Развитие вакуумной коммутационной техники в Европе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Развитие вакуумной коммутационной техники в Европе

вакуумная коммутационная техника

История применения вакуумной коммутационной техники в странах Восточной Европы не так продолжительна как в западноевропейских странах. Началом эры вакуумной коммутационной техники можно считать середину шестидесятых годов, когда была использована аксиально-магнитная контактная система (AMF- axial magnetic field electrode) для отключения токов в вакууме. Отдельные фирмы, например Siemens, имея большой опыт по производству вакуумных генераторных ламп, используя новые изобретения в области вакуумной коммутационной техники быстро организовали производство вакуумных выключателей. Первое серийное производство вакуумных выключателей относится к началу семидесятых годов. После этого AMF-контактная система стала все больше и больше применяться в вакуумной коммутационной технике для отключения аварийных токов не только среднего напряжения, но и высокого напряжения. Кроме того, AMF- контактная система нашла широкое применение для отключения постоянных токов в вакууме.

Опасения потребителей в отношении применения вакуумной коммутационной техники

В первые вакуумные выключатели на территории СНГ были приняты в эксплуатацию в восьмидесятые годы. Опыт эксплуатации первых вакуумных выключателей показал, что кратность перенапряжений составила 3,2К8,5. В то время координация изоляции при такой кратности перенапряжений и в условиях низкого качества изоляции украинских сетей среднего напряжения была практически невозможна. Исследования показали, что диапазон токов, срезаемых отечественными вакуумными выключателями перед естественным переходом тока через нуль, составлял от 5 до 35 А. Плохое качество материала контактов, отдельных вакуумных выключателей в то время приводило к высокой вероятности повторного зажигания дуги, даже при выполнении относительно простых коммутационных задач. В основном, использование этих первых вакуумных выключателей давало большой эксплуатационный ущерб при коммутации электрооборудования с низким уровнем изоляции, к примеру электродвигателей. При этом нанесенный ущерб был существенным, особенно для нефтепромысловых предприятий, где коммутации электродвигателей промысловых скважин осуществлялись вакуумными выключателями. К примеру, первые вакуумные контакторы типа КВТ-10-400-4 У2 с использованием вакуумных дугогасительных камер КДВ10-5-400 УХЛ2 были внедрены в эксплуатацию для коммутации электродвигателей нефтепромысловых предприятии Западной Сибири в середине восьмидесятых годов без каких-либо средств ограничения перенапряжений. Проведенные исследования в сетях среднего класса напряжения на нефтепромыслах Западной Сибири показали, что в схемах электроснабжения, в частности электродвигателей, где использовались вакуумные выключатели, возникают коммутационные перенапряжения, которые могут достичь 6-7 кратного фазного напряжения. Период колебательного процесса при этом составляет 100-200 нc. Результаты этих исследований представлены на рисунке 3.1.

По результатам этих и последующих исследований был сделан следующий вывод:

- Кратность коммутационных перенапряжений при использовании вакуумных выключателей больше, чем при других видах внутренних перенапряжений, и они представляют гораздо большую опасность для сетей среднего напряжения. При этом каждая коммутация электродвигателей малой и средней мощности потенциально может приводить к повреждению изоляции при отсутствии необходимых мер защиты.

Это явление вызвало недоверие заказчиков к вакуумным выключателям в целом.

Имея первый отрицательный опыт эксплуатации вакуумных выключателей из-за низкого уровня изоляции (особенно электродвигателей) заказчики отказываются от использования вакуумных выключателей в сетях среднего напряжения и склонны к применению элегазовой коммутационной техники.

Рис. 3.1 Кратность перенапряжении Kt, превышающих хотя бы на одной фазе за t лет при коммутациях мощных электродвигателей 6 кВ (до 2,5 МВт) маломасляными выключателями и погружных электродвигателей (до 200 кВт) вакуумными контакторами типа КВТ-10-400-4 У2: 1 и 2 -усредненная линия соответственно и верхняя граница 90% и 95% - го доверительного интервала.

Развитие вакуумной коммутационной техники

В странах Западной Европы, равно как и во всём мире, о вакуумной коммутационной технике сложилось совершенно противоположное мнение и проблемы, связанные с перенапряжениями, уже давно решены.

На основании многолетних исследований коммутационных задач вакуумной и элегазовой коммутационной техники далее в этой книге:

а) Проведен анализ коммутационных перенапряжений в сетях среднего напряжения, вызываемых вакуумными и элегазовыми выключателями.

б) Определены задачи координации изоляции и оценена надежность сетей среднего напряжения при эксплуатации вакуумной коммутационной техники

В настоящее время из всех существующих типов выключателей: масляных, маломасляных, воздушных, электромагнитных, элегазовых, вакуумных и т. д. по параметрам: высокой надежности, экологичности, обслуживанию и эксплуатации, диапазонам номинальных параметров и экономичности наиболее целесообразными являются элегазовые и вакуумные выключатели. Из этих двух типов выключателей наибольшее применение нашли: на средние напряжения - вакуумные, а на высокие напряжения - элегазовые выключатели. Как показывает анализ рынка, спрос на вакуумные выключатели на мировом рынке достиг 64% (рис. 3.2). Ожидаемый спрос рынка на вакуумную коммутационную технику к 2010 году составит 80% всего рынка коммутационной техники среднего напряжения.

В течение истории развития вакуумной коммутационной техники производители добились внедрения в производство вакуумных выключателей в широком диапазоне номинальных параметров. В настоящее время в производство внедрены вакуумные выключатели до номинального напряжения 84 кВ и токи отключения до 100 кА. Например, в настоящее время производятся вакуумные выключатели на номинальное напряжения 84 кВ и ток отключения к.з. 25 кА. Выключатели с отключающей способностью 100 кА производятся на номинальное напряжение до 13,8 кВ.

В настоящее время существуют лабораторные экземпляры вакуумных выключателей на напряжение 145 кВ с номинальной отключающей способностью 31,5 кА и на номинальное напряжение 12 кВ с номинальной отключающей способностью до 200 кА. Производятся также вакуумные выключатели для коммутации сетей постоянного тока.



Рис. 3.1 Контактный материал для вакуумной коммутационной техники.

Для разных коммутационных задач и разных номинальных параметров используются разные сплавы металлов для изготовления контактной системы вакуумных выключателей. На рис. 3.3. представлены контактные материалы, используемые в современных выключателях. Каждый контактный материал имеет свои положительные стороны и подходит для определенных коммутационных задач и номинальных параметров. Кроме контактных материалов для разных номинальных параметров очень важную роль играет сама структура контактной системы вакуумного выключателя. Например, для коммутации токов до 40 кА рекомендуется использование так называемой радиально-магнитной контактной системы (RMF- radial magnetic field electrode). Как показано на рис. 3.3. для изготовления контактов используются в основном три разных композиции материалов каждую из которых рекомендуется использовать для определенных коммутационных задач и номинальных параметров. Из этого следует, что контактные материалы можно разделить на следующие группы по номинальным параметрам коммутационного аппарата: CuCr - для коммутации на более высоких напряжениях (до 145 кВ), CuTeSi и CuBi на средних напряжениях (до 24 кВ) и для более высоких отключаемых токов (до 200 кA), AgWC - для более низких напряжений (до 7,2 кВ). В настоящее время 98% рынка коммутационной техники среднего напряжения составляют коммутационные аппараты с номинальными токами отключения до 63 кА , из них около 90% рынка - до 25 кА. В связи с этим наибольшее практическое применение нашел контактный материал CuCr. Следует отметить, что контактный материал CuCr в отличие от других контактных материалов по параметрам: отключающей способности и восстановлению диэлектрической прочности промежутка между контактами; устойчивости к эррозии; току среза при его переходе через нуль и переходному сопротивлению контактов в течение срока службы на порядок превосходит другие контактные материалы и пригоден почти для всех коммутационных задач. Кроме этого можно достичь превосходных коммутационных характеристик для разных коммутационных задач путем добавки всего лишь доли процентов примесей. К примеру, добавка Те 0,1-4% уменьшает эрозию, добавка Bi от 2,5 до 15 % уменьшает токи среза, а при добавке С от 0,18 до 1,8 % снижается содержание кислорода в металле. Для улучшения других коммутационных характеристик необходимы добавки W, Si, Ti, Zr или Sb и др..

С начала семидесятых годов - до 1980 года только фирмы Siemens и Mitsubishi, а далее Westinghause и English Elektrik использовали CuCr как контактный материал для серийного производства. После 1980 года производители вакуумной коммутационной техники все шире и шире стали использовать CuCr как контактный материал и уже с 1992 года CuCr стал основным материалом в производстве контактов вакуумных выключателей среднего напряжения.

В настоящее время известно, что при использовании CuCr для изготовления контактов при коммутации малых индуктивных токов, в очень редких случаях, могут возникать опасные перенапряжения из-за повторных зажиганий при отключении (рис.3.4). В основном, опасные перенапряжения возникают при отключении пусковых токов менее, чем 600 А небольших двигателей при моменте начала расхождения контактов за 0,5-1,0 мс до перехода тока через нуль (0,2 % случаев из всех случаев коммутации двигателей). Для этих случаев фирмой Siemens разработано руководство по координации изоляции при эксплуатации вакуумных выключателей, где приводятся надежные схемы защиты от перенапряжений, в основном с использованием ограничителей перенапряжений.

Проблему опасных перенапряжений при коммутации малых индуктивных токов с успехом решают применяемые для этой коммутационной задачи AgW - или AgWC -сплавы контактного материала. На рис. 3.5. представлена частота появления перенапряжений при коммутации малых двигателей вакуумными выключателями с разным контактным материалом. В настоящее время различные фирмы производят вакуумные выключатели с контактным материалом на основе AgW. К примеру фирма Toshiba в настоящее время производит вакуумные выключатели специально для коммутации малых электродвигателей на основе контактных материалов AgWC. Эти вакуумные выключатели имеют номинальные параметры до 7,2 кВ-1200А-40кА.

Рис. 3.2 Частота появления перенапряжений при коммутации малых двигателей вакуумными выключателями с разным контактным материалом.

Как было уже указано выше, на развитие вакуумной коммутационной техники оказало влияние не только изобретение новых контактных материалов, но и изобретение AMF -контактной системы, особенно для коммутации больших токов. На рис. 3.6. приводятся диапазоны номинальных напряжений и токов современных вакуумных выключателей, которые производятся и испытаны в лабораториях для дальнейшего серийного производства.

Рис. 3.3 Диапазоны номинальных напряжений и токов современных вакуумных выключателей

Для коммутации мощных генераторов, конденсаторных батарей, шунтирующих реакторов и др. современные производители производят мощные вакуумные силовые выключатели. Например на фирме Toshiba в настоящее время производятся выключатели с номинальной отключающей способностью 100 кА на номинальное напряжение 13,8 кВ и с номинальным током 3000 А. Номинальное число коммутационных циклов этого выключателя составляет 20000. На фирме Siemens с 1996 года в производство запущены вакуумные генераторные выключатели с номинальной отключающей способностью 80 кА, на номинальное напряжение 17,5 кВ и с номинальным током 12000 А рис. 3.7.

Для повышения надежности сетей напряжением до 77 кВ используется вакуумная коммутационная техника в элегазовых комплектных распредустройствах. Например фирма Siemens на средние напряжения в распределительных устройствах с элегазовой изоляцией использует только вакуумные выключатели. Такие конструктивные решения на порядок повышают эксплуатационную надежность распредустройства.

На рис. 3.8. представлено распредустройство среднего напряжения типа 8DB10 фирмы Siemens, в котором объединены все положительные технические свойства элегазовой и вакуумной коммутационной техники. В этом распредустройстве все компоненты оборудования имеют элегазовую изоляцию, а коммутация номинальных и аварийных токов производится в вакуумной дугогасительной камере. Такое решение обусловлено тем фактом, что вакуумная дугогасительная камера имеет надежность на порядок выше, чем элегазовая

Рис. 3.4. Закрытое распределительное устройство генераторного напряжения 8ВК41 для отключения номинальных токов до 12000 А



Рис. 3.5 Вакуумная коммутационная техника фирмы Siemens с элегазоеой изоляцией. 1 - отсек вторичных цепей, 2 - вторичные цепи, 3 - сборные шины, 4 - литой алюминиевый корпус, 5 - разъединитель, 6 - привод и блокировка для трехпозиционного выключателя, 7 - трехпозиционный выключатель, 8 - коммутационный отсек с верхним и нижним вводом. 9 - привод силового выключателя. 10 - вакуумная дугогасителъная камера, 11 - ввод, 12 - трансформатор тока, 13 - опорная рама. дугогасительная камера и число коммутаций на среднем напряжении на несколько порядков выше, чем число коммутаций на высоком напряжении. В связи с этим распредустройства типа 8DB10 является оптимальным технико-экономическим решением, обеспечивающим максимальную эксплуатационную надежность сетей среднего напряжения на настоящем этапе развития коммутационной техники среднего и высокого напряжения.

Кроме указанных выше возможностей использования в высоковольтных сетях переменного тока вакуумная коммутационная техника нашла применение для коммутаций цепей постоянного тока. Это стало возможным только благодаря использованию AMF -контактной системы. В частности в Японии в испытательной лаборатории термоядерного синтеза "Tokamak" для испытательного термоядерного реактора JT-60 при критических плазменных испытаниях где необходимо каждые 10 минут отключать постоянный ток в пределах 92 кА. При такой частоте коммутаций и токах ни один другой тип выключателя, основанный на использовании для гашения дуги сжатого воздуха или элегаза не является надежным способом решения задачи. В связи с этим в Японии был изобретен вакуумный выключатель постоянного тока на напряжение 44 кВ с отключающей способностью 130 кА постоянного тока. Для энергетических сетей высокого напряжения постоянного тока реализован вакуумный выключатель на 250 кВ. Такие решения возможны только при использовании AMF- контактной системы.

Современные вакуумные выключатели фирмы Siemens для средних классов напряжения

Фирма Siemens постоянно расширяет область применения своих вакуумных выключателей.

К вакуумным выключателям сегодня предъявляются различные требования: от коммутации трансформаторов и электродвигателей, воздушных и кабельных линий, реакторов и конденсаторных батарей, до применения в цепях электрофильтров и питания электродуговых печей. Силовые выключатели должны иметь длительный срок эксплуатации и достаточно высокий коммутационный ресурс. Они должны отключать как небольшие токи короткого замыкания в распределительных сетях, так и большие значения токов в сетях промышленных предприятий. Представляемой серией выключателей типа ЗАН и NXACT фирма Siemens перекрывает весь диапазон требований, предъявляемых к силовым выключателям в классах напряжений от 6 до 35 кВ.

Действие выключателей серии ЗАН и NXACT основано на вакуумном принципе гашения дуги, превосходящем все остальные и наиболее экономичном принципе дугогашения, который сегодня существует и реализуется в технике коммутационных



Рuc. 3.6 Вакуумная коммутационная техника фирмы Siemens

а) Однополюсный вакуумный выключатель тягового электрооборудования (железная дорога); б) Вакуумный контактор 3TL; в) Вакуумный коммутационный модуль NXACT; г) Вакуумный выключатель ЗАН; д) Вакуумные коммутационные камеры фирмы Siemens.

Пять выключателей с тремя большими преимуществами

В классах напряжений от 6 до 35 кВ серия выключателей ЗАН перекрывает весь диапазон отключаемых мощностей. При этом выключатели надежно работают, как при длительных перерывах между отключениями, так и в режиме частых коммутаций, что делает их незаменимыми для применения в сетях городского электроснабжения и промышленных предприятий. Основные электрические характеристики выключателей приведены в табл. 3.1.

Трехполюсные силовые выключатели серии ЗАН благодаря универсальной конструкции могут применяться во всех типах распредустройств внутренней установки, выпускаемых АО SIEMENS для классов напряжений от 6 до 35 кВ. Возможность применения выключателей в распредустройствах российского производства также не вызывает сомнения и уже апробирована для ячеек типов К-59 и К-104. Надежно коммутируя в вакууме, выключатели серии ЗАН используются в распредустройствах, как с воздушной, так и с элегазовой изоляцией. Рекомендуемые области различных типов выключателей приведены в табл. 3.2.

Выключатели серии имеют большой срок службы, отличаются повышенной надежностью, а многие даже не требуют технического обслуживания и ухода в течение всего срока службы. Это обеспечивается использованием подшипников с неизнашиваемыми трущимися поверхностями и применением специальных нестареющих смазочных материалов, а также высоким качеством изготовления. Минимальные допуски при производстве выключателей исключают ненадежное срабатывание.

Так, стандартные выключатели серии ЗАН1, ЗАНЗ и наиболее экономичный - ЗАН5, даже при частых коммутациях не требуют никакой настройки их привода, сохраняя технические характеристики в пределах допустимых отклонений. Для выключателей с повышенным коммутационным ресурсом первая смазка привода нужна лишь после 10 тыс. выполненных коммутаций, а необходимость замены вакуумных камер - после 30 тыс. Выключатели серии ЗАН позволяют экономить время и затраты. Их самоокупаемость особенно высока при использовании в распредустройствах с частыми коммутациями.



Рис. 3.7 Вакуумный коммутационный модуль NXAСT

Вакуумный коммутационный модуль со свойствами выключателя, разъединителя и заземлителя NXACT

На рисунке представлен вакуумный коммутационный модуль со свойствами выключателя, разъединителя и заземлителя NXACT. Этот коммутационный модуль объединяет все наивысшие достижения современной вакуумной коммутационной техники с расширенными возможностями разъединителя и заземлителя с соответствующей системой механических и электрических блокировок. Для производителей КРУ это обозначает минимум затрат в производстве.

Основой широкого применения вакуумных выключателей служит их высокое качество, обеспеченное не только высокоточной технологией изготовления, но и строгим пооперационным контролем. Системой управления качеством охвачен весь цикл изготовления от проектной разработки до приемо-сдаточных испытаний. Так, например, каждый выключатель в процессе приемо-сдаточных испытаний выполняет несколько сотен коммутационных циклов на полностью компьютеризированном стенде. И лишь в случае, когда значения контролируемых параметров находятся в пределах допусков, определенных по результатам типовых ресурсных испытаний, выключатель может быть отправлен заказчику.

Базой для создания серии послужил большой опыт производства и эксплуатации предшествующих типов выключателей. Для всех выключателей ЗАН характерен единый принцип конструктивной компоновки и минимальные габариты, обеспечиваемые компактностью конструкции. При создании выключателей использовано минимально возможное количество полимерных материалов, что облегчает их утилизацию по истечении срока службы. Выключатели имеют высокую стойкость к воздействиям окружающей среды и полностью безопасны в эксплуатации. Надежность технических решений и возможность удовлетворения даже специфических требований заказчика в сочетании с экономией затрат на техническое обслуживание обусловливают широкую область применения выключателей для всех видов коммутаций и гарантируют их успешную эксплуатацию.

Привод современных выключателей среднего напряжения

В настоящее время для современных вакуумных выключателей широкое применения нашли, так называемые, моторно-пружинные и электромагнитные приводы. В практике из-за своей универсальности и многофункциональной возможности более широко используются моторно-пружинные приводы. Электромагнитные приводы используются только для специальных коммутационных задач, особенно для коммутации малых токов.

Общие положения

Эксплуатационные службы электроэнергетических сетей среднего напряжения предъявляют следующие требования к приводу коммутационного аппарата:

- В основном покупатель хочет иметь такой продукт, который с высокой надежностью и эффективностью справляется с поставленными эксплуатационными требованиями и задачами.

- При этом покупателя не интересует, какой тип привода будет выполнять основную задачу коммутации.

- Решающим фактором при покупке коммутационного аппарата является цена и исполнение предъявленных технических требований, которые обеспечивают необходимый уровень эксплуатационной надежности всей сети.

Как моторно-пружинный, так и электромагнитный привод должны выполнять эти вышеуказанные требования.

В настоящее время фирма Siemens имеет вакуумное коммутационное оборудование среднего класса напряжения с электромагнитным приводом для коммутации токов короткого замыкания до 13-16 кА. От 13-16 кА до 100 кА экономически и технически целесообразно применять моторно-пружинный привод. Мировые лидеры вакуумной коммутационной техники имеют электромагнитный привод максимум для коммутации токов к.з. до 20 кА. При возрастании токов к.з. надежность и экономичность электромагнитного привода снижается. При больших токах к.з. необходимы большие силы для включения, т.е. большая электромагнитная энергия соленоида привода. Это вызывает увеличение габаритов электромагнита и необходимость значительной энергии независимого источника питания (аккумуляторной батареи или конденсатора). Факт необходимости дополнительного источника электроэнергии для аварийного отключения выключателя является одним из существенных недостатков электромагнитных приводов. Для больших токов, уже начиная с 13 кА, экономично и надежно запасать энергию для включения и отключения механически, путем мощного пружинного механизма. Для вакуумных выключателей фирмы Siemens такой механизм может произвести коммутацию полного АПВ без какого-нибудь дополнительного источника электроэнергии. Чтобы накопить энергию для отключения 13кА применение электромагнитного привода уже технически и экономически нецелесообразно (уменьшается надежность, увеличиваются габариты и потребляемая мощность соленоида). Электромагнитный привод для отключения токов к.з. выше 20 кА используется очень редко, а именно, когда к надежности коммутации не предъявляются высокие требования или надежность обеспечена другим способом (вероятность исчезновения оперативного напряжения равна нулю). В любом случае, уже при коммутации тока к.з. в 20 кА, стоимость и габариты электромагнитного привода существенно выше, чем у моторно-пружинного привода. Поэтому, электромагнитный привод, как привод силовых вакуумных выключателей, не является в целом решающим критерием выбора коммутационного аппарата для эксплуатационных служб.

Основная ниша рынка, где находят широкое применение вакуумные включатели с электромагнитным приводом, это те области электроэнергетики, где необходим высокий коммутационный ресурс привода или, где необходим отдельный привод для каждой отдельной фазы (к примеру, как у выключателей VM1 фирмы ABB с гарантийным коммутационным ресурсом 100.000 механических коммутаций без техобслуживания привода при токах к.з. до 25 кА). Исходя из приведенных соображений, электромагнитный привод нашел широкое применение для вакуумных контакторов, которые коммутируют малые токи нагрузки с большим коммутационным ресурсом.

Современный моторно-пружинный привод, к примеру вакуумного выключателя ЗАН4 фирмы Siemens имеет гарантийный ресурс 120.000 механических коммутаций (токов к.з. до 40 кА) и обеспечивает малые габариты привода. Кроме этого необходимо отметить, что для силовых вакуумных выключателей основным определяющим фактором является не механический коммутационный ресурс привода, а электрический коммутационный ресурс вакуумной дугогасительной камеры, который в настоящее время не превышает 30.000 коммутаций номинальных и 150 аварийных (номинальных токов к.з.) токов.

Из вышеизложенного можно сделать следующий вывод: одним из основных видов привода современных вакуумных выключателей является моторно-пружинный привод, который рассмотрим ниже.

Электромеханический привод моторно-пружинного типа современных вакуумных выключателей типа ЗАН и NXACT

Небольшой электродвигатель в течение нескольких секунд взводит мощный пружинный механизм с ресурсом полного АПВ. Команду включения и отключения осуществляет (при нормальном и аварийном режиме) электромагнитный расцепитель (имеет очень малую мощность) и в крайнем случае имеется возможность отключения в ручную (при полном отсутствии электроэнергии).

Так как расстояние между контактами в отключенном состоянии максимум 6мм, то могут возникнуть ситуации касания контактов (при больших вибрациях). Для таких случаев применяется, кроме магнитной защелки, механическая, которая точно поддерживает расстояние между контактами в отключенном состоянии.

Вакуумный выключатель ЗАН состоит: из корпуса привода с электромеханическим приводом моторно-пружинного типа с запасенной энергией и элементами управления, трех полюсов выключателя с вакуумными дугогасительными камерами литых опорных изоляторов и переключающих изоляционных штанг.

При нормальных условиях эксплуатации вакуумный выключатель не требует технического обслуживания.

Определяющая коммутационная способность.

Привод силового выключателя ЗАН обеспечивает автоматическое повторное включение. Выключатель для номинального отключаемого тока короткого замыкания 40кА пригоден при номинальных параметрах для быстрого переключения, но может осуществлять автоматическое повторное включение лишь до 31,5 кА.

Оснащение привода

В стандартном исполнении вакуумные выключатели оснащены:

- электромеханическим приводом с механической и электрической системой блокировки от многократного включения выключателя на к.з. (М1)

- включающим электромагнитом (Y9)

- расцепителем рабочего тока (Y1)

- штеккерным соединением вторичных цепей (ХО)

- вспомогательным выключателем (6 ЗАКР. + 6 ОТКР. контактов) (S1)

- позиционным выключателем для выдачи сообщения «Пружина натянута» (S41, S42)

- указателем положения выключателя (концевой выключатель) (S6 и S7)

- счётчиком коммутационных циклов

- механической блокировкой.

Каждый вакуумный выключатель может быть дополнительно оснащён следующим оборудованием:

- вспомогательным выключателем (12 ЗАКР. + 12 ОТКР. контактов) (S1)

- расцепителем рабочих токов 3АХ 1101 (Y1)

- минимальным расцепителем напряжения 3АХ 1103 (Y7)

Дополнительно к серийным расцепителям рабочих токов (Y1) вакуумный выключатель

ЗАН может быть оснащён максимально 2 расцепителями типа 3АХ 11.

Дополнительные комбинационные возможности по запросу.

Моторный привод (Ml)

Максимальное потребление мощности при постоянном напряжении составляет приблизительно 500 Вт, а при переменном напряжении - 550 Вт. Двигатели привода из-за короткого времени натяжения пружин работают в диапазоне перегрузок. Номинальный ток, необходимый для защиты электродвигателя от короткого замыкания указан в таблице 3.3.

Допустимое отклонение напряжения питания для вторичных цепей составляет от -15% до +10% номинального значения.

Таблица 3.1

Номинальные токи, потребляемые устройствами защиты электродвигателя

Номинальное питающее напряжение	24 В пост. тока	48 В пост. тока	60 В пост. тока	110 В пост./пер. тока 50/60 Гц	220 В пост. тока/230 В пер. тока 50/60 Гц
Рекомендуемый номинальный ток, потребляемый приборами защиты*	8/16 А	6/8 А	4/8 А	2/6 А	1,6/3 А

Вспомогательный выключатель (S1)

Вспомогательный выключатель может иметь 2 конструкции. Стандартная конструкция вспомогательного выключателя 6 замкнутых и 6 разомкнутых контактов. Удлинённая конструкция предусматривает наличие 12 замкнутых и 12 разомкнутых контактов.

Номинальное изоляционное напряжение: 250 В пост./пер. тока

Изоляционная группа: С согласно DIN 0110

Продолжительный ток: 10 А

Коммутационная способность: 50 А

Штеккерное соединение (ОХ) вторичных цепей

Расположенные в блоке привода элементы управления силовым выключателем ЗАН присоединены проводами для внешнего подключения к штеккерному соединению (ОХ) Стандартная конструкция имеет 64-полюсный штеккерный разьем.

Включающий вспомогательный расцепитель (Y9) 3AY1510

Включающий электромагнит служит для разблокирования натянутой включающей пружины, а следовательно для подачи электрической команды на включение силового выключателя. Он может быть рассчитан как на постоянное, так и на переменное напряжение. Включающий электромагнит после исполненной команды на включение самостоятельно отключается.

Потребляемая мощность 110 Вт/ВА.

Таблица 3.2

Коммутационная способность вспомогательного выключателя 3SV92

Коммутационная способность
Пер. напряжение от 40 до 60 Гц	Постоянное напряжение
Раб. Напряжение U (В)	Раб. Ток I(А)	Раб. напряжение U (В)	Раб. Ток I (А)
			омическая нагрузка	индуктивная нагрузка (Т=20 мсек.)
До 230	10	2448 60 110 220	10 10 9 5 2,5	10 9 7 4 2

Расцепителъ рабочих токов (вспомогательный отключающий расцепитель)

Расцепитель рабочих токов используется для отключения силового выключателя по команде соответствующего реле защиты или для принудительного отключения посредством подачи электрической команды. Он рассчитан на подключение к внешнему источнику питания (переменного или постоянного тока), но в особых случаях (для принудительного отключения) он может быть подключен и к трансформатору напряжения.

Используются два различных типа расцепителей рабочих токов:

1. Расцепитель рабочих токов (Y1) ЗAY 1510

Расцепитель рабочих токов (Yl) 3AY 1510 используется в выключателях основного исполнения. В расцепителях этой конструкции электрически подаваемый расцепляющий импульс передаётся посредством якоря электромагнита, действующего напрямую. Благодаря этому осуществляется отключение выключателя.

Потребляемая мощность 100 Вт/ВА.

2. Расцепитель рабочих токов (Y2) ЗАХ1101

Расцепитель рабочих токов ЗАХ 1101 встраивается в том случае, если используется более чем один расцепитель рабочих токов. В расцепителях этой конструкции электрически подаваемая команда на отключение передаётся посредством якоря электромагнита через разблокировку накопителя энергии на блокировку «ВЫКЛ». Благодаря этому осуществляется отключение выключателя.

Потребляемая мощность 100 Вт/ВА.

Расцепитель снижения напряжения (Y7) ЗАХ1103

Расцепитель снижения напряжения состоит из накопителя энергии, устройства разблокировки и системы электромагнитов, которая при включенном выключателе постоянно находится под напряжением. Если уровень напряжения снижается до определённого значения, то расцепитель разблокируется и благодаря этому осуществляется отключение выключателя.

Принудительное отключение минимального расцепителя напряжения обычно осуществляется через размыкающий контакт в цепи расцепителя, но может быть осуществлено посредством замыкания накоротко обмотки соленоида. При таком способе расцепления ток короткого замыкания ограничивается встроенными сопротивлениями.

Минимальный расцепитель напряжения может быть подключен к трансформатору напряжения. При недопустимом снижении уровня рабочего напряжения силовой выключатель самостоятельно отключится.

Потребляемая мощность - 45 Вт или 55 ВА.

Расцепитель тока измерительного трансформатора (Y4) ЗАХ1102

(заказывается по желанию, возможна также последующая установка)

Расцепитель тока измерительного трансформатора состоит из накопителя энергии, приспособления для освобождения защелки и пружинной системы. При превышении тока расцепителя (90% номинального тока расцепителя) освобождается защелка накопителя энергии и, тем самым, осуществляется отключение выключателя. Для подпитки расцепителя тока измерительного трансформатора помимо основного трансформатора тока для согласования необходим еще один вспомогательный трансформатор.

Потребляемая мощность для 0,5 А и 1А = 20 ВА при 90% номинального тока и разомкнутом якоре.

Указатель положения выключателя, концевой выключатель (S6 и S7)

При отключении силового выключателя посредством расцепителя позиционный выключатель S6 даёт кратковременное замыкание контактов. Это кратковременное замыкание контактов можно использовать для сигнализации. При механическом отключении квитирующий выключатель S7 разрывает эту цепь.

Блок ограничителей перенапряжений (от VI до VЗ) ЗАХ1526

При отключении индуктивных нагрузок в цепях постоянного тока могут возникнуть коммутационные перенапряжения, которые могут вывести из строя электронные приборы управления. Для предотвращения этого оборудование, размещённое в блоке привода и управления силовым выключателем (электродвигатель, включающий электромагнит, расцепитель рабочих токов и вспомогательный контактор), подключаются к ограничителям перенапряжений. Для номинальных рабочих напряжений от 60 до 220 В постоянного тока имеются в распоряжении ограничители перенапряжений 3АХ 1526, которые позволяют ограничить перенапряжения на уровне около 500 В. Блок ограничителей перенапряжений содержит 2 отдельных цепи ограничителей перенапряжений.

Блокировка

Механическая блокировка

Приводы разъединителей оснащены механической защитой от ошибочной коммутации. Кроме этого разъединитель механически сблокирован с силовым выключателем.

Коммутационное положение силового выключателя определяется автоматически. Если будет установлено, что трёхпозиционный разъединитель находится в ошибочном коммутационном положении, силовой выключатель блокируется как против механического, так и против электрического включения. В то же время предотвращается включение трёхпозиционного разъединителя при включенном силовом выключателе.

Электрическая блокировка

Силовой выключатель может быть включен в систему электромагнитной блокировки ячейки КРУ. При электрической блокировке к разьединителю или его приводу подключается электромагнитное запирающее устройство, которое через вспомогательный контакт силового выключателя управляется таким образом, что разьединитель может приводиться в действие только при отключенном силовом выключателе.

Силовой выключатель, со своей стороны, управляется по отношению к разьединителю или его приводу таким образом, что он может быть включен только при замкнутом положении разъединителя.

Конструкция выключателя ЗАН

На рис. представлена конструкция вакуумного силового выключателя ЗАН. Вакуумный выключатель состоит из блока привода (60.), 3 полюсов (19.) с вакуумными коммутационными камерами (30.) и коммутационных штанг (48.), приводящих в движение контакты.

В блоке привода (60.) расположены все электрические и механические функциональные блоки, необходимые для включения и отключения выключателя. На рис. представлено расположение отдельных блоков в приводе.

В вакуумных выключателях типа ЗАН с конструкцией полюса аналогичной приведенной на рис. 3.15., отключающие пружины (64.) не требуются, поскольку поджимающие контактные пружины (49.) выполняют функцию отключающих пружин.

Блок привода оснащён съёмной крышкой (60.1) (см. рис. 1.13).Для элементов управления и индикаторов в крышке (60.1) предусмотрены отверстия.

Силовой выключатель включается посредством кнопочного выключателя (53.). Электродвигатель (50.4) обеспечивает взведение включающей пружины (62.). При отсутствии оперативного напряжения включающую пружину можно взвести вручную посредством рукоятки (50.). Для этих целей в крышке предусмотрено отверстие для рукоятки (50.1), за которым находится муфта (50.5) натяжного механизма (50.2). Состояние пружины отражается на индикаторе (55.). На индикаторе (59.) отражается коммутационное положение выключателя (ВКЛ-ОТКЛ). Счётчик коммутационных циклов (58.) показывает количество выполненных коммутаций. Типовая табличка (51.) установлена на корпусе блока привода.

Передача перемещающих усилий от привода к полюсам выключателя осуществляется через изоляционные штанги выключателя (48). Полюс выключателя в зависимости от номинального рабочего тока и номинального отключаемого тока короткого замыкания может иметь два типа исполнения (см. рис. 3.14 и 3.15).

Привод вакуумного коммутационного модуля NXACT

Привод вакуумного коммутационного модуля тот же что и привод вакуумного выключателя ЗАН5 (рис. 3.16). Этот привод дополнительно оснащен, в зависимости от желания потребителя, моторным или ручным приводом для выполнения дополнительных расширенных функции разъединителя и заземлителя.



Рис. 3.8 Привод вакуумного коммутационного модуля NXACT: 1 - привод для функции разъединителя, 2 - мотор с приводом, 3 - включающая пружина, 4 - включающий вспомогательный расщепитель (включающий электромагнит), 5 - вспомогательный выключатель для функции разъединителя, б - привод для ответвления заземлителя, 7 - штеккерное соединение вторичных цепей, 8 - вспомогательный выключатель для функции выключателя, 9 - отключающий блок, 10 - первый расцепитель рабочих токов.

Сравнение современных вакуумных и элегазовых выключателей среднего напряжения

В последнее время в литературе и в научных кругах ведется дискуссия о целесообразности применения и надежности того или иного вида коммутационного оборудования в сетях среднего класса напряжения. В основном дискуссия идет о целесообразности применения вакуумных или элегазовых выключателей среднего напряжения. Задачей этой книги является сопоставление преимуществ и недостатков вакуумного и элегазового коммутационного оборудования среднего класса напряжения.

Для решения поставленной выше задачи определим общие требования к коммутационному аппарату среднего напряжения:

1. Наибольшее число коммутаций в электроэнергетических сетях приходится на коммутационное оборудование среднего класса напряжения.

2. Основная задача коммутационного аппарата - надежная селективная коммутация при аварийных ситуациях и, тем самым, защита силового электрооборудования от опасных перегревов при аварийных токах.

3. Высокая надёжность коммутационного аппарата является определяющим фактором надежности всей электроэнергетической сети.

4. При координации изоляции сети важным фактором является использование такого типа коммутационного аппарата, который дает низкие уровни перенапряжений при коммутации сети.

Философия использования в коммутационных аппаратах средних классов напряжения вакуумной или элегазовой среды

В передовых фирмах Запада философия использования в коммутационных аппаратах средних классов напряжения вакуумной или элегазовой среды для гашения дуги основывается на следующих ключевых моментах:

- Диэлектрическая прочность на уровне средних классов напряжений у вакуума гораздо выше, чем у элегаза.

- Эксплуатационная надежность у вакуумной дугогасящей камеры гораздо выше, чем у элегазовой дугогасящей камеры.

- При использовании современных технологий в производстве вакуумной коммутационной техники и качественно подобранных контактных материалах, задача координации изоляции решена с высокой степенью надежности.

- Экологическая чистота - важный фактор применения того или иного вида техники.

К примеру, фирма Siemens, в отличие от многих других фирм, уже в 30-х годах имела обширный опыт работы по исследованиям и разработкам высоковольтной коммутационной техники, а с 60-х годов начала серийное производство элегазовой коммутационной техники. К 2000 году фирма Siemens уже произвела более 100.000 элегазовых дугогасительних камер с номинальными напряжениями до 800 кВ и с номинальными токами короткого замыкания до 80 кА, как для выключателей наружной установки, так и для элегазовых КРУ (рис.3.18 и рис.3.19.) Несмотря на это, через десятилетие, в семидесятых годах, фирма Siemens внедрила в производство вакуумные выключатели среднего напряжения. На это решение повлиял тот факт, что рядом с заводом элегазового высоковольтного коммутационного оборудования находился завод по производству мощных вакуумных генераторных ламп, имевший более чем столетний опыт по исследованиям и разработке контактных материалов для различных вакуумных камер разного электротехнического назначения. В 1999 году на этом заводе Siemens произвел больше одного миллиона вакуумных дугогасящих камер с разными электротехническими характеристиками.

Рис. 3.9 Спектр продукции: силовые элегазовые выключатели высокого напряжения фирмы Siemens



Рис. 3.10. Элегазовые распределительные устройства высокого напряжения фирмы Siemens

Рис. 3.11. Развитие современной коммутационной техники среднего напряжения.

Отдельные современные электротехнические фирмы, не имея такого обширного опыта по производству вакуумных камер разного назначения, внедрили в производство элегазовые выключатели для среднего напряжения. Эти фирмы в последнее время тоже переходят на производство вакуумных выключателей. Дальнейшее развитие современного коммутационного оборудования среднего напряжения, по разным независимым литературным источникам, предполагается только по пути использования вакуума как коммутационной среды для выключателей среднего напряжения (рис. 3.20).

Рис. 3.12. Разрядное импульсное напряжение в зависимости от величины межконтактного промежутка в различных дугогасящих средах

Проведенные исследования показали, что диэлектрическая прочность глубокого вакуума (вакуум 10^-7 бар.) для уровней средних классов напряжений выше, чем у других диэлектрических материалов. На рис.3.21 представлена электрическая прочность промежутка между плоскими электродами для различных сред дугогасящих камер. Крутизна кривой для малых расстояний у вакуума гораздо выше, чем у других материалов, те. при очень малых расстояниях между контактами достигается наибольшая электрическая прочность дугогасящей среды. После определенных расстояний между контактами диэлектрическая прочность вакуума стремится к постоянной величине. Вакуумные выключатели с номинальным напряжением от 7,2 кВ до 36 кВ номинального рабочего напряжения имеют расстояние между контактами от 5 до 25 мм.

Надежность

Для анализа эксплуатационной надежности элегазовых и вакуумных выключателей рассмотрим их конструктивные особенности и принципиальные различия. Ниже, более подробно, рассмотрим наиболее распространенные элегазовые и вакуумные выключатели среднего напряжения, их принцип работы и применение. В настоящее время надёжность коммутационного аппарата определяется надежностью дугогасительной камеры. Это определяется тем, что современные выключатели среднего напряжения имеют почти одинаковую надёжность привода и она гораздо выше надежности дугогасительной камеры.

Компрессионные элегазовые выключатели

Рассмотрим принцип действия автокомпрессионного элегазового выключателя Основные составные части этого выключателя изображены на (рис.3.13.).

Рис.3.13. Автокомпрессионный элегазовый выключатель

1-Верхний токовый ввод; 2-Абсолютное давление элегаза 0,5 бар.; 3-Герметизирующая насадка; 4.-Неподвижный дугогасителъный контакт; 5.-Подвижный основной контакт; 6.-Соединения между подвижными и неподвижными частями; 7.-Подвижный дугогасителъный контакт; 8.-Напорная камера; 9.-Поршень; 10.-Вентиль; 11.-Пружина; 12.-Нижний токовый ввод; 13.-Главный шток из изолирующего материала; 14.-Рычаг вала; 15.-Система уплотнений; 16.-Вал; 17.-Молекулярное сито; 18.-Место крепления.

При включенном состоянии ток течёт через верхний токовый ввод (1), неподвижный дугогасительный контакт (4), подвижный основной контакт (5) и нижний токовый ввод (12) (рис.2.6,а). После команды отключения привод приводит в действие вал (16), который вращаясь, через систему уплотнения (15) передает механический момент главному штоку (13) через рычаг вала (14) и происходит сжатие элегаза в напорной камере (8) (рис.3.23,б). При этом неподвижный и подвижный дугогасительные контакты (4 и 7) остаются замкнутыми в силу поджатия пружины (11). После этого начинается расхождение неподвижного и подвижного дугогасительного контакта (4 и 7) в силу ослабления пружины (11) (рис.3.23,в). Главный шток из изолирующего материала (13) начинает отдалять их друг от друга. При расхождении неподвижного и подвижного дугогасительных контактов между ними начинает гореть дуга. Как видно на рис.2.5. к подвижному дугогасительному контакту прикреплен поршень (9) с герметизирующей насадкой (3), движущийся в напорной камере (8), обеспечивая при этом одновременно охлаждение и выдувание дуги элегазом под высоким давлением. Напорная камера с поршнем и герметизирующей насадкой при полном расхождении контактов обеспечивает полное гашение в дугогасящей камере (рис.3.23,г).

Более усовершенствованной и надежной моделью автокомпрессионного выключателя является автокомпрессионный выключатель с главными токоведущими контактами. Рассмотрим его принцип действия и определим его составные части:

При включенном состоянии ток течёт по главному токопроводу, состоящего из верхнего и нижнего токового ввода (22 и 19) и из неподвижного и подвижного контакта главного токопровода (20 и 21). После команды отключения привод приводит в действие вал (14), который вращаясь, через систему уплотнения (13) передает механически момент шатуну (17), закрепленный к главному штоку (10). Главный шток тянет за собой вниз подвижный контакт главного токопровода и происходит разрыв главного токопровода. При этом неподвижный и подвижный дугогасительные контакты (4 и 6) остаются замкнутыми в силу поджатия пружины (9) и отключаемый ток перераспределяется от главного

Размещено на Allbest.ru