Întrerupătoare de înaltă tensiune: clasificare, dispozitiv, principiu de funcționare
Cerințele pentru comutatoare sunt următoarele:
1) fiabilitatea la locul de muncă și siguranța celorlalți;
2) răspuns rapid - posibil timp scurt de oprire;
3) ușurința întreținerii;
4) ușurință de instalare;
5) funcționare silențioasă;
6) cost relativ scăzut.
Întreruptoarele utilizate în prezent îndeplinesc cerințele enumerate într-o măsură mai mare sau mai mică. Cu toate acestea, proiectanții de întrerupătoare de circuit se străduiesc să potrivească mai bine caracteristicile întreruptoarelor cu cerințele de mai sus.
Comutatoare de ulei
Există două tipuri de comutatoare de ulei - rezervor și ulei scăzut. Metodele de deionizare a spațiului arc în aceste chei sunt aceleași. Singura diferență este în izolarea sistemului de contact față de baza de pământ și în cantitatea de ulei.
Până de curând, au funcționat rezervoare pentru rezervoare de următoarele tipuri: VM-35, S-35, precum și comutatoare din seria U cu tensiuni de la 35 la 220 kV. Comutatoarele rezervorului sunt proiectate pentru montare externă, care nu sunt în prezent în producție.
Principalele dezavantaje ale comutatoarelor rezervoarelor: explozie și incendiu; necesitatea monitorizării periodice a stării și nivelului uleiului din rezervor și admisii; un volum mare de petrol, ceea ce duce la o mare investiție de timp pentru înlocuirea lui, nevoia de rezerve mari de petrol; nu este potrivit pentru instalare în interior.
Comutatoare cu ulei scăzut
Comutatoarele cu conținut scăzut de ulei (tip oală) sunt utilizate pe scară largă în tablouri închise și deschise toate tensiunile. Uleiul din aceste comutatoare servește în principal ca mediu de arc și doar parțial ca izolație între contactele deschise.
Izolarea pieselor sub tensiune între ele și de structurile împământate se face cu porțelan sau alte materiale izolante solide. Contactele întrerupătoarelor pentru montare internă se află într-un rezervor (oală) din oțel, motiv pentru care se păstrează denumirea de întrerupătoare „tip oală”.
Întreruptoarele automate cu ulei scăzut de tensiune de 35 kV și mai sus au un corp din porțelan. Cele mai utilizate sunt pandantivele de tip 6-10 kV (VMG-10, VMP-10). În aceste întrerupătoare, corpul este fixat pe izolatoare din porțelan de un cadru comun pentru cei trei poli. Fiecare stâlp are o întrerupere de contact și o jgheab de arc.
Scheme de proiectare ale comutatoarelor cu conținut scăzut de ulei 1 — contact mobil; 2 — jgheab cu arc; 3 — contact fix; 4 — contacte de lucru
La curenți nominali mari, este dificil să funcționeze cu o pereche de contacte (acționând ca contacte de operare și de arc electric), prin urmare contactele de operare sunt furnizate în afara întreruptorului, iar contactele de arc sunt într-un rezervor metalic. La curenți mari de rupere, există două întreruperi de arc pentru fiecare pol. Conform acestei scheme, comutatoarele din seriile MGG și MG sunt realizate pentru tensiuni de până la 20 kV inclusiv.Contactele de operare externe masive 4 permit ca întrerupătorul să fie proiectat pentru curenți nominali mari (până la 9500 A). Pentru tensiuni de 35 kV și mai sus, corpul comutatorului este din porțelan, seria VMK este un comutator pe coloană cu ulei scăzut). În întrerupătoarele automate 35, 110 kV, este prevăzută o întrerupere pe pol, la tensiune înaltă — două sau mai multe întreruperi.
Dezavantaje ale comutatoarelor cu nivel scăzut de ulei: risc de explozie și incendiu, deși mult mai mic decât cel al comutatoarelor din rezervor; incapacitatea de a implementa închiderea automată de mare viteză; nevoia de control periodic, completare, schimbare relativ frecventă a uleiului în rezervoarele cu arc; dificultatea instalării transformatoarelor de curent încorporate; capacitate de rupere relativ scăzută.
Domeniul de aplicare al întreruptoarelor cu conținut scăzut de ulei este cel al aparatelor de comutație închise ale centralelor electrice și al stațiilor electrice 6, 10, 20, 35 și 110 kV, aparate de comutație complete 6, 10 și 35 kV și aparate de comutație deschise 35 și 110 kV.
Vezi aici pentru mai multe detalii: Tipuri de comutatoare de ulei
Întrerupătoare de aer
Întreruptoarele cu aer pentru tensiuni de 35 kV și mai mari sunt proiectate pentru a întrerupe curenții mari de scurtcircuit. Aerul este pornit la tensiune de 15 kV este folosit în centralele electrice ca generator. Avantajele lor: răspuns rapid, capacitate mare de rupere, ardere nesemnificativă a contactelor, lipsa bucșelor scumpe și insuficient de fiabile, siguranță la incendiu, greutate mai mică în comparație cu comutatoarele de ulei din rezervor. Dezavantaje: prezența economiei de aer greoaie, pericolul de explozie, lipsa transformatoarelor de curent încorporate, complexitatea dispozitivului și a funcționării.
În întrerupătoarele de aer, arcul se stinge cu aer comprimat la o presiune de 2-4 MPa, iar izolarea pieselor sub tensiune și a dispozitivului de stingere a arcului se realizează cu porțelan sau alte materiale izolante solide. Schemele de proiectare ale întrerupătoarelor de aer sunt diferite și depind de tensiunea nominală a acestora, de metoda de creare a unui spațiu izolator între contactele în poziția oprită și de metoda de alimentare cu aer comprimat la dispozitivul de stingere a arcului.
Întreruptoarele de circuit de înaltă valoare au un circuit principal și arc similar cu întrerupătoarele MG și MGG cu ulei redus. Partea principală a curentului în poziția închisă a comutatorului trece prin contactele principale 4, care sunt amplasate deschise. Când întrerupătorul este oprit, contactele principale se deschid mai întâi, apoi tot curentul trece prin contactele arcului închise în camera 2. În timp ce aceste contacte se deschid, aerul comprimat din rezervorul 1 este alimentat în cameră, se creează o suflare puternică, stingând arcul. Suflarea poate fi longitudinală sau transversală.
Spațiul de izolație necesar între contactele în poziție deschisă este creat în jgheabul arcului prin separarea contactelor la o distanță suficientă. Întrerupătoarele realizate conform proiectului cu separator deschis sunt produse pentru instalare în interior pentru tensiuni 15 și 20 kV și curenți de până la 20.000 A (seria VVG). La acest tip de întrerupătoare, după deconectarea separatorului 5, alimentarea cu aer comprimat a camerelor este oprită și contactele arcului electric sunt închise.
Scheme de construcție ale comutatoarelor de aer 1 — rezervor pentru aer comprimat; 2 — jgheab cu arc; 3 — rezistor de manevrare; 4 — contacte principale; 5 — separator; 6 — divizor capacitiv de tensiune pentru 110 kV — două întreruperi pe fază (d)
În întrerupătoarele cu aer pentru instalație deschisă pentru tensiune 35 kV (VV-35), este suficient să existe o întrerupere pe fază.
La întrerupătoarele cu o tensiune de 110 kV și mai mult, după ce arcul este stins, contactele separatorului 5 se deschid și camera separatorului rămâne plină cu aer comprimat tot timpul în poziția oprită. În acest caz, aer comprimat nu este furnizat la jgheabul de arc și contactele din acesta sunt închise.
Întreruptoarele din seria VV pentru tensiuni de până la 500 kV sunt create conform acestei scheme de proiectare. Cu cât tensiunea nominală este mai mare și puterea de limitare mai mare, cu atât trebuie să existe mai multe întreruperi în jgheabul arcului și în separator.
Întreruptoarele umplute cu aer din seria VVB sunt realizate conform schemei de proiectare din Fig., D. Tensiunea modulului VVB este de 110 kV la o presiune a aerului comprimat în camera de stingere a incendiilor de 2 MPa. Tensiunea nominală a modulului întrerupător VVBK (modul mare) este de 220 kV, iar presiunea aerului din camera de stingere este de 4 MPa. Întreruptoarele din seria VNV au o schemă de proiectare similară: un modul cu o tensiune de 220 kV la o presiune de 4 MPa.
Pentru întrerupătoarele din seria VVB, numărul de jgheaburi cu arc (module) depinde de tensiune (110 kV — unu; 220 kV — doi; 330 kV — patru; 500 kV — șase; 750 kV — opt) și pentru mari module întreruptoare (VVBK, VNV), module cu numere de două ori mai mici, respectiv.
Întrerupătoare SF6
Gazul SF6 (SF6 — hexafluorura de sulf) este un gaz inert cu o densitate de 5 ori mai mare decât cea a aerului. Puterea electrică a gazului SF6 este de 2-3 ori mai mare decât puterea aerului; la o presiune de 0,2 MPa, rigiditatea dielectrică a gazului SF6 este comparabilă cu cea a petrolului.
În gazul SF6 la presiunea atmosferică, un arc poate fi stins cu un curent de 100 de ori mai mare decât curentul întrerupt în aer în aceleași condiții. Capacitatea excepțională a gazului SF6 de a stinge arcul se explică prin faptul că moleculele sale captează electronii coloanei arcului și formează ioni negativi relativ imobili. Pierderea de electroni face arcul instabil și ușor de stins. Într-un flux de gaz SF6, adică în timpul jetului de gaz, absorbția electronilor din coloana arcului este și mai intensă.
Întreruptoarele SF6 folosesc dispozitive de stingere a arcului auto-pneumatic (autocomprimare) în care gazul este comprimat de un dispozitiv cu piston în timpul declanșării și direcționat în zona de arc. Întrerupătorul SF6 este un sistem închis, fără emisii de gaze în exterior.
În prezent, întreruptoarele SF6 sunt utilizate pentru toate clasele de tensiune (6-750 kV) la o presiune de 0,15 - 0,6 MPa. Presiunea crescută este utilizată pentru întrerupătoarele cu clase de tensiune mai mari. Întreruptoarele SF6 ale următoarelor companii străine s-au dovedit bine: ALSTOM; SIEMENS; Merlin Guerin și alții. Producția de întrerupătoare moderne SF6 ale PO «Uralelectrotyazmash» este stăpânită: întrerupătoarele cu rezervor din seria VEB, VGB și întrerupătoarele de coloană din seria VGT, VGU.
Ca exemplu, luați în considerare proiectarea unui întrerupător de circuit LF de 6-10 kV de către Merlin Gerin.
Modelul de bază de întrerupător este format din următoarele elemente:
— corpul întreruptorului, în care se află toți cei trei poli, reprezentând un „vas sub presiune”, umplut cu gaz SF6 la o exces de presiune scăzută (0,15 MPa sau 1,5 atm);
— antrenare mecanică tip RI;
— panoul frontal al actuatorului cu mâner de încărcare manuală a arcului și indicatoare de stare a arcului și a întrerupătorului;
— plăcuțe de contact pentru alimentare de înaltă tensiune;
— conector multi-pini pentru conectarea circuitelor de comutare secundare.
Întrerupătoare de circuit în vid
Rigiditatea dielectrică a vidului este semnificativ mai mare decât cea a altor medii utilizate în întrerupătoare. Acest lucru se explică prin creșterea căii libere medii a electronilor, atomilor, ionilor și moleculelor cu o scădere a presiunii. În vid, calea liberă medie a particulelor depășește dimensiunile camerei de vid.
rezistență dielectrică de recuperare a intervalului de 1/4" după întreruperea curentului de 1600 A în vid și diferite gaze la presiunea atmosferică
În aceste condiții, impacturile particulelor asupra pereților camerei au loc mult mai des decât coliziunile particulă-la-particulă. Figura arată dependența tensiunii de defalcare a vidului și a aerului de distanța dintre electrozii cu un diametru de 3/8 «tungsten. Cu o rigiditate dielectrică atât de mare, distanța dintre contacte poate fi foarte mică (2 — 2,5 cm), astfel încât dimensiunile camerei pot fi și relativ mici...
Procesul de restabilire a rezistenței electrice a decalajului dintre contacte atunci când curentul este întrerupt are loc în vid mult mai rapid decât în gaze.Nivelul de vid (presiunea gazului rezidual) în conductele moderne cu arc industrial este de obicei Pa. În conformitate cu teoria rezistenței electrice a gazelor, proprietățile de izolare necesare ale spațiului de vid sunt atinse și la niveluri de vid mai mici (de ordinul lui Pa), dar pentru nivelul actual de tehnologie a vidului, crearea și întreținerea Nivelul Pa pe toată durata de viață a camerei de vid nu este o problemă.Aceasta asigură camerelor de vid rezerve de rezistență electrică pentru întreaga durată de viață (20-30 de ani).
Un design tipic de întrerupător de circuit în vid este prezentat în figură.
Schema bloc a unui întrerupător de vid
Designul camerei de vid constă dintr-o pereche de contacte (4; 5), dintre care unul mobil (5), închis într-o carcasă etanșă la vid, sudată cu izolatori ceramici sau din sticlă (3; 7), metal superior și inferior capace (2; 8) ) și scut metalic (6). Mișcarea contactului mobil față de cel fix este asigurată prin intermediul unui manșon (9). Cablurile camerei (1; 10) sunt folosite pentru a o conecta la circuitul comutatorului principal.
Trebuie remarcat faptul că pentru fabricarea carcasei camerei de vid se folosesc numai metale speciale rezistente la vid, purificate din gaze dizolvate, cupru și aliaje speciale, precum și ceramică specială. Contactele camerei de vid sunt realizate dintr-o compoziție metal-ceramică (de regulă, este cupru-crom într-un raport de 50%-50% sau 70%-30%), ceea ce asigură o capacitate mare de rupere, rezistență la uzură si previne aparitia punctelor de sudura pe suprafata de contact. Izolatoarele ceramice cilindrice, împreună cu un spațiu de vid la contactele deschise, asigură izolarea între bornele camerei atunci când întrerupătorul este oprit.
Tavrida-electric a lansat un nou întrerupător de circuit în vid cu încuietoare magnetică. Designul său se bazează pe principiul alinierii electromagnetului de antrenare și a întrerupătorului de vid în fiecare pol al întreruptorului.
Comutatorul se închide în următoarea secvență.
În starea inițială, contactele camerei întreruptorului în vid sunt deschise datorită acțiunii arcului de închidere 7 asupra lor prin izolatorul de tracțiune 5. Când se aplică o tensiune de polaritate pozitivă bobinei 9 a electromagnetului, fluxul magnetic se acumulează în golul sistemului magnetic.
În momentul în care forța de compresiune a armăturii creată de fluxul magnetic depășește forța arcului de oprire 7, armătura 11 a electromagnetului, împreună cu izolatorul de tracțiune 5 și contactul mobil 3 al camerei de vid, începe să se miște sus, comprimând arcul pentru oprire. În acest caz, în înfășurare apare un motor-EMF, care împiedică o creștere suplimentară a curentului și chiar o reduce oarecum.
În procesul de mișcare, armătura câștigă o viteză de aproximativ 1 m/s, ceea ce evită deteriorarea prealabilă la pornire și elimină săritul contactelor VDK. Când contactele camerei de vid sunt închise, în sistemul magnetic rămâne un spațiu suplimentar de compresie de 2 mm. Viteza armăturii scade brusc, deoarece trebuie să depășească și forța elastică a preîncărcării suplimentare a contactului 6. Cu toate acestea, sub influența forței create de fluxul magnetic și inerția, armătura 11 continuă să se miște în sus, comprimarea arcului pentru opritorul 7 și un arc suplimentar pentru preîncărcarea contactelor 6.
În momentul închiderii sistemului magnetic, armătura contactează capacul superior al motorului 8 și se oprește. După procesul de închidere, curentul către bobina de antrenare este oprit. Comutatorul rămâne în poziția închis datorită inducției reziduale create de magnet permanent inel 10, care ține armătura 11 într-o poziție trasă către capacul superior 8 fără alimentare suplimentară cu curent.
Pentru a deschide comutatorul, trebuie aplicată o tensiune negativă la bornele bobinei.
În prezent, întreruptoarele în vid au devenit dispozitivele dominante pentru rețelele electrice cu o tensiune de 6-36 kV. Astfel, ponderea întreruptoarelor cu vid în numărul total de dispozitive fabricate în Europa și SUA ajunge la 70%, în Japonia - 100%. În Rusia, în ultimii ani, această pondere a avut o tendință ascendentă constantă, iar în 1997 a depășit pragul de 50%. Principalele avantaje ale explozivilor (comparativ cu comutatoarele de petrol și gaze) care determină creșterea cotei lor de piață sunt:
— fiabilitate mai mare;
— costuri mai mici de întreținere.
Vezi si: Întreruptoare cu vid de înaltă tensiune — Proiectare și principiu de funcționare