вследствие незначительности объемов этих полостей масло, содержащееся в них, даже при незначительном токе отключения испаряется взрывообразно. Это приводит к попытке отрыва столба дуги за счет импульсного повышения давления от токоведущего стержня, так как выброс газопаровой смеси будет происходить вверх в зону, свободную от контактной свечи. Конусная втулка, установленная в средней части камеры, служит для предотвращения чрезмерного разгона подвижного стержня под воздействием высокого давления, возникающего в камере при отключении токов КЗ.

В настоящее время масляные выключатели за рубежом практически не выпускаются, но в отечественных сетях все еще встречаются.

Что такое масляный автоматический выключатель? — Принцип работы, конструкция и обслуживание

Масляный выключатель — это выключатель такого типа, в котором масло используется в качестве диэлектрика или изолирующей среды для гашения дуги. В масляном выключателе контакты выключателя разделены изолирующим маслом. Когда в системе возникает неисправность, контакты выключателя размыкаются под изоляционным маслом, и между ними возникает дуга, и тепло дуги испаряется в окружающем масле.Масляный выключатель делится на две категории

.

Конструкция масляного выключателя

Масляный выключатель

очень прост в конструкции. Он состоит из токоведущих контактов, заключенных в прочный, устойчивый к атмосферным воздействиям металлический резервуар с заземлением, и резервуар заполнен трансформаторным маслом. Масло одновременно действует как средство гашения дуги и как изолятор между токоведущей частью и землей.

В верхней части масляного резервуара воздух заполняется воздухом, который действует как подушка для контроля вытесняемого масла при образовании газа вокруг дуги, а также для поглощения механического удара, возникающего при движении масла вверх.Бак прерывателя надежно закреплен болтами, чтобы выдерживать вибрацию, возникающую при прерывании очень высокого тока. Масляный выключатель состоит из выхода газа, который установлен в крышке бака для отвода газов.

Принцип работы масляного выключателя

В нормальных условиях эксплуатации контакт масляного выключателя замкнут и пропускает ток. Когда в системе происходит короткое замыкание, контакты выключателя раздвигаются, и между контактами зажигается дуга.

Из-за этой дуги выделяется большое количество тепла и достигается очень высокая температура, при которой окружающее масло превращается в газ. Освободившийся таким образом газ окружает дугу, и его взрывной рост вокруг нее сильно вытесняет масло. Дуга гаснет, когда расстояние между неподвижным и подвижным контактами достигает определенного критического значения, зависящего от тока дуги и восстанавливающегося напряжения.

Масляный выключатель очень надежен в эксплуатации и стоит очень дешево.Наиболее важной особенностью масляного выключателя является то, что не используются специальные устройства для управления дугой, вызванной подвижным контактом. Масло как средство гашения дуги имеет определенные преимущества и недостатки

Преимущества масла при гашении дуги

1. Масло обладает высокой диэлектрической прочностью и обеспечивает изоляцию между контактами после гашения дуги.
2. Масло, используемое в автоматическом выключателе, обеспечивает небольшой зазор между проводниками и заземляющими элементами.
3. В резервуаре образуется газообразный водород, который имеет высокую скорость диффузии и хорошие охлаждающие свойства.

Недостатки масла для гашения дуги

1. Масло, используемое в масляном выключателе, легко воспламеняется и, следовательно, может вызвать пожар.
2. Существует опасность образования взрывоопасной смеси с воздухом.
3. Из-за разложения масла в дуге образуются частицы углерода, которые загрязняют масло и, следовательно, диэлектрическая прочность масла снижается.

Техническое обслуживание масляного выключателя

После того, как автоматический выключатель отключился током короткого замыкания, иногда их контакты могут сгореть из-за дуги. Кроме того, диэлектрическое масло обугливается в области контактов, тем самым теряя свою электрическую прочность. Это приводит к снижению отключающей способности выключателя. Поэтому обслуживание масляного выключателя необходимо для проверки и замены масла и контактов.

Масляные автоматические выключатели — Типы, работа и конструкция

В масляных автоматических выключателях используется изоляционное масло (например,ж., трансформаторное масло) используется в качестве средства гашения дуги.

Когда контакты масляного выключателя размыкаются под маслом и между ними возникает дуга. Тепло дуги испаряет окружающее масло и диссоциирует его в значительный объем газообразного водорода под высоким давлением.

Водородный газ занимает объем, примерно в тысячу раз превышающий объем разложившейся нефти. Таким образом, масло отталкивается от дуги, и расширяющийся пузырь газообразного водорода окружает область дуги и прилегающие части контактов (см. Рисунок).

Гашению дуги способствуют в основном два процесса.

• Во-первых, газообразный водород обладает высокой теплопроводностью и охлаждает дугу, тем самым способствуя деионизации среды между контактами.
• Во-вторых, газ создает турбулентность в масле и заставляет его проникать в пространство между контактами, тем самым устраняя продукты дуги на пути дуги.

В результате дуга гаснет и ток в цепи прерывается.

Преимущества и недостатки Oil CB

Преимущества	Недостатки
1.Он поглощает энергию дуги и разлагает масло на газы, обладающие отличными охлаждающими свойствами. 2. Он действует как изолятор и обеспечивает меньший зазор между токоведущими проводниками и заземленными компонентами. 3. Окружающее масло представляет собой охлаждающую поверхность в непосредственной близости от дуги.	1. Он легко воспламеняется, поэтому существует опасность возгорания. 2. Может образовывать взрывоопасную смесь с воздухом. 3. Продукты образования дуги (например, углерод) остаются в масле, и его качество ухудшается при последующих операциях.Это требует периодической проверки и замены масла.

Типы масляных выключателей

Масляные выключатели находят широкое применение в энергосистемах. Их можно разделить на следующие типы:

1. Масляные автоматические выключатели
   • Масляные автоматические выключатели с обычным разрывом
   • Дуговые масляные автоматические выключатели
2. Низкомасляные автоматические выключатели

В автоматических выключателях с объемным маслом используется большое количество масла, в то время как в автоматических выключателях с низким уровнем масла используется минимальное количество масла.

In Bulk oil Масло CB служит двум целям.

• гасит дугу при размыкании контактов.
• изолирует токоведущие части друг от друга и от заземленного резервуара.

В автоматических выключателях Low Oil масло используется только для гашения дуги; токопроводящие части изолированы воздухом, фарфором или органическим изоляционным материалом.

Масляные автоматические выключатели прямого размыкания

Масляные автоматические выключатели прямого размыкания — это масляный автоматический выключатель, который включает простой процесс разделения контактов под всем маслом в резервуаре.Не существует специальной системы управления дугой, кроме увеличения длины, вызванного разделением контактов. Гашение дуги происходит при достижении определенного критического зазора между контактами.

Масляный автоматический выключатель — это самый ранний тип, на основе которого были разработаны все другие автоматические выключатели.

Масляные автоматические выключатели с контролем дуги

В случае описанного выше масляного автоматического выключателя с прямым размыканием дуга практически не контролируется.Следовательно, сравнительно большая длина дуги важна для того, чтобы турбулентность в масле, вызванная газом, могла способствовать ее гашению.

Однако необходимо и желательно, чтобы окончательное гашение дуги происходило, пока зазор между контактами еще короткий. Для этой цели предусмотрено некоторое управление дугой, и автоматические выключатели называются автоматическими выключателями с управлением дугой.

Есть два типа таких выключателей, а именно:

1. Масляные автоматические выключатели с самовозрывом — в которых управление дугой обеспечивается внутренними средствами i.е. сама дуга эффективно используется для собственного гашения.
2. Масляные выключатели с принудительным дутьем — в которых управление дугой обеспечивается механическими средствами, внешними по отношению к выключателю.

Автоматические выключатели с низким содержанием масла

В описанных выше масляных автоматических выключателях масло должно выполнять две функции. Во-первых, он действует как средство гашения дуги, а во-вторых, он изолирует токоведущие части от земли. Было обнаружено, что только небольшой процент масла фактически используется для гашения дуги, в то время как большая часть используется для целей изоляции.

Автоматический выключатель с минимальным количеством масла

По этой причине количество масла в масляных автоматических выключателях достигает очень высокого значения при увеличении напряжения в системе. Это не только увеличивает расходы, размер бака и вес гидромолота, но также увеличивает риск возгорания и проблемы с обслуживанием.

Процесс гашения дуги безмасляного выключателя

Когда автоматический выключатель работает с током отключения, подвижные стационарные дугогасительные контакты разъединяются. При движении вниз подвижного контакта стержня, камера гашения дуги последовательно вытягивает мешок человеческого масла в контакте с маслом, испарение масла, масло под высоким давлением разлагается с образованием пузыря, при разнице давлений масло под высоким давлением через центр дуги гасящей пластины непрерывный вертикальный восходящий круговой дуги дуги, дуга охлаждается и гаснет.

Масляный автоматический выключатель — это самопрерыватель, отключающая способность и величина тока дуги. Чем больше ток дуги, тем больше энергия дуги, чем выше создаваемое давление масла, чем интенсивнее перегоревшая дуга, тем сильнее способность гашения дуги. Ток дуги, гашение дуги слабое, средняя диэлектрическая прочность нулевого дугового промежутка имеет тенденцию к сложному небольшому встряхиванию, будет отключение емкостного тока перенапряжения.

Для увеличения масляной емкости дуги выключателя с малым током в менее современных масляных выключателях предусмотрены поршневые средства давления масла.Масло с статическим контактным давлением, построенное с помощью седла поршня, при разделении контактов сила пружины, толкающая поршень вниз, давление масла ниже дугового зазора поршня может устранить явление «вакуума», быстрое увеличение диэлектрической прочности дугового зазора , что способствует гашению дуги малого тока.

В автоматическом выключателе также используется принцип противотока с использованием стержня, проводящего каплю. То есть, движение открывающего рычага вниз, проводящее, высокая температура и давление, создаваемые дуговым распылителем масла, вверх, быстрый разряд заряженных частиц дуги вверх по дорожке дуги, дуга способствует быстрому восстановлению диэлектрической прочности зазор.Проводящий стержень движется вниз по дуге, корни дуги контактируют с более низким холодным маслом и могут снизить температуру контактов дуги, термически ослабленные. При движении вниз, всегда часть холодного масла, выдавливаемого вверх, прерывает формирование дополнительного выдувного машинного масла, это чрезвычайно полезно для гашения дуги малой силы тока.

Меньше масляная камера, меньше масляный выключатель при номинальной отключающей способности, после отключения двух дугогасительной камеры на потемнении карбонизации масла диэлектрическая прочность масла будет снижена.Поэтому масляный выключатель не подходит для частой эксплуатации.

Процесс гашения дуги выключателем

Для повышения отключающей способности масляный выключатель снабжен дугогасящей камерой, сделанной из изоляционного материала вокруг контактов. Камера гашения дуги масляного выключателя использует газ, образующийся при разложении масла, для формирования высокоскоростного воздушного потока, который сильно продувает дугу и гасит ее. Его рабочая характеристика состоит в том, что чем больше ток отключения, тем больше газа вырабатывается в единицу времени, тем выше давление в камере гашения дуги, тем выше сила выдувания дуги и тем короче время горения дуги; когда ток отключения уменьшается, сила выдувания дуги соответственно уменьшается, поэтому время горения дуги увеличивается.

Камера гашения дуги установлена ​​в высокопрочной изоляционной коробке, которая состоит из элементов гашения дуги, а элементы гашения дуги разделены на определенное расстояние, образуя масляную камеру. Верхняя часть камеры гашения дуги представляет собой статический контакт. Когда переключатель разомкнут, подвижный контакт перемещается вниз. Когда контакты разъединены, между ними образуется дуга. Дуга окружена цилиндрическими пузырьками. Стенка пузыря образована масляным мешком камеры гашения дуги.Нефтяное образование. Из-за небольшого расстояния от дуги до стенки пузырька масло сильно охлаждает дугу, так что энергия дуги расходуется на разложение и газификацию масла, и образуется большое количество газа. Когда подвижный контакт движется вниз, газ под высоким давлением продувает дугу вверх через круглое отверстие в середине детали для гашения дуги. Когда расстояние между подвижным и статическим контактами достаточно велико, дугу можно погасить. Камера гашения дуги с продольным обдувом имеет простую конструкцию, а направление разряда газа противоположно направлению движения контакта, что способствует охлаждению дуги, но время дуги больше, а свежее масло нелегко пополнить после гашения дуги, что не способствует повторному включению.Камера гашения дуги в автоматическом выключателе с низким содержанием масла имеет множество конструктивных форм. Помимо камеры гашения дуги с вертикальным обдувом, существуют также камеры гашения дуги с горизонтальной и вертикальной подачей.

Когда автоматический выключатель размыкает цепь током, подвижный и статический контакты разделяются, образуя дугу. По мере того как подвижный контактный стержень движется вниз, дуга втягивается в камеру гашения дуги, чтобы последовательно контактировать с маслом в масляном мешке, в результате чего масло испаряется и разлагается с образованием пузырьков масла под высоким давлением.Под действием разности давлений масло и газ под высоким давлением проходят через центр дугогасящей пластины. Круглое отверстие непрерывно нагнетает дугу вверх, чтобы охладить и погасить дугу.

Масляные выключатели относятся к автоматическому гашению дуги, его дугогасящая способность зависит от величины тока дуги. Чем больше ток дуги, тем больше энергия дуги, чем выше давление газа, тем сильнее возникает дуга и тем сильнее способность гасить дугу.Когда ток дуги небольшой, способность гасить дугу слабая. Когда ток пересекает ноль, диэлектрическая прочность среды дугового промежутка мала, и ее легко повторно встряхнуть, а при прерывании тока конденсатора появится перенапряжение.

Чтобы улучшить способность масляных выключателей отключать дуги малого тока, современные масляные выключатели оснащаются поршневыми устройствами, работающими под давлением масла. После того, как статическое контактное седло оснащено поршнем с маслом под давлением, когда контакты разделены, сила пружины толкает поршень вниз, чтобы вдавить масло под поршнем в дуговой зазор, что может устранить явление «вакуума» и быстро улучшить прочность изоляции дугового промежутка.Способствует гашению небольших дуг тока.

Автоматический выключатель также работает по принципу противотока, а токопроводящий стержень — по принципу вытягивания вниз. То есть открывающийся токопроводящий стержень движется вниз, и масло под высоким давлением и высокой температурой, генерируемое дугой, распыляется вверх, а заряженные частицы в дуге быстро разряжаются вверх от дуги, что способствует быстрому восстановлению. прочности изоляции дугового промежутка. Проводящий стержень движется вниз, чтобы тянуть дугу вниз, а нижняя часть холодного масла контактирует с корнем дуги, что может снизить температуру дуги и контакта и ослабить тепловую изоляцию.В то же время, двигаясь вниз, всегда часть холодного масла выдавливается вверх в камеру гашения дуги, образуя дополнительный механический продув масла, что чрезвычайно полезно для гашения небольших токовых дуг.

Количество масла в камере дугогасящего выключателя с низким содержанием масла невелико. При номинальной отключающей способности после одного или двух перерывов масло в камере гашения дуги будет науглерожено и почернело, а изоляционная прочность масла снизится.Поэтому автоматический выключатель с низким содержанием масла не подходит для частой эксплуатации.

Масляный автоматический выключатель

— ваш электротехнический гид

В масляном выключателе или OCB разделительные контакты выключателя разделены внутри изоляционного масла, потому что изоляционное масло имеет лучшие изоляционные свойства, чем воздух.

При возникновении неисправности контакты выключателя размыкаются в масле, между ними зажигается дуга. Из-за тепла дуги окружающее масло контактов испаряется, и под высоким давлением выделяется газообразный водород.Масло отталкивается от дуги, и пузырь газообразного водорода окружает область дуги и прилегающую часть контактов.

Два процесса гаснут дугу. Во-первых, газообразный водород охлаждает дугу из-за своей высокой теплопроводности. Во-вторых, газ вызывает резкое движение нефти и заставляет ее проникать в пространство между контактами.

Таким образом, продукты искрения исключаются из пути дуги, и происходит прерывание дуги, когда ток дуги становится равным нулю, в результате чего дуга гаснет, а ток в цепи прерывается.

Ниже приведены два основных типа масляных выключателей:

Автоматические выключатели наливного масла

В этих типах масляных выключателей используется большое количество масла. Они также известны как масляные выключатели с мертвым баком, потому что в баке имеется потенциал земли. Их можно разделить на:

• Масляные автоматические выключатели простого прерывания
• Масляные автоматические выключатели для контроля дуги

Масляные автоматические выключатели открытого типа

Конструкция масляного выключателя открытого типа очень проста.Оно состоит из токоведущих контактов, погруженных в трансформаторное масло и заключенных в прочно заземленный металлический резервуар. Масло действует как изолятор между токоведущими частями и заземленным резервуаром, а также как средство гашения дуги.

Масляный бак не полностью заполнен маслом, но наверху осталось немного места для воздуха. Воздух служит амортизатором и обеспечивает пространство для вытесненного масла при образовании газа вокруг дуги. Он также поглощает механические удары, вызванные движением масла вверх.

Бак выключателя плотно прикручен к фундаменту, чтобы выдерживать вибрации, возникающие во время срабатывания выключателя.

Достаточный напор масла над дугогасительными контактами необходим для обеспечения достаточного давления масла в дуге и предотвращения возникновения эффекта дымохода.

Изготовлен дымоход газа от дуги к поверхности масла. Он контактирует с заземленным резервуаром. Если этот газ имеет низкую диэлектрическую прочность, между контактами и заземленным резервуаром возникнет дуга.Это приведет к тяжелым последствиям.

Следовательно, между токоведущими частями и резервуаром всегда должно быть достаточное количество масла. Отвод газа из резервуара имеет важное значение, и в крышке резервуара имеется вентиляционное отверстие.

На рисунке показана конструкция простого масляного выключателя с двойным разрывом. Он предусматривает два последовательных перерыва. Два последовательных разрыва обеспечивают быстрое удлинение дуги. Для успешного прерывания тока короткого замыкания необходима сравнительно большая длина дуги, чтобы турбулентность в масле, создаваемая давлением, создаваемым дугой, могла способствовать ее гашению.

Обычно неподвижные и подвижные контакты остаются замкнутыми, и выключатель пропускает стандартный ток цепи. При возникновении неисправности подвижные контакты опускаются защитной системой, и между ними возникает дуга, и выделяется большое количество тепла, которое превращает окружающее масло в газ. Этот газ окружает дугу и сильно вытесняет масло.

Дуга гаснет, когда расстояние между неподвижным и подвижным контактами достигает определенного значения.Скорость разрыва должна быть как можно более высокой, потому что чем раньше дуга гаснет, тем меньше энергии выделяется в прерывателе и тем менее механически прочный прерыватель должен быть спроектирован.

Основная проблема простого масляного автоматического выключателя с двойным разрывом заключается в неравномерном распределении напряжения по разрывам, что приводит к неравномерному распределению общей отключающей нагрузки. Ниже приведены основные характеристики, которые существенно влияют на характеристики автоматического выключателя с прямым выключателем:

• критическая длина разрыва,
• скорость движения контактов,
• напор масла над контактами, зависит от рабочего напряжения выключателя,
• зазор между токоведущими частями и заземленным баком.

Среди факторов, упомянутых выше, разрывная способность автоматического выключателя с обычным разрывом в основном зависит от напора масла и больших зазоров. Вот почему большая отключающая способность требует больших автоматических выключателей.

Эти автоматические выключатели уже устарели. Простые масляные выключатели широко применялись в цепях переменного и постоянного тока низкого напряжения до 250 МВА при 11 кВ.

Автоматические выключатели с системой управления дугой

В масляных автоматических выключателях с прямым разрывом дуга регулируется только путем увеличения длины дуги.Однако требуется, чтобы окончательное гашение дуги происходило и при небольшом зазоре между контактами. Для этого в автоматическом выключателе должно быть предусмотрено некоторое управление дугой.

Автоматические выключатели с функцией контроля дуги известны как автоматические выключатели с контролем дуги. Они бывают двух типов, а именно:

• Масляный автоматический выключатель с самовоздушной обработкой
• Масляный автоматический выключатель с принудительной струей

Масляный автоматический выключатель с самовоздушной обработкой

В таких автоматических выключателях давление, создаваемое дугой, увеличивает движение масла в контактном пространстве.Высокое давление, создаваемое дугой, вызывает немедленный поток масла в пространство между контактами после того, как ток дуги упадет до нуля.

Это достигается окружением контактов камерой давления или баком. Давление, развиваемое маслом, зависит от величины прерываемого тока. Такие автоматические выключатели обладают следующими достоинствами:

• : камера давления относительно дешевая в изготовлении,
• длина критического зазора уменьшена,
• уменьшено время дуги,
• увеличена отключающая способность выключателя.

Основным недостатком масляного автоматического выключателя с самовзрыванием является то, что:

• — длительное время горения дуги,
• — низкая производительность, токи короткого замыкания значительно меньше номинального тока.

Это связано с уменьшением газообразования при малых токах замыкания. Эта проблема устранена в масляных выключателях с принудительным дутьем, в которых внешняя механическая система создает давление.

В этих автоматических выключателях развиваемое давление не зависит от прерываемых токов короткого замыкания.

Масляный автоматический выключатель с принудительной продувкой

В масляных автоматических выключателях с принудительной продувкой давление масла создается механически за счет механизма поршень-цилиндр. Движение поршня механически связано с подвижным контактом. Таким образом, когда срабатывает автоматический выключатель, автоматически создается давление масла, и дуга прерывается на высокой скорости.

При малых токах характеристики такого выключателя более стабильны, чем у самовзрывного масляного выключателя, поскольку давление масла не зависит от тока повреждения.

Еще одно преимущество этой конструкции перед масляным автоматическим выключателем с самовозрывом состоит в том, что необходимое количество масла сокращается до одной четверти .

Спасибо, что прочитали о «конструкции масляного выключателя» и «принципе работы масляного выключателя». Для получения более подробной информации посетите Википедию.

Низкий | Автоматический выключатель минимального уровня масла

Как и в случае описанного ранее простого масляного выключателя, количество необходимого масла достигает очень высоких цифр с увеличением напряжения в системе.Такое огромное количество масла увеличивает размер гидромолота и увеличивает проблемы с обслуживанием.

Мы знаем, что масло в выключателе выполняет две функции. Во-первых, он действует как средство гашения дуги; во-вторых, он изолирует токоведущие части от заземленного резервуара.

Количество масла, необходимого для гашения дуги, очень мало, и большая часть масла используется для целей изоляции.

На основании этого факта был разработан автоматический выключатель с низким содержанием масла .Он также известен как автоматический выключатель с минимальным содержанием масла или автоматический выключатель резервуара под напряжением.

В автоматическом выключателе с минимальным содержанием масла в камере гашения дуги используется очень небольшое количество изоляционного масла.

В целях изоляции используются различные изоляционные материалы, такие как фарфор, бакелизированная бумага, стекловолокно и т. Д. Конструкция выключателя с низким уровнем масла показана на рисунке.

Он состоит из двух заполненных маслом камер, которые известны как верхняя и нижняя камеры и отделены друг от друга.Дуга гаснет в верхней камере; поэтому она также известна как дугогасительная камера.

Эта дугогасительная камера состоит из устройства управления дугой, верхнего неподвижного контакта и нижнего подвижного контакта. Вся сборка устройства управления дугой, верхний контакт и нижний контакт погружены в масло и заключены в кожух из стекловолокна.

Масло нижней камеры используется для изоляции. Он не участвует в процессе гашения дуги. И верхняя, и нижняя камеры по отдельности окружены склеенной синтетической смолой бумагой цилиндрической формы внутри фарфорового изолятора.

Приводной стержень постоянно соединен с подвижным контактом и приводным механизмом. Он движется вертикально, замыкая и размыкая цепь.

При возникновении неисправности подвижный и неподвижный контакты разъединяются, поскольку по цепи протекает ток; между ними зажигается дуга. Масло в дуговой камере нагревается и испаряется.

Газы (в основном водород) образуются при испарении масла. Благодаря охлаждающему эффекту водородная дуга остывает, и ее давление разбивает ее на небольшие дуги.

Поскольку при этом испаряется масло между контактами, между контактами заливается немного свежего масла. Это новое масло также испаряется и выделяет газы, и снова заливается свежее масло.

Этот цикл продолжается до тех пор, пока дуга не погаснет около текущего нулевого момента.

Дугогасительная камера содержит сепаратор, который за счет центробежного действия заправляет в нее свежее масло, когда прерыватель работает в аварийном состоянии.

Клапан для заливки масла также установлен в верхней части устройства контроля дуги.Этот слегка подпружиненный клапан закрывается, когда давление устанавливается внутри устройства, но когда напряжение исчезает из-за гашения дуги, клапан открывается, позволяя потоку масла.

Благодаря клапану для заливки масла испарившееся масло быстро заменяется свежим, когда дуга гаснет.

Подпружиненный выпускной клапан, сапун для предотвращения попадания влаги в автоматический выключатель, выполнен в верхней дугогасительной камере. Если в дуговой камере возникает избыточное давление, предохранительная диафрагма под куполообразной крышкой предназначена для подъема, чтобы защитить выключатель от повреждений.

Автоматические выключатели с низким содержанием масла имеют меньший размер резервуара, требуют меньшего количества масла, меньший вес, более низкую стоимость, меньший риск возгорания и меньше проблем с обслуживанием, чем автоматические выключатели с объемным маслом.

Но главным недостатком этих автоматических выключателей является быстрое ухудшение диэлектрической прочности масла из-за высокой степени карбонизации.

Спасибо, что прочитали о «принципе работы выключателя с низким содержанием масла». Для получения дополнительной информации посетите Википедию.

масляный автоматический выключатель | Преимущества

Масляный автоматический выключатель: Масляные автоматические выключатели

широко используются в наших энергосистемах. В них свойства дуги используются для гашения дуги. Таким образом, используя энергию дуги для разрушения молекул масла, можно получить газообразный водород, который можно использовать для смещения, охлаждения и сжатия плазмы дуги и, таким образом, ее деионизации в процессе самозатухания.

Ранее считалось, что масло действует как изолятор, когда выключатель включен, а затем оно течет в дуговой промежуток, когда контакты разъединяются, и гасит дугу.Но позже эксперименты показали, что было бы совершенно невозможно за очень короткое время, от 1/2 до 1/4 цикла, чтобы масло протекло и погасило дугу.

Разрыв дуги под маслом:

Следует отметить, что путем погружения размыкающих контактов в масло невозможно предотвратить возникновение дуги во время разъединения контактов. Однако тепло дуги немедленно испаряет окружающее масло и диссоциирует его на углерод и значительный объем газообразного водорода при высоком давлении.Газообразный водород обладает высокой теплопроводностью, что приводит к охлаждению столба дуги и контактов, что, в свою очередь, увеличивает напряжение зажигания, и, таким образом, дуга гаснет. Водород благодаря своей высокой теплопроводности охлаждает дугу так быстро, что напряжение, необходимое для повторного зажигания, в 5-10 раз выше, чем напряжение, требуемое для воздуха, и поэтому лучше всего подходит для прерывания. Причем вырабатывается самопроизвольно в дугах под маслом. Дуга загорается достаточно глубоко под маслом, чтобы поднимающиеся газы не воспламенили поверхность масла.Это важный аспект дизайна.

Прерывание сильных токов короткого замыкания создает чрезвычайно высокое давление, которое необходимо безопасно сбросить или правильно контролировать. Фактически, это высокое давление может быть использовано для гашения самой дуги, ответственной за высокое давление. Помимо механических сил, вызванных давлением газа и движением масла, на дугу также действуют значительные электродинамические силы. Они имеют тенденцию увеличивать площадь любого контура, образованного током в автоматическом выключателе, и, следовательно, выводить дугу наружу и в сторону от генерирующего источника.

Преимущества масла: Масляный автоматический выключатель

имеет следующие преимущества в качестве средства гашения дуги.

• Во время дуги масло действует как производитель газообразного водорода, который помогает гасить дугу, как уже обсуждалось.
• Обеспечивает изоляцию открытых контактов под напряжением от заземленных частей контейнера.
• Обеспечивает изоляцию между контактами после того, как дуга окончательно погасла и масло успело потечь в зазор между контактами.

Недостатки масла:

Масло как средство гашения дуги имеет следующие недостатки:

• Он легко воспламеняется и может вызвать опасность пожара, если неисправный масляный выключатель выйдет из строя под давлением и вызовет взрыв.
• Возможность образования взрывоопасной смеси с
• Из-за разложения масла в дуге масло загрязняется частицами углерода, которые снижают его электрическую прочность.Следовательно, он требует периодического обслуживания и замены.

Evolution масляного автоматического выключателя:

Разработка масляного выключателя велась по трем основным направлениям:

• Масляные автоматические выключатели открытого типа.
• Автоматические выключатели с контролем дуги.
• Минимальные масляные выключатели.

Масляный автоматический выключатель простой защиты:

Ранние формы высоковольтных конструкций, использующих масло, имели конструкцию с гладким разрывом, не имевшую специальной системы гашения дуги.В этом типе дуга ограничивается только масляным баком. Деионизация дуги происходит полностью за счет турбулентности и повышения давления. Для успешного прерывания необходима сравнительно большая длина дуги, чтобы турбулентность масла, вызванная давлением, создаваемым дугой, могла способствовать ее гашению. Из-за отсутствия эффективного контроля над дугой время горения дуги и количество энергии, выделяемой до прерывания, часто варьируются в широком диапазоне, что делает необходимым высокий коэффициент безопасности в конструкции резервуара.Бак должен быть водонепроницаемым, чтобы не пропускать влагу. В случае, если над маслом имеется воздушная подушка, образующийся газообразный водород может проходить через масло и смешиваться с воздухом, образуя взрывоопасную смесь, если не поддерживается достаточное давление. Напор масла над контактами должен быть достаточно большим, чтобы предотвратить выход газа в виде столбика на поверхность.

Очевидно, что если контакты разъединяются на высокой скорости, длина дуги может быть значительно увеличена из-за большего расстояния, на которое движущиеся контакты проходят между нулями тока, при которых происходит прерывание.

Сварка контактов может привести к прерыванию короткого замыкания, если скорость движения контакта низкая.

Основными характеристиками, которые имеют важное значение для работы масляного выключателя прямого отключения, являются:

• Продолжительность перерыва.
• Скорость движения контакта.
• Головка масла над контактами.
• Расстояние до заземленного металла рядом с контактами.

За счет увеличения размера бака, напора масла, длины разрыва и изоляции; можно получить выключатели для более высокого напряжения и большей отключающей способности.Однако автоматические выключатели этого типа не считаются удовлетворительными для напряжений выше 11 кВ и 250 МВА.

В принципе этот тип выключателя с двумя последовательными прерываниями показан на рис. (15.5).

Автоматические выключатели контроля дуги

:

Масляные автоматические выключатели, обычно используемые в наших энергосистемах, относятся к этому типу. В них газы, образующиеся во время горения дуги, ограничиваются небольшими объемами за счет использования изолирующей жесткой камеры, окружающей контакты.Таким образом, может быть создано более высокое давление, чтобы заставить нефть и газ проходить через зону или вокруг нее, чтобы погасить ее. Эти небольшие камеры, устойчивые к высокому давлению, известны как контрольные емкости, а иногда и как взрывные емкости. Помимо эффективности защиты от прерывания, эти взрывные устройства существенно снизили риски возникновения пожара. Благодаря усовершенствованию конструкции электролизеров, значительно сократилась как продолжительность дуги, так и общее время отключения.

Автоматические выключатели с минимальным содержанием масла:

Для более высоких напряжений и более высоких отключающих способностей требуется большое количество масла, и размер описанного выше масляного автоматического выключателя становится чрезмерно большим.Например, выключатель 110 кВ и 3500 МВА потребляет от 8 до 12 тысяч кг масла, а выключатель того же номинала на 220 кВ — 50 тысяч кг масла. В автоматическом выключателе с минимальным количеством масла используются твердые материалы для изоляции и достаточно масла для гашения дуги. Прерыватель заключен в резервуар из изоляционного материала, который при нормальной работе находится под напряжением сети. Они также известны как гидравлические измельчители резервуаров в отличие от гидравлических измельчителей нефтеналивных резервуаров. Минимальные масляные выключатели могут быть самовзрывного типа, внешнего взрыва или их комбинации.

В автоматических выключателях с самовозрывом сила, с которой гасится дуга, адаптируется к току, который должен быть прерван; чем больше ток короткого замыкания, тем больше разлагается масло и больше газа выделяется для охлаждения плазмы. По этой причине самовзрывной автоматический выключатель с минимальным содержанием масла более эффективно гасит дугу при увеличении тока. Однако давление газа в камере также увеличивается с увеличением тока короткого замыкания, что накладывает ограничение на механическое напряжение на выключатель.Таким образом, предел отключающей способности определяется не принципом гашения дуги, а механической прочностью дуги. камера. Благодаря использованию современных изоляционных материалов для изготовления дугогасительных камер, таких как синтетические смолы, армированные стекловолокном, автоматические выключатели с минимальным содержанием масла способны легко справляться с повышенным уровнем неисправности систем.

В большинстве современных конструкций используется принцип самогенерируемого взрыва.

В конструкции дугогасительных камер используются два типа вентиляции, а именно.осевая вентиляция и радиальная вентиляция. При осевом выпуске газы продувают дугу в продольном направлении, а при радиальном выпуске дуга продувается в поперечном направлении. Осевое вентилирование имеет то преимущество, что оно создает высокое давление, а также имеет высокую диэлектрическую прочность. Осевая вентиляция в основном используется там, где низкие токи должны прерываться при высоких напряжениях. Радиальная вентиляция создает низкое давление, а также имеет низкую диэлектрическую прочность. В основном он подходит для отключения больших токов при низких напряжениях. Иногда используется комбинация того и другого, так что дугогасительная камера одинаково эффективна как при низких, так и при высоких токах.Однако недостатком этих дугогасительных камер является то, что при очень малых токах, называемых критическим током , они имеют длительный период горения дуги. Эти критические токи обычно составляют от 10 до 100 А.

В некоторых конструкциях, помимо самовзрыва, также используются отдельные устройства для впрыска масла. Этот метод устраняет критические токи, делая время дуги практически независимым от величины прерванного тока. Различное расположение дугогасительных камер, используемых в автоматическом выключателе с минимальным содержанием масла, показано на рис.(15.11). Контакты обычно приводятся в действие тяговыми стержнями или вращающимися изоляторами, которые по очереди приводятся в действие пневматическими или соленоидными механизмами.