Vysokonapěťové spínače: klasifikace, zařízení, princip činnosti

Požadavky na spínače jsou následující:

1) spolehlivost při práci a bezpečnost pro ostatní;

2) rychlá odezva – možná krátká doba vypnutí;

3) snadná údržba;

4) snadná instalace;

5) tichý provoz;

6) relativně nízké náklady.

V současnosti používané jističe uvedené požadavky ve větší či menší míře splňují. Konstruktéři jističů se však snaží lépe sladit charakteristiky jističů s výše uvedenými požadavky.

Olejové spínače

Existují dva typy olejových spínačů – zásobník a nízký olej. Metody deionizace prostoru oblouku v těchto klíčích jsou stejné. Rozdíl je pouze v izolaci kontaktního systému od zemního podkladu a v množství oleje.

Donedávna fungovaly nádrže pro nádrže těchto typů: VM-35, S-35, stejně jako spínače řady U s napětím od 35 do 220 kV. Tankové spínače jsou určeny pro externí montáž, v současné době se nevyrábí.

Hlavní nevýhody spínačů nádrží: výbuch a požár; nutnost pravidelného sledování stavu a hladiny oleje v nádrži a vstupech; velký objem ropy, což vede k velké časové investici na její výměnu, potřebě velkých zásob ropy; není vhodný pro vnitřní instalaci.

Spínače nízké hladiny oleje

Nízkoolejové spínače (typ hrnce) jsou široce používány v uzavřeném a otevřeném rozvaděči všechna napětí. Olej v těchto spínačích slouží hlavně jako obloukové médium a pouze částečně jako izolace mezi otevřenými kontakty.

Izolace živých částí od sebe navzájem a od uzemněných konstrukcí se provádí porcelánem nebo jinými pevnými izolačními materiály. Kontakty spínačů pro vnitřní montáž jsou umístěny v ocelové nádrži (hrnci), proto zůstává zachován název spínačů "hrncový typ".

Nízkoolejové jističe o napětí 35 kV a vyšším mají porcelánové tělo. Nejpoužívanější jsou přívěsky typu 6-10 kV (VMG-10, VMP-10). U těchto jističů je těleso upevněno na porcelánových izolátorech ke společnému rámu pro tři póly. Každý pól má jeden přerušovač kontaktu a zhášecí komoru.

Konstrukční schémata spínačů s nízkým obsahem oleje 1 — pohyblivý kontakt; 2 — obloukový skluz; 3 — pevný kontakt; 4 — pracovní kontakty

Při vysokých jmenovitých proudech je obtížné pracovat s jedním párem kontaktů (fungujících jako ovládací a obloukové kontakty), proto jsou ovládací kontakty umístěny mimo vypínač a obloukové kontakty jsou v kovové nádrži. Při vysokých vypínacích proudech jsou na každém pólu dvě přerušení oblouku. Podle tohoto schématu jsou spínače řady MGG a MG vyráběny pro napětí do 20 kV včetně.Masivní externí provozní kontakty 4 umožňují dimenzovat jistič pro vysoké jmenovité proudy (až 9500 A). Pro napětí 35 kV a více je tělo spínače vyrobeno z porcelánu, řada VMK je sloupový spínač s nízkým obsahem oleje). U automatických jističů 35, 110 kV je zajištěno jedno přerušení na pól, při vysokém napětí dvě nebo více přerušení.

Nevýhody spínačů s nízkým obsahem oleje: riziko výbuchu a požáru, i když mnohem menší než u spínačů nádrží; neschopnost implementovat vysokorychlostní automatické zavírání; nutnost periodické kontroly, doplňování, poměrně častá výměna oleje v obloukových nádržích; obtížnost instalace vestavěných proudových transformátorů; relativně nízká vypínací schopnost.

Oblastí použití nízkoolejových vypínačů jsou uzavřené rozváděče elektráren a rozvoden 6, 10, 20, 35 a 110 kV, kompletní rozváděče 6, 10 a 35 kV a otevřené rozváděče 35 a 110 kV.

Další podrobnosti naleznete zde: Typy olejových spínačů

Vzduchové spínače

Vzduchové jističe pro napětí 35 kV a vyšší jsou určeny k přerušení velkých zkratových proudů. Vzduch se zapnutým napětím 15 kV se používá v elektrárnách jako generátor. Jejich výhody: rychlá odezva, vysoká vypínací schopnost, nepatrné pálení kontaktů, nedostatek drahých a nedostatečně spolehlivých průchodek, požární bezpečnost, menší hmotnost oproti olejovým spínačům v nádrži. Nevýhody: přítomnost těžkopádného vzduchového hospodářství, nebezpečí výbuchu, nedostatek vestavěných proudových transformátorů, složitost zařízení a provozu.

U vzduchových spínačů je oblouk zhášen stlačeným vzduchem o tlaku 2-4 MPa a izolace živých částí a zařízení pro zhášení oblouku je vyrobena z porcelánu nebo jiných pevných izolačních materiálů. Konstrukční schémata vzduchových spínačů jsou různá a závisí na jejich jmenovitém napětí, způsobu vytvoření izolační mezery mezi kontakty ve vypnuté poloze a způsobu přivádění stlačeného vzduchu do zhášecího zařízení oblouku.

Vysoce dimenzované jističe mají hlavní a obloukový obvod podobný nízkoolejovým jističům MG a MGG. Hlavní část proudu v sepnuté poloze spínače prochází hlavními kontakty 4, které jsou umístěny otevřené. Po vypnutí spínače se nejprve rozepnou hlavní kontakty, poté veškerý proud prochází obloukovými kontakty uzavřenými v komoře 2. Zatímco se tyto kontakty otevřou, stlačený vzduch z nádrže 1 je přiváděn do komory, vytvoří se silný výbuch, který zhasne oblouk. Foukání může být podélné nebo příčné.

Potřebná izolační mezera mezi kontakty v otevřené poloze vzniká ve zhášecí komoře oddělením kontaktů na dostatečnou vzdálenost. Spínače vyrobené podle projektu s otevřeným separátorem jsou vyráběny pro vnitřní instalaci pro napětí 15 a 20 kV a proudy do 20 000 A (řada VVG). U tohoto typu spínačů se po odpojení separátoru 5 zastaví přívod stlačeného vzduchu do komor a sepnou se obloukové kontakty.

Konstrukční schémata vzduchových spínačů 1 — nádrž na stlačený vzduch; 2 — obloukový skluz; 3 — bočníkový odpor; 4 — hlavní kontakty; 5 — separátor; 6 — kapacitní dělič napětí pro 110 kV — dvě přerušení na fázi (d)

U vzduchových jističů pro otevřenou instalaci pro napětí 35 kV (VV-35) stačí mít jedno přerušení na fázi.

U spínačů s napětím 110 kV a více se po zhasnutí oblouku rozpojí kontakty odlučovače 5 a komora odlučovače zůstává po celou dobu ve vypnuté poloze plná stlačeného vzduchu. V tomto případě není do zhášecí komory přiváděn stlačený vzduch a kontakty v ní jsou uzavřeny.

Podle tohoto konstrukčního schématu jsou vytvořeny jističe řady VV pro napětí do 500 kV. Čím vyšší je jmenovité napětí a čím vyšší je mezní výkon, tím více přerušení musí být ve zhášecí komoře a v separátoru.

Vzduchem plněné jističe řady VVB jsou vyrobeny podle konstrukčního schématu na obr., D. Napětí modulu VVB je 110 kV při tlaku stlačeného vzduchu v hasicí komoře 2 MPa. Jmenovité napětí modulu jističe VVBK (velký modul) je 220 kV a tlak vzduchu v zhášecí komoře je 4 MPa. Jističe řady VNV mají podobné konstrukční schéma: modul s napětím 220 kV při tlaku 4 MPa.

U jističů řady VVB je počet zhášecích komor (modulů) závislý na napětí (110 kV — jeden; 220 kV — dva; 330 kV — čtyři; 500 kV — šest; 750 kV — osm) a u velkých moduly jističů (VVBK, VNV), moduly s čísly dvakrát menšími, resp.

Jističe SF6

Plyn SF6 (SF6 — fluorid sírový) je inertní plyn s hustotou 5x větší než má vzduch. Elektrická síla plynu SF6 je 2-3krát vyšší než síla vzduchu; při tlaku 0,2 MPa je dielektrická pevnost plynu SF6 srovnatelná s dielektrickou pevností ropy.

V plynu SF6 při atmosférickém tlaku lze za stejných podmínek uhasit oblouk proudem, který je 100krát vyšší než proud přerušený ve vzduchu. Výjimečná schopnost plynu SF6 uhasit oblouk se vysvětluje tím, že jeho molekuly zachycují elektrony sloupce oblouku a tvoří relativně nepohyblivé záporné ionty. Ztráta elektronů způsobuje, že oblouk je nestabilní a snadno zhasne. V proudu plynu SF6, tedy při tryskání plynu, je absorpce elektronů ze sloupce oblouku ještě intenzivnější.

Jističe SF6 používají autopneumatické (autokompresní) zhášecí zařízení oblouku, kde je plyn stlačován pístovým zařízením během vypínání a směrován do oblasti oblouku. Jistič SF6 je uzavřený systém bez emisí plynů ven.

V současné době se používají jističe SF6 pro všechny napěťové třídy (6-750 kV) při tlaku 0,15 — 0,6 MPa. U spínačů s vyššími napěťovými třídami se používá zvýšený tlak. Dobře se osvědčily jističe SF6 těchto zahraničních firem: ALSTOM; SIEMENS; Merlin Guerin a další. Výroba moderních jističů SF6 PO «Uralelectrotyazmash» je zvládnuta: jističe nádrží řady VEB, VGB a sloupové spínače řady VGT, VGU.

Jako příklad uveďme návrh 6-10 kV LF jističe od Merlina Gerina.

Základní model jističe se skládá z následujících prvků:

— tělo vypínače, ve kterém jsou umístěny všechny tři póly, představující „tlakovou nádobu“ naplněnou plynem SF6 při nízkém přetlaku (0,15 MPa nebo 1,5 atm);

— mechanický pohon typu RI;

— přední panel pohonu s ruční pružinou a indikátory stavu pružiny a vypínače;

— kontaktní podložky pro vysokonapěťové napájení;

— vícekolíkový konektor pro připojení sekundárních spínacích obvodů.

Vakuové jističe

Dielektrická pevnost vakua je výrazně vyšší než u jiných médií používaných v jističích. To se vysvětluje zvýšením střední volné dráhy elektronů, atomů, iontů a molekul s poklesem tlaku. Ve vakuu střední volná dráha částic přesahuje rozměry vakuové komory.

Dielektrická pevnost obnovení 1/4" mezery po přerušení proudu 1600 A ve vakuu a různých plynech při atmosférickém tlaku

Za těchto podmínek dochází k nárazům částic na stěny komory mnohem častěji než ke srážkám částic. Obrázek ukazuje závislost průrazného napětí vakua a vzduchu na vzdálenosti mezi elektrodami o průměru 3/8 « wolframu. Při takto vysoké dielektrické pevnosti může být vzdálenost mezi kontakty velmi malá (2 — 2,5 cm ), takže rozměry komory mohou být i relativně malé...

Proces obnovy elektrické pevnosti mezery mezi kontakty při výpadku proudu probíhá ve vakuu mnohem rychleji než v plynech Úroveň vakua (tlaku zbytkového plynu) v moderních průmyslových obloukových vedeních je obvykle Pa. V souladu s teorií elektrické pevnosti plynů je požadovaných izolačních vlastností vakuové mezery dosahováno i při nižších úrovních vakua (řádově Pa), ale pro současnou úroveň vakuové techniky je vytváření a udržování vakua. Hladina Pa po celou dobu životnosti vakuové komory není problém.To poskytuje vakuovým komorám rezervy elektrické pevnosti po celou dobu životnosti (20-30 let).

Typická konstrukce vakuového vypínače je znázorněna na obrázku.

Blokové schéma vakuového vypínače

Konstrukce vakuové komory se skládá z dvojice kontaktů (4; 5), z nichž jeden je pohyblivý (5), uzavřených ve vakuově nepropustném plášti svařeném keramickými nebo skleněnými izolátory (3; 7), horní a spodní kovový kryty (2; 8) ) a kovový štít (6). Pohyb pohyblivého kontaktu vůči pevnému je zajištěn pomocí objímky (9). Kabely kamery (1; 10) se používají k připojení k obvodu hlavního vypínače.

Je třeba poznamenat, že pro výrobu pouzdra vakuové komory se používají pouze speciální kovy odolné proti vakuu, očištěné od rozpuštěných plynů, mědi a speciálních slitin, jakož i speciální keramika. Kontakty vakuové komory jsou vyrobeny z kovokeramické kompozice (zpravidla je to měď-chrom v poměru 50%-50% nebo 70%-30%), která poskytuje vysokou vypínací schopnost, odolnost proti opotřebení a zabraňuje vzniku svarových bodů na kontaktní ploše. Válcové keramické izolátory spolu s vakuovou mezerou na otevřených kontaktech poskytují izolaci mezi svorkami komory, když je spínač vypnutý.

Tavrida-electric vydala nový design vakuového vypínače s magnetickým zámkem. Jeho konstrukce je založena na principu vyrovnání hnacího elektromagnetu a vakuového vypínače v každém pólu vypínače.

Spínač se sepne v následujícím pořadí.

V počátečním stavu jsou kontakty vakuové zhášecí komory otevřené působením uzavírací pružiny 7 na ně přes tažný izolátor 5. Když je na cívku 9 elektromagnetu přivedeno napětí s kladnou polaritou, magnetický tok se hromadí v mezeře magnetického systému.

V okamžiku, kdy tlaková síla kotvy vytvářená magnetickým tokem přesáhne sílu dorazové pružiny 7, kotva 11 elektromagnetu se spolu s trakčním izolátorem 5 a pohyblivým kontaktem 3 vakuové komory začne pohybovat. nahoru, stlačením pružiny pro zastavení. V tomto případě se ve vinutí vyskytuje motor-EMF, který zabraňuje dalšímu nárůstu proudu a dokonce jej poněkud snižuje.

V procesu pohybu získává kotva rychlost asi 1 m / s, což zabraňuje předběžnému poškození při zapnutí a eliminuje odskakování kontaktů VDK. Když jsou kontakty vakuové komory uzavřeny, zůstává v magnetickém systému dodatečná kompresní mezera 2 mm. Otáčky kotvy prudce klesají, protože musí překonat i sílu pružiny dodatečného předpětí kontaktu 6. Pod vlivem síly vytvářené magnetickým tokem a setrvačností se však kotva 11 nadále pohybuje nahoru. stlačení pružiny pro doraz 7 a přídavné pružiny pro předpínací kontakty 6.

V okamžiku uzavření magnetického systému se kotva dotkne horního krytu pohonu 8 a zastaví se. Po procesu zavírání je proud do budicí cívky vypnut. Spínač zůstává v zavřené poloze kvůli zbytkové indukci, kterou vytváří prstencový permanentní magnet 10, který drží kotvu 11 v přitažené poloze k hornímu krytu 8 bez přídavného napájení.

K otevření spínače musí být na svorky cívky přivedeno záporné napětí.

V současné době se vakuové jističe staly dominantními zařízeními pro elektrické sítě s napětím 6-36 kV. Podíl vakuových vypínačů na celkovém počtu vyrobených zařízení v Evropě a USA tak dosahuje 70%, v Japonsku - 100%. V Rusku má tento podíl v posledních letech neustále rostoucí tendenci a v roce 1997 překročil hranici 50 %. Hlavní výhody výbušnin (ve srovnání s ropnými a plynovými spínači), které určují růst jejich podílu na trhu, jsou:

— vyšší spolehlivost;

— nižší náklady na údržbu.
Viz také: Vysokonapěťové vakuové jističe — Konstrukce a princip činnosti