Какие бывают высоковольтные выключатели и где используются

Существует множество самых разнообразных коммутационных аппаратов. Например, рубильники, разъединители, автоматические выключатели, и даже предохранители. Все они созданы для выполнения конкретной задачи: включения или отключения тока в электрической цепи.

Однако среди всех подобных устройств, высоковольтные выключатели занимают особое место. Разберём подробно, почему это так, какие типы высоковольтных выключателей существуют, а также способы гашения электрической дуги.

Что это такое

Как известно, многократно разомкнуть или замкнуть электрическую цепь, можно обычным рубильником или разъединителем. Это простые, надёжные и сравнительно недорогие коммутационные аппараты. Однако, когда дело касается передачи большой мощности, коммутация цепи такими аппаратами становится невозможной.

Ведь при этом может возникнуть электрическая дуга и обычный рубильник просто выйдет из строя. Поэтому для отключения нагрузки в электроустановках выше 1000 В применяются специальные коммутационные аппараты — высоковольтные выключатели. Причём они должны надёжно выполнять свои функции как в нормальном, так и в аварийном режиме работы.

Сила тока, при аварийном режиме может достигать нескольких десятков килоампер, но с такой нагрузкой, выключатель должен гарантированно справиться за минимальное время.

Для разрыва электрической дуги такие выключатели оснащены специальными устройствами: дугогасящими камерами. Разумеется, эти устройства намного сложнее, чем дугогасящая камера обычного автоматического выключателя. В качестве дугогасящей среды в этих камерах применяются самые разные материалы: масло, элегаз, вакуум и даже воздух. Конечно, такой выбор обусловлен как достоинствами, так и недостатками конкретного материала, используемого в качестве дугогасящей среды.

Назначение и сфера применения

Большинство высоковольтных установок не смогут нормально работать без надёжной коммутации электрической цепи. Соответственно, выбор высоковольтного выключателя будет зависеть от конструкции и назначения конкретной электроустановки.

По этому условию можно выделить следующие типы высоковольтных выключателей:

• Сетевые.
• Генераторные.

Уже из самого названия понятно, что основное назначение сетевых выключателей — коммутация электрической цепи в нормальных и аварийных режимах работы различных электроустановок, например, воздушных и кабельных линий, работающих при напряжении от 6 кВ до 1150 кВ, а также пропускание тока в течение длительного времени при нормальном режиме работы.

К сетевым выключателям относятся также и реклоузеры. Такие автономные коммутационные аппараты могут производить отключение и включение цепи по заранее заданному алгоритму. При этом возможен как возврат в исходное состояние, так и блокировка с сохранением определённого положения. Также возможно удалённое и ручное управление.

Однако реклоузер — это не простой выключатель, а «умное устройство», то есть целый комплекс различных устройств, куда помимо выключателя, входят трансформаторы тока и напряжения, комбинированные датчики, модемы и устройства управления и аккумуляторы, необходимые для выполнения операций при отсутствии напряжения на питающих линиях.

Реклоузеры позволяют построить сети с распределённой автоматизацией. В них возможно автоматическое выделение повреждённого участка и подача напряжения на неповреждённые участки сети. Таким образом, значительно снижается время отключения потребителей и намного упрощается поиск и устранение повреждений на линиях.

Особенности работы электростанций предъявляют несколько иные требования к генераторным выключателям. Например, для таких коммутационных аппаратов характерны иные значения номинального напряжения и тока, чем для сетевых выключателей. Также генераторный выключатель должен обеспечивать коммутацию электрической цепи в режиме рассогласования фаз, которые могут возникнуть при выпадении генератора из синхронизма или при отключении возбуждения генератора.

Кроме того, генераторный выключатель должен обладать большим механическим и коммутационным ресурсом, чем его сетевой коллега. Такие требования обусловлены работой электростанций в пиковом режиме.

Конструкция

Существует множество статей, где авторы, пытаясь провести классификацию высоковольтных выключателей, сразу переходят к разбору способов гашения дуги. Между тем кроме дугогасящей камеры с контактной системой, в конструкции должен присутствовать привод, рама с корпусом, изоляторы, а также высоковольтные вводы.

Однако не будем торопиться и разберём всё по порядку. Дугогасящие камеры будут подробно рассмотрены ниже. При этом если с изоляцией и корпусом вроде всё понятно, то с устройством привода нужно ещё разобраться.

Сначала разделим все типы этих устройств на неавтоматические, полуавтоматические и собственно, автоматические приводы. Как уже понятно из названия, неавтоматические приводы позволяют включить или отключить высоковольтный выключатель только в ручном режиме. В нашем высокотехнологичном веке такие устройства могут показаться архаичными, но нужно признать правду: они ещё применяются.

Соответственно, полуавтоматический привод позволяет дистанционно произвести одну или несколько операций с выключателем, но затем требуется вмешательство человека. Например, произвести автоматическое повторное включение выключателя (АПВ) несколько раз. Как? Терпение, разберём это немного позже.

Наконец, автоматический привод позволяет оператору отключать или включать выключатель, дистанционно, не заботясь о необходимости завода привода вручную. Также возможно производить эти операции в полностью автоматическом режиме.

Нужно отметить, что при разработке приводов конструкторская мысль работала с большим напряжением и достигла значительных успехов. Ведь, кроме быстроты и долговечности, привод должен ещё и надёжно удерживать в отключённом или включённом состоянии контакты выключателя. Поэтому для передачи механической энергии к контактной системе, инженеры использовали различные способы: гравитационный, кинетический, пневматический и электромеханиеский.

Несмотря на некоторые недостатки, например, сложную конструкцию и невысокую надёжность, приводы типа ПП-67 до сих пор применяются на высоковольтных выключателях. Для передачи механической энергии, необходимой для размыкания или замыкания контактной системы выключателя используется не только запасённая кинетическая энергия в пружинах, но и гравитация — энергия взведённого груза.

Обратите внимание на наличие электродвигателя. С его помощью операция завода пружин и взведение груза в рабочее положение значительно упрощалась. Однако на некоторых подстанциях электромоторы давно вышли из строя и персоналу приходится всё делать вручную, используя специальный съёмный рычаг.

Из названия понятно, что для передачи движения к контактной системе выключателя, в электромагнитном приводе используется энергия, получаемая при движении сердечника в электромагните, когда по нему проходит ток.

Также следует немного рассказать о принципе работы пневматического привода, где источником энергии служит сжатый воздух. Поступая в поршневой пневматический блок, сжатый воздух двигает поршень, а отключение производится благодаря энергии, запасённой в пружинах.

Классификация по способу гашения дуги

Из названия конкретного высоковольтного выключателя уже понятно, какой способ гашения дуги в нём используется. Итак, в масляных выключателях, гашение электрической дуги происходит в среде масла. При этом происходит разложение масла и выделяется некоторое количество газа и пара под большим давлением, которые по специальным каналам в дугогасящей камере подводятся к контактной системе. Это позволяет снизить температуру дуги и облегчить процесс коммутации. Также масло является хорошим диэлектриком, поэтому возможность повторного зажигания дуги снижается.

В воздушных выключателях для движения контактов и для гашения дуги используется поток сжатого воздуха. Конструкция таких выключателей весьма сложная, даже по сравнению с другими типами коммутационных аппаратов. Ведь для создания требуемого давления в состав выключателя входит компрессор, пневмопроводы, ресиверы, фильтры, манометры, различные реле и другие устройства. Кроме того, при работе такого устройства возможен сильный шумовой эффект, а если в зоне выхлопа в это время окажется человек, то он может получить травмы.

В элегазовых выключателях дугогасящей средой является «электрический газ» — шестифтористая сера (SF6). Благодаря уникальным свойствам элегаза: устойчивость к старению, пожаробезопасность и сохранение своих свойств в широком диапазоне напряжений, такие выключатели считаются одним из наиболее перспективных направлений и активно применяются при реконструкции и строительстве новых подстанций.

Для гашения дуги в вакуумных выключателях применяется технический вакуум — очень разреженный газ, плотность которого составляет от 10^-6 до 10 ^-8 Н/см². Поэтому основное отличие конструкции такого коммутационного аппарата заключается в устройстве вакуумной дугогасительной камеры (ВДК). При этом ВДК занимает сравнительно небольшой объём в конструкции выключателя.

Также конструкция выключателя содержит сильфонное устройство (6), необходимое для обеспечения герметичности. Верхний контакт (1) неподвижен, а нижний контакт (2) приводится в действие через тяговый изолятор (5) электромагнитным приводом (3) с магнитной защёлкой (7). Также имеется специальный механизм для прижатия силовых контактов (4).

Заключение

При создании инженерам требовалось разработать надёжную конструкцию не только для нормального режима работы, но и для различных аварийных режимов. В качестве дугогасящей среды применялись различные материалы, например, масло, элегаз и даже вакуум.

Также инженерам пришлось решить ещё одну важную задачу — быстро и надёжно передать механическую энергию для отключения или включения контактов. Для этого были разработаны разные виды приводов: пружинные, электромагнитные, воздушные.

Дальнейшее развитие высоковольтных коммутационных аппаратов привело к необходимости совершенствования не только дугогасящих камер или привода, но и самих распределительных устройств. Ведь снижение размеров выключателей позволяет значительно снизить и габариты распредустройств. Например, применение элегаза в качестве изолирующей среды даёт новые возможности для создания малогабаритных, надёжных, автоматизированных комплектных распредустройств с элегазовой изоляцией.