Как устроены и работают высоковольтные выключатели

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.

Сравнение разных типов выключателей

Рассмотрим, как действует высоковольтный выключатель на примере схемы городской подстанции 110/10 кВ. При возникновении короткого замыкания (КЗ) на одном из фидеров автоматика (релейная защита) подает сигнал на отключение выключателя. В результате:

• Выключатель мгновенно размыкает контакты на повреждённой линии, между ними возникает электрическая дуга.
• Дугогасительное устройство (тип зависит от выключателя) быстро гасит дугу, восстанавливая изолирующее промежуток между контактами.
• Отключенный фидер изолируется, аварийный участок линий и оборудования защищается от повреждений, сохраняется работа остальных присоединений.

При этом очень важно, чтобы выключатель был рассчитан на ток короткого замыкания (например, до 31,5 кА для сети 110 кВ), и имел высокий быстродействующий привод, иначе возможны серьезные повреждения оборудования и опасность для персонала.

Выбор типа выключателя

Масляный выключатель

Пример: На подстанциях 35–110 кВ старого типа ранее часто применялись масляные выключатели. Если на такой подстанции наблюдается высокая пожароопасность, а обслуживание персонала ограничено, масляный вариант может быть не лучшим выбором: при КЗ требуется регулярная замена масла и контроль на наличие газов после каждого отключения.

Вакуумный выключатель

Пример: На современной распределительной подстанции 10 кВ для защиты кабельных линий применяются вакуумные выключатели. Их выбирают, поскольку:

• Минимально требуют обслуживания;
• Обеспечивают быстрое гашение дуги;
• Не выделяют газов и не требуют масла.
• Они надежны, особенно для частых коммутаций — например, при эксплуатации промышленных фидеров с постоянным перераспределением нагрузки.

Элегазовый (SF6) выключатель

Пример: Для головных выключателей на высоковольтных GIS (110–220 кВ и выше) часто применяют элегазовые выключатели. Они незаменимы там, где важны компактность, высокая изоляция и низкое обслуживание: например, в центре города или на закрытых распределительных устройствах (КРУЭ). При КЗ они позволяют с минимальным разрядом быстро отключить большой ток — критично для защиты дорогостоящего оборудования (трансформаторов, шин).

Популярные вопросы о высоковольтных выключателях

1. Какова физическая роль среды гашения дуги в разных типах выключателей, и почему выбор этой среды определяет технологические ограничения применения аппарата?

Ответ:

Среда гашения дуги влияет на скорость восстановления изоляционных свойств между контактами после размыкания, на возможность отключения токов короткого замыкания и на долговечность конструкции. В масляных выключателях масляная среда эффективно охлаждает и ионизирует дугу, но предъявляет требования к чистоте и герметичности, что ограничивает использование на новых объектах. Вакуум обеспечивает быструю деионизацию, позволяя уменьшать размеры и время отключения, однако ограничивает максимальное рабочее напряжение. Воздух и SF6 используются для отключения больших токов на высоких напряжениях, но требуют мощных компрессоров или контроля утечек. Таким образом, выбор среды определяет не только электрические, но и эксплуатационные, экологические, а также экономические параметры применения выключателя.

2. Какие конструктивные особенности главных и дугогасительных контактов важны для увеличения ресурса выключателя в тяжёлых режимах эксплуатации?

Ответ:
Для увеличения ресурса контакты должны обладать высокой механической прочностью, малым переходным сопротивлением и устойчивостью к эрозии. В вакуумных выключателях применяется многослойное конструктивное решение (например, контакты из меди с тугоплавким сплавом), оптимальная форма (грибовидные контакты) для равномерного распределения дуги. В элегазовых выключателях часто используются специальные наплавки для снижения износа. В масляных — острые края, ускоряющие расхождение контактов и гашение дуги. В современных аппаратах внедряются самодиагностические системы, отслеживающие параметры износа в режиме реального времени, что также увеличивает ресурс.

3. Каким образом современные тенденции в проектировании выключателей формируют требования к обслуживанию и безопасности?

Ответ:

Рост уровня автоматизации и внедрение мониторинга состояния выключателей сократил число плановых обслуживаний — теперь диагностика осуществляется онлайн по ряду параметров: количество отключений, состояние дугогасительной среды, временные характеристики контактов. Выключатели оснащают модулями защиты персонала от неконтролируемых утечек газа, блокираторами механического открывания, системами автоматической рекуперации среды (например, SF6). В новых конструкциях применяется принцип минимизации ручного доступа, дистанционный привод и программируемые реле для анализа ошибок эксплуатации. Всё это снижает аварийность и растраты на эксплуатацию.

4. Какие преимущества и недостатки проявляются именно при работе выключателей во включённом и отключённом состоянии в условиях экстремальных нагрузок (перегрузки, кз)?
Ответ:

Во включённом состоянии (при протекании экстремальных токов) критична способность конструкции не перегреваться и не допустить сваривания контактов. В вакуумных и элегазовых выключателях преимущества — устойчивость к возникновению дуги, быстрый отвод тепла, малое сопротивление контактов. В масляных и воздушных — высокая вероятность деградации среды и увеличение опасности аварии. Во время отключения важна способность быстро и полностью гасить дугу, предотвратить её повторное зажигание, а также исключить пробой изоляции. Недостатки проявляются как повышенное изнашивание контактной группы, эрозия металла, потеря герметичности (SF?) или загрязнение масла (МВ), что приводит к необходимости внепланового ремонта.

5. Как особенности конструкции и физики гашения дуги влияют на выбор типа высоковольтного выключателя для конкретного класса напряжения и условий эксплуатации?

Ответ:

Особенности гашения дуги зависят от среды прерывания — масляной, вакуумной, элегазовой или воздушной. Для высоких напряжений и больших токов (свыше 110 кВ) предпочтительны элегазовые выключатели из-за высокой изоляционной способности и стабильности SF6. Масляные подходят для старых систем средней мощности, но имеют экологические и пожарные риски. Вакуумные используются преимущественно в сетях среднего напряжения до 35 кВ за счёт компактности и быстрого гашения дуги. Воздушные выключатели применяются в особых условиях, где важна простота, но занимают много места и требуют дополнительного оборудования для подачи воздуха. Таким образом, конструктивные и физические особенности среды гашения дуги определяют оптимальность применения типов выключателей для определённого уровня напряжения, токов и требований к надёжности и обслуживанию.

6. Какие современные методы диагностики и контроля технического состояния высоковольтных выключателей применяются для предотвращения неисправностей и продления срока службы?

Ответ:

Современные системы диагностируют параметры выключателей в реальном времени: измеряют сопротивление контактов, счётчики операций включения/отключения, анализируют вибрации и шумы механизма. Применяются датчики утечки газов (SF6), температуры и влажности в камерах, а также онлайн-мониторинг изменения временных характеристик срабатывания. Цифровые системы собирают данные и передают в SCADA для анализа тенденций износа. Такой подход позволяет обслуживающему персоналу оперативно выявлять начальные признаки износа или утечки, планировать ремонты заранее и минимизировать простои подстанций, обеспечивая высокую надёжность электросетей.

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