Högspänningsomkopplare: klassificering, enhet, funktionsprincip

Kraven för switcharna är följande:

1) pålitlighet i arbetet och säkerhet för andra;

2) snabb respons — eventuellt kort avstängningstid;

3) lätt underhåll;

4) enkel installation;

5) tyst drift;

6) relativt låg kostnad.

De för närvarande använda effektbrytarna uppfyller de angivna kraven i större eller mindre utsträckning. Kretsbrytares konstruktörer strävar dock efter att bättre matcha strömbrytarens egenskaper med ovanstående krav.

Oljebrytare

Det finns två typer av oljebrytare - reservoar och låg olja. Bågrumsavjoniseringsmetoderna i dessa nycklar är desamma. Den enda skillnaden är i isoleringen av kontaktsystemet från markbasen och i mängden olja.

Tills nyligen fungerade tankar för tankar av följande typer: VM-35, S-35, såväl som omkopplare av U-serien med spänningar från 35 till 220 kV. Tankomkopplare är designade för extern montering, inte i produktion för närvarande.

De största nackdelarna med tankväxlar: explosion och brand; behovet av periodisk övervakning av tillståndet och nivån av olja i tanken och inloppen; en stor volym olja, vilket leder till en stor investering av tid för dess ersättning, behovet av stora oljereserver; inte lämplig för installation inomhus.

Omkopplare för låg olja

Omkopplare med låg olja (typ gryt) används ofta i stängt och öppet ställverk alla spänningar. Oljan i dessa brytare fungerar huvudsakligen som ljusbågsmedium och endast delvis som isolering mellan öppna kontakter.

Isolering av spänningsförande delar från varandra och från jordade strukturer görs med porslin eller andra fasta isoleringsmaterial. Kontakterna på brytarna för intern montering är placerade i en ståltank (kruka), varför namnet på "pot typ"-brytare behålls.

Lågoljebrytare med spänning 35 kV och över har en porslinstomme. De mest använda är hängen av typen 6-10 kV (VMG-10, VMP-10). I dessa brytare är kroppen fäst på porslinsisolatorer till en gemensam ram för de tre polerna. Varje stolpe har ett kontaktbrott och en bågränna.

Designscheman för lågoljebrytare 1 — rörlig kontakt; 2 — bågränna; 3 — fast kontakt; 4 — arbetskontakter

Vid höga märkströmmar är det svårt att arbeta med ett par kontakter (fungerar som drift- och ljusbågskontakter), därför finns driftkontakterna utanför brytaren och ljusbågskontakterna är i en metalltank. Vid höga brytströmmar finns det två ljusbågsavbrott för varje pol. Enligt detta schema är omkopplare i serierna MGG och MG gjorda för spänningar upp till och inklusive 20 kV.Massiva externa manöverkontakter 4 gör att brytaren kan utformas för höga märkströmmar (upp till 9500 A). För spänningar på 35 kV och över är brytarkroppen gjord av porslin, VMK-serien är en kolonnbrytare med låg olja). I automatsäkringar 35, 110 kV tillhandahålls ett avbrott per pol, vid högspänning — två eller flera avbrott.

Nackdelar med lågoljebrytare: risk för explosion och brand, även om det är mycket mindre än tankströmbrytare; oförmåga att implementera höghastighets automatisk stängning; behovet av periodisk kontroll, påfyllning, relativt frekvent oljebyte i ljusbågstankar; svårigheten att installera inbyggda strömtransformatorer; relativt låg brottkapacitet.

Användningsområdet för lågoljebrytare är slutna ställverk för kraftverk och transformatorstationer 6, 10, 20, 35 och 110 kV, kompletta ställverk 6, 10 och 35 kV och öppna ställverk 35 och 110 kV.

Se här för mer information: Typer av oljebrytare

Luftbrytare

Luftbrytare för spänningar på 35 kV och över är konstruerade för att bryta stora kortslutningsströmmar. Luft slås på spänning 15 kV används i kraftverk som generator. Deras fördelar: snabb respons, hög brytkapacitet, obetydlig förbränning av kontakter, brist på dyra och otillräckligt pålitliga bussningar, brandsäkerhet, mindre vikt jämfört med oljebrytare i tanken. Nackdelar: förekomsten av besvärlig luftekonomi, risk för explosion, brist på inbyggda strömtransformatorer, enhetens komplexitet och drift.

I luftströmbrytare släcks ljusbågen med tryckluft vid ett tryck på 2-4 MPa, och isoleringen av spänningsförande delar och ljusbågssläckningsanordningen är gjorda med porslin eller andra fasta isoleringsmaterial. Designscheman för luftströmbrytare är olika och beror på deras spänningsklassificering, metoden för att skapa ett isolerande gap mellan kontakterna i avstängt läge och metoden för att tillföra tryckluft till bågsläckningsanordningen.

Högklassade brytare har en huvud- och ljusbågskrets som liknar lågoljebrytare MG och MGG. Huvuddelen av strömmen i strömbrytarens stängda läge passerar genom huvudkontakterna 4, som är öppna. När strömbrytaren stängs av öppnas först huvudkontakterna, sedan passerar all ström genom bågkontakterna som är stängda i kammare 2. Medan dessa kontakter öppnas matas tryckluft från tank 1 in i kammaren, en kraftig explosion skapas som släcks bågen. Blåsning kan vara längsgående eller tvärgående.

Det nödvändiga isoleringsgapet mellan kontakterna i öppet läge skapas i bågrännan genom att separera kontakterna med ett tillräckligt avstånd. Brytarna gjorda enligt projektet med öppen separator tillverkas för inomhusinstallation för spänningar 15 och 20 kV och strömmar upp till 20 000 A (VVG-serien). Med denna typ av omkopplare, efter att avskiljaren 5 kopplats bort, stoppas tillförseln av tryckluft till kamrarna och ljusbågskontakterna stängs.

Konstruktionsdiagram av luftströmbrytare 1 — tank för tryckluft; 2 — bågränna; 3 — shuntmotstånd; 4 — huvudkontakter; 5 — separator; 6 — kapacitiv spänningsdelare för 110 kV — två avbrott per fas (d)

I luftbrytare för öppen installation för spänning 35 kV (VV-35) räcker det med ett avbrott per fas.

I omkopplare med en spänning på 110 kV och mer, efter att ljusbågen har släckts, öppnas kontakterna på separatorn 5 och separatorkammaren förblir full av tryckluft hela tiden i avstängt läge. I detta fall tillförs inte tryckluft till ljusbågsrännan och kontakterna i den är stängda.

Strömbrytare i VV-serien för spänningar upp till 500 kV skapas enligt detta designschema. Ju högre märkspänning och ju högre begränsningseffekt, desto fler avbrott måste det finnas i ljusbågsrännan och i separatorn.

Luftfyllda strömbrytare i VVB-serien är gjorda enligt designschemat i Fig., D. Spänningen hos VVB-modulen är 110 kV vid ett tryck av komprimerad luft i brandsläckningskammaren på 2 MPa. Märkspänningen för VVBK-brytarmodulen (stor modul) är 220 kV och lufttrycket i släckkammaren är 4 MPa. Strömbrytare i VNV-serien har ett liknande designschema: en modul med en spänning på 220 kV vid ett tryck på 4 MPa.

För brytare i VVB-serien beror antalet bågrännor (moduler) på spänningen (110 kV — en; 220 kV — två; 330 kV — fyra; 500 kV — sex; 750 kV — åtta), och för stora brytarmoduler (VVBK, VNV), moduler med siffror två gånger mindre, respektive.

Effektbrytare SF6

SF6-gas (SF6 — svavelhexafluorid) är en inert gas med en densitet som är 5 gånger större än luftens. Den elektriska styrkan hos SF6-gas är 2-3 gånger högre än luftens styrka; vid ett tryck av 0,2 MPa är den dielektriska styrkan hos SF6-gas jämförbar med den hos petroleum.

I SF6-gas vid atmosfärstryck kan en ljusbåge släckas med en ström som är 100 gånger högre än den ström som avbryts i luft under samma förhållanden. SF6-gasens exceptionella förmåga att släcka ljusbågen förklaras av det faktum att dess molekyler fångar elektronerna i bågkolonnen och bildar relativt orörliga negativa joner. Förlusten av elektroner gör ljusbågen instabil och lätt att släcka. I ett flöde av SF6-gas, det vill säga under gasstrålning, är absorptionen av elektroner från bågkolonnen ännu mer intensiv.

SF6 kretsbrytare använder autopneumatiska (autokomprimerande) ljusbågssläckningsanordningar där gas komprimeras av en kolvanordning under utlösning och riktas in i ljusbågsområdet. SF6-strömbrytaren är ett slutet system utan gasutsläpp till utsidan.

För närvarande används SF6-brytare för alla spänningsklasser (6-750 kV) vid ett tryck på 0,15 — 0,6 MPa. Ökat tryck används för brytare med högre spänningsklasser. SF6-brytare från följande utländska företag har visat sig väl: ALSTOM; SIEMENS; Merlin Guerin och andra. Produktionen av moderna SF6-strömbrytare av PO «Uralelectrotyazmash» behärskas: tankströmbrytare i VEB-, VGB-serien och kolumnbrytare i VGT, VGU-serien.

Som ett exempel, överväg designen av en 6-10 kV LF-strömbrytare av Merlin Gerin.

Den grundläggande strömbrytarmodellen består av följande delar:

— Strömbrytarens kropp, i vilken alla tre polerna är placerade, representerande ett "tryckkärl", fyllt med SF6-gas vid ett lågt övertryck (0,15 MPa eller 1,5 atm).

— mekanisk drivning typ RI.

— Ställdonets frontpanel med handtag för manuell fjäderbelastning och statusindikatorer för fjäder och strömbrytare;

— Kontaktdynor för högspänningsförsörjning.

— Flerstiftskontakt för anslutning av sekundära kopplingskretsar.

Vakuumbrytare

Vakuumets dielektriska styrka är betydligt högre än hos andra medier som används i strömbrytare. Detta förklaras av ökningen i medelfri väg för elektroner, atomer, joner och molekyler med en minskning av trycket. I ett vakuum överstiger partiklarnas medelfria bana dimensionerna för vakuumkammaren.

1/4" gap återvinning dielektrisk styrka efter 1600 A strömavbrott i vakuum och olika gaser vid atmosfärstryck

Under dessa förhållanden inträffar partikelpåverkan på kammarväggarna mycket oftare än partikel-till-partikel-kollisioner. Figuren visar beroendet av nedbrytningsspänningen för vakuum och luft på avståndet mellan elektroder med en diameter på 3/8 « volfram. Med en så hög dielektrisk hållfasthet kan avståndet mellan kontakterna vara mycket litet (2 — 2,5 cm), så även kammardimensionerna kan vara relativt små...

Processen att återställa den elektriska styrkan hos gapet mellan kontakterna när strömmen är avstängd sker i vakuum mycket snabbare än i gaser. Vakuumnivån (restgastryck) i moderna industriella ljusbågskanaler är vanligtvis Pa. I enlighet med teorin om gasernas elektriska styrka uppnås de erforderliga isoleringsegenskaperna hos vakuumgapet också vid lägre vakuumnivåer (i storleksordningen Pa), men för den nuvarande nivån av vakuumteknik, skapande och underhåll av Pa-nivå under hela vakuumkammarens liv är inget problem.Detta ger vakuumkamrarna reserver av elektrisk styrka under hela livslängden (20-30 år).

En typisk design för vakuumbrytare visas i figuren.

Blockschema över en vakuumbrytare

Vakuumkammarens utformning består av ett par kontakter (4; 5), varav en är rörlig (5), innesluten i ett vakuumtätt skal svetsat av keramiska eller glasisolatorer (3; 7), övre och undre metall kåpor (2; 8) ) och metallsköld (6). Rörelsen av den rörliga kontakten relativt den fasta säkerställs med hjälp av en hylsa (9). Kamerakablarna (1; 10) används för att ansluta den till huvudströmbrytaren.

Det bör noteras att endast speciella vakuumbeständiga metaller, renade från lösta gaser, koppar och speciallegeringar, samt speciell keramik används för tillverkning av vakuumkammarens hölje. Vakuumkammarens kontakter är gjorda av en metallkeramisk sammansättning (som regel är det koppar-krom i ett förhållande av 50% -50% eller 70% -30%), vilket ger hög brottkapacitet, motståndskraft mot slitage och förhindrar uppkomsten av svetspunkter på kontaktytan. Cylindriska keramiska isolatorer, tillsammans med ett vakuumgap vid öppna kontakter, ger isolering mellan kammarterminalerna när strömbrytaren är avstängd.

Tavrida-electric har släppt en ny design vakuumbrytare med magnetlås. Dess design är baserad på principen att rikta in den drivande elektromagneten och vakuumbrytaren i varje pol av brytaren.

Omkopplaren stängs i följande ordning.

I initialtillståndet är vakuumbrytarkammarens kontakter öppna på grund av verkan av stängningsfjädern 7 på dem genom dragisolatorn 5. När en spänning med positiv polaritet appliceras på elektromagnetens spole 9, uppstår det magnetiska flödet ackumuleras i gapet i det magnetiska systemet.

I det ögonblick då ankarets tryckkraft som skapas av det magnetiska flödet överstiger kraften hos stoppfjädern 7, börjar ankaret 11 hos elektromagneten, tillsammans med dragisolatorn 5 och den rörliga kontakten 3 i vakuumkammaren, att röra sig upp och komprimera fjädern för att stoppa. I detta fall uppstår en motor-EMF i lindningen, vilket förhindrar en ytterligare ökning av strömmen och till och med något minskar den.

I rörelseprocessen får ankaret en hastighet på cirka 1 m / s, vilket undviker preliminära skador vid påslagning och eliminerar studsningen av VDK-kontakterna. När vakuumkammarens kontakter är stängda återstår ett ytterligare kompressionsgap på 2 mm i magnetsystemet. Hastigheten på ankaret sjunker kraftigt, eftersom det också måste övervinna fjäderkraften från den extra förspänningen av kontakten 6. Emellertid, under påverkan av kraften som skapas av det magnetiska flödet och trögheten, fortsätter ankaret 11 att röra sig uppåt, komprimering av fjädern för stopp 7 och ytterligare en fjäder för förspänning av kontakter 6.

I det ögonblick då magnetsystemet stängs kommer ankaret i kontakt med drivenhetens 8 övre lock och stannar. Efter stängningsprocessen stängs strömmen till drivspolen av. Omkopplaren förblir i stängt läge på grund av den kvarvarande induktionen som skapas av ring permanent magnet 10, som håller ankaret 11 i draget läge till det övre locket 8 utan ytterligare strömtillförsel.

För att öppna omkopplaren måste en negativ spänning appliceras på spolens terminaler.

För närvarande har vakuumbrytare blivit de dominerande enheterna för elektriska nätverk med en spänning på 6-36 kV. Således når andelen vakuumbrytare av det totala antalet tillverkade enheter i Europa och USA 70%, i Japan - 100%. I Ryssland har denna andel haft en konstant uppåtgående trend under de senaste åren, och 1997 översteg den 50 %. De främsta fördelarna med sprängämnen (jämfört med olje- och gasväxlar) som bestämmer tillväxten av deras marknadsandel är:

— högre tillförlitlighet.

— lägre underhållskostnader.
Se även: Högspänningsvakuumbrytare — Design och funktionsprincip