Коммутационное оборудование

Коммутационным оборудованиемназывают электротехнические аппараты, предназначенные для включения и отключения электрических цепей, а также аппараты, предназначенные для создания видимого разрыва электрических цепей для обеспечения безопасности ремонта электрического оборудования.

Любой элемент электрической сети характеризуется параметрами, при которых он имеет наилучшие технико-экономические характеристики. Такие параметры называются номинальными. Для генераторов, это номинальная активная мощность (P_гном) и номинальное напряжение (U_гном), для трансформаторов – номинальная полная мощность (S_тном) и номинальное напряжение обмоток и т.п. Однако в процессе эксплуатации электросетевому оборудованию подчас приходится работать в таких режимах, в которых параметры отличаются от номинальных значений. Если речь идет о протекающих в элементах сети токах, то имеются в виду режимы перегрузки и режимы коротких замыканий. В режиме перегрузки ток в элементе сети не должен превышать длительно допустимого значения (I_дл.доп). Так, например, сталеалюминевый провод воздушной линии электропередачи марки АС 95/16 рассчитан на длительно допустимый ток около 330 А.

В процессе эксплуатации, провод воздушной линии может оборваться под действием ветра или веса гололеда. В результате провод упадет на землю, что приведет к короткому замыканию. Причинами коротких замыканий также могут быть разрушение изоляции или попадание молнии в электроустановку, неосторожные действия персонала, обслуживающего электрические сети, и т.п. Короткое замыкание приводит к увеличению токов в сети в несколько раз выше номинального и снижению напряжения. При этом нарушается нормальная работа всех электроустановок. Если максимально быстро не отключить элементы сети от источников электрической энергии, они могут быть безвозвратно разрушены. Так как невозможно заранее предсказать, где произойдет короткое замыкания, все элементы сети присоединяются через специальные устройства – автоматические выключатели.

Выключатели предназначены для включения и отключения электрических цепей в нормальном и возможных аварийных режимах в момент короткого замыкания, когда величина тока превышает величину номинального тока в несколько десятков, а то и сотен раз.

При размыкании электрической цепи, по которой протекает ток, возникает электрическая дуга – один из видов электрического разряда. Электрическая дуга обладает высокой температурой (порядка 6000–18000 °С), что приводит к нагреву, частичному расплавлению, испарению, окислению и другим видам коррозии контактов коммутационного оборудования. В связи с этим, все выключатели оборудованы специальными устройствами – дугогасительной камерой, в которой происходит гашение дуги.

Конструкция выключателя определяется номинальным напряжением, током короткого замыкания, подлежащим отключению, и требованиями к быстродействию.

В настоящее время получили широкое применение следующие виды выключателей: масляные, воздушные, элегазовые, электромагнитные, вакуумные. Выключатели каждого вида имеют свою область применения, определяемые их особенностями, техническими характеристиками и стоимостью.

Различные типы выключателей имеют ряд конструктивных элементов, присущих всем конструкциям. Среди этих элементов можно отметить: корпус выключателя; дугогасительную камеру; подвижный и неподвижный контакты; выводы, к которым подключаются токоведущие части; привод выключателя.

Рассмотрим несколько типов выключателей.

Масляные выключатели получили свое название благодаря применению в качестве дугогасительной среды минерального (трансформаторного) масла. Контакты таких выключателей разъединяются в масле. Процесс гашения дуги в масляных выключателях происходит следующим образом. При размыкании контактов образуется электрическая дуга, под действием которой масло начинает нагреваться и разлагаться, при этом дуга продолжает гореть в газовой среде. В составе этого газа около половины объема составляют пары масла, вторая половина содержит продукты разложения масла, которые состоят из водорода (порядка 70 %) и углеводородов различного состава. Все продукты разложения масла горючи, однако они не могут гореть вследствие отсутствия в образующемся газовом пузыре кислорода, который, как известно, способствует горению.

Масляные выключатели получили широкое распространение в сетях 3, 6, 10 кВ, где они выполняются малообъемными (маломасляными). Выключатели на напряжение 35–220 кВ выполняются баковыми многообъемными (рис.3.17) и малообъемными.

Рис. 3.17. Баковые многообъемные масляные выключатели 220 кВ.

Все масляные выключатели имеют рад недостатков, которые вынуждают отказываться от применения выключателей такого типа. Среди наиболее существенных недостатков можно отметить следующие: взрыво- и пожароопасность этих выключателей вследствие применения горючего трансформаторного масла; необходимость постоянной проверки уровня масла и регулярной доливки его в выключатель; старение масла из-за образования продуктов разложения масла в результате отключения номинальных токов и токов короткого замыкания; необходимость содержания маслохозяйства.

В настоящее время масляные выключатели считаются морально устаревшими и заменяются другими типами выключателей, где это возможно и если их замена экономически обоснованна.

В воздушных выключателях дуги разрывается сжатым воздухом. Для сжатия воздуха такие выключатели оснащаются компрессорами, которые создают давление воздуха в специальных ресиверах, где происходит аккумуляция сжатого воздуху. Воздушные выключатели по мере увеличения номинального напряжения отключаемой цепи объединяются в группы из нескольких выключателей, рассчитанных на напряжение 110 кВ. При этом расхождение контактов выключателей в момент отключения происходит синхронно. Так, выключатель на 220 кВ содержит два выключателя 110 кВ, соединенные последовательно. Внешний вид воздушных выключателей 220 кВ показан на рис. 3.18. Для выключателей на напряжение 500 кВ используются шесть выключателей, а на напряжение 750 кВ восемь последовательно соединенных воздушных выключателей.

Рис. 3.18. Воздушные выключатели 220 кВ.

Основной недостаток воздушных выключателей – необходимость установки компрессоров для создания сжатого воздуха. В настоящее время воздушные выключатели заменяются на элегазовые.

Элегазовые выключатели получили своё название благодаря применению в них особенного газа, который называется элегаз. Элегаз (шестифтористая сера) – это газ, состоящий из соединения серы с фтором (SF₆) Элегаз – 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 масла. В элегазе при атмосферном давлении может быть погашена дуга с током, в 100 раз превышающим ток, отключаемый в воздухе при тех же условиях. Молекулы газа способны улавливать электроны дугового столба и образовывать относительно неподвижные отрицательные ионы. Потеря электронов делает дугу неустойчивой, и она легко гаснет. При газовом дутье в струе элегаза поглощение электронов из дугового столба происходит еще более интенсивно.

Гасительное устройство в элегазовых выключателях находится в герметизированном заземленном баке или в резервуаре, помещенном в фарфоровый изолятор. За счет большой электрической прочности элегаза элегазовые выключатели имеют компактные размеры. Внешний вид элегазового выключателя напряжением 110 кВ показан на рис. 3.19.

К недостаткам элегазовых выключателей можно отнести повышенные требования к герметичности выключателя, необходимость в периодической подкачке элегаза, токсичность продуктов разложения газа в результате действия дуги, а также образование элегазового конденсата внутри выключателя под действием низких температур порядка – 35°С.

Рис. 3.19. Элегазовый выключатель напряжением 110 кВ.

При эксплуатации оборудования электрических сетей, линий электропередач, силовых трансформаторов, выключателей приходится проводить их техническое обслуживание, осуществлять плановые ремонты и устранять возможные последствия аварий. Для того, чтобы обслуживающий персонал мог беспрепятственно производить ремонтные работы на электрическом оборудовании, необходима изоляция его от токоведущих частей электрической сети. Для этих целей в распределительных устройствах устанавливают специальные устройства, называемые разъединителями.

Разъединитель – это контактный коммутационный аппарат, предназначенный для отключения и включения электрической цепи без тока или с незначительным током, который для обеспечения безопасности имеет между контактами в отключенном положении изоляционный видимый промежуток.

Все разъединители обеспечивают видимый разрыв цепи при отключении. Они изготавливаются термически и электродинамически стойкими к ожидаемым токам короткого замыкания. Разъединители изготавливаются для наружной и внутренней установки. Наружные разъединители устанавливаются в открытых распределительных устройствах на специальных фундаментах, к которым крепятся при помощи опорных изоляторов, которые выполняют функции изоляции и конструктивной основы разъединителей. На разъединители устанавливаются специальные устройства, называемые заземляющими ножами, которые предназначены для заземления отключенных и изолированных участков системы.

Внешний вид разъединителей, установленных в открытом распределительном устройстве высокого напряжения, показан на рисунках 3.20, 3.21.

Рис. 3.20. Разъединитель напряжением 110 кВ.

Рис. 3.21. Разъединитель поворотного типа напряжением 220 кВ.

Выключатели и разъединители, предназначенные для включения и отключения электрических цепей, в электроэнергетике принято называть коммутационным оборудованием. В результате коммутации в цепи происходят процессы, которые в первый момент времени переключения (при замыканиях и размыканиях различных участков цепи) могут сопровождаться сверхтоками и перенапряжениями.

Условные графические обозначения этих аппаратов, применяющиеся на однолинейных электрических схемах, показаны на рисунке 3.22.

Рис. 3.22. Условные графические обозначения коммутационного оборудования:

а – выключатель, б – разъединитель