Библиотека

Определение выключателя не связывается с его номинальным напряжением, так как при любом напряжении эти аппараты выполняют одинаковые функции (они способны включать, проводить и отключать токи при нормальных условиях в цепи, а также включать, проводить в течение оговоренного времени и отключать токи при обусловленных ненормальных условиях в цепи, таких как короткое замыкание), хотя по внутреннему строению, составным частям, способами гашения электрической дуги и внешним видом выключатели, применяемые в сетях средних напряжений, существенно отличаются от одноименных аппаратов, предназначенных для работы в сетях низких напряжений.

Основными количественными характеристиками выключателей средних напряжений является:
- номинальное напряжение U_r;
- номинальный изоляционный уровень, определяемый выдерживаемым импульсным напряжением U_р и выдерживаемым напряжением частоты сети U_d;
- номинальная частота f_r;
- номинальный нормальный ток I_r, то есть установленое производителем значение тока, который выключатель может выдерживать непрерывно;
- номинальный кратковременно выдерживаемый ток I_k, а также номинальный ток отпирания при коротких замыканиях, который определяется через rms значение АС компоненты тока короткого замыкания.

Стандартизированные значения номинальной частоты f_r равны 16 Гц, 25 Гц, 50 Гц и 60 Гц. Стандартизированные значения номинального напряжения в странах СНГ – 6 кВ; 10 кВ и 35 кВ (между линейными проводниками), в европейских странах – 3,6 кВ; 7,2 кВ; 12 кВ; 17,5 кВ; 24 кВ; 36 кВ и 52 кВ. В некоторых странах сети с номинальным напряжением 52 кВ также относят к средним напряжениям, а сети 72,5 кВ – к высоким напряжениям. В Украине таких сетей нет. После 35 кВ следующим стандартным напряжением является 110 кВ.

Напряжения U_р и U_d ставятся в зависимость от номинального напряжения выключателя. В частности, при U_r = 12 кВ напряжение U_d должно быть равно 28 кВ, а напряжение U_р в зависимости от определенных условий - 60 кВ или 75 кВ.

Значения токов I_r, I_k и I_sc (в кА) должны выбираться из последовательности R10 (геометрическая прогрессия со знаменателем 10^1/10 ≈ 1,25), то есть из элементов ряда: 1 - 1,25 - 1,6 - 2 - 2,5 - 3,15 - 4 - 5 - 6,3 - 8 и их произведений до 10.

Стандарт определяет также номинальные последовательности оперирования с ожидаемыми токами короткого замыкания I_sc для выключателей с автоматическим повторным включением (АПВ) и без:
а) O - t - CO - t′ - CO;
б) CO - t″ - CO,
где СО представляет операцию замыкания С на короткое замыкание, вслед за которой без всякой выдержки времени выполняется операция размыкания О, которая может быть первой в последовательности; t, t′ и t″ - временные интервалы между смежными операциями в последовательности.

Выключатели с АПВ - это выключатели, предназначенные для применения в сетях с воздушными линиями, где высока вероятность кратковременного сплетения неизолированных линейных проводников (кратковременного короткого замыкания). Эти выключатели должны выполнять последовательность (а) при t = 0,3 с и t′ = 180 с (варианты t′ = 15 с и t′ = 60 с). Выключатели без скоростного АПВ - это выключатели, предназначенные для применения в сетях с кабельными линиями, где отсутствуют предпосылки для кратковременных коротких замыканий. Эти выключатели должны выполнять последовательность (а) при t = 180 с, а также последовательность (b) при t″ = 15 с.

Выключатели средних напряжений, как и другие электромеханические коммутационные аппараты, различают соответственно среды, где их контакты размыкаются и смыкаются. Существуют, в частности, вакуумные, масляные, элегазовые и воздушные выключатели, причем первые три разновидности применяются в сетях переменного тока, а воздушные выключатели, которые ранее применялись в сетях переменного и постоянного тока, сейчас применяются только в сетях постоянного тока.

Применение той или иной дугогасящей среды определяется электрофизическими свойствами, а также технологическими и эксплуатационными факторами.

Кривые, представленные на рис. 1а, позволяют сравнить электрическую прочность различных сред, из которых хуже всего воздух. Элегаз (шестифтористая сера) при давлении, близком к атмосферному (1 Бар ≈ 1 кгс/см²), имеет примерно в 2,5 раз больше электрическую прочность. Еще лучшим диэлектриком является трансформаторное масло, которое применяется и в выключателях. Но трансформаторное масло и элегаз по электрической прочности существенно уступают вакууму, с которым правда успешно конкурирует элегаз высокого давления (5 Бар и больше).

Как видим, в сегменте рынка выключателей средних напряжений сейчас доминируют вакуумные выключатели, но в эксплуатации еще находится значительное количество выключателей других типов, которые кратко будут рассмотрены ниже.

Масляные выключатели

Взрыво- и пожароопасные баковые масляные выключатели с металлическим заземленным баком, где гашение электрической дуги происходило в большом объеме электротехнического масла, были вытеснены с рынка еще в начале 30-х годов прошлого века, когда были изобретены маломасляные выключатели и началось их производство.

Был большой отрезок времени, начиная с 30-х годов вплоть до конца прошлого века, когда маломасляные выключатели доминировали в соответствующем сегменте рынка. Сейчас маломасляные выключатели практически вытеснены с рынка, но огромное их количество во всем мире и сейчас работает на подстанциях, исчерпав свой ресурс. После выхода из строя такие выключатели заменяют вакуумные и элегазовые.

На рис. 3 изображен общий вид маломасляного выключателя, а также разрез его коммутационного модуля в трех положениях - замкнутом, в период горения электрической дуги и разомкнутом.

Маломасляные выключатели обеспечивают эффективное гашение дуги благодаря интенсивному поперечному (относительно дуги) движению масла под действием сил, возникающих за счет энергии, которая выделяется в самой электрической дуге. Многочисленные недостатки (взрывоопасность, низкое быстродействие, большие габариты, сложный, громоздкий и энергоемкий пружинно-моторный привод, низкий коммутационный ресурс, необходимость проведения профилактических ремонтов и т.д.) обусловили снятия с производства этих устройств, в том числе, на предприятиях Украины, где они раньше изготавливались.

Элегазовые выключатели

Шестифтористая сера SF₆ или элегаз (электрический газ) - это химическое соединение, которое при температуре выше 50°С находится в газообразном состоянии и имеет большую электрическую прочность (при атмосферном давлении примерно в 2,5 раз больше, чем у воздуха, и в 10 раз больше, чем у воздуха при давлении 5 атм.). Элегаз является значительно лучшей охлаждающей средой для нагретых тел, чем воздух, а также имеет уникальные дугогасящие свойства, особенно при повышенном давлении, обычно обеспечивая гашение дуги при первом же переходе тока через ноль без эффекта среза тока, а следовательно не создавая при этом опасных коммутационных перенапряжений.

В элегазовых выключателях применяются отдельные главные (обычно скользящие) и дугогасящие (скользящие или стыковые) контакты. Главные контакты размыкаются раньше дугогасящих, поэтому дуга устанавливается только на дугогасящих контактах. Гашение дуги обеспечивается либо за счет повышения давления в зоне горения дуги (в автокомпрессионных коммутационных модулях - рис. 4), или за счет быстрого вращения дуги на кольцевых электродах благодаря магнитному дутью (в коммутационных модулях с магнитным дутьем).

В отличие от автокомпрессионных, выключатели с магнитным дутьем (рис. 5) имеют общий для главных контактов бак из изоляционного материала, внутри которого содержатся три отдельные камеры с дугогасительными контактами для каждого из полюсов, что исключает дуговые межфазные перекрытия.

Элегазовые выключатели обычно имеют пружинно-моторные приводы, которые к тому же допускают ручное сведение пружин включения и выключения. Фото внешнего вида одного из элегазовых выключателей среднего напряжения, смонтированного на выкатной тележке, приведены на рис. 6.

Вакуумные выключатели

Вакуумные выключатели появились на рынке электротехнической продукции в конце семидесятых годов прошлого века. С преодолением недостатков коммутации в вакууме, которые оказались еще на стадии начальных исследований, а именно: явление среза тока и связанные с ним перенапряжения, повторные зажигания дуги после перехода тока через ноль, приварки контактов при прохождении сквозных токов, благодаря изобретенным адекватным материалам для контактов и техническим решением для конструкций вакуумных прерывателей, объем производства вакуумных выключателей начал стремительно расти. Сейчас в сегменте выключателей средних напряжений вакуумные выключатели охватывают примерно 80% этого рынка и эта доля имеет тенденцию к росту.

Принцип гашения дуги в вакууме оказывается очень эффективным для коммутационных аппаратов переменного тока благодаря тому, что при переходе тока через ноль пары металла, которые собственно и образуют вакуумную дугу, вследствие наличия давления в дуге, быстро рассеиваются с межконтактного промежутка, электрическая прочность которого после этого стремительно растет, опережая рост напряжения, которое восстанавливается на контактах. Следовательно, дуга в вакууме обычно затухает при первом же переходе тока через ноль.

Основой вакуумного выключателя является вакуумный прерыватель. Вакуумный прерыватель, изображен на рис. 7, монтируется в керамическом кольцеобразном корпусе 7, на торцах которого закрепляются два фланца - упорный 2 и проходной 11. На упорном фланце закреплено стержень 4 с недвижимым контактом 5 в нижней части и выводом 1 для присоединения внешнего круга в верхней части. Подвижный контакт 6 расположен в верхней части подвижного стержня 10, проходящий через отверстие проходного фланца 11 и заканчивается выводом 15 с винтом 16 для подсоединения внешней цепи. Для обеспечения перемещения подвижного контакта в направляющей втулке 14 без нарушения вакуума в полости прерывателя, где давление составляет 10^-5…10^-7 мм рт. ст., применяют металлическую гофрированную трубку - сильфон 13.

При размыкании контактов 5 и 6 между ними появляется электрическая дуга, которая образуется благодаря выделению паров из контактных электродов. При переходе тока через ноль температура электродов и, соответственно, приток паров в межконтактный промежуток уменьшается. Пары металлов, которые были до того в межконтактном промежутке, рассеиваются в радиальном направлении и, поскольку скорость роста электрической прочности промежутка очень большая (порядка 1 ... 10 кВ/мкс), после перехода тока через ноль дуга вновь не возникает. Таким образом, при частоте сети 50 Гц, время горения вакуумной дуги не превышает 10 мс.

Для предотвращения осаждения паров металлов на поверхности корпуса при рассеянии паров в радиальном направлении при угасании дуги применяют специальный металлический экран 8 и дополнительные экраны 3 и 9, расположенные соответственно на упорном и проходном фланцах. Экран 12 защищает сильфон, препятствуя попаданию на него паров металла.

Особенностью вакуумных прерывателей является то, что в свободном состоянии контакты в них являются замкнутыми, благодаря разности давлений внутри и снаружи корпуса. Разомкнутое состояние контактов в вакуумных аппаратах обеспечивается действием или возвратных пружин или бистабильных поляризованных актуаторов.

Вакуумные выключатели выпускаются как с пружинно-моторным, так и с электромагнитными актуаторами различных конструкций. Одна из конструкций вакуумного выключателя, в которой применяются бистабильные неполяризованные электромагнитные актуаторы, показана на рис. 8. В этой конструкции применяются отдельные актуаторы для каждого из полюсов, а одновременность их срабатывания обеспечивается за счет синхронизирующего вала. Одна из деталей актуатора изготовлена из материала с широкой петлей гистерезиса, благодаря чему якорь электромагнита удерживается в притянутом состоянии при обесточенной обмотке, преодолевая противодействие контактной и возвратной пружин.

Конструкция вакуумного выключателя, в которой применяется бистабильный электромагнитный актуатор, приведена на рис. 9.

Вакуумные прерыватели ведущих производителей обеспечивают очень высокую электрическую износостойкость - до 30000 операций СО с номинальным нормальным током и до 100 операций СО с номинальным током отпирания при коротких замыканиях. Благодаря простой кинематике вакуумные выключатели с электромагнитными актуаторами имеют высокую механическую износостойкость – до 100000 операций СО без тока.

Рассмотренные выше конструкции выключателей относятся к аппаратуре внутренней установки и предназначены для монтирования в распределительных устройствах, расположенных в специальных помещениях. Отечественные производители выпускают такие аппараты с номинальным напряжением до 35 кВ (рис. 10а). Вакуумные выключатели, предназначенные для наружной установки, с номинальным напряжением 35 кВ обычно имеют столбиковую конструкцию и несколько большие размеры вследствие необходимости увеличения зазоров и расстояний утечки у аппаратов, которые должны работать на открытом воздухе в условиях дождя, снега, пыли и тому подобное. Такие выключатели также производятся отечественными предприятиями (рис. 10б).