2 Выбор высоковольтного выключателя 2

Выбор высоковольтного выключателя

Высоковольтные выключатели – это коммутационные аппараты, предназначенные для включения, отключения электрических цепей в нормальных режимах и для автоматического отключения поврежденных элементов системы электроснабжения при КЗ и других аварийных режимах.

Высоковольтные выключатели имеют дугогасительные устройства и поэтому способны отключать не только токи нагрузки, но и токи КЗ.

По конструктивным особенностям и способу гашения дуги различают масляные, воздушные, элегазовые, электромагнитные, автогазовые, вакуумные выключатели. К особой группе относятся выключатели нагрузки, рассчитанные на отключение токов нормального режима. Кроме того, по роду установки различают выключатели для внутренней, наружной установки и для комплектных РУ.

Высоковольтные выключатели должны предусматриваться на линиях, как правило, в начале, т. е. со стороны питания. Количество коммутационных аппаратов на различных присоединениях выбирается исходя из требований надежности и принципа построения систем релейной защиты и сетевой противоаварийной автоматики.

Высоковольтные выключатели выбирают в зависимости от места установки, способа обслуживания и назначения.

Параметры выключателя выбирают по техническим данным таким образом, чтобы технические характеристики выключателя были больше расчётных.

При проектировании подстанции высоковольтные выключатели выбираются в соответствии с их назначением по четырем условиям:

1 Выбор по номинальному напряжению сводится к сравнению номинального напряжения установки и номинального напряжения установки выключателя:

2 Выбор по номинальному току сводится к выбору выключателя, у которого номинальный ток является ближайшим большим к расчётному току установки, т.е. должно быть соблюдено условие:

 [10] (39)

3 По отключающей способности выключатели выбираются по предельно отключающему току (Iпо), т.е. току, который выключатель надёжно разрывает при коротком замыкании без повреждений, препятствующих дальнейшей работе:

[10] (40)

Iпо – расчетная величина трехфазного тока КЗ в момент отключения

4 Проверка на термическую стойкость. Для проверки на термическую стойкость при сквозных токах короткого замыкания определяют номинальный и расчётный тепловой импульс:

[10] (41)

[10] (42)

[10] (43)

5 Проверка на электродинамическую стойкость при сквозном коротком замыкании:

[10] (44)

По расчетным условиям выбираем выключатель типа ВВЭ-10-20/630-У3:

В – выключатель;

В – вакуумный;

Э – встроенный электромагнитный привод;

10 – номинальное напряжение, 10кВ;

20 – предельный сквозной ток, кА;

630 – номинальный ток, А;

У3 – категория размещения.

Вакуумные выключатели имеют простую конструкцию, высокую надёжность, малые размеры, большую коммутационную износостойкость, полностью пожаро- и взрывобезопасны, экологически чисты, не создают шума при операциях, требуют малых эксплутационных расходов.

ВЫБОР ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

При выборе выключателя его номинальные параметры сравниваются с параметрами сети в месте его установки. Выключатель выбирается по наиболее тяжелому режиму работы, который возможен в эксплуатации. Номинальное напряжение выключателя должно быть равно или больше номинального напряжения защищаемой сети. Номинальный длительный ток выключателя должен быть больше номинального тока установки. Номинальный ток отключения выключателя должен быть больше максимального расчетного тока короткого замыкания к моменту расхождения контактов. При определении необходимо рассмотреть все возможные варианты КЗ и выбрать наиболее тяжелый вероятный режим. Как правило, наиболее тяжелые режимы создаются при отключении трех- и однофазного КЗ на землю. Расчет апериодической слагающей ведется из условия, что КЗ произошло в момент, когда напряжение в одной из фаз равно нулю. Ток /вкл.ном должен быть не менее ударного тока КЗ, протекающего через выключатель. При выборе выключателя следует иметь в виду, что в момент размыкания контактов выключателя апериодическая составляющая тока КЗ не должна превышать апериодический ток, гарантированный заводом-изготовителем. Обычно этот ток выражается в процентах номинального тока отключения. Расчетное время размыкания берется равным минимально возможному.  Наряду с номинальным током отключения необходимо учитывать циклы (последовательность включений и отключений— ВО), при которых выключатель работает. Номинальный ток отключения выключателей без АПВ гарантируется при цикле О—180—ВО—380—ВО. Для выключателей, работающих в циклах многократного быстродействующего АПВ, возможно уменьшение номинального тока отключения, особенно при втором или третьем АПВ. Термическая стойкость проверяется из условия протекания через выключатель тока КЗ в течение максимального времени, обусловленного срабатыванием защиты. Номинальный ток электродинамической стойкости выключателя должен превышать максимально возможное значение ударного тока КЗ, которое может быть в установке. Обычно сравнивают мгновенные значения пика тока. Выпускаемые промышленностью выключатели испытываются при скоростях восстановления напряжения, которые являются типовыми. Однако в некоторых случаях необходимо проводить расчет скорости восстановления напряжения в проектируемых сетях и сравнивать с условиями, которые имели место при испытаниях аппарата. Особенно тяжелые условия с этой точки зрения имеют место при КЗ на зажимах мощных генераторов, трансформаторов и неудаленных КЗ. Иногда требуется установка специальных шунтирующих резисторов для снижения скорости восстановления напряжения. Для мощных системных выключателей, от работы которых зависит устойчивость параллельно работающих сетей, важным параметром является время отключения и время повторного включения. Иногда эти параметры диктуют выбор типа выключателя и его привода. При выборе типа выключателя следует учитывать следующие обстоятельства: 1. При номинальном напряжении 6—10 кВ и редких коммутациях целесообразно применение маломасляных выключателей. При частых коммутациях рекомендуется применять вакуумные и элегазовые, обладающие большим сроком службы. 2. При номинальном напряжении 35—110 кВ и номинальных токах отключения до 20 кА целесообразно применять маломасляные выключатели. При больших номинальных напряжениях и больших номинальных токах отключения применяются воздушные и элегазовые выключатели. При экономической оценке выбираемого типа выключателей следует учесть, что, несмотря на то, что вакуумные выключатели имеют большую стоимость, применение их более оправдано ввиду малых расходов на техническое обслуживание и большого срока службы ДУ (до 25 лет).

Имеют малые размеры и массу, достаточно высокие технические данные. Широко применяются в КРУ и КРУН до 35 кВ. По конструктивным особенностям можно их разделить на четыре группы:

• подвесного типа (серии ВМП-10) на напряжение 10 кВ, номинальный ток до 3150 А и ток отключения до 31,5 кА;

• колонкового типа (серии ВК-10) на ток до 3150 А и ток отключения до 31,5 кА;

• горшкового типа для генераторов (серии МГГ и МГ), на номинальный ток до 11200 А, ток отключения до 90 кА и напряжение до 20 кВ;

• для наружной установки серий ВМУЭ-35, ВМТ-110 и ВМТ-220. На номинальный ток до 2000 А и ток отключения до 40 кА.

     Преимущества маломасляных выключателей: небольшие габариты и масса; малое количество масла; пожаробезопасны; встроенные пружинные приводы, не требующие мощных источников постоянного тока и имеющие меньшую массу, чем электромагнитные приводы. Применение выключателей серии ВМТ-110 и ВМТ-220  позволяет отказаться от громоздких и тяжелых баковых и воздушных выключателей, а также от схем подстанций с отделителями и короткозамыкателями. Показатели надежности такие же как у баковых масляных выключателей. В настоящее время маломасляные выключатели на 6-35 кВ вытесняются вакуумными и элегазовыми выключателями. Обращаем Ваше внимание, что с 1 января 2004 г сняты с производства следующие виды выключателей:

• С-35-3200-50 БУ1;

• С-35-2000-50 БУ1;

• У-110-2000-50 БУ1;

• Все типоисполнения ВМПЭ-10;

• Все типоисполнения ВМТ-110;

• ВГУ-110II* – 40/2000 У1*;

• ВГУ-220II* – 50/2000 У1*;

     Дополнительно сообщаем, что на замену данного оборудования ОАО «УЭТМ» разработаны и успешно эксплуатируются следующие выключатели: вакуумный выключатель ВВПЭ-10 (для замены ВМПЭ-10), элегазовые колонковые выключатели ВГТ-110-40/2500, ВГТ-220-40/2500 (замена ВМТ, ВГУ-110), элегазовый колонковый выключатель на 220 кВ с одним разрывом на фазу ВГК-220, выключатели ВГУГ-220-500 кВ (замена ВГУ), баковый элегазовый выключатель ВЭБ-110-40/2500.

Выключатели воздушные (ВВ) делаятся на две группы.    Первая группа – генераторные выключатели серий ВВОА-15 и ВВГ-20, до 20000 А и ток отключения до 160 кА. Вторая группа – выключатели 35 кВ и выше. ВВ для наружных установок выпускаются в четырех сериях на напряжения:

• ВВ (330 и 500 кВ);

• ВВБ (110-750 кВ);

• модернизированная серия ВВБК (110, 220 и 500 кВ);

• серия ВНВ (500, 750 и 1150 кВ).

     Номинальные токи до 3150-4000 А, токи отключения до 63 кА. Время отключения доведено до 0,04 с. Недостатки ВВ: сложнее и дороже масляных; требуют сложного и дорогого компрессорного хозяйства для получения чистого осушенного сжатого воздуха с давлением 2-4 МПа. Наши энергосистемы в основном оснащены такими выключателями. Вынужденное применение воздушных выключателей, выпуск которых зарубежными фирмами прекращен 30 лет назад, вместо элегазовых в 6-8 раз увеличивает аварийность, связанную с их отказом, в 10-12 раз повышает трудозатраты на монтаж и ремонт оборудования. Наиболее устойчивая область применения ВВ – генераторные выключатели.

Выключатели электромагнитные (ВЭМ)

     Электромагнитные выключатели применяются в электроустановках с частыми коммутациями номинальных токов (собственные нужды электростанций, электротермические установки) при напряжении до 10 кВ. Основная серия этих выключателей ВЭ-10 на номинальный ток до 3600 А и ток отключения до 40 кА. Время отключки до 0,08 с. Коммутационный ресурс при номинальном токе от 5000 до 10000 в цикле ВО. Недостатки: большие габариты и масса, сложность конструкции ДГК с системой магнитного дутья, ограничение по напряжению (UНОМ ≤ 15 кВ). В настоящее время вытесняются вакуумными и элегазовыми выключателями.

Элегазовые выключатели - Рекомендации по выбору выключателя

Элегазовые выключатели начали усиленно разрабатываться с 1980 г. и имеют большие перспективы при напряжениях 110…1150 кВ и токах отключения до 80 кА. Преимущества, которыми обладают электроотрицательные газы с их высокой электрической прочностью, побудили конструкторов использовать в газовых выключателях элегаз. Элегаз (SF6 – шестифтористая сера) представляет собой инертный газ, плотность которого превышает плотность воздуха в 5 раз. Электрическая прочность элегаза в 2-3 раза выше прочности воздуха; при давлении 0,2 Мпа электрическая прочность элегаза сравнима с прочностью трансформаторного масла. В элегазе при  атмосферном давлении может быть погашена дуга с током, который в 100 раз превышает ток, отключаемый в воздухе при тех же условиях. Исключительная способность элегаза гасить дугу объясняется его электроотрицательностью: его молекулы улавливают электроны дугового столба и образуют относительно неподвижные отрицательные ионы, которые рекомбинируют с положительными ионами, превращаясь в нейтральные молекулы. Интенсивная рекомбинация электрически заряженных частиц быстро понижает проводимость межконтактного промежутка (потеря электронов делает дугу неустойчивой, и она легко гаснет), а также существенно повышает скорость увеличения его электрической прочности после погасания дуги. При газовом дутье (в струе элегаза) поглощение электронов из дугового промежутка происходит еще интенсивнее. Элегаз негорюч, бесцветен, не имеет запаха, химически крайне инертен и при отсутствии в нем примесей абсолютно безвреден для человека. Безвреден элегаз и в смеси с воздухом. Чистый элегаз не разлагается до температуры 8000С и не взаимодействует с металлами до высокой температуры. Даже при температуре около 5000С элегаз не действует на стекло, не реагирует с Н2, О2 и другими активными веществами. Одним из его немногочисленных недостатков является способность разлагать влагосодержащие синтетические изоляционные материалы при соприкосновении с ними. Поэтому рекомендуется применять в элегазовых конструкциях стойкие изоляционные материалы, например тефлон. Кроме того, опыт и специальные исследования показали, что элегаз, сам по себе не являющийся ядовитым, под влиянием температуры дуги расщепляется на ядовитые составляющие (в основном низшие фториды серы). Состав продуктов разложения зависит от интенсивности дуги, материала конструктивных элементов и от посторонних включений в элегазе, таких как воздух или влага. Анализ продуктов разложения элегаза является мощным средством, указывающим, когда нужно ремонтировать оборудование и какова наиболее вероятная причина аварии. Исследование проб дефектного элегаза включает в себя анализ продуктов разложения элегаза, содержания влаги в элегазе, определение интенсивности и длительности горения дуги. Молекулы элегаза термически достаточно стойки, однако под влиянием высокой температуры дуги диссоциируют. При диссоциации поглащается много энергии, вследствие чего ствол дуги охлаждается, что способствует ее гашению. После погасания дуги происходит интенсивная рекомбинация ионов и элегаз самовосстанавливает свои свойства, хотя и не полностью. Для улавливания остаточных продуктов разложения применяют молекулярные фильтры или газоочистители из активированного алюминия. Однако эти устройства не могут быть рассчитаны на весь объем продуктов разложения, образующихся в аварийных условиях, и рано или поздно требуется очистка элегаза от продуктов разложения и ревизия контактной системы выключателя. В элегазовых выключателях применяют автопневматические дугогасительные устройства, в которых газ в процессе отключения сжимается поршневым устройством и направляется в зону дуги. Элегазовый выключатель представляет собой замкнутую систему без выброса газа наружу. По конструкции различают колонковые и баковые выключатели. Колонковые ни внешне, ни по размерам принципиально не отличаются от маломасляных, кроме того, что в современных элегазовых выключателях 220 кВ только один разрыв на фазу. Баковые элегазовые выключатели имеют гораздо меньшие габариты по сравнению с масляными, имеют один общий привод на три полюса, встроенные трансформаторы тока. Применение элегаза вместо масла  и сжатого воздуха позволяет в 2…2,5 раза повысить параметры ДГУ и в 2 раза сократить их количество в выключателях 220…1150 кВ, уменьшить габариты и массу аппаратов, значительно повысить надежность их работы и снизить эксплуатационные расходы за счет увеличения межремонтного периода до 15 лет. Ведутся работы по увеличению отключающей способности одного разрыва до 63 кА. За рубежом разработаны выключатели на напряжение 12 кВ с отключающей способностью до 40 кА и на 7 кА с током отключения 50 кА. Например, VF 07.20.50 и VF 12.16.40 фирмы АВВ, которые, как и вакуумные, отличаются компактностью, высоким быстродействием, длительным сроком службы, надежностью, высоким коммутационным и механическим ресурсом, минимальными затратами на обслуживание. Достоинства элегазовых выключателей:

• возможность применения на все напряжения свыше 1 кВ;

• высокая коммутационная способность;

• надежное отключение малых индуктивных и емкостных токов в момент перехода тока через нуль без среза и возникновения перенапряжений;

• отсутствие необходимости использования ОПН с любыми типами нагрузки на напряжение 6-35 кВ;

• повышенная надежность;

• гашение дуги происходит в замкнутом объеме без выхлопа в атмосферу;

• относительно малые габариты и масса;

• бесшумная работа.

Недостатки элегазовых выключателей:

• высокие требования к качеству элегаза;

• работоспособность выключателя зависит от температуры окружающей среды и при понижении температуры ниже определенного значения выключатель может отказать из-за перехода элегаза в жидкую фазу;

Вакуумные выключатели - Рекомендации по выбору выключателя

В настоящее время вакуумные выключатели стали доминирующими аппаратами для электрических сетей напряжением 6-35 кВ. Так, доля вакуумных выключателей в общем количестве выпускаемых аппаратов в Европе и США достигает 70%, в Японии –100%. В России в последние годы эта доля имеет постоянную тенденцию к росту и в 1997 г. превысила отметку 50%. Основными преимуществами вакуумных выключателей (по сравнению с масляными и газовыми), определяющими рост их доли на рынке, являются: более высокая надежность; меньшие затраты на обслуживание. Сегодня вакуумная коммутационная техника может применяться для уровня токов короткого замыкания вплоть до 100 кА, так что в последние годы усилия разработчиков направлены не на повышение основных параметров выключателей, а на создание более экономичных конструкций и повышение их надежности. Первый вакуумный выключатель на 2,3 кВ переменного тока был изготовлен в 1923 г. Однако вследствие ограниченности в то время научно-исследовательских работ, а также трудностей изготовления герметичных вакуумных дугогасительных камер, способных длительно сохранять высокий вакуум, и получения специальных контактных материалов создание промышленных конструкций вакуумных выключателей в последующие годы приостановилось. Лишь в 1960-1970 годах в результате фундаментальных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по гашению в вакууме оказалось возможным вновь вернуться к промышленным вакуумным выключателям. С этого времени и началось их быстрое развитие. Электрическая прочность вакуума значительно выше прочности других дугогасительных сред, применяемых в выключателях. Объясняется это увеличением длины среднего свободного пробега электронов, атомов, ионов и молекул по мере уменьшения давления. В вакууме длина свободного пробега частицы превышает размеры вакуумной камеры с давлением 10-4 Па. В этих условиях удары частиц о стенки камеры происходят значительно чаще, чем соударения между частицами. Металлы, используемые для контактов, должны обладать механической прочностью, высокой проводимостью, стойкостью относительно эрозии и сваривания. Применение получили бинарные сплавы: медь-висмут, медь-сурьма, медь-бериллий и др. В положении «включено» электроны прижаты друг к другу пружиной привода. В процессе отключения контакты размыкаются. Скорость движения контактов составляет около 1,5 м/с. В момент расхождения контактов площадь их соприкосновения уменьшается, плотность тока резко возрастает, металл контактов плавится и испаряется в вакууме. При этом между контактами образуется проводящий мостик из паров металла электродов. Загорается так называемая вакуумная дуга. Она горит в парах металла, образующихся на поверхности холодного катода в отдельных наиболее нагретых точках. Металлические пары непрерывно покидают дуговой промежуток и конденсируются на поверхности центрального экрана, изолированного от электродов. Они защищают изолированную оболочку от радиации дуги и оседания на ней частиц металла. Когда ток приходит к нулевому значению, дуга угасает и парообразование прекращается. Если скорость восстанавливающейся электрической прочности промежутка превышает скорость переходного восстанавливающегося напряжения, цепь оказывается разомкнутой. При отключении вакуумным выключателем малых токов (несколько ампер или десятков ампер) может произойти преждевременное снижение тока до нуля, до естественного перехода тока через нуль (срез тока), что объясняется очень быстрой дионизацией межконтактного промежутка. Срез тока сопровождается, как и в других выключателях, перенапряжениями, которые опасны прежде всего для двигателей высокого напряжения и трансформаторов с воздушной изоляцией. Для ограничения перенапряжений при отключении малых индуктивных токов многие вакуумные выключатели снабжаются специальными ограничивающими перенапряжения устройствами: RC- цепочками, ограничителями перенапряжений, специальными устройствами (например, разработки «Элвест») Применяются опережающее отключение первого полюса по сравнению с двумя другими (патент фирмы HOLEC (Голландия) и другие электромеханические способы устранения перенапряжений. Повышение надежности вакуумных выключателей в основном связано с повышением надежности их приводов, так как надежность дугогасительных камер при современной технологии производства практически безупречна (декларируемая наработка на отказ ВДК лучших производителей составляет 2000 лет). В первую очередь это относится к выключателям отечественного производства, где привод является наиболее слабым местом, вызывающим до 80% общего числа отказов. В подавляющем большинстве выключателей зарубежных фирм применяется пружинный привод, что позволяет сократить габариты и массу, уменьшить время включения. Современные конструкции приводов не требуют обслуживания в течение всего срока эксплуатации. Из отечественных производителей вакуумных выключателей следует выделить фирму «Таврида электрик». Выпускаемые этой фирмой вакуумные выключатели серии ВВ/ТЕL являются выключателями нового поколения, в которых реализованы самые современные достижения в вакуумной коммутационной технике и электромеханике, позволяющие создать аппараты, не требующие ремонта в течение всего срока службы. По способу установки выключатели выпускаются в двух исполнениях: подвесном и выкатном.

     Достоинства вакуумных выключателей:

• простота конструкции (отсутствие клапанов, копрессоров и других вспомогательных устройств) и надежность в работе;

• относительно небольшие габариты и масса;

• отсутствие сжатого воздуха или трансформаторного масла;

• малое время отключения (0,03-0,05 с);

• отсутствие масла и других горючих материалов (взрывобезопасность);

• высокая скорость восстановления прочности дугогасительного промежутка (отсутствие шунтирующих резисторов);

• бесшумная работа;

• отсутствие выбросов в атмосферу;

• удобны для отключения емкостной нагрузки;

• полная герметезация дугогасительного устройства;

• значительный ресурс при коммутации номинального тока (30…50 тысяч операций);

• произвольное положение камеры;

• отсутствует ударная нагрузка на фундамент, характерная для масляных выключателей;

• вакуумные выключатели позволяют создать малогабаритные (многоэтажные) КРУ;

• малый ход и скорость контактов позволяют применять легкие, небольшие пружинные или электромагнитные приводы;

Недостатки вакуумных выключателей:

• вблизи нуля наблюдается срез тока, сопровождающийся перенапряжениями при отключении малых индуктивных токов;

• для борьбы с перенапряжениями необходимо применять RC-цепочки, ОПН, либо использовать выключатели с электромеханическим способом устранения перенапряжения;

• в выключателях на напряжении выше 35 кВ несколько камер необходимо соединять последовательно;

• требуют больших капиталовложений, что определяет довольно высокую их стоимость.