Высоковольтные автоматические выключатели: виды приборов, схемное исполнение, принцип работы

Высоковольтные автоматические выключатели: виды приборов, схемное исполнение, принцип работы

Работа электротехнических энергетических систем характерна наличием функции быстрого отключения неисправного сегмента энергосистемы за кратчайший промежуток времени. Моментальное отключение (изолирование) дефектного участка снижает степень влияния неисправности непосредственно на целую систему, способствует сохранению стабильности и надёжности энергетической схемы в целом. Основным элементом такого рода защиты выступает датчик определения состояния неисправности — устройство инициирования сигнала отключения, подаваемого на высоковольтный автоматический выключатель. Это устройство защиты, в принципе, наделяется надежностью, избирательностью, чувствительностью, скоростью и стабильностью действия. Рассмотрим такие устройства.

Высоковольтный автоматический выключатель (прерыватель, размыкатель)

Автоматический выключатель – устройство, также известное как управляемый автоматически высоковольтный переключатель, срабатывает при обнаружении неисправности, прерывая течение тока. Существуют различные исполнения высоковольтных автоматических выключателей — от малогабаритных устройств, до громоздких распределительных приборов под защиту слаботочных и высоковольтных цепей, соответственно. Наибольшее распространение в области электротехники  получили четыре типа высоковольтных автоматических выключателя:

  1. Масляный
  2. Воздушный
  3. Элегазовый (гексафоторид серы — SF6)
  4. Вакуумный.

Общий принцип действия для всех отмеченных типов приборов фактически одинаков. Конструктивно автоматический выключатель высоковольтного исполнения имеет два контакта — фиксированный и подвижный. Нормальные условия работы предполагают состояние обоих контактов в закрытом положении – присутствует электрическая связь одного с другим.

Когда высоковольтный автоматический выключатель срабатывает в момент появления неисправных сегментов энергосистемы, подвижный контакт перемещается, разрывая цепь нормального состояния. Разрыв двух контактов блокирует течение тока, однако в результате разрыва между контактами образуется дугообразная формация, характерная для высоковольтных цепей.

T Tocas 150

Высоковольтный автоматический выключатель масляного типа
Один из вариантов исполнения высоковольтного автоматического устройства в реальном примере эксплуатации электрических энергетических сетей

Чтобы исключить пагубное влияние электрической дуги, контактная группа помещается внутрь закрытой камеры, благодаря чему организуется изолирующая среда. Такая изолирующая среда обычно дополняется газовой или жидкостной составляющей. По сути, имеет место конструкция гашения электрической дуги.

Масляный высоковольтный электрический выключатель

Масляный тип автоматического выключателя – давно разработанная, но до сего дня успешно эксплуатируемая конструкция высоковольтных сетей. Архитектура масляного контура устройства отличается простым исполнением.

Состоит прибор из токоведущих контактов, заключенных в прочный, защищённый от внешней среды и заземлённый металлический резервуар с трансформаторным маслом. Используемое масло одновременно действует как дугогасительная среда и как изолятор между токоведущей частью и земляной шиной.

С момента выпуска первой конструкции, масляный прибор постоянно совершенствовался, но без существенных изменений основных характеристик — простоты конструкции и способности надёжной блокировки течения тока.

Применяются высоковольтные масляные автоматические выключатели двух типов:

  1. С большим объёмом масла
  2. С малым объёмом масла

На картинке ниже показана концепция схематичного исполнения высоковольтного масляного выключателя в двух концептуальных вариациях – существенно удешевлённых, но надёжных в эксплуатации.

ANJOSHI 300

Масляные высоковольтные автоматические выключатели - исполнение
Конструктивное исполнение масляных приборов: А – с большим объёмом масла; Б – с малым объёмом масла; 1 – фиксированный контакт; 2 – подвижный контакт; Н – направление движения штока; 3 – подвижный пистон (масляный насос); 4 – дуга; 5 – образование углерода; М – область заполнения маслом

Конструкция масляного автоматического выключателя под высокое напряжение характерна ещё одним моментом. Не требует специальных устройств, необходимых для управления электрической дугой, вызванной разрывным действием на контактном терминале.

Выключатель высоковольтный автоматический на малый объём масла

Основными частями малообъёмного масляного автоматического выключателя, за исключением полюсов, являются базовая рама и конструкция механизма сохранения энергии открытия / закрытия (рабочий механизм).

Открывающая пружина механизма сохранения энергии заряжается автоматически в момент действия закрытия. Закрывающая пружина заряжается, либо с помощью электродвигателя (встроенный привод), либо при помощи съёмного кривошипа.

Полюс малообъёмного масляного выключателя содержит:

  • изоляционный цилиндр,
  • дугогасительную камеру,
  • неподвижные и подвижные контакты,
  • направляющие.
  • камеру расширения газа,
  • клеммы,
  • масляный поддон,
  • -пробки для слива и залива масла,
  • индикатор уровня масла.

Конструкция дугогасительной камеры малообъёмного масляного выключателя допускает исполнение осевого или радиального типа вентиляции. Нередко используется комбинированный вариант конструкции. Осевой тип вентиляции создает высокое давление газа, обеспечивает высокую изоляционную способность. Радиальный тип вентиляции создаёт низкое давление газа и обеспечивает относительно низкую диэлектрическую прочность.

Воздушный автоматический выключатель

Конструкция, кратко обозначаемая в иностранной транскрипции аббревиатурой — «ACB» (Air Circuit Breaker), представляет тип устройства, действующего на основе высокого давления атмосферного воздуха.

Этот вид приборов разработан несколько позже высоковольтного масляного выключателя и на текущий момент практически полностью заменил масляные конструкции в сегменте приборов под средний уровень рабочих напряжений высоковольтных сетей. Практика показала – предпочтительным внедрение воздушных устройств видится под рабочее напряжение до 15 кВ.

Bussmann CB185-150

Воздушный высоковольтный автоматический выключатель - структура
Структурная схема высоковольтного воздушного выключателя: 1 – отводы дугогасительной камеры; 2 – терминал; 3 – полый изолятор; 4 – ресивер под сжатый воздух

Принцип работы высоковольтного воздушного автоматического выключателя несколько отличается от других типов подобных приборов. Основная задача любого автоматического выключателя — создание ситуации, когда изоляционный промежуток между разомкнутыми контактами выдерживает послеаварийное напряжение высоковольтной системы, предотвращая восстановление электрической дуги после прерывания течения тока.

Автоматический высоковольтный воздушный выключатель предназначен под ту же цель, но способ достижения результата немного иной. Прибор создаёт напряжение дуги больше напряжения питания, тем самым обеспечивая прерывание горения.

Устройством «ACB» используются три разных способа увеличения напряжения дуги:

  1. Охлаждение плазмы дуги.
  2. Увеличение длины пути дуги.
  3. Увеличение напряжения дуги.

Существует несколько модификаций воздушных автоматических высоковольтных выключателей. Рассмотрим некоторые конструкции, традиционно применяемые в энергетике.

Поперечно-дутьевой автоматический выключатель высоковольтный

Конструкция характерна таким исполнением, когда поток воздуха протекает точно под прямым углом по отношению к электрической дуге. Концепция поперечно-дутьевой схемы также основана группой из двух контактов неподвижного и подвижного. Когда подвижный контакт начинает движение на разрыв, образуется электрическая дуга. Однако продувка воздуха между контактами устраняет (фактически гасит) дуговое пламя.

Выключатель аксиальный (осевой) с эффектом форсированного дутья

Этот вид автоматического воздушного выключателя также имеет комбинацию неподвижного и подвижного контакта. Движение подвижного контакта поддерживается за счёт пружины, функционирующей так, чтобы возвращать подвижный контакт в исходное положение.

Конструкция высоковольтного аксиального выключателя с форсированным дутьём содержит:

  • дугогасительную камеру,
  • воздушный клапан,
  • резервуар под воздух,
  • серию изоляторов.

На картинке ниже показана концептуальная схема аксиального выключателя с форсированным дутьём.

Two-Pole GFCI

Высоковольтный аксиальный воздушный выключатель - схема
Структурная схема аксиального воздушного прибора: 1 – фиксированный контакт; 2 – дугогасительная камера; 3 – воздушный клапан; 4 – воздушный ресивер; 5 – пистон; 6 – упорная пружина; 7 – подвижный контакт; 8 — нормальный воздушный зазор под рабочее напряжение; 9 – серия изоляторов

В нормальном рабочем состоянии контактная группа зафиксирована закрытым положением. В этом состоянии дугогасительная камера отсечена от воздушного резервуара клапаном. На случай неисправности вырабатывается импульс отключения, которым клапан активируется (открывается).

Потоком воздуха подвижный контакт группы отталкивается в сторону, противоположную давлению пружины. Соответственно, образуется электрическая дуга, но быстро гасится высоким давлением воздуха.

Элегазовый высоковольтный автоматический выключатель (SF6)

Тип автоматического выключателя, где используется газ — гексафторид серы (SF6). Конструкция имеет прямое отношение именно к высоковольтным автоматическим выключателям, в первую очередь, по причине эффективного гашения дуги и хороших изоляционных свойств.

Газ гексафторид серы обладает свойствами высокой степени электро-отрицательности. Исполнение выключателя SF6 типа «Puffer» часто встречается в электроэнергетике

Конструкция традиционно содержит группу фиксированного и подвижного контактов. В текущей конфигурации устройства цилиндра является подвижной частью, тогда как поршень имеет фиксированное состояние. Цилиндр совмещён с подвижным контактом выключателя.

YAMING

Элегазовый высоковольтный автоматический выключатель - архитектура
Структурная схема действия элегазового прибора: 1 – сопло; 2 – фиксированный контакт; 3 – фиксированный поршень; 4 – подвижный контакт; 5 – подвижный цилиндр; 6 — гексафторид серы (SF6); 7 – электрическая дуга; А – нормальное состояние; Б – аварийное состояние

Когда подвижный контакт приходит в движение, газ сжимается благодаря фиксированному положению поршня. В результате разрыва контактов образуется электрическая дуга, но учитывая высокую электро-отрицательность элегаза, высвобождающиеся электроны быстро поглощаются с образованием отрицательных ионов. Соответственно, наблюдается эффект гашения электрической дуги.

Вакуумные высоковольтные автоматические выключатели

Конструкция вакуумного выключателя «VCB» (Vacuum Circuit Breaker) относится к категории высоковольтных приборов, однако предназначенных для работы под напряжением средней величины.

Работа вакуумного автоматического выключателя отличается от других (отмеченных выше) высоковольтных устройств подобного класса. Гашение дуги происходит в условиях вакуума. Размыкание / замыкание контакта и связанные с этими действиями дуговые помехи, имеют место непосредственно в вакуумной камере (вакуумный прерыватель).

Исполнение «VCB» демонстрирует диэлектрическую прочность вакуума на более высоком уровне, чем, например, показывает конструкция прибора «SF6». Поскольку диэлектрическая прочность очень высока, электрическую дугу допустимо гасить в пределах небольшого развода контактов.

Разделение контактов проходит в течение микросекунд, но этого времени достаточно для высокого нагрева поверхностей. При высокой температуре металл начинает испаряться, чем создаёт токопроводящий путь для образования электрической дуги.

SAIP GROUP

Высоковольтный вакуумный автоматический выключатель - архитектура
Структурная схема вакуумного высоковольтного прибора: 1 – фиксированный контакт; 2 – торцевой экран; 3 – торцевой поддерживающий фланец; 4 – дуга; 5, 8 – сильфонный шит; 6 – подвижный контакт; 7 – сильфон; 9 – экран конденсата; 10 – электроды; 11 – изоляционная оболочка

Между тем свою роль играет исключение ионизации в условиях вакуума. Соответственно, образование дуги устраняется. При достижении нулевого тока, прибор «VCB» генерирует высокую диэлектрическую прочность, предотвращая восстановление дуги.

Заключительный штрих под высоковольтные автоматические выключатели

Описанное выше оборудование следует рассматривать, исходя из концепции применения. Каждый прибор обладает индивидуальными характеристиками в диапазоне низкого, среднего, высокого напряжений, с точки зрения защиты энергосистемы.

Способы передачи энергии требуют эффективных автоматических выключателей для устранения неисправности, а конфигурация зависит от характеристик дефектов. Природное явление — не единственный фактор дефектов.

Существуют ещё ряд факторов, которые способны вызывать неисправности. Это и человеческие ошибки, ошибки приборов, установки и настройки. Поэтому система защиты всегда требуется на электрической подстанции.


При помощи информации: JEECS