Высоковольтные выключатели — ключевые элементы защиты и управления в электроэнергетических системах, обеспечивающие безопасное включение и отключение электричесиких цепей при нормальных и аварийных режимах. Их работа основана на прерывании электрической дуги, возникающей при размыкании контактов.
В настоящее время наиболее распространены элегазовые (SF6) выключатели, которые используют гексафторид серы для гашения дуги. Это обеспечивает высокую эффективность и безопасность, что делает их пригодными для сетей напряжением до 1150 кВ.
Вакуумные выключатели также широко используются, особенно в распределительных устройствах среднего напряжения (до 36 кВ). Они работают в вакууме, что позволяет быстро гасить дугу и обеспечивает высокую надёжность.
Воздушные выключатели применяют сжатый воздух для гашения дуги и используются в подстанциях и сетях среднего и высокого напряжения. Они обеспечивают эффективное отключение цепей и применяются в различных условиях эксплуатации.
Маломасляные выключатели используют ограниченное количество масла для гашения дуги, что снижает пожароопасность по сравнению с баковыми моделями. Они широко применяются в распределительных устройствах и являются надежным выбором для многих энергетических систем.
Эти типы выключателей являются наиболее распространенными благодаря их эффективности, безопасности и надёжности в различных условиях эксплуатации.
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).
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.
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.
Для повышения эффективности ликвидации дуги применяют дугогасительные камеры, работающие по принципам:
-
автодутья;
-
принудительного повышения давления;
-
воздействия силового магнитного поля.
Воздушные выключатели
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.
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.
Вакуумные конструкции все больше пользуются популярностью благодаря надежности своей работы.
Элегазовые выключатели
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.
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.
Контролем напряжения занимаются измерительные ТН с такими же метрологическими характеристиками точности.
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. Это позволяет оперативно отслеживать включенное или отключенное состояние выключателя, что имеет решающее значение для безопасного обслуживания и управления электроэнергетической системой.
Кроме того, такая система сигнализации может быть интегрирована с более сложными системами управления и мониторинга, такими как SCADA, для автоматизации процессов контроля и управления на подстанциях. Это повышает эффективность и безопасность работы электроэнергетических объектов.
Презентация на тему "Высоковольные выключатели в электроэнергетике": cкачать в PDF, cкачать в PPTX
Читайте также:
Как устроены и работают высоковольтные разъединители
Системы сборных шин распределительных и трансформаторных подстанций