Лабораторная работа: Малообъёмные масляные и вакуумные выключатели

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ МОЛДОВА

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ МОЛДОВЫ

Энергетический факультет

ОТЧЁТ

по лабораторной работе №2.

Тема: «Малообъёмные масляные и вакуумные выключатели»

Выполнили

студенты гр. SRE-032

Степанов Ф.

Дульцев В.

Проверил

преп. Зайцев А.С.

Кишинёв 2005

Цель работы: изучение конструкции, принципа действия и области применения малообъёмных масляных выключателей.

Основные понятия:

Выключатели – это аппараты, предназначенные для отключения и включения цепей при любых режимах работы энергоустановки.

В сетях переменного тока энергосистем используются следующие типы выключателей высокого напряжения: масляные, воздушные, электромагнитные, элегазовые, вакуумные и тиристорные.

В масляных выключателях контакты размыкаются в масле и дуга гасится с помощью газового автодутья, т.е. вследствие воздействия на дугу струи газов, получающихся в процессе разложения масла под воздействием высокой температуры дуги. Применение получили масляные выключатели двух типов: 1) многообъёмные и 2) малообъёмные.

В многообъёмных масляных выключателях масло является не только газогенерирующей средой, но используется в качестве изоляции. С помощью масла осуществляется изоляция токоведущих частей от заземлённого бака выключателя, токоведущих частей разноимённых фаз друг от друга, а так же изоляция между контактами в отключённом положении выключателя.

В малообъёмных выключателях масло используется только для гашения дуги, поэтому его количество принимается минимально возможным из условия гашения дуги, а изоляция токоведущих частей осуществляется при помощи воздуха и керамических или органических изоляционных материалов. Благодаря малому объёму масла и весьма прочной конструкции баков, выключатели можно считать взрыво- и пожаробезопасными. Это обстоятельство увеличивает безопасность обслуживания выключателей и значительно упрощает их установку в закрытых распределительных устройствах.

Во всех малообъёмных выключателях имеются дугогасительные камеры, наиболее часто с поперечным дутьём. В зависимости от напряжения и мощности отключения выключатели имеют один или несколько разрывов в фазе.

Контакты выключателей для внутренней установки находятся в бачке (горшке), отсюда сохранилось название выключателей «горшковые». Самое широкое применение в сетях 6-10 кВ нашли выключатели подвесного типа (рис.1 а, б, в). В этих выключателях корпус крепится на фарфоровых изоляторах к общей раме для всех трёх полюсов. В каждом полюсе предусмотрен один разрыв контактов в дугогасительной камере.

По типу, показанному на рис.1 а, изготавливаются выключатели ВМГ-10 (выключатель масляный подвесной), а ранее изготавливались выключатели ВМГ-133.

По конструктивной схеме приведённой на рис.1 б, изготавливаются выключатели серии ВМП на напряжение до 35 кВ включительно. При больших номинальных токах предусматривают рабочие контакты снаружи выключателя, а дугогасительные – внутри металлического бочка (рис.1 в). При больших отключаемых токах на каждый полюс имеется два дугогасительных разрыва (рис.1 г). По такой схеме выполняются выключатели серии МГГ и МГ на напряжение до 20 кВ включительно.

Массивные внешние рабочие контакты позволяют рассчитать выключатель на большие номинальные токи (до 9500 А). При напряжении 35 кВ и выше корпус выключателя выполняется фарфоровым (рис.1 д, серия ВМК – выключатель масляный колонковый). В выключателях 35, 110 кВ предусмотрен один разрыв на полюс, при больших напряжения – два разрыва и более. Малообъёмные масляные выключатели изготавливаются на напряжение до 500 кВ включительно и номинальную мощность до 10000 МВ·А.

Рассмотрим подробнее конструкцию широкораспространённых масляных выключателей серии ВМП-10 (рис.1 б, рис.2). Эти выключатели имеют различное исполнение в зависимости от их назначения, например у выключателя ВМП-10к привод поставляется отдельно, а выключатели ВМПП и ВМПЭ имеют соответственно пружинный и электромагнитный привод типа ППМ-10 и ПЭ-11.

Включатель типа ВМП-10 рассчитан на номинальное напряжение 10 кВ, номинальный длительный ток 1500 А, номинальный ток отключения 20 кА, полное время отключения не превышает 0,14 с.

В настоящее время номинальный ток этой серии увеличен до 3200 А, а мощность отключения до 500 МВ·А. С номинальным током отключения 31,5 кА. Конструктивная схема такого выключателя показана на рис.1 в.

Все три полюса выключателя монтируются на одной сварной раме и разделяются между собой изоляционными перегородками.

Каждый полюс состоит из бака цилиндрической формы, выполненного из прочного влагостойкого изоляционного материала – эпоксидной смолы. Концы цилиндра заармированы металлическими фланцами. С помощью маслоуказателя трубки контролируется уровень масла в баке. На верхнем фланце укреплён корпус из алюминиевого сплава, заканчивающийся маслоуказателем. Последний снабжён газоотводным отверстием, направляющим газы вверх в сторону от токоподводящих шин. Оба фланца – верхний и нижний – закрыты крышками, причём верхняя крышка снабжена отверстием, закрытым пробкой, для долива масла, а нижняя крышка – маслопускным отверстием с пробкой.

Крепление бачков на раме осуществляется с помощью опорных изоляторов, имеющих внутреннее эластичное крепление арматуры. На раме расположены: общиё для трёх полюсов приводной вал с рычагами, отключающие пружины, масляный и пружинный демпферы. Разрез нижней части бака полюса выключателя представлен на рис.2.

Неподвижный розеточный контакт расположен внутри крышки нижнего фланца. Подвижный контактный стержень подвешен к верхнему фланцу и связан с передаточным механизмом. Подвод тока к подвижному стержню осуществлён с помощью роликового устройства, создающего скользящее контактное соединение. Передаточный механизм и роликовое устройство размещаются в корпусе выключателя. Контакты снабжены тугоплавкими наконечниками, что значительно повышает их дугостойкость и значительно увеличивает срок службы.

Внутри цилиндра, над розеточным контактом, расположена дугогасительная камера поперечного дутья. Камера представляет собой пакет круглых пластин из электрокартона, фибры и гетинакса. Верхняя часть камеры снабжена масляными карманами, а нижняя – тремя поперечными дутьевыми каналами, расположенными один над другим и сообщающими с помощью вертикальных каналов подкамерное пространство с верхней половиной бачка. Подкамерное пространство сообщается, кроме того, с добавочным резервуаром в виде стального стакана с воздушной подушкой, укреплённого на нижнем фланце бачка. Упругая воздушная подушка в стальном стакане сглаживает пульсацию давления в дугогасительной камере и убыстряет очищение её каналов от газов после окончания гашения дуги.

Во включённом положении ток идёт по вводу, неподвижному розеточному контактному элементу, подвижному контакту и через роликовое устройство и направляющие неподвижные стержни выходит к верхнему вводу.

При отключении выключателя, когда освобождается запирающее устройство привода, вал выключателя под действием отключающих пружин быстро поворачивается, поднимая контактный стержень вверх.

Между контактами выключателя образуется дуга, вызывая газообразование в подкамерном пространстве. На первой стадии процесса отключения до момента открытия первой поперечной щели давление газов в подкамерном пространстве растёт (стадия замкнутого газового пузыря). На второй стадии щели поочерёдно открываются и возникает дутьё, направленное поперёк дуги, и дуга гаснет. Время гашения дуги при отключении больших и малых токов изменяется от 0,015 до 0,025 с.

При отключении больших и средних токов образовавшаяся разность давлений между подкамерного пространства и верхней частью бачка оказывается достаточной для того, чтобы создать эффективное поперечное дутьё после открытия поперечных щелей. При отключении малых токов поперечное дутьё в каналах получается слабым, гашение дуги затягивается и завершается с помощью дополнительных радиальных струй дутья из масляных карманов в верхней части камеры. После окончания гашения дуги продолжается вытеснение мосла под действием упругой воздушной подушки из стального резервуара. В результате каналы камеры быстро очищаются от газов и камера подготавливается для работы в цикле АПВ.

А процессе отключения газы, выходящие из бака, увлекают за собой частицы масла, которые задерживаются маслоотделителем и масло возвращается обратно в бак. Когда камера заполнится маслом, выключатель готов для выполнения следующего цикла операций. Бестоковая пауза при АПВ для этих выключателей довольно большая – 0,5 с.

В выключателе ВМП-10 всего 4,5 кг масла, качество которого должно отвечать обычным требованиям к изоляционному маслу. Если масло будет сильно загрязнено, а каналы камеры обуглены, то станет возможным перекрытие между контактами в отключённом положении.

Для смягчения удара при отключении выключателя в раме имеется масляный буфер.

Выбор масляных выключателей проводят по следующим условиям:

Номинальное напряжение;

Длительный номинальный ток;

Номинальный ток отключения:

симметричный;

асимметричный;

Номинальный ток динамической устойчивости:

симметричный (эффективное значение)

асимметричный (максимальное значение)

Номинальный тепловой импульс

(термическая устойчивость)

Примечания:

- действующее значение периодической составляющей тока КЗ в момент расхождения дугогасительных контактов;

- номинальный ток отключения;

- апериодическая составляющая тока КЗ в момент расхождения контактов;

- номинальное значение относительного содержания апериодической составляющей в отключаемом токе КЗ;

- наименьшее время от начала короткого замыкания до момента расхождения дугогасительных контактов;

- действующее значение предельного сквозного тока КЗ;

- амплитудное значение предельного сквозного тока КЗ;

- начальное значение периодической составляющей тока КЗ в цепи выключателя;

- ударный ток КЗ в цепи выключателя;

- тепловой импульс по расчёту.

Описание и работа вакуумных выключателей

Вакуумные выключатели BB/TEL (в дальнейшем - выключатели) предназначены для работы в комплектных распределительных устройствах (КРУ) и камерах стационарных одностороннего обслуживания (КСО) внутренней и наружной установки класса напряжения до 20 кВ трехфазного переменного тока 50 Гц для систем с изолированной и заземленной нейтралью. Вакуумные выключатели серии BB/TEL-10 защищены патентом № 2020631 от 30.09.1994 г. В основе конструктивного решения выключателя лежит использование пофазных электромагнитных приводов с «магнитной защёлкой», механически связанных общим не несущим нагрузку, валом-синхронизатором. Параллельно соединённые катушки электромагнитных приводов фаз выключателя при выполнении команд подключаются к предварительно заряженным конденсаторам в блоках управления (далее БУ/TEL). Такая конструкция позволила достичь следующих отличительных особенностей по сравнению с традиционными вакуумными выключателями (ВВ): высокий механический и коммутационный ресурс;

малое энергопотребление по шинам оперативного напряжения (заряд и поддержание в параметрах конденсаторных емкостей «ВКЛ», «ОТКЛ»);

малые габариты и вес;

лёгкость и простота адаптации в любые типы КРУ, КСО;

возможность использования в широком диапазоне питающего оперативного напряжения вторичных цепей;

необслуживаемость на протяжении всего срока эксплуатации.

низкая трудоемкость производства и, как следствие, умеренная цена.

Вакуумные выключатели BB/TEL имеют сертификаты соответствия стандарту международной электротехнической комиссии МЭК 56, сертификат соответствия ГОСТ 687-78.

Для управления выключателями отделение устройств управления промышленной группы «Таврида Электрик» выпускает блоки управления серий BU/TEL, БУ/TЕl.

Структура условного обозначения выключателей

Пример записи обозначения выключателя напряжением 10 кВ с номинальным током отключения 12,5 кА, номинальным током 630 А , климатического исполнения У2, конструктивного исполнения 45 по каталогу: Выключатель вакуумный ВВДЕ1.-10-12,5/630-У2-45 ИТЕА674152.003ТУ.

Основные части и узлы в отличие от большинства существующих выключателей, в основу устройства BB/TEL заложен принцип раздельного управления контактами вакуумных дугогасительных камер фаз аппарата. Данный принцип позволил существенно уменьшить количество движущихся частей привода.

Вакуумные дуга гасительные камеры установлены внутри полых опорных изоляторов, закрепленных на общем основании. Подвижные контакты дугогасительных камер жестко соединены со своими Приводами посредством изоляционных тяг, которые также располагаются внутри опорных изоляторов. Таким образом, все элементы конструкции полюса имеют общую ось симметрии, вдоль которой совершают 1 возвратно-поступательное движение детали механизма. Это позволяет существенно упростить кинематическую схему BB/TEL, отказаться от применения нагруженных шарнирных и рычажных звеньев, что, в свою очередь, делает возможным создание коммутационного аппарата с высоким механическим ресурсом, не требующего обслуживания и регулировки в течение всего срока службы. Приводы фаз располагаются внутри основания выключателя. Они механически соединены между собой посредством общего вала, который выполняет три функции: Обеспечивает синхронизацию фаз, предохраняя от неполнофазных режимов работы Приводит в действие вспомогательные контакты выключателя

Обеспечивает механическую блокировку работы РУ, в котором установлен BB/TEL. управляет визуальными индикаторами положения BBAEL

На иллюстрации представлен пример конструкции выключателя с номинальным током 1000 А. Конструкция выключателя с номинальным током 1600 А аналогична, но имеет отличия в части устройства элементов главной токоведущей цепи с целью обеспечения большей пропускной способности.

Электромагнитный привод с магнитной защелкой

Электромагнитный привод может находиться в двух устойчивых положениях - ОТКЛЮЧЕНО и ВКЛЮЧЕНО.

Фиксация якоря в этих положениях производится без применения механических защелок, и обеспечивается:

силой упругости отключающей пружины в положении ОТКЛЮЧЕНО;

силой, создаваемой остаточным магнитным потоком кольцевого постоянного магнита, в положении ВКЛЮЧЕНО.

Операция включения и отключения производится путем подачи управляющих импульсов напряжения разной полярности на однообмоточную катушку электромагнитного привода.

Вакуумные дугогасительные камеры

В момент размыкания контактов в вакуумном промежутке коммутируемый ток инициирует возникновение электрического разряда, называемого «вакуумная дуга». Существование вакуумной дуги поддерживается за счет металла, испаряющегося с поверхности контактов в вакуумный промежуток. Плазма, образованная ионизированными парами металла, является проводником тока и поддерживает его протекание между контактами до момента перехода тока через ноль. В этот момент дуга гаснет, а оставшиеся пары металла мгновенно (за 7-10 микросекунд) конденсируютсУна поверхности контактов и других деталей дугогасительной камеры, восстанавливая электропрочность вакуумного промежутка. В это же время на разведенных контактах восстанавливается приложенное к ним напряжение. Если при восстановлении напряжения на поверхности контакта (как правило, анода) остаются перегретые участки, они могут служить источником эмиссии заряженных частиц, вызывающих пробой вакуумного промежуткам последующим протеканием тока через него. Для избежания подобных отказов необходимо управлять вакуумной дугой, равномерно распределяя тепловой поток по всей поверхности контактов. Наиболее эффективным способом управления дугой является наложение на нее продольного (сона-правленного с направлением тока) магнитного поля, которое индуцируется самим током. Данный способ применен в вакуумных дугогаси-тельных камерах, которые разработаны и производятся предприятием «Таврида Электрик». Эта конструкция имеет явные преимущества: Высокая отключающая способность Минимальные габариты и вес Малая величина тока среза (4-5 ампер), ограничивающая коммутационные перенапряжения до безопасных величин Продольное магнитное поле минимизирует коммутационный износ контактов (эрозию) и обеспечивает значительный коммутационный ресурс.

В отключенном положении выключателя контакты вакуумной камеры (ВДК) удерживаются в разомкнутом состоянии действием отключающей пружины, которое передается на подвижный контакт ВДК посредством тягового изолятора. Для включения модуля на обмотку электромагнитного привода разряжается предварительно заряженный включающий конденсатор блока управления. Импульс тока, протекающего по обмотке электромагнитного привода в результате разряда конденсатора, создает магнитное поле в зазоре между якорем и плоским магнитопроводом.

По мере роста тока в обмотке электромагнитного привода сила электромагнитного притяжения между якорем и плоским магнитопроводом возрастает до величины, превышающей силу удержания, создаваемую пружиной отключения. В этот момент якорь привода начинает двигаться по направлению к магнитопроводу, толкая тяговый изолятор и подвижный контакт ВДК (линия 1 на рисунке). В процессе движения якоря по направлению к магнитопроводу воздушный зазор уменьшается, благодаря чему сила притяжения якоря увеличивается. Быстро растущая электромагнит-чая сила стремительно ускоряет движущиеся части модуля до скорости примерно 1 м/с. Такая скорость является оптимальной для процесса включения и позволяет избежать дребез- га контактов при их соударении, существенно снижая при этом вероятность пробоя вакуумного промежутка до момента замыкания контактов (линия 2 на рисунке). Ускоряющийся якорь генерирует в витках обмотки электромагнитного привода противо-ЭДС, которая препятствует дальнейшему нарастанию тока в обмотке и даже несколько снижает его (участок 1-2 на рисунке). В момент замыкания контактов (линия 2 на рисунке) подвижный контакт останавливается, а якорь продолжает свое движение еще на 2 миллиметра, поджимая контакты через пружину дополнительного поджатия контактов. Достигнув плоского магнитопровода, якорь останавливается, примагнитившись к магнитопроводу привода (линия 2а на рисунке). В момент остановки якоря он перестает индуцировать противо-ЭДС, что приводит к росту тока, необходимого для насыщения кольцевого постоянного магнита до достижения им необходимых магнитных свойств (участок 2а-3 на рисунке). Намагниченный до насыщения кольцевой магнит создает мощный остаточный магнитный поток, достаточный для удержания якоря привода (и соответственно, контактов модуля) во включенном положении даже после отключения включающего тока вспомогательным контактом (линия 3 на рисунке).

Испытания на стойкость к механическим воздействиям показали, что усилие удержания, развиваемого постоянным магнитом, достаточно для того, чтобы удерживать модуль во включенном положении так долго, как это необходимо по условиям эксплуатации, даже при воздействии вибрационных и ударных нагрузок. Отключающая пружина привода также сжимается в процессе движения якоря, накапливая потенциальную энергию для выполнения операции отключения модуля. Перемещение якоря передается на синхронизирующий вал, поворачивая его в процессе перемещения на угол 44°, для обеспечения индикации состояния модуля, управления вспомогательными контактами и приведения в действие блокировочных механизмов распредустройства.

Для отключения выключателя на обмотку электромагнитного привода разряжается предварительно заряженный отключающий конденсатор блока управления, обеспечивающий протекание через обмотку в течение 15-20 миллисекунд тока в направлении, противоположном току включения (участок 4-5 на рисунке). Ток отключения частично размагничивает постоянный магнит, ослабляя силу магнитного притяжения якоря к плоскому магнитопроводу. Совместное воздействие отключающей пружины и пружины дополнительного поджатия контактов является достаточным для того, чтобы «оторвать» примагниченный якорь от магнито-провода (линия 4а). Возникающий воздушный зазор в приводе резко уменьшает силу притяжения, якорь под действием пружин интенсивно разгоняется и после 2 миллиметров свободного движения рывком увлекает за собой тяговый изолятор и подвижный контакт ВДК. Усилие стартового рывка на подвижном контакте может достигать величины 2000 Н, что позволяет эффективно разрывать точки микросварок на поверхности контактов, которые могут возникать из-за термического воздействия токов короткого замыкания.

Размыкание контактов происходите интенсивным ускорением, способствуя достижению максимальной отключающей способности модуля (линия 5 на рисунке).

По достижении якорем крайнего положения контакты ВДК удерживаются в разомкнутом состоянии усилием отключающей пружины, которое передается на подвижный контакт посредством тягового изолятора. Перемещение якоря передается на синхронизирующий вал, поворачивая его в процессе перемещения на угол 44°, для обеспечения индикации состояния модуля, управления вспомогательными контактами и приведения в действие блокировочных механизмов распредусгройства.

Вывод

В ходе работы мы изучили конструкцию, принципом действия, основными техническими данными малообъёмных масляных выключателей, а также вакуумных выключателей. Изучили назначение рабочих и дугогасительных контактов. Были исследованы особенности работы дугогасительной камеры при отключении масляным выключателем малых токов.