Современные силовые выключатели и КРУ на напряжение свыше 10 КВ.

6.1 Элегазовые КРУ. Элегаз (SF₆ -шестифтористая сера) - обладает высокими изоляционными и дугогасящими свойствами, что определяет возможности его широкого применения в компллектных распределительных устройствах (КРУ) и коммутационных аппаратах. Практическое применение элегаз получил в конце пятидесятых годов сначала в США, а затем в Европе и Японии, а с1980-х годов –в СССР.

Основные достоинства элегаза: высокое напряжение пробоя (в 2, 5 - 3 раза выше, чем в воздухе); пожаро- и взрывобсзопасность (не горит и не поддерживает горение); высокая химическая стабильность; быстрое гашение дуги в коммутационных аппаратах, низкое давление.

КРУ с элегазовой изоляцией (КРУЭ) имеют существеннные преимущества перед КРУ традиционных исполнений, важнейшим из которых являются малые габариты. Это определило основные области применения КРУЭ - промышленные предприятия, особенно при необходимости расширения в условиях ограниченной территории, крупные города, горные области и т. д. Другим важным достоинством КРУЭ является возможность их работы в загрязненных средах (металлургические, химические предприятия и т. д.), что резко сокращает расходы на эксплуатацию. Повышается и безопасность обслуживания, так как токоведущие элементы находятся в заземленной металлической оболочке, заполненной элегазом, что исключает возможность прикосновения к токоведушнм частям, а также возникновения открытой электрической дуги. В зарубежной практике КРУЭ напряжением 110-500 кВ получили широкое распространение, причем с ростом номинального напряжения увеличивается доля КРУЭ в общем объеме сооружаемых распределительных устройств. Используются КРУЭ и на напряжения выше 500 кВ.

Серийно выпускаются и отдельные коммутационные аппараты, прежде всего выключатели напряжением 10 кВ и выше, процесс дугогашения в которых происходит в элегазе. Такие выключатели могут встраиваться в КРУ традиционных исполнении с воздушной или комбинированной изоляцией токоведущих элементов, а также устанавливаться в распределительных устройствах внутренней и наружной установки.

В России освоено производство элегазовых КРУ напряжением 110 и 220 кВ, а также отдельно стоящих выключателей на эти напряжения. Кроме отечественных, на практике используются аналогичные аппараты зарубежного производства.

Рисунок 22 - Электрическая схема привода МСН выключателя Эволис

Рисунок 23 - Схема устройства и электрическая схема привода ПЭ - 11

Рисунок 24 - Устройство и общий вид КРУ МС-set на напряжение 6 - 10 кВ

Рисунок 25 - Общий вид и разрезы КРУ стационарного типа (КСО), выкатного КРУ-2-10 и наружной установки КРУН-6

В настоящее время в промышленных и городских сетях применяются КРУ различного типа производства отечественных и зарубежных производителей. На рисунках показано устройство некоторых широко применяемых моделей. Из рисунов видно, стационарные КРУ конструктивно отличаются от выкатных, КРУ наружной установки имеют защиту от влияния климатических условий и салазки для передвижения. Отличие современных КРУ заключается в использовании вакуумных или элегазовых силовых выключателей или выключателей нагрузки, что позволяет уменьшить габариты и массу оборудования. В целях повышения надежности и безопасности применяются элементы микропроцессорной техники в системах защиты и автоматики электроснабжения.

6. 2 Ячейки элегазовые трехполюсные ЯЭ-110, ЯЭ-220 Предназначены для работы в КРУ на номинальное напряжение 110 кВ с номинальной частотой 50 Гц в нормальном и аварийном режимах в сетях переменного тока с заземленной нейтралью. Климатическое исполнение У, категория размещения - 4. Выпускаются линейные ячейки (с трехполюсными сборными шинами с одной или двумя системами сборных шин), секционные, шиносоединительные и ячейки трансформатора напряжения, а также элементы элегаэового токопровода.

Ячейки состоят из трех полюсов и шкафа (шкафов). Полюс ячейки состоит из унифицированных для данного класса напряжения элементов: сборных шин, полюсов выключателей, разъединителей и заземлителей, а также промежуточных и соединительных элементов, трансформаторов тока и напряжения. Виды и количество элементов и шкафов, входящих в ячейку, определяются ее типом.

Принципиальные электрические схемы ячеек приведены на рисунке 12. Каждый полюс выключателя снабжен пневматическим приводом, каждый полюс разъединителя - электродвигательным или пневматическим приводом, а каждый полюс заземлителя - ручным приводом. В конструкция полюса разъединителя предусмотрена возможность ручного управления: при электродвигательном приводе с помощью специальной рукоятки, при пневматическом приводе с помощью специального устройства. Линейные ячейки допускают присоединение к ним кабельных вводов для одного или двух кабелей низкого давления сечением 150 - 625 мм² в свинцовой алюминиевой оболочке или токопроводов.

Ячейки ЯЭ-220 предназначены для работы в КРУ в сетях с номинальным напряжением 220 кВ. Климатическое исполнение У. категория 4 по ГОСТ 15150-69*. Условия применения, состав ячеек и схемы электрических соединений КРУЭ-220 аналогичны КРУЭ-110. Отличие заключается в том, что сборные шины у КРУЭ-220 - однополюсные, что определяет компоновку ячеек КРУЭ-220, отличающуюся от компоновки КРУЭ-110.

Рисунок 25 - Принципиальные электрические схемы линейной элегазовой ячейки КРУЭ (ЯЭ)-110.

6. 3 Элегазовые выключатели напряжением 35 кВ для КРУ. Элегазовые выключатели на напряжение 35 кВ применяют в КРУ, используемых для электроснабжения предприятий с мощными дуговыми сталеплавильными печами, прокатными станами. Основное назначение выключателей - коммутация и защита фильтрокомпенсирующих цепей (ФКЦ), в том числе статических тиристорных компенсаторов. Они могут использоваться и в цепях других потребителей.

Климатическое исполнение выключателя У, категория размещения 3 по ГОСТ 15150-69*. Тип привода - электромагнитный.

Отличительная особенность выключателя - отсутствие повторных пробоев между контактами в процессе отключения ФКЦ при напряжении больше 0, 2 Uф (номинального фазного напряжения). Это обеспечивает возможность коммутации емкостного тока в цепях конденсаторных батарей и фильтрокомпенсирующих устройств без возникновения опасных для оборудования коммутационных перенапряжений.

По габаритам и установочным размерам, а так же конструктивным решениям установки механизма перемещения, блокировочных устройств, скользящих контактов, соединении вспомогательных цепей выключатель унифицирован с вакуумным выключателем ВВЛ-35, а также взаимозаменяем с ним.

Элегазовые выключатели типа ВЭК-110Б. Элегаэовые выключатели тина ВЭК-110Б предназначены для коммутации в нормальных и аварийных режимах в сетях трехфазного переменного тока при номинальном напряжении 110 кВ и номинальной частоте 50 Гц. Климатическое исполнение У, категория размещения 1 или 3. Привод выключателя -- пневматический. Габариты (ширина, глубина, высота) -- 4, 02 х 1, 1 х 5, 04 м. Условное обозначение выключателя - ВЭК-110Б-40/2000У1(УЗ).

Разработан элегазовый выключатель ВЭК-220Б-40/2000У1 на номинальное напряжение 220 кВ.

6.5 Вакуумные выключатели на напряжение выше 10 кВ. В последние годы широкое распространение в мировой практике получили вакуумные коммутационные аппараты. В них гашение дуги при коммутации электрической цепи осуществляется в вакуумной дугогасительной камере (ВДК), которая состоит из изоляционной цилиндрической оболочки, снабженной по концам металлическими фланцами, внутри которой помещаются подвижный и неподвижный контакты и электростатические экраны. Неподвижный контакт жестко крепится к одному фланцу, а подвижный соединяется с другим фланцем сильфоном из нержавеющей стали, обеспечивающим возможность перемещения контакта без нарушения герметичности ВДК. Экраны предназначены для защиты оболочки от брызг и паров металла, образующихся при горении дуги, и также для выравнивания распределения напряжения по камере. Оболочка ВДК изготовляется из специальной газоплотной керамики (в некоторых конструкциях - из стекла). Внутри оболочки создается вакуум. В ВДК применяют контакты торцового типа достаточно сложной конфигурации, выполненные из специальных сплавов. В выключателях напряжением до 35 кВ, предназначенных для работы в сетях трехфазного переменного тока промышленной частоты, используются три ВДК (по одной на полюс выключателя), снабженные общим приводом - пружинным или электромагнитным. При напряжении выше 35 кВ в каждом полюсе выключателя используются несколько ВДК, соединенных последовательно.

Основные достоинства вакуумных выключателей, определяющие их широкое применение:

1. Высокая износостойкость при коммутации номинальных токов и номинальных токов отключения. Число отключений номинальных токов вакуумным выключателем (ВВ) без замены ВДК составляет 10-20 тыс., число отключений номинальною тока отключения 20--200, что в 10-20 раз превышает соответствующие параметры масляных выключателей.

2. Резкое снижение эксплуатационных затрат по сравнению с другими выключателями. Обслуживание ВВ сводится к смазке механизма и привода, проверке износа контактов по меткам 1 раз в 5 лет или через 5-10 тыс. циклов «включение-отключение».

3. Полная взрыво- и пожаробезопасность и возможность работы в агрессивных средах.

4. Широкий диапазон температур окружающей среды, в котором возможна работа ВДК.

5. Повышенная устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам вследствие малой массы и компактной конструкции аппарата.

6. Произвольное рабочее положение и малые габариты, что позволяет создавать различные компоновки распределительных устройств, в том числе и шкафы с несколькими выключателями при двух-трехъярусном их расположении.

7. Бесшумность, чистота, удобство обслуживания, обусловленные малым выделением энергии в дуге и отсутствием выброса масла, газов при отключении токов КЗ.

8. Отсутствие загрязнения окружающей среды.

9. Высокая надежность и безопасность эксплуатации, сокращение времени на монтаж.

К недостаткам ВВ следует отнести повышенный уровень коммутационных перенапряжении, что в ряде случаев вызывает необходимость принятия специальных мер по защите оборудования, в том числе применение специальных ограничителей перенапряжения.

В России разработаны и выпускаются различные ВВ и ВДК, в электроустановках используются также аппараты зарубежного производства.

6.6 Вакуумные аппараты и КРУ для установок с частыми коммутациями. Вакуумные выключатели типа ВВЭ - 10 используются в серийных КРУ общепромышленного назначения (типа КМ-1, КМ-1Ф, К-104 и др.).

Разработаны вакуумные выключатели с пружинным и электромагнитным приводом для КРУ общепромышленного исполнения типа ВВ-10-20 / 1600 и ВВ-10-31.5 / 3150 на токи отключения 20 и 31, 5 кА соответственно. Отличие этих выключателей от ВВЭ-10 в типе привода.

ВВТЭ-10-10/630У2 - для экскаваторов (номинальный ток 630 А, ток отключения 10 кА); ВВТЭ(11)-10-20/630-1000 УХЛ2 - для экскаваторов (номинальный ток 630 и 1000 А, ток отключения 20 кА): ВВТШ-10-20/630 ХЛ5 - для электроснабжения шахт (номинальный ток- 630 А, ток отключения 20 кА).

Кроме перечисленных выключателей выпускаются также вакуумные выключатели для номинального напряжения выше 10 кВ

Вакуумные выключатели ВВЛ-35 выкатного типа разработаны для КРУ напряжением 35 кВ. Климатическое исполнение У, категория размещения - 3. Выключатели предназначены для коммутации электрических цепей дуговых сталеплавильных печей и. других установок с частыми коммутациями в трехфазных сетях переменного тока. Управление выключателем осуществляется электромагнитным приводом (общий на три полюса).

Условное обозначение выключателя - ВВЛ-35-31, 5/1600 УЗ и ВВЛ-35-31, 5/2500 УЗ.

Разработаны вакуумные выключатели наружной установки типа ВВК-35Б-20/1000У1. Они представляют собой коммутационные аппараты, состоящие из трех полюсов, установленных на общей раме и управляемых электромагнитным приводом. Отличие этих выключателей от ВВЛ-35 по параметрам: номинальный ток- 1000 А: номинальный ток отключения - 20 кА; механическии ресурс - 40 000 циклов «В-О» с заменой камер через 20000 циклов. Для повышения уровня изоляции наружной поверхности ВДК она помещена в фарфоровую покрышку, залитую трансформаторным маслом. Габариты выключателя с приводом (ширина, глубина, высота) - 2, 23 х 0, 575 х 2, 09 м. Масса выключателя с маслом - 880 кг.

Вакуумные выключатели типа ВВК- 110Б-20/1000У 1 предназначены для выполнения коммутационных операций в нормальных и аварийных режимах электроустановок с частыми коммутациями.

Вакуумный выключатель типа ВВК-110Б-20/1000У 1, климатическое исполнение У, категория размещения 1 по ГОСТ 15160-69*, состоит из трех полюсов, установленных на общей раме и управляемых пружинным приводом типа ППК-1000.

В состав каждого полюса входят четыре камеры типа КВД-35 -20/1250УХЛ2, соединенные последовательно, опорная изоляция и механизм.

В конструкции выключателя предусмотрено устройство для выравнивания напряжения по камерам полюса.

Габариты выключателя с приводом (ширина х глубина х высота) - 4, 38 х 0, 75 х 4, 58 м. Масса выключателя 2270 кг.

6.7 Вакуумные и элегазовые КРУ напряжением 35 кВ. Для приема и распределения электроэнергии трехфазного тока номинальным напряжением 35 кВ в установках металлургических предприятий (дуговые сталеплавильные печи, прокатные станы и др.) разработаны КРУ, оборудованные вакуумными или элегазовыми выключателями выкатного типа. Применение этих КРУ резко сокращает габариты распределительных устройств (по сравнению с РУ, оборудованными воздушными выключателями), повышаетих монтажную готовность, надежность работы и удобство эксплуатации.

6.8 Особенности эксплуатации вакуумных и элегазовых выключателей. Особенностью дуги в вакууме является ее нестабильность при малых токах. Прекращение разряда в вакууме приводит к срезу тока до его естественного перехода через нуль. Ток среза зависит от свойств применяемых контактных материалов, а также от параметров контура тока.

Камеры современных вакуумных выключателей, благодаря специальному подбору контактных материалов, имеют относительно малые токи среза, вполне сопоставимые с токами среза выключателей, имеющих другую дугогасительную среду. С другой стороны, для ВДК характерны большие скорости восстановления электрической прочности межконтакгного промежутка, что поэволяет им отключать высокочастотные токи с большими скоростями изменения тока вблизи нулевого значения. Последнее обстоятельство приводит к многократным повторным зажиганиям и отключениям высокочастотного тока в процессе одной коммутации включения - отключения индуктивной нагрузки, которые могут существенно влиять на уровень коммутационных перенапряжений.

При коммутациях индуктивных токов вакуумных выключателей могут возникать перенапряжения, обусловленные: срезом тока, многократными повторными зажиганиями и трехфазным одновременным отключением. Перенапряжения эти, вследствие вероятностного характера процессов в выключателе, определяются статистическими соотношениями, зависящими от схемы и параметров коммутируемой сети.

Силовые трансформаторы с облегченным уровнем изоляции по ГОСТ 1516.1-76* (сухие, с литой изоляцией) рассчитаны на импульсные перенапряжения с максимальным значением 23 и 34 кВ, соответственно для классов напряжения 6 и 10 кВ, что без применения защиты может оказаться недостаточным для выдерживания максимальных перенапряжений при коммутации.

Наибольшею опасность представляют собой коммутационные перенапряжения для электородвигателей, имеющих пониженные, по сравнению с трансформаторами, уровни изоляции и в особенности пониженную импульсную прочносгь обмотки при воздействии волн с крутым фронтом.

Волновые сопротивления двигателей примерно на 2 порядка ниже, чем у трансформаторов, поэтому уровни перенапряжений при обычном срезе тока также значительно ниже. Однако включение двигателя или отключение его пускового тока, как правило, сопровождается многократными повторными зажиганиями и воздействиями волн перенапряжений с крутым фронтом. При определенном сочетании параметров схемы и начальных условий наблюдается постепенное нарастание максимумов волн (эскалация напряжений), при котором они могут достигать пятикратных значений по отношению к фазному напряжению двигателя.

Могут быть предложены следующие технические решения по схемам защиты от перенапряжений электрооборудования напряжением 6-10 кВ, коммутируемого вакуумными выключателями, в установках промышленных предприятий:

1. Для защиты трансформаторов общего назначения с облегченной изоляцией по ГОСТ 1516.1-76* (сухие, литые) у вводов трансформатора между каждой фазой и землей должен быть подсоединен разрядник I группы по ГОСТ 16357- 83* для соответствующего класса напряжения.

2. Для защиты электродвигателей между зажимами каждой фазы двигателя и землей должны устанавливаться последовательные RС-цепочки с параметрами R. = 50 Ом и С = 0, 25 мкФ. Ниже приведены требования к основным электрическим.характеристикам RC-цепочек:

Класс напряжения, кВ..................................................................................................... 6 10

Номинальное напряжение конденсатора, кВ............................................................... 6, 6 11

Мощность, рассеиваемая резистором, Вт..................................................................... 15 40

Импульсная прочность между зажимами резистора на волне 1, 2/ 50 мкс, кВ.....…..40 60

Между зажимами и землей у электродвигателей мощностью выше! 000 кВт дополнительно к RC- цепочке должны устанавливаться разрядники I группы по ГОСТ 16357-83* для соответствующего класса напряжения.

3. Для электрооборудования напряжением 6-10 кВ с нормальной изоляцией по ГОСТ 1516.1-76* (маслонаполненные трансформаторы) никаких дополнительных средств защиты не требуется.

При локализации дуговых повреждений в шкафу КРУ предусмотрена дуговая защита, выполненная с помощью клапанов разгрузки давления, соединенных с блок-контактами, обеспечивающими подачу команды на отключение защитного выключателя.

Выбор типа выключателя в КРУ (вакуумный или элегазовый) производится исходя из следующего. При необходимости частых коммутационных операций (например, для коммутации злектропечных трансформаторов) и активно-индуктивном характере нагрузки коммутируемой цепи следует использовать вакуумные выключатели. Для коммутации цепей с емкостным характером нагрузки (конденсаторные батареи, фильтрокопенсирующие устройства, статические тиристорные преобразователи) следует использовать элегазовые выключатели.