Элегазовые выключатели: ориентиры выбора и правила подключения

Устройство и виды элегазовых выключателей

Эти системы предназначены для оперативного контроля состояния высоковольтных линий электропередач. Они очень похожи на масляные, но имеют иную рабочую среду — принцип действия основан на свойствах соединения газов вместо масла. В качестве среды используется SF6 (шестифтористая сера).

Преимущество элегаза — неприхотливость. Если масляным моделям требуется особый уход, периодическая замена масла и очистка, то элегазовые с такой проблемой не сталкиваются. Кроме того, газ долговечен: он не деградирует со временем и почти не вредит механическим элементам выключателя.

Физически SF6 — негорючий бесцветный и лишенный запаха газ. Он гораздо плотнее воздуха, а молекулярная масса в 5 раз превышает воздушную. Газ стоек ко внешним воздействиям и сохраняет характеристики: даже если в нем возникнет дуга и начнется распад, через некоторое время состояние смеси восстановится.

Элегазовые выключателя (далее ЭВ) бывают двух видов:

• баковый;
• колонковый ЭВ.

Колонковые ЭВ применяют в сетях 220 В, это стандартные однофазные выключатели. Они состоят из двух связанных между собой частей:

• дугогасительная;
• контактная часть.

Обе имеют одинаковые размеры и объем.

Баковые ЭВ меньше. В их состав входит один из видов, рассмотренных ниже приводов. Распределение привода идет на несколько фаз, благодаря чему устройство мягко изменяет уровень напряжения. Еще одно достоинство баковых — большая допустимая нагрузка, что достигается наличием встроенного трансформатора.

Привод здесь — одновременно и регулятор: он обеспечивает включение/разрыв потока электричества и поддержания электродуги. Выделяют следующие типы приводов ЭВ:

• пружинно-гидравлические (ППРГ);
• более простые пружинные (ППРМ).

Обычно привод монтируется на низкой опоре или у земли, чтобы обслуживающий персонал мог легко до него добраться и отрегулировать. Деталь состоит из:

• включающего механизма;
• устройства расцепления;
• фиксирующей защелки.

Пружинные надежны и устроены весьма просто, в них используется лишь несложная механика. При вводе в эксплуатацию устанавливается определенное сжатие пружины, а после смещения контрольного рычага происходит ее распрямление с дальнейшим размыканием контактов. Этот тип ЭВ часто служит стендом для презентаций поведения шестифтористой серы под действием электрического поля.

Пружинно-гидравлическое элегазовое оборудование имеет гидравлическое управление. Оно дороже, но эффективнее, поскольку способно самостоятельно менять позицию фиксатора.

Помимо конструкции, различают виды ЭВ по принципу прерывания электрической дуги:

• вращающие;
• воздушные (автокомпрессионные) ЭВ;
• продольного дутья;
• аналогичные предыдущему пункту, с разогревом газа.

Все внутренние компоненты ЭВ размещены в заполненной элегазом емкости. Контроль работы осуществляется дистанционно, с помощью электроники, или механическим способом вручную. Схема расположения всех компонентов типичного ЭВ:

Такие особенности приводят к довольно крупным габаритам приборов. Отметим, что сугубо ручное управление актуально для маломощных образцов, в других случаях прибегают к:

• механическому контролю;
• грузовому управлению;
• пружинному;
• электромагнитному способу;
• пневматическому.

Но практически везде предусмотрен аварийный ручной рычаг.

Электромагнитный привод нуждается во внешнем питании, поэтому такой ЭВ подключают к источнику тока на 220 В и 58 А. Система весьма надежна и успешно эксплуатируется в неблагоприятных условиях. У пневматического, рабочим узлом выступает цилиндр с поршнем. Действие сжатого воздуха обеспечивает высокую скорость срабатывания.

Технические характеристики

В таблице приведены технические характеристики выключателей ВГТ — 110 кВ.

Таблица 5.1 – Основные технические данные выключателя ВГТ — 110 кВ

Принцип работы

Элегазовые выключатели выполняют свою функцию путем изолирования фаз газовой прослойкой. Получив сигнал на отключение электрооборудования, контакты размыкаются, образуется находящаяся в среде газа дуга. Электричество разлагает SF6, но дуга при этом слабеет за счет высокого уровня давления. Если же выключатель отрегулирован на малое давление, в действие вступают нагнетающие компрессоры. Также используют выравнивающие ток шунты.

Схема функционирования ЭВ:

Как уже указывалось, секрет заключен в рабочей среде — элегазе. Его молекулы легко связывают содержащиеся в SF6 электроны и производят отрицательные ионы. Иногда это свойство называют «электрической прочностью». У воздуха она, например, слабее почти в три раза. Кроме того, SF6 способен эффективно охлаждать.

Благодаря этому системы на его основе получили распространение в электротехники, например:

• в силовом трансформаторном оборудовании;
• распределительных устройствах;
• выключателях высокого напряжения;
• на соединяющих удаленные системы высоковольтных линиях электропередач.

В баковых образцах управление выполняется трансформаторами и входящими в схему приводами.

На рисунке:

• 1 — модули из фарфора или полимеров.
• 2 — трансформаторы.
• 3 — бак с прибором гашения.
• 4 — газонаполненная камера.
• 5 — расположенный внизу привод (в данном случае гидравлический).
• 6 — рама из металла.
• 7 — клапан для добавления элегаза.

Пример

Рассмотрим механизм срабатывания: в качестве примера используем выключатель элегазовый LW36 китайского производства. Когда происходит отключение:

• встроенная пружина начинает действовать на подвижные элементы;
• последние опускаются;
• происходит размыкание контактов, за исключением дугогасящих;
• после размыкания дугогасительных создается дуга;
• нагретый газ переходит в тепловую камеру;
• далее отрабатывает обратный клапан;
• элегаз выходит из камеры в промежуток, электродуга гасится.

При гашении сравнительно слабого тока исходного давления рабочей камеры бывает мало, поэтому привлекается дополнительное из компрессионной емкости.

Принцип гашения дуги

Успехи в разработках элегазовых выключтаелей откровенно оказали значительное воздействие на введение в эксплуатационную деятельность компактно размещенных на небольшой территории открытых распределительных устройствах размещенных на открытом воздухе, закрытых распределительных устройствах – размещенных в помещении и элегазовых комплектно распределительных устройствах. В элегазовых выключателях могут использоваться, разные методы гашения дуги зависимо от номинального напряжения, номинального тока отключения и объективных оценок энергосистемы (а также различных электроустановок).

В элегазовых дугогасительных устройствах , в сравнение от воздушных дугогасительных устройств, при гашении дуги истечение газа через сопло происходит не в воздушную среду, а в скрытный в себе объем камеры, наполненный элегазом при условно сравнительно маленьком лишнем давлении.

По методике гашения электрической дуги при выключении различают последующие элегазовые выключатели:

• Автокомпрессионный элегазовый коммутационный аппарат , где существенно нужный крупно масштабный расход элегаза через сопла компрессионного дугогасительного устройства создается по ходу подвижной системы выключателя (автокомпрессионный выключатель с одной ступенью давления).
• Элегазовый выключатель с электромагнитным дутьем, в котором гашение дуги в дугогасительном устройстве гарантируется вращением её по кольцевым контактам под воздействием магнитного поля, формируемого отключаемым током.
• Элегазовый выключатель с камерами низкого и высокого давления, в каком принцип снабжения газового дутья через сопла в дугогасительном аппарате аналогичен воздушным дугогасительным устройствам (Элегазовый выключатель с 2 – мя ступенями давления).
• Автогенерирующий элегазовый выключатель, где очень важный крупномасштабный расход элегаза через сопла дугогасительного устройства формируется за счет подогрева и увеличения давления элегаза дугой отключения в специально подготовленной камере (автогенерирующий элегазовый выключатель с одной ступенью давления).

Преимущества и минусы элегазовых выключателей

Приборы обладают несомненными плюсами:

• универсальность. Их можно ставить в сетях с практически любым напряжением;
• неприхотливость — ЭВ работают даже в пожароопасных местах и сейсмоопасных зонах;
• скорость срабатывания. Элегаз реагирует на возникновение дуги за доли секунды, благодаря чему происходит почти моментальное обесточивание защищаемых устройств;
• долговечность. Газ не изнашивает соприкасающиеся с ним элементы, газовая смесь не деградирует и не нуждается в регулярной замене, а внешняя оболочка ЭВ прочна и хорошо защищает от неблагоприятных воздействий;
• работают и с переменным, и с постоянным высоким напряжением. Это выгодно отличает их от не способных функционировать в высоковольтных сетях вакуумных;

• взрыво- и пожаробезопасность;
• замкнутая рабочая среда — при срабатывании не происходит выхлопа вовне.

Но есть и обусловленные конструкцией недостатки:

• высокая стоимость. Элегазовый выключатель просто устроен, но сложен в производстве, синтез газовой смеси также довольно трудоемок и затратен;
• нельзя поставить в произвольном месте. Выключатели монтируются только на особый электрический щит или специально подготовленных фундамент;
• требовательность к температурным условиям — при низких температурах ЭВ неэффективны (но элегаз можно подогревать);
• для обслуживания требуются специфические навыки и оборудование;
• система с электромагнитным приводом нуждается в емком аккумуляторе.

Основной недостаток смеси — наблюдающийся при определенных условиях ее переход в жидкую фазу. Это происходит при некоторых соотношениях температуры и давления. Например, в холодных условиях (минус 40 градусов Цельсия) требуется давление не выше 0.4 МПа с плотностью газа ниже 0.03 килограмма на кубический сантиметр — что не обеспечивает должных характеристик. Поэтому на практике во избежание перехода в состояние жидкости элегаз подогревают.

ВЭБ-110

Производитель: ЗАО Энергомаш (Екатеринбург)-Уралэлектротяжмаш Номинальное напряжение, кВ: 110 Наибольшее рабочее напряжение, кВ: 126 Номинальный ток, А: 2500, 3150 Номинальный ток отключения, кА: 40 Циклов ВО, при номинальном токе: 5000 Циклов ВО, при токе КЗ: 20 Ток термической стойкости, кА (с): 40 (3) Собственное время отключения, мс: 35 Полное время отключения, мс: 55 Собственное время включения, мс: 70 Масса, кг: 2660
Элегазовый выключатель ВЭБ-110 баковый. Имеет пружинный привод типа ППрК-2000СМ и встроенные трансформаторы тока. Выключатели изготавливаются в климатических исполнениях У1*, УХЛ1* и УХЛ1. Снабжены устройствами электроподогрева полюсов, которые при понижении температуры окружающего воздуха до -25°С автоматически включаются и отключаются при температуре минус 19 : 22°С. Контроль утечки элегаза из полюсов выключателя осуществляется при помощи электроконтактных сигнализаторов плотности. Полюсы выключателя ВЭБ-110 снабжены аварийной разрывной мембраной.

Ток включения, кА:

начальное действующее значение периодической составляющей

Сквозной ток короткого замыкания, кА:

начальное действующее значение периодической составляющей

Номинальное относительное содержание апериодической составляющей, %, не более

Ток ненагруженных линий, отключаемый без повторных пробоев, А, не более

Ток одиночной конденсаторной батареи с глухозаземленной нейтралью, отключаемый без повторных пробоев, А

Отключаемый индуктивный ток шунтирующего реактора, А

Отключаемый ток намагничивания ненагруженных трансформаторов, А

Расход элегаза на утечки в год, % от массы элегаза, не более

Давление элегаза, МПа абс:

давление заполнения (номинальное)

давление предупредительной сигнализаций warning pressure

давление блокировки (запрет оперирования или отключение выключателя с запретом на включение)

количество на фазу, шт

для приборов измерения и учета электроэнергии

для приборов релейной защиты

номинальный первичный ток, A

200, 300, 400, 600 или 500; 1000; 1500; 2000 или 1000; 1500; 2000; 2500

номинальный вторичный ток,

Количество электромагнитов управления в приводе:

Диапазон рабочих напряжений электромагнитов управления, % от номинального значения:

Номинальная величина установившегося значения постоянного тока, потребляемого электромагнитами управления, А,

при напряжении 110 В

при напряжении 220 В

Количество коммутирующих контактов для внешних вспомогательных цепей

11 НО + 12 НЗ + 2 проскальзывающих

Ток отключения коммутирующих контактов для внешних вспомогательных цепей при напряжении 110/220 В, А:

переменного тока ac

постоянного тока dc

Мощность электродвигателя завода включающих пружин, кВт

Номинальное напряжение электродвигателя завода включающих пружин, В:

трехфазного переменного тока

постоянного или однофазного переменного тока

Время завода включающих пружин, с, не более

Напряжение переменного тока подогревательных устройств, В

Мощность подогревательных устройств, Вт:

основного (автоматически включаемого при низких температурах)

основного (автоматически включаемого при низких температурах)

Масса элегаза, кг

* По дополнительному заказу могут быть изготовлены трансформаторы тока с другими параметрами, в том числе с большими нагрузками и т.п. * * Допускается питание электромагнитов управления выпрямленным током, например, от блоков БПТ-1002, БПНС-2, а также БПЗ-401 с блоками конденсаторов БК-403.

Условия эксплуатации выключателя.

Предназначены для эксплуатации в открытых и закрытых распределительных устройствах в сетях переменного тока частотой 50 Гц с номинальным напряжением 110 кВ в районах с умеренным и холодным климатом при следующих условиях:

• окружающая среда – невзрывоопасная, не содержащая агрессивных газов и паров в концентрациях, разрушающих металлы и изоляцию. Содержание коррозионно-активных агентов по ГОСТ 15150 (для атмосферы типа II);
• верхнее рабочее значение температуры окружающего выключатель воздуха составляет 40°С;
• нижнее рабочее значение температуры окружающего выключатель воздуха составляет: для климатического исполнения У1* — минус 40°С, для исполнения УХЛ1* — минус 55°С, для исполнения УХЛ1 – минус 60°С;
• Гололед с толщиной корки льда до 20 мм и ветре скоростью до 15 м/с, а при отсутствии гололеда — при ветре скоростью до 40 м/с.
• Тяжение проводов в горизонтальном направлении — не более 1250 Н.

При заказе возможна поставка выключателей:

• с внешней изоляцией для работы в условиях III (фарфоровые вводы) и IV степени загрязнения по ГОСТ 9920-89 (фарфоровые и полимерные вводы);
• в климатическом исполнении Т1 (верхнее рабочее значение температуры окружающего воздуха плюс 55°С).

Правила обслуживания элегазового выключателя

Обслуживание элегазовых выключателей регламентируется Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) 1.8.21.

При подключении системы следует проверить присутствие в баке минимального давления — без этого прибор сломается. Во избежание предупреждений конструкцией предусмотрена сигнализация, предупреждающая о критическом значении давления. Имеется также манометр для визуального контроля.

Шкаф привода содержит не позволяющие возникнуть конденсату на ответственных механизмах нагревательные элементы. Оператор ЭВ обязан следить за постоянной работой нагревателей и не допускать их выключения.

При осмотре ЭВ следует:

• проконтролировать состояние внешней защиты;
• убрать загрязнения при их наличии;
• устранить повреждения;
• выяснить и устранить причину нагрева контактов при наличии такового;
• если обнаружены посторонние шумы и треск — выявить их источник;
• проверить целостность металлической опорной рамы, поскольку она одновременно и часть контура заземления;
• снять показания манометра и сверить их с указанными производителем паспортными данными;
• проверить, исправны ли приборы управления и контроля, отремонтировать или заменить вышедшее из строя

При падении давления газа его запасы в камере пополняется.

Основные физико-химические свойства элегаза.

Элегаз (шестифтористая сера, SF6) — газ без цвета и запаха. В нем содержится 21,95 % серы и 78,05 % фтора. Его молекулярная масса 146,06. При абсолютном давлении р — 0,229 МПа и выше (давление тройной точки) элегаз в зависимости от температуры может находиться во всех трех агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном). При давлении 0,229 МПа температура тройной точки составляет 222,95 К, а теплота парообразования в ней 120 Дж/г. Плотность элегаза при Θ = 273 К и р = 0,1 МПа составляет 6,56 кг/м3. Абсолютная диэлектрическая постоянная еа = 1,0021. Критическое давление равно 3,71 МПа, а критическая температура составляет 318,7 К. Полное число степеней свободы молекулы элегаза равно 36. Из них три степени свободы — в поступательном движении, три — во вращательном, а остальные — в колебательном. Диаметр молекулы элегаза равен 5,33 А.

Для обеспечения стабильного переходного сопротивления поверхности скользящих контактов рекомендуется никелировать. Так как основными продуктами разложения элегаза в электрическом разряде являются фтористые соединения, то не рекомендуется использовать в элегазовой аппаратуре в качестве конструкционных материалы, содержащие кремний, такие как стекло, стеклопластики, кварцевый песок, в качестве наполнителя для эпоксидных компаундов. Поверхность фарфора желательно защищать от воздействия продуктов разложения. Практически не подвержены действию продуктов разложения элегаза изоляционные материалы на основе лавсана. Хорошо зарекомендовали себя фторопласт, эпоксифторопласт, полиуретан, уретановые эластомеры, композиции на основе полидивинилового и полидивинилизопренового каучуков, резины НО-68, В-14, 1225А, 1345, 1376, 1481. Из эпоксидных смол стойкими к продуктам разложения элегаза являются смолы ЭДЛ, ЭД-6, нестойкими — циклоолифатическая СУ-175, НПС-609-21М, ЭД-5. Поэтому для изоляторов элегазовой аппаратуры рекомендуется использовать смолы ЭДЛ и ЭД-6 с наполнителями типа волластонита, кордиерита, муллита, фтористого кальция и электрокорунда белого, особенно с двумя последними. При реально встречающемся в нормальной эксплуатации оборудования с элегазовой изоляцией содержании продуктов разложения элегаза допускается применять практически любые металлы в качестве конструкционных. При этом предполагается, что содержание кислорода в элегазе в процессе эксплуатации не превышает 0,03 весовых процента, а точка росы для паров воды не выше —40 °С. Сохранение содержания паров воды и продуктов разложения в элегазе в процессе эксплуатации достигается с помощью осушителей при запуске газа, технологии изготовления и монтажа оборудования, гарантирующих утечку газа не более 3 % в год, встроенных в оборудование фильтров — поглотителей продуктов разложения. В качестве осушителя элегаза от паров воды и поглотителя продуктов разложения элегаза может быть рекомендован цеолит NaX. Его поглотительная способность составляет; по воде около 10 % сухой массы и по продуктам разложения около 6 %. В связи с сильной зависимостью количества образующихся продуктов разложения от чистоты газа и типа конструкционных материалов сформулировать конкретные рекомендации по необходимому количеству поглотителя затруднительно. Можно лишь привести конкретный пример, что коммутация тока 31,5 кА в выключателе на напряжение 110 кВ приводит к разложению 5—7 см3 элегаза на 1 кДж выделяемой в дуге энергии

Появление в элегазе в процессе эксплуатации АВН вредных для человека примесей (фторидов) является существенным недостатком элегаза как дугогасящей и изолирующей среды и требует особых мер предосторожности при ревизии элегазового оборудования (применения противогазов, защитных перчаток и других мер по технике безопасности). Основные химико-физические свойства элегаза приведены в табл. 6. Таблица 6

Физико-химические свойства газообразного элегаза * Давление р — в МПа

Таблица 6. Физико-химические свойства газообразного элегаза

* Давление р — в МПа.

Факторы, влияющие на электрическую прочность элегаза при заданном его давлении, можно условно разделить на две группы: физико-химические и механические. К первой группе относятся температура элегаза, примеси в нем других газов, включая пары воды, материал электродов. Ко второй группе относятся степень шероховатости поверхности электродов и число диэлектрических и проводящих частиц в объеме элегаза и на поверхности электродов. Влияние части перечисленных факторов на напряженность зажигания разряда уже рассмотрено.

Панели

• местный переключатель «Включить/Отключить»;

• 3-х позиционный переключатель режима управления «Местное/Дистанционное/ Отключено»;

• несбрасываемый электромеханический счетчик числа срабатываний выключателя;

• механический индикатор взвода пружины, видимый через прозрачную шторку.

• стандартные клеммные колодки зажимного типа, в которых оголенный провод зажимается в клемме между двумя металлическими пластинами;

• блокировка для ручного взвода пружин;

• аппаратура управления — реле, автоматические микровыключатели, контакторы и т.д.;

На внутренней стороне задней дверцы находится отсек для документов с инструкциями по эксплуатации и окончательными вариантами чертежей. Там же закреплена и рукоятка для взвода.

Области применения

Устройства приводов для элегазовых выключателей подвергаются серьезным силовым нагрузкам, особенно в конструкциях для сверхмощных напряжений, в которых вес подвижной части превышает 100 кг, а движение контакта происходит до 25см, со скоростью 8 м/с, при нагрузке 80 кН.

Качественной работе привода уделяется особое внимание, так как большинство аварий, произошедших с ЭВ, связаны именно с механической частью устройств. • Хороший энергоресурс – запас прочности на большое количество циклов отключений и включений

• Хороший энергоресурс – запас прочности на большое количество циклов отключений и включений

• Возможность использования для коммутации сетей с любым напряжением, в том числе высоким, а также возможность быстрого аварийного отключения

Повышенная надежность и безопасность эксплуатации элегазовых выключателей, обеспечивает постепенное вытеснение этими моделями масляных аппаратов с перспективой полной их замены в основных высоковольтных сетях.

Пружинные приводы BLG применяются в составе выключателей следующих типов: HPL B

LTB E1 (с трехполюсным режимом привода) LTB E2 LTB E4

Среди основных преимуществ выключателей с элегазовым наполнением выделяются:

1. Широкий спектр применения на всевозможные напряжения выше 1000 В;
2. Сам процесс гашения дуги происходит в замкнутом изолированном пространстве поэтому нет выхлопа в атмосферу;
3. Небольшие габариты, соответственно и вес;
4. Быстродействие;
5. Взрывобезопасен, а также не вызывает не контролируемого горения, то есть пожара;
6. Высокая отключающая способность;
7. Надёжность отключения небольших индуктивных, а также емкостных переменных токов в момент перехода тока через нулевую отметку без появления перенапряжений и среза;
8. Низкий износ контактов, участвующих в дугогашении;
9. При работе не производит большого шума;
10. Пригоден как для наружной, так и для внутренней электроустановки;
11. Можно эксплуатировать в различных климатических условиях даже очень суровых для человека;
12. Возможно изготовление серийных устройств с идентичными унифицированными узлами.

Как и любое устройство элегазовые выключатели имеют свои недостатки:

1. Требуется очень высокая точность при изготовлении, что влечёт за собой высокую стоимость продукции.
2. Нельзя использовать некачественный или низкокачественный газ;
3. Нужны дополнительные устройства для перекачки, наполнения, а также очистки элегаза;
4. Относительная дороговизна самого элегаза, без которого устройство работает не эффективно.