Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике

ПОИСК ПО САЙТУ:

 
  

 

Электрические станции и подстанции

Как устроены и работают высоковольтные выключатели

 

Современная энергетика работает с огромными энергетическими потоками, передаваемыми по высоковольтным линиям электропередач. Транспортируемая в рабочем режиме по проводам ВЛ-330 кВ энергия, показанная на левой картинке, исчисляется мощностью в несколько гигаватт. (1ГВт=1000МВт=109 ватта).

Электрическая и механическая мощности

Мощность современного тепловоза, тянущего железнодорожный состав на правой картинке, составляет порядка 6 тысяч лошадиных сил или 4,4 мегаватта, что в 1000 раз меньше значения передаваемой по воздушной ЛЭП электроэнергии.

На практике довольно часто возникают ситуации, когда необходимо прекратить оба этих процесса: отключить поток электричества или внезапно остановить поезд. Сделать это довольно сложно. Кинетическую энергию движущегося железнодорожного состава потребуется погасить торможением всех его колес о рельсы или созданием мощного препятствия на пути, например, в виде встречного поезда.

Другими словами, для быстрой остановки локомотива потребуется отключить работу его двигателя и приложить мощность, направленную противоположно движению по инерции, но эквивалентную по величине.

Аналогичные процессы происходят в энергетике. Только при передаче электричества движутся заряженные частицы — электроны, которые передают энергию по тоководам: проводам ЛЭП. Для прекращения протекания электрического тока создают разрыв в схеме электрической цепи. Но при этом продолжают действовать мощные инерциальные силы, энергии которых необходимо противостоять.

Дело в том, что мгновенно отключить электрическую цепь и отвести ее контакты на безопасное расстояние невозможно даже при мощном взрыве. В момент размыкания цепи поток электронов продолжает движение по инерции, как и поезд.

Электрические процессы, происходящие в выключателе

Специальные технические конструкции, называемые выключателями нагрузки, созданы для прекращения действия инерционных сил электрического поля, ограничения и ликвидации протекания тока. Упрощенно стадии работы такого выключателя показаны на рисунке.

Стадии работы выключателя

Когда выключатель включен (рис 1), то через него протекает ток.

С началом разъединения контактов (рис 2) между ними появляется электрическая дуга. Причины ее образования не только связаны с силами инерции, но и с выделением значительного количества теплоты, возникающей при разрыве цепи из-за резкого увеличения сопротивления участка отключения. Повышенная температура активизирует движение электронов, способствует их пролету через образовавшийся промежуток.

Разогнавшиеся в электрическом поле металла электроны попадают во встречные атомы воздуха, передавая им свою кинетическую энергию. При этом возникает разделение нейтральных атомов воздуха на положительные и отрицательные ионы, которые начинают двигаться под действием приложенного к сети потенциала, образуют ионизационный канал.

Таким способом образуется ствол дуги и переход молекул воздуха в состояние разогретой плазмы, проводящей ток.

С увеличением дистанции у разводимых контактов (рис 3) дуга растягивается, а ее температура, под влиянием отвода тепла в окружающую среду и начала обратных процессов деионизации, снижается.

В конечном положении выключателя (рис 4) электрическая дуга обрывается и ток прекращается.

Приведенные примеры лишь приблизительно объясняют принципы и этапы работы выключателя нагрузки. На самом деле процессы в нем описываются более сложными технологиями.

Для гашения дуги высоковольтного разряда чаще всего используется способ помещения ее в инертную среду, обладающую изоляционными свойствами. Это резко снижает увеличение ионизационного слоя, препятствует интенсивности дугообразования. В качестве изоляционных веществ используют:

  • масло;

  • сжатый воздух;

  • вакуум;

  • гексафторид серы (элегаз).

Масляные выключатели

Такие конструкции встречаются в высоковольтном оборудовании до 220 кВ включительно, хотя есть модели, рассчитанные на более высокое напряжение.

У них силовые контакты работают в специальной среде из масла с диэлектрическими свойствами. При размыкании цепи возникающая дуга создает интенсивное испарение масла, образование газового пузыря (освобожденный водород и масляные пары) вокруг разряда.

В рабочей области начинается процесс быстрого проникновения и перемешивания холодных и горячих газов в ствол электрической дуги, провоцирующих процесс деионизации образующегося промежутка.

Бурное газовыделение приводит к возрастанию давления внутри рабочей области бака с контактами, которое тоже противодействует развитию дуги, снижает ее интенсивность.

Гашение дуги в среде масла

Для повышения эффективности ликвидации дуги применяют дугогасительные камеры, работающие по принципам:

  • автодутья;

  • принудительного повышения давления;

  • воздействия силового магнитного поля.

Воздушные выключатели

Воздушный выключатель 330 кВ

Они работают в цепях высоковольтного оборудования 110 кВ и выше, относятся к экологическим устройствам.

Сжатый воздух, производимый компрессорными станциями на месте установки выключателей, подается по трубопроводам в их воздушные емкости, давление внутри которых постоянно контролируется.

Возникающая при отключениях дуга ликвидируется действием высокого давления в рабочей полости и сбиванием за счет обдува. Сжатый воздух в этих типах выключателей дополнительно используется для управления исполнительными элементами привода.

Гашение дуги дутьем сжатого воздуха

Конструкции воздушных выключателей создают с разными:

  • способами образования межконтактного изоляционного интервала в отключенном положении;

  • устройствами вдува воздуха внутрь дугогасящих каналов;

  • количествами шунтирующих элементов.

Вакуумные выключатели

В энергетике вакуумники работают в высоковольтном оборудовании до 110 кВ включительно.

Принцип гашения дуги основан на применении диэлектрических свойств высокоразреженного газа, откачанного из рабочих полостей выключателя специальными конструкциями вакуумных установок. С началом разведения силовых контактов вакуум мгновенно заполняет пространство между ними. Как только первая гармоника синусоиды тока проходит через нулевое положение, так горение дуги прекращается, и выключатель нагрузки полностью останавливает поступление электроэнергии.

Гашение дуги в вакууме

Вакуумные конструкции все больше пользуются популярностью благодаря надежности своей работы.

Элегазовые выключатели


Элегазовый выключатель

Эти устройства работают по принципам воздушных выключателей, но с заменой сжатого воздуха на лучший по изоляционным свойствам и электрической прочности элегаз. Их широко внедряют практически для всего класса напряжений высоковольтного оборудования.

Гашение дуги в элегазе

Скорость отключения

Продолжительность времени работы выключателя зависит от конструкции его привода и типа применяемой энергии для отключения.

Выключатели могут использовать энергию:

  • взведенной пружины;

  • давления сжатого газа либо воздуха;

  • электромагнитного поля;

  • или их комбинации.

Современные выключатели полностью выполняют отключение (снимают напряжение со схемы) за время около 0,04 сек с момента получения команды на привод.

Способы управления выключателями нагрузки

Рассмотренные выше конструкции силового оборудования коммутируют мощные потоки электроэнергии, но не могут самостоятельно определить момент времени и очередность выполнения операций по переключениям. Этим целям служат специальные устройства автоматики, которые имеют:

  • измерительные органы электрических параметров контролируемой сети;

  • логические аппараты, обрабатывающие поступающую на них информацию от измерительных органов;

  • средства ручного и автоматического управления, работающие с местных пультов или дистанционно.

Измерительные трансформаторы тока с классом точности 0,5 и выше постоянно отслеживают величину и угол вектора тока в каждой фазе схемы.

Измерительные трансформаторы тока

Контролем напряжения занимаются измерительные ТН с такими же метрологическими характеристиками точности.

Измерительные траснформаторы напряжения

ТТ и ТН переводят первичные величины во вторичные вектора с номинальными значениями тока в 1 или 5 ампер и напряжения в 100 вольт для линейных величин (у фазных снижаются в 1,73 раза).

Эти вектора токов и напряжений передаются на измерительные приборы (амперметры, вольтметры, ваттметры, счетчики, фиксаторы, регистраторы, самописцы и т п) и в цепи защит линии и выключателей для контроля состояния параметров проходящей электроэнергии.

Силовой высоковольтный выключатель нагрузки, который подключен к автоматике со схемами управления, защит, блокировок называют автоматическим выключателем.

Им электротехнический персонал может управлять с местных пультов, расположенных около выключателя и дистанционно разными способами.

Местное управление предназначено для настройки рабочих органов, проверок функционирования систем при наладке и периодическом обслуживании ремонтным персоналом на выведенном из работы оборудовании.

Переключения высоковольтного выключателя под напряжением выполняются оперативным персоналом только дистанционными методами.

В качестве защит выключателя и его линии, снимающих напряжение с защищаемой зоны в случаях возникновения на ней аварийных процессов, могут выступать:

  • дифференциально-фазная защита, обладающая высоким быстродействием и реагирующая на все типы повреждений без выдержек времени;

  • токовая отсечка, реагирующая на междуфазные замыкания без выдержек времени;

  • дистанционная многоступенчатая защита, реагирующая на междуфазные замыкания;

  • направленная многоступенчатая токовая защита нулевой последовательности, реагирующая на двухфазные и однофазные замыкания на землю;

  • суммарная защита от неполнофазного режима;

  • индивидуальная защита от непереключения фаз;

  • высокочастотное телеускорение;

  • автоматическое ускорение защит при подаче напряжения на линию;

  • оперативное ускорение резервных защит и многие другие устройства.

К средствам автоматики, воздействующим на высоковольтный выключатель, могут относиться:

  • устройства ОАПВ — однофазного автоматического повторного включения, которые самостоятельно определяют поврежденную фазу и отключают ее на время уставки с последующим повторным включением, контролируя восстановление параметров линии. В случае неуспешного включения поврежденной фазы передается команда на работу трехфазного АПВ;

  • устройства ТАПВ, запускаемые в работу при трехфазном отключении.

Состояние высоковольтного выключателя постоянно контролируется схемой сигнализации, которая подключается к дополнительным блок-контактам КСА, повторяющим через рычажную систему действия силовых контактов. От них загораются сигнальные лампы и световые табло для предоставления информации оперативным работникам.

Читайте также: Как устроены и работают высоковольтные разъединители








Статьи близкие по теме:
  • Высоковольтные вакуумные выключатели — устройство и принцип работы
  • Элегазовые выключатели: плюсы и минусы эксплуатации
  • Типы выключателей нагрузки на 6 - 10 кВ
  • Процесс образования электрической дуги и способы ее гашения
  • Достоинства вакуумных выключателей

  • Внимание! Перепечатка (полная или частичная) материалов сайта "Школа для электрика", включая распространение на бумажных носителях, без письменного разрешения администратора сайта запрещена.

    Школа для электрика | Основы электротехники | Электричество для чайников
    Электрические аппараты | Справочник электрика
     Электроснабжение | Электрические измерения | Электрические схемы
     Электромонтажные работы | Пусконаладочные работы | Эксплуатация электрооборудования

    Моя профессия электрик

    Школа для электрика - сайт для электриков, людей, имеющих электротехническое образование, стремящихся к знаниям и желающих совершенствоваться и развиваться в своей профессии.
    Электроэнергетика и электротехника, промышленное электрооборудование.

    Кабельные муфты IEK