Visokonaponske sklopke: klasifikacija, uređaj, princip rada

Zahtjevi za prekidače su sljedeći:

1) pouzdanost na radu i sigurnost za druge;

2) brz odgovor — moguće kratko vrijeme isključivanja;

3) jednostavnost održavanja;

4) jednostavnost ugradnje;

5) tihi rad;

6) relativno niske cijene.

Trenutno korišteni prekidači zadovoljavaju u većoj ili manjoj mjeri navedene zahtjeve. Međutim, dizajneri prekidača nastoje bolje uskladiti karakteristike prekidača s gornjim zahtjevima.

Prekidači za ulje

Postoje dvije vrste prekidača za ulje — za rezervoar i za nisko ulje. Metode deionizacije prostora luka u ovim ključevima su iste. Jedina razlika je u izolaciji kontaktnog sustava od uzemljenja i u količini ulja.

Donedavno su radili spremnici za spremnike sljedećih tipova: VM-35, S-35, kao i prekidači serije U s naponima od 35 do 220 kV. Prekidači spremnika dizajnirani su za vanjsku montažu, trenutno nisu u proizvodnji.

Glavni nedostaci prekidača spremnika: eksplozija i požar; potreba za periodičnim praćenjem stanja i razine ulja u spremniku i ulazima; velika količina ulja, što dovodi do velikog ulaganja vremena za njegovu zamjenu, potrebe za velikim rezervama ulja; nije pogodan za unutarnju ugradnju.

Prekidači s niskim uljem

Prekidači s niskim uljem (lonac) naširoko se koriste u zatvorenim i otvorenim sklopnim uređajima sve napone. Ulje u ovim sklopkama služi uglavnom kao medij za stvaranje luka, a samo djelomično kao izolacija između otvorenih kontakata.

Izolacija dijelova pod naponom međusobno i od uzemljenih konstrukcija vrši se porculanom ili drugim čvrstim izolacijskim materijalima. Kontakti sklopki za unutarnju montažu nalaze se u čeličnom spremniku (loncu) zbog čega je zadržan naziv sklopki tipa "lonac".

Niskouljni prekidači napona 35 kV i više imaju porculansko tijelo. Najviše se koriste privjesci tipa 6-10 kV (VMG-10, VMP-10). Kod ovih prekidača tijelo je pričvršćeno na porculanske izolatore na zajednički okvir za tri pola. Svaki pol ima jedan kontaktni prekid i lučni otvor.

Sheme dizajna sklopki s niskim uljem 1 — pomični kontakt; 2 — lučni žlijeb; 3 — fiksni kontakt; 4 — radni kontakti

Pri visokim nazivnim strujama, teško je raditi s jednim parom kontakata (koji djeluju kao radni i lučni kontakti), stoga su radni kontakti predviđeni izvan prekidača, a lučni kontakti su u metalnom spremniku. Kod velikih prekidnih struja dolazi do dva prekida luka za svaki pol. Prema ovoj shemi, sklopke serije MGG i MG izrađuju se za napone do i uključujući 20 kV.Masivni vanjski radni kontakti 4 omogućuju projektiranje prekidača za visoke nazivne struje (do 9500 A). Za napone od 35 kV i više, tijelo sklopke je izrađeno od porculana, serija VMK je stupna sklopka s niskim uljem). U automatskim prekidačima 35, 110 kV predviđen je jedan prekid po polu, na visokom naponu - dva ili više prekida.

Nedostaci prekidača s niskim uljem: rizik od eksplozije i požara, iako mnogo manji nego kod prekidača spremnika; nemogućnost implementacije brzog automatskog zatvaranja; potreba za periodičnom kontrolom, dopunjavanjem, relativno čestom zamjenom ulja u lučnim spremnicima; poteškoće ugradnje ugrađenih strujnih transformatora; relativno niska prekidna sposobnost.

Područje primjene niskouljnih prekidača su zatvorena rasklopna postrojenja elektrana i trafostanica 6, 10, 20, 35 i 110 kV, kompletna rasklopna postrojenja 6, 10 i 35 kV i otvorena rasklopna postrojenja 35 i 110 kV.

Pogledajte ovdje za više detalja: Vrste uljnih prekidača

Zračni prekidači

Zračni prekidači za napone od 35 kV i više dizajnirani su za prekidanje velikih struja kratkog spoja. Zrak je uključen napon 15 kV koristi se u elektranama kao generator. Njihove prednosti: brz odziv, visoka prekidna sposobnost, beznačajno sagorijevanje kontakata, nedostatak skupih i nedovoljno pouzdanih čahura, sigurnost od požara, manja težina u usporedbi s prekidačima za ulje u spremniku. Nedostaci: prisutnost glomazne ekonomije zraka, opasnost od eksplozije, nedostatak ugrađenih strujnih transformatora, složenost uređaja i rada.

Kod zračnih sklopki luk se gasi komprimiranim zrakom pod tlakom od 2-4 MPa, a izolacija dijelova pod naponom i uređaja za gašenje luka izvodi se porculanom ili drugim čvrstim izolacijskim materijalima. Konstrukcijske sheme zračnih sklopki su različite i ovise o njihovom naponu, načinu stvaranja izolacijskog razmaka između kontakata u isključenom položaju i načinu dovoda komprimiranog zraka u uređaj za gašenje luka.

Visoko ocijenjeni prekidači imaju glavni i lučni krug sličan MG i MGG prekidačima s malim uljem. Glavni dio struje u zatvorenom položaju sklopke prolazi kroz glavne kontakte 4, koji se nalaze otvoreni. Kada je prekidač isključen, prvo se otvaraju glavni kontakti, a zatim sva struja prolazi kroz lučne kontakte zatvorene u komori 2. Dok se ti kontakti otvaraju, komprimirani zrak iz spremnika 1 ulazi u komoru, stvara se snažna eksplozija, gaseći luk. Puhanje može biti uzdužno i poprečno.

Potreban izolacijski razmak između kontakata u otvorenom položaju stvara se u lučnom otvoru odvajanjem kontakata na dovoljnoj udaljenosti. Prekidači izrađeni prema projektu s otvorenim separatorom proizvode se za unutarnju montažu za napone 15 i 20 kV i struje do 20 000 A (serija VVG). Kod ove vrste prekidača, nakon odvajanja separatora 5, prekida se dovod komprimiranog zraka u komore i zatvaraju se lučni kontakti.

Konstruktivni dijagrami zračnih sklopki 1 — spremnik za komprimirani zrak; 2 — lučni žlijeb; 3 — ranžirni otpornik; 4 — glavni kontakti; 5 — separator; 6 — kapacitivni razdjelnik napona za 110 kV — dva prekida po fazi (d)

Kod zračnih prekidača otvorene instalacije za napon 35 kV (VV-35) dovoljan je jedan prekid po fazi.

U sklopkama napona 110 kV i više, nakon gašenja luka, kontakti separatora 5 se otvaraju i separatorska komora ostaje puna stlačenog zraka cijelo vrijeme u isključenom položaju. U tom slučaju, komprimirani zrak se ne dovodi u luk i kontakti u njemu su zatvoreni.

Prekidači serije VV za napone do 500 kV izrađeni su prema ovoj shemi dizajna. Što je veći nazivni napon i što je veća granična snaga, to više prekida mora biti u luku i u separatoru.

Prekidači punjeni zrakom serije VVB izrađeni su prema projektnoj shemi na slici D. Napon VVB modula je 110 kV pri tlaku komprimiranog zraka u komori za gašenje požara od 2 MPa. Nazivni napon modula prekidača VVBK (veliki modul) je 220 kV, a tlak zraka u komori za gašenje je 4 MPa. Prekidači serije VNV imaju sličnu shemu dizajna: modul s naponom od 220 kV pri tlaku od 4 MPa.

Za prekidače serije VVB, broj lučnih otvora (modula) ovisi o naponu (110 kV - jedan; 220 kV - dva; 330 kV - četiri; 500 kV - šest; 750 kV - osam), a za velike moduli prekidača (VVBK, VNV), moduli s dvostruko manjim brojevima, redom.

Prekidači strujnog kruga SF6

Plin SF6 (SF6 — sumporov heksafluorid) je inertni plin 5 puta veće gustoće od zraka. Električna čvrstoća SF6 plina je 2-3 puta veća od jakosti zraka; pri tlaku od 0,2 MPa, dielektrična čvrstoća SF6 plina je usporediva s onom nafte.

U plinu SF6 pri atmosferskom tlaku, luk se može ugasiti strujom koja je 100 puta veća od struje prekinute u zraku pod istim uvjetima. Iznimna sposobnost plina SF6 da ugasi luk objašnjava se činjenicom da njegove molekule hvataju elektrone stupca luka i tvore relativno nepokretne negativne ione. Gubitak elektrona čini luk nestabilnim i lako se gasi. U strujanju plina SF6, odnosno pri mlazu plina, apsorpcija elektrona iz stupca luka još je intenzivnija.

SF6 prekidači koriste auto-pneumatske (sa autokompresijom) uređaje za gašenje luka gdje se plin komprimira klipnim uređajem tijekom okidanja i usmjerava u područje luka. SF6 prekidač je zatvoreni sustav bez emisija plinova prema van.

Trenutno se SF6 prekidači koriste za sve naponske klase (6-750 kV) pri tlaku od 0,15 — 0,6 MPa. Povišeni tlak koristi se za sklopke viših naponskih razreda. SF6 prekidači sljedećih stranih tvrtki dobro su se dokazali: ALSTOM; SIEMENS; Merlin Guerin i drugi. Ovladana je proizvodnja modernih SF6 prekidača PO «Uralelectrotyazmash»: spremnik prekidača serije VEB, VGB i stupnih prekidača serije VGT, VGU.

Kao primjer, razmotrite dizajn 6-10 kV LF prekidača Merlina Gerina.

Osnovni model prekidača sastoji se od sljedećih elemenata:

— tijelo prekidača, u kojem su smještena sva tri pola, predstavlja "posudu pod tlakom", napunjenu plinom SF6 pri niskom pretlaku (0,15 MPa ili 1,5 atm);

— mehanički pogon tipa RI;

— prednja ploča aktuatora s ručkom za ručno punjenje opruge i indikatorima statusa opruge i prekidača;

— kontaktne pločice za visokonaponsko napajanje;

— višepinski konektor za spajanje sekundarnih sklopnih krugova.

Vakuumski prekidači

Dielektrična čvrstoća vakuuma znatno je veća od one drugih medija koji se koriste u prekidačima. To se objašnjava povećanjem srednjeg slobodnog puta elektrona, atoma, iona i molekula s padom tlaka. U vakuumu srednji slobodni put čestica premašuje dimenzije vakuumske komore.

Dielektrična čvrstoća za oporavak razmaka od 1/4" nakon prekida struje od 1600 A u vakuumu i raznim plinovima pri atmosferskom tlaku

Pod tim uvjetima, udari čestica o stijenke komore događaju se puno češće od sudara čestica na česticu. Na slici je prikazana ovisnost probojnog napona vakuuma i zraka o razmaku između elektroda promjera 3/8 « volframa. Uz tako visoku dielektričnu čvrstoću, razmak između kontakata može biti vrlo mali (2 — 2,5 cm), tako da i dimenzije komore mogu biti relativno male...

Proces vraćanja električne čvrstoće razmaka između kontakata kada je struja isključena događa se u vakuumu mnogo brže nego u plinovima. Razina vakuuma (preostalog tlaka plina) u modernim industrijskim lučnim kanalima obično je Pa. U skladu s teorijom električne čvrstoće plinova, potrebna izolacijska svojstva vakuumskog raspora postižu se i pri nižim razinama vakuuma (reda Pa), ali za sadašnju razinu vakuumske tehnologije stvaranje i održavanje Razina Pa tijekom životnog vijeka vakuumske komore nije problem.Time se vakuumskim komorama osigurava rezerva električne čvrstoće za cijeli vijek trajanja (20-30 godina).

Tipična konstrukcija vakuumskog prekidača prikazana je na slici.

Blok dijagram vakuumskog prekidača

Dizajn vakuumske komore sastoji se od para kontakata (4; 5), od kojih je jedan pomičan (5), zatvoren u vakuumski nepropusnu školjku zavarenu keramičkim ili staklenim izolatorima (3; 7), gornji i donji metalni poklopci (2; 8) ) i metalni štit (6). Pomicanje pomičnog kontakta u odnosu na nepomični osiguran je pomoću rukavca (9). Kabeli kamere (1; 10) koriste se za spajanje na strujni krug glavnog prekidača.

Treba napomenuti da se za izradu kućišta vakuumske komore koriste samo posebni metali otporni na vakuum, pročišćeni od otopljenih plinova, bakar i posebne legure, kao i posebna keramika. Kontakti vakuumske komore izrađeni su od metal-keramičkog sastava (u pravilu je to bakar-krom u omjeru 50%-50% ili 70%-30%), što osigurava visoku prekidnu sposobnost, otpornost na habanje te sprječava pojavu točaka zavarivanja na kontaktnoj površini. Cilindrični keramički izolatori, zajedno s vakuumskim razmakom na otvorenim kontaktima, osiguravaju izolaciju između terminala komore kada je prekidač isključen.

Tavrida-electric je izdala novi dizajn vakuumskog prekidača s magnetskom bravom. Njegov dizajn temelji se na principu usklađivanja pogonskog elektromagneta i vakuumskog prekidača u svakom polu prekidača.

Prekidač se zatvara sljedećim redoslijedom.

U početnom stanju, kontakti komore vakuumskog prekidača su otvoreni zbog djelovanja opruge za zatvaranje 7 na njih kroz vučni izolator 5. Kada se na zavojnicu 9 elektromagneta primijeni napon pozitivnog polariteta, magnetski tok nakuplja se u rasporu magnetskog sustava.

U trenutku kada tlačna sila armature stvorena magnetskim tokom premaši silu zaustavne opruge 7, armatura 11 elektromagneta, zajedno s vučnim izolatorom 5 i pomičnim kontaktom 3 vakuumske komore, počinje se kretati. gore, sabijajući oprugu za zaustavljanje. U tom se slučaju u namotu javlja motor-EMF, koji sprječava daljnje povećanje struje i čak ga donekle smanjuje.

U procesu kretanja, armatura dobiva brzinu od oko 1 m / s, čime se izbjegava preliminarno oštećenje pri uključivanju i eliminira poskakivanje VDK kontakata. Kada su kontakti vakuumske komore zatvoreni, u magnetskom sustavu ostaje dodatni kompresijski razmak od 2 mm. Brzina kotve naglo opada, budući da također mora svladati opružnu silu dodatnog predopterećenja kontakta 6. Međutim, pod utjecajem sile stvorene magnetskim tokom i inercijom, kotva 11 se nastavlja kretati prema gore, komprimirajuća opruga za graničnik 7 i dodatna opruga za kontakte predopterećenja 6.

U trenutku zatvaranja magnetskog sustava armatura dodiruje gornji poklopac pogona 8 i zaustavlja se. Nakon procesa zatvaranja, struja do pogonske zavojnice se isključuje. Prekidač ostaje u zatvorenom položaju zbog zaostale indukcije koju stvara prstenasti permanentni magnet 10, koji drži armaturu 11 u povučenom položaju na gornji poklopac 8 bez dodatnog napajanja strujom.

Da biste otvorili sklopku, na stezaljke svitka mora se dovesti negativni napon.

Trenutno su vakuumski prekidači postali dominantni uređaji za električne mreže s naponom od 6-36 kV. Tako udio vakuumskih prekidača u ukupnom broju proizvedenih uređaja u Europi i SAD-u doseže 70%, u Japanu - 100%. U Rusiji je posljednjih godina taj udio imao konstantan trend rasta, da bi 1997. godine premašio granicu od 50%. Glavne prednosti eksploziva (u usporedbi s naftnim i plinskim prekidačima) koje određuju rast njihovog tržišnog udjela su:

— veća pouzdanost;

— manji troškovi održavanja.
Vidi također: Visokonaponski vakuumski prekidači — Dizajn i princip rada