Системы управления воздушными выключателями бывают:
· С пневматической передачей
· С пневмомеханической передачей
· С гидравлической передачей
· С пневмосветовой передачей
· С механической передачей
Система управления с пневматической передачей не имеет подвижных изоляционных и металлических тяг, что является ее преимуществом. Она обеспечивает не меньшее быстродействие, чем системы управления с механической, пневматической и пневмо-гидравлической передачей в выключателях на номинальное напряжение до 220—330 кВ. При напряжениях 500 кВ и выше система управления с пневматической передачей по быстродействию уступает другим системам. Число пневматических элементов в этой системе управления не больше, чем в других системах.
Система управления с пневмо-механической передачей лучше обеспечивает одинаковое положение подвижных элементов, чем система управления с пневматической передачей, но хуже, чем система с механической передачей. Система управления с пневмо-механической передачей позволяет обеспечивать быстродействие выключателя для номинальных напряжений до 1150 кВ. Число пневматических элементов в этой системе не меньше, чем в предыдущих.
Система управления с гидравлической передачей обеспечивает одинаковое положение аналогичных подвижных частей так же, как система управления с пневматической передачей. По быстродействию она несколько лучше системы с пневматической передачей. Наличие в этой системе управления пневматических и гидравлических элементов сильно усложняет конструкцию выключателя. Система управления с пневмо-гидравлической передачей не получила широкого распространения.
Система управления с пневмо-световой передачей по одинаковому положению аналогичных подвижных частей эквивалентна системе с пневматической передачей. Она обеспечивает значительно большее быстродействие при любых номинальных напряжениях, в том числе и при напряжениях более 1150 кВ. Недостатком системы управления с пневмо-световой передачей является наличие на высоком потенциале источника питания электромагнита управления. Такой источник должен надежно работать при температурах +50 °С и обеспечивать бесперебойную работу электромагнита управления в течение не менее одного года. Пока широкого промышленного выпуска таких источников нет. Пневмо-световая система управления находит применение только в тех случаях, когда другие системы не позволяют получить необходимое время отключения.
В последующих параграфах настоящей главы и частично в главе девятой рассмотрены системы управления, широко применяемые в современных воздушных выключателях. Для наглядности полости системы управления, заполненные сжатым воздухом при положении элементов, показанном на схеме, затушеваны мелкими точками.
8-2. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ С МЕХАНИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ
В системе управления с механической передачей все подвижные части выключателя соединены металлическими и изоляционными тягами. Эта система управления находит применение как в выключателях на напряжения до 35 кВ, так и в некоторых сериях подстанционных выключателей на напряжения ПО кВ и выше.
На рис. 8-1 изображена система управления с механической передачей, применяемая в воздушных выключателях серии ВНВ. Контакты и клапаны изображены на этом рисунке в том положении, в каком они находятся, когда выключатель включен.
Отключение выключателя осуществляется подачей командного импульса на электромагнит отключения ЭО; он срабатывает и посредством тяги передвигает тарелку клапана отключения 42 слева направо. Сжатый воздух из резервуара 3 поступает в пространство А над поршнем 43 пневматического привода. Поршень 43 под давлением сжатого воздуха опускается до тех пор, пока нижний торец поршня не сядет на уплотнение в крышке привода 44. Шток 39 поршня 43 соединен с изоляционной тягой 5, находящейся в изоляционном цилиндре 4, заполненном сжатым воздухом. Тяга 5 соединяется со штоком 6, на котором закреплено коромысло 7, и со штоком 27, на конце которого закреплен опорный фланец для пружины 29. Коромысло 7 посредством рычажной системы 8 соединено с подвижным контактом 12. Поэтому при опускании штока 6 происходит перемещение подвижного контакта 12 в левом элементе дугогасительного устройства слева направо, а в правом элементе— наоборот, справа налево. Торец подвижного контакта 12 отходит от уплотнения 21. Однако при этом размыкания контактов дугогасительного устройства не происходит, так как подвижный контакт 12 еще соприкасается с ламелями 22 и 23. С момента отхода торца подвижного контакта от уплотнения 21, т. е. еще до начала возникновения дуги между контактами начинается дутье сжатого воздуха через зазоры Г сопла 13, в полости В и Д, а оттуда через пазы Б, отверстия Е и выхлопные козырьки 15 в атмосферу.
При движении подвижного контакта 12 сначала происходит его размыкание с ламелями 22 основного неподвижного контакта, а затем уже с ламелями 23 неподвижного дугогасительного контакта. После размыкания ламелей 23 с подвижным контактом 12 'между ними загорается электрическая дуга. По мере дальнейшего передвижения подвижного контакта 12 дуга под действием потока сжатого воздуха перебрасывается внутрь сопл 11 и 13, которые установлены на расстоянии, обеспечивающем наилучшие условия для гашения электрической дуги. Затем дуга перебрасывается на дугоулавливатели 10 и 14,
Рис. 8-1. Система управления с механической передачей
где и происходит ее гашение. Подвижный контакт 12 отходит от неподвижного контакта на полное изоляционное расстояние и его правый торец прижимается к уплотнению. Сопло //вэто время остается неподвижным.
Одновременно со штоком 6 перемещается вниз шток 27 оперативного клапана 30 до тех пор, пока его упор 31 не дойдет до резинового кольца 32. При опускании штока 27 вместе с ним перемещается золотник 26. Верхний торец золотника 26 оказывается внутри выточки 34 в корпусе оперативного клапана 30. Тем самым открывается выход сжатому воздуху из пространства над поршнем 36 по трубке 35 и через отверстие 28 в атмосферу. Поршень 36 перемещается вверх-и освобождает рычаги 25 и 37. Тогда сопло 11 под действием разности давлений в ду-гогасительном устройстве и в пространстве Д, а также пружины 38 перемещается вправо и садится на уплотнение 24, разобщая полость Д с атмосферой. При этом прекращается дутье сжатого воздуха через сопло 11. Одновременно рычаг 37 через тяги 16 и 17 освобождает стакан 19 дутьевого клапана, который под действием возвратной пружины 18 перемещается слева направо и прижимается правым торцом к уплотнению.20, разобщая пространство В с атмосферой. Тем самым прекращается дутье сжатого воздуха через сопло 13. На этом заканчивается процесс, расхождения контактов в дугогасительном устройстве. Пространство между разомкнутыми контактами дуго-гасительного устройства заполнено сжатым воздухом.
Одновременно с гашением дуги в дугогасительном устройстве происходит подготовка электрической цепи электромагнита включения ЭВ и цепи сигнализации об исполнении команды отключения. При наполнении пространства А над поршнем 43 сжатый воздух через дросселирующие отверстия 48 в трубке 2 и далее по трубке 41 поступает в пространство справа от поршня 40 и, передвигая последний, закрывает клапан отключения 42, разобщая пространство А с резервуаром 3. Подпитка пространства А сжатым воздухом из резервуара 3, когда поршень 43 находится в нижнем положении, осуществляется через продольные пазы в штоке 39. При этом положении поршня продольные пазы будут находиться против уплотнения, отделяющего резервуар 3 и пространство А. Одновременно сжатый воздух по трубке 2 через дросселирующие отверстия 48 и 50 поступает в привод 1, перемещает поршень последнего влево и тем самым осуществляет переключение контактов цепи управления. Обратный клапан 49 при этом закрыт. Дросселирующее отверстие в трубке позволяет задерживать переключение контактов цепи управления относительно момента размыкания контактов 12 и 23. Этим обеспечивается необходимое время обтекания током обмотки электромагнита отключения. При увеличении диаметра дросселирующего отверстия в трубке время обтекания током обмотки электромагнита отключения уменьшается, а при уменьшении диаметра этого отверстия — увеличивается. Контакты цепи управления переключаются, размыкают цепь электромагнита отключения ЭО, подготовляют цепь электромагнита включения ЭВ и замыкают соответствующие цепы сигнальных ламп.
В отключенном положении выключателя клапан 42 закрыт, поршень 43 находится в нижнем положении, главные контакты 12 и 23 и вспомогательные контакты шунтов разомкнуты и находятся в среде сжатого воздуха, обеспечивая необходимый изоляционный промежуток между контактами; сопло // и стакан 19 находятся в крайнем правом положении.
Включение выключателя осуществляется подачей командного импульса на электромагнит включения ЭВ, его сердечник втягивается и открывает пусковой клапан 47. При этом воздух из резервуара 3 поступает в пространство слева от поршня клапана включения 46. Под действием сжатого воздуха, заполнившего пространство слева от поршня 46, последний вместе с тарелкой перемещается слева направо, открывая выход сжатому воздуху из пространства А через отверстия 45 в атмосферу.
Под действием включающей пружины 29 штоки 6, 27 и 39, а также тяги 5 перемещаются вверх. При этом золотник 26 поднимается и его отверстия 33 оказываются против кольцевой выточки 34 в корпусе оперативного клапана 30. Тогда сжатый воздух из резервуара 9 через внутреннюю полость золотника 26 и трубку 35 начинает поступать в пространство над поршнем 36. Последний опускается, шток поршня 36 поворачивает рычаги 25 и 37. При повороте рычага 25 происходит перемещение подвижного сопла 10, а при повороте рычага 37 посредством тяг 16 и 17 происходит передвижение стакана 19 дутьевого клапана справа налево. При этом открываются пазы Б и отверстия Е, через которые происходит истечение сжатого воздуха из пространств В и Д в атмосферу.
При подъеме штока 6 закрепленное на нем коромысло 7 посредством рычажной передачи 8 осуществляет замыкание контактов 12 и 22 дугогасительного устройства.
Одновременно с опоражниванием пространства А над поршнем 43 через дросселирующую шайбу в трубке 2 происходит выход сжатого воздуха из-под поршня привода /. При понижении давления в этом пространстве поршень движется под действием пружины и переключает контакты цепи управления, размыкая цепи электромагнита включения и сигнальных ламп. Дросселирующая шайба позволяет задерживать время переключения контактов цепи управления относительно момента замыкания контактов 12 и 22, обеспечивая тем самым необходимое время обтекания током обмотки электромагнита включения. При увеличении дросселирующего отверстия в шайбе время обтекания током обмотки электромагнита включения уменьшается, а при уменьшении этого отверстия — увеличивается.
В выключателях, имеющих шунтирующие резисторы, после перемещения золотника операционного клапана 30 сжатый воздух поступает в коммутационный механизм. Под действием сжатого воздуха подвижный контакт коммутационного механизма с необходимой выдержкой времени по отношению к замыканию контактов 12 и 22 дугогасительного устройства поднимается и смыкается с неподвижным контактом шунтирующего резистора.
Каждый полюс воздушного выключателя ВНВ на 330 и 500 кВ состоит из двух одинаковых элементов, а на 750 кВ — из трех одинаковых элементов. Система управления в них принципиально такая же, как в выключателе на220кВ (см. рис. 8-1). Разница заключается в том, что в выключателях на 330— 750 кВ имеется дополнительная рычажная передача.
В выключателях на 330—500 кВ элементы системы управления, находящиеся на потенциале земли (т. е. /, 2, 39—47), расположены посредине между обоими элементами, образующими полюс; шток 39 соединен посредством симметричной угловой передачи с изоляционными тягами 5, расположенными в изоляционных циллиндрах 4 каждого элемента полюса.
В выключателях на 750 кВ элементы системы управления, находящиеся на потенциале земли (т. е. 1, 2, 39—47), расположены на среднем элементе, образующем полюс; шток 39 соединен посредством симметричной рычажной передачи с изоляционными тягами 5 двух крайних элементов, образующих полюс.
Автоматическое повторное включение обеспечивается путем простого чередования операций отключения и включения с требуемым интервалом времени.
•3. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ
Система управления с пневматической передачей осуществляет нормальные операции с выключателем, быстродействующее автоматическое повторное включение, а также пополюсное (по-фазное) управление.
При пофазном управлении каждый полюс имеет самостоятельную систему управления, которая может быть приведена в действие посредством своего электромагнита управления независимо от систем других полюсов. Для одновременного управления тремя полюсами подается командный импульс на электромагниты управления всех трех полюсов.
Рис. 8-2. Система управления с пневматической передачей
Быстродействующее автоматическое повторное включение осуществляется отключением выключателя и его последующим включением.
На рис. 8-2 изображена система управления с пневматической передачей, применяемая в воздушных выключателях серии ВВБ на номинальное напряжение 110 кВ. Контактные части и клапана показаны на этом рисунке в том положении, в каком они находятся, когда выключатель отключен. Траверса с подвижными контактами 9 удерживается в отключенном положении фиксирующим механизмом 8, ролики которого располагаются ниже утолщенной части на штоке дутьевого клапана.
Включение выключателя осуществляется подачей командного импульса на электромагнит включения ЭВ, который открывает пусковой клапан включения 25. Сжатый воздух, находящийся в пространстве Б над поршнем клапана 30, через открытый клапан включения 25 и отверстие Os выходит в атмосферу. Поршень и тарелка клапана 30 поднимаются, закрывая сжатому воздуху выход из пространства В и открывая выход воздуху в атмосферу из пространства А через отверстие 0\. При этом поршень и тарелка клапана 31 передвигаются слева направо; тарелка закрывает отверстие 0'2, а поршень открывает кольцевой канал 02, по которому сжатый воздух, находящийся в изоляционном воздухопроводе 22 и трубке 28, а также в пространстве справа от поршня клапана 21, выходит в атмосферу. Тарелка и поршень клапана 21 передвигаются слева направо. Тарелка этого клапана закрывает отверстие О'3, а поршень открывает кольцевой канал 03, по которому сжатый воздух, находящийся в пространстве Г, Д и Е, по трубке 20 выходит в атмосферу, причем выход воздуха из пространства Д происходит через дроссель 4, закрепленный на шайбе 5. Тогда поршень 7, на котором закреплены подвижные контакты 9, опускается вниз, осуществляя замыкание подвижных 9 и неподвижных 10 контактов выключателя. Ролики фиксирующего механизма 8 оказываются над утолщением на штоке и фиксируют включенное положение выключателя. После выхода воздуха из пространства Д тарелка 5 под действием пружины опускается до соприкосновения с поршнем 3.
При выходе сжатого воздуха из трубки 28 поднимается поршень пневматического привода 29, переключающего контакты цепи управления. Привод 29 имеет дроссельное устройство 27, позволяющее регулировать время переключения контактов цепи управления. При переключении вспомогательных контактов разрываются цепи электромагнита включения и подготовляются цепи электромагнита отключения. Тарелка клапана включения 25 возвращается в исходное положение. Этим заканчивается операция включения выключателя.
Если выключатель имеет шунтирующие сопротивления, то почти одновременно с движением главных контактов 9 и 10начинается перемещение дополнительных контактов 13 и 14 в цепи шунтирующего сопротивления 12. Блок, управляющий перемещением дополнительного контакта, соединен воздухопроводом 17 с корпусом поршневого механизма дутьевого клапана. Поэтому при включенном положении выключателя в пространстве справа от поршня 16 находится сжатый воздух, который прижимает поршень 16 к седлу.
При включении выключателя давление воздуха в пространстве Д понизится. Одновременно понизится и давление воздуха в пространстве справа от поршня 16, и последний передвинется слева направо. Поршень имеет полый цилиндрический шток, на котором закреплена тарелка. При перемещении поршня вправо его тарелка садится на седло и разобщает пространство Ж с атмосферой. Сжатый воздух, поступающий по трубке из резервуара 11, заполняет пространство Ж. Тогда подвижный дополнительный контакт 14 под действием пружины поднимается и смыкается с неподвижным дополнительным контактом 13. Тем самым происходит подключение шунтирующего сопротивления 12 параллельно правому разрыву. С левой стороны дугогасительного устройства имеется точно такое же шунтирующее сопротивление со своим блоком управления. Пневматическое блокирующее устройство 15 предотвращает самопроизвольное смыкание контактов 13 и 14 при недопустимом понижении давления воздуха в резервуаре 11. Когда давление воздуха в резервуаре значительно уменьшится, пружина переместит шток и поршень блокирующего устройства 15 справа налево. Упор на левом конце штока заходит за выступ в нижней части подвижного контакта 14 и не дает возможности последнему подняться под действием пружины при недостаточном давлении воздуха в резервуаре //.
Отключение выключателя осуществляется подачей командного импульса на электромагнит отключения ЭО, который открывает пусковой клапан отключения 24. Сжатый воздух из небольшого резервуара 1, установленного на раме выключателя и соединенного с магистралью, поступает через клапан 24 по трубке 23 в обратный клапан 26, опускает тарелку последнего и проникает в пространство Б над поршнем клапана 30. Поршень и тарелка клапана 30 опускаются, открывая выход воздуху из резервуара 1 через выходное отверстие клапана 30 в пространство А. Давление воздуха в этом пространстве повышается, поршень и тарелка клапана 31 передвигаются справа налево. Тарелка клапана 31 отходит от седла и открывает доступ воздуху из резервуара / по изоляционному воздухопроводу 22 в пространство справа от поршня клапана 21, а по трубке 28 — ив привод 29 контактов цепи управления. Под действием сжатого воздуха поршень и тарелка клапана 21 передвигаются справа налево, открывая доступ сжатому воздуху из резервуара / в пространство Г под поршнем 3. Поршень 3 вместе с тарелкой 5 поднимаются вверх, закрывая отверстия 04. Поршень 3 посредством полого штока соединен с тарелкой 6 дутьевого клапана. Внутри тарелки 6 находится поршень 7, соединенный с подвижными контактами выключателя 9. Тарелка 6, поднимаясь, открывает отверстия 0$, через которые начинается выход воздуха из резервуара И, а также перемещает подвижные контакты 9, осуществляя их размыкание с неподвижными контактами 10.
Перемещение поршня 3 несколько меньше хода траверсы с подвижными контактами 9. В конце хода поршня 3 шайба 5 прижимается к седлу, закрывая отверстия 04, сообщающие пространство Д с атмосферой. Дальнейшее перемещение подвижных контактов 9 происходит из-за разности давления по обе стороны поршня, а также по инерции и под действием силы пружин фиксатора 8.
Через некоторое время, определяемое положением стержня дроссельного устройства 19, давление воздуха в пространствах Г и Д уравнивается и поршень 3 под действием пружины опускается вниз. Вместе с ним опускается и тарелка 6, закрывая выход воздуху из резервуара 11 через отверстия Оз. Подвижные контакты 9 будут удерживаться в разомкнутом положении фиксирующим механизмом 8. Давление сжатого воздуха с обеих сторон поршня 7 будет одно и то же.
При открытии клапана 31 сжатый воздух из резервуара / по трубке 28 поступает в привод 29, переключающий контакты цепи управления. Время переключения этих контактов регулируется дроссельным устройством 27. При переключении контактов цепи управления размыкаются цепи электромагнита отключения. Электромагнит отключения ЭО возвращается в исходное положение, и клапан отключения 24 закрывается. Воздух из трубки 23 выходит в атмосферу через отверстие в корпусе клапана 24. Обратный клапан 26 не позволяет воздуху выйти из пространства Б.
Если выключатель имеет шунтирующее сопротивление 12, то после погасания дуги на главных контактах происходит размыкание дополнительных контактов в цепи шунтирующего сопротивления и гашение ими электрической дуги. Контакты, размыкающие цепь шунтирующего сопротивления, рассчитаны на отключение сравнительно небольшого тока.
При отключении выключателя, после того как тарелка 5 закроет выходные отверстия 04, давление в пространстве Д начнет повышаться. Одновременно повышается и давление в пространстве справа от поршня 16, и последний перемещается справа налево. Тем самым сжатому воздуху открывается выход в атмосферу через отверстие О/ "как из пространства Ж, так и из пространства под поршнем подвижного контакта 14. Последний опускается, размыкается с неподвижным контактом 13, разрывая ток, протекающий через шунтирующее сопротивление. Размыкание контактов 13 и 14 происходит приблизительно через 0,035 с после размыкания главных контактов. Это запаздывание регулируется дросселем 18. Нижний торец подвижного контакта 14 прижимается к седлу, прекращая выход сжатому воздуху через отверстие 06.
В выключателях, имеющих на опорной колонке два дугогасительных модуля, изоляционный воздухопровод 22 соединяется с общим распределительным клапаном. Последний управляет открытием и закрытием клапанов 21, установленных каждый около своего дугогасительного модуля.
Резервуары 1 и 11 соединены между собой изоляционной трубой 2.
8-4. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ С ПНЕВМО-МЕХАНИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ
В механизмах управления с пневмо-механической передачей одна часть элементов приводится в действие сжатым воздухом, для чего эти элементы имеют свои поршневые устройства, а другая часть — общим пневматическим приводом. Какие элементы приводятся в действие сжатым воздухом, а какие общим приводом, обусловливается конструкцией выключателя, номинальным напряжением, номинальным током и некоторыми другими причинами.
На рис. 8-3 изображена система управления с пневмо-механической передачей, применяемая в воздушных выключателях серии ВВБК- В выключателе этой серии нет заземленных резервуаров со сжатым воздухом. Запас воздуха, необходимый для отключения выключателя, заключен в резервуаре 22, который находится под напряжением. Пополнение расхода воздуха в этом резервуаре происходит из магистрали 4 через внутреннюю полость цилиндров 5 и 5а из стеклопластика и далее по трубке 28. Цилиндры 5 и 5а находятся внутри полых фарфоровых изоляторов, не показанных на рисунке.
На рис. 8-3 для уменьшения его размеров показан только один модуль дугогасительного устройства. В действительности на одной опорной изоляционной конструкции установлены два модуля дугогасительного устройства, соединенные последовательно. Они установлены один над другим и отделяются друг от друга посредством фарфорового изолятора. Каждый модуль имеет свою систему клапанов. Клапаны обоих модулей одинаковы и управляются общей изоляционной тягой, состоящей из двух частей 6 и 6а. Общая конструктивная схема такого выключателя будет рассмотрена в гл. 9 (см. рис. 9-4). По такой схеме выполняется полюс выключателя серии ВВБК на номинальныенапряжения 220 и 330 кВ.
зв
Рис. 8-3. Система управления с пневмо-механической передачей
Каждый полюс воздушного выключателя серии ВВБК на 500 кВ составляется из двух элементов, а на 750 кВ — из трех элементов. Каждый элемент выполняется по схеме, изображенной на рис. 8-3, т. е. имеет два дугогасительных модуля на одной опорной изоляции, рассчитанной на соответствующее номинальное напряжение.
Одновременное отключение и включение элементов, образующих полюс, достигается последовательным соединением обмоток их электромагнитов.
Контактные части и клапаны показаны на рис. 8-3 в том положении, в каком они находятся, когда выключатель отключен.
Включение выключателя осуществляется подачей командного импульса на электромагнит включения ЭВ. Сердечник последнего втягивается и открывает клапан включения 37. Тогда сжатый воздух из магистрали 4 через клапан включения 37 и канал 36 поступает в пространство над поршнем 41. Под действием сжатого воздуха поршень 41 опускается.
Поршень 41 с одной стороны соединен посредством изоляционной тяги 6 с поршнем 34 нижнего модуля, а с другой стороны — с рычагами 39 и 43. Соединение тяги 6 и поршня 34 выполнено следующим образом. На верхней части изоляционной тяги 6 закреплен металлический шток, который проходит сквозь поршень 34 и тарелку 33 и соединяется с изоляционной тягой 6а. Последняя таким же образом соединяется с поршнем верхнего модуля (на рисунке не показан). В месте прохода штоков сквозь поршни установлены уплотнения для предотвращения утечки воздуха по поверхности штоков. Каждый шток имеет по два кольцевых буртика — верхний и нижний. К верхним буртикам под действием пружин прижимаются тарелки (33 для нижнего модуля). Нижний буртик штока находится на расстоянии нескольких миллиметров над поверхностью поршня 34.
При перемещении поршня 41 вниз опускаются тяги 6 и 6а и поворачиваются рычаги 39 и 43. Нижние буртики на штоке доходят до поршней (34 для нижнего модуля) и опускают их. Тарелка 33 клапана управления нижнего модуля и такая же тарелка клапана управления верхнего модуля под действием своих пружин, следуя за штоками, опускаются и садятся на свои седла. Клапаны управления выполнены разгруженными. Канал
32 соединяет между собой пространства с обеих сторон тарелки 33. Металлический шток, закрепленный на тяге 6, не имеет жесткого соединения с тарелкой 33 клапана управления. Этот шток проходит свободно сквозь тарелку и за пределами клапана соединяется с изоляционной тягой 6а. Тарелка 33 прижимается пружиной к кольцевому выступу на штоке. После того как тарелка
33 села на седло, поршень 34 со штоком продолжает еще опускаться, пока между тарелкой 33 и верхним кольцевым выступом на штоке не образуется зазор 1—2 мм.
После опускания поршня 34 открывается выход сжатому воздуху из пространства под поршнем 14 дутьевого клапана, из пространства между поршнем 14 и шайбой 16, из пространства под поршнем 19, из пространства слева от поршня 10 и из каналов 7 и 31 через отверстие ОБ в атмосферу. Причем выход воздуха из пространства между поршнем 14 и шайбой 16 происходит через дроссель 15, закрепленный на шайбе 16. Выход воздуха из пространства под поршнем 19 происходит по каналу в штоке дутьевого клапана. Когда давление сжатого воздуха в пространстве между шайбой 16 и поршнем 14 уменьшится до определенного значения, шайба 16 под действием пружины опускается и прижимается к поршню 14.
Одновременно с выходом сжатого воздуха из дутьевого клапана происходит выход воздуха из пространства справа от поршня 10 через обратный шариковый клапан 8, а частично и через регулируемый дроссель 9. При этом поршень 10 вместе с тарелкой И перемещаются слева направо до тех пор, пока тарелка // клапана не сядет на седло.
Когда давление сжатого воздуха под поршнем 19 уменьшится до определенного значения, поршень под действием сжатого воздуха, находящегося в резервуаре 22, начинает опускаться. Вместе с поршнем 19 опускается и шток 20 с подвижными контактами 21. При этом подвижные контакты 21 смыкаются с неподвижными контактами 23, осуществляя включение выключателя.
Ролики фиксатора оказываются над утолщением на штоке 20 и фиксируют включенное положение контактов.
При опускании поршня 41 рычаг 39 отводит защелку 38. Конец рычага 39 заходит за ролик этой защелки. Следовательно, после выхода сжатого воздуха из пространства над поршнем 41 последний подняться не может. Одновременно с поворотом рычага 39 происходит и поворот рычага 43, соединенного тягой с рычагом /. При повороте рычага 1 закрывается клапан 3 и открывается клапан 44. Тем самым открывается выход сжатому воздуху, находящемуся над поршнем 2 привода контактов цепи управления, через регулируемый дроссель 42 в атмосферу. Под действием пружины поршень 2 поднимается, переключая контакты цепи управления, которые размыкают цепи электромагнита включения ЭВ и подготавливают цепи электромагнита отключения ЭО.
Когда поршень 41 дойдет до своего нижнего положения, откроется доступ сжатому воздуху из пространства над поршнем 4/ по каналу 35 к торцу штока клапана 37. При этом клапан 37 закрывается, несмотря на то, что обмотка электромагнита ЭВ еще обтекается током. После закрытия клапана 37 сжатый воздух из пространства над поршнем 41 выходит по каналу 36 через отверстие OQ в атмосферу. Частично воздух выходит из этого пространства и через регулируемый дроссель 40.
Отключение выключателя осуществляется подачей командного импульса в обмотку электромагнита отключения ЭО. Сердечник последнего втягивается и поворачивает защелку 38 против часовой стрелки. При этом ролик на защелке 38 соскакивает с конца рычага 39, удерживающего поршень 41, изоляционную тягу 6, поршень 34 и тарелку 33 клапана управления нижнего модуля, как и соответствующие элементы верхнего модуля, в нижнем положении. Под действием сжатого воздуха, находящегося в пространстве под поршнем 34, последний поднимается. Вместе с ним поднимаются поршень 41, а также поворачиваются рычаги 39 и 43.
Перемещение поршня 34 вверх происходит до тех пор, пока он не дойдет до седла, закрыв отверстие Об. После того как поршень 34 поднимется еще на 1—2 мм, кольцевой выступ на штоке поршня начнет передвигать тарелку 33 вверх. Как только тарелка 33 отойдет от седла, сжатый воздух, поступающий в клапан управления по трубке 28 и цилиндру 5а, передвинет ее дальше вверх. Ход тарелки 33 больше хода поршня 34. Это достигается тем, что площадь поперечного сечения канала 32 выбрана небольшой, так что для выравнивания давления воздуха под тарелкой 33 и над ней требуется некоторое время. После выравнивания давления тарелка 33 под действием пружины опускается и прижимается к кольцевому выступу на штоке поршня 34.
Тогда сжатый воздух, находящийся внутри цилиндров 5 и 5а, проходя мимо тарелки 33, заполняет пространство над поршнем 34, каналы 7 и 31, а также пространства под поршнями 14 и /9. Поршень 14 вместе с шайбой 16 под действием сжатого воздуха поднимается, сжимая соответствующие пружины. Перемещение поршня 14 и шайбы 16 происходит до тех пор, пока уплотнения в шайбе 16 не закроют отверстий 02.
В целях значительного уменьшения давления трогания поршня 14 в систему управления введена ускоряющая приставка с поршнем 13. Выступ на поршне 13 при включенном и отключенном положениях прижат сжатым воздухом к поршню 14. В пространстве под поршнем 13 всегда находится сжатый воздух, поступающий по трубке 17 из полости дутьевого клапана. Это необходимо для того, чтобы при возврате поршня 13 в начальное положение не происходило его торможения. Давление в корпусе дутьевого клапана, когда он открыт, меньше, чем в пространстве между поршнем 14 и шайбой 16. Кроме того, ускоряющая приставка несколько разгружает уплотнение в тарелке 18. Ускоряющая приставка работает в начале открытия дутьевого клапана. Ее перемещение равно 15 мм, в то время как ход поршня 14 составляет 50 мм.
Поршень 14 соединен посредством полого штока с тарелкой 18 дутьевого клапана. Следовательно, при перемещении вверх поршня 14 вместе с ним поднимаются тарелка 18, поршень 19, шток 20 и подвижные контакты 21. При этом происходит размыкание подвижных контактов 21 и неподвижных 23. Электрическая дуга, возникающая между контактами, гасится струей сжатого воздуха, обтекающей неподвижные контакты 23 и выходящей из резервуара 22 через отверстия О3.
Ход поршня 14 несколько меньше хода поршня 19 с подвижными контактами 21. В конце хода поршня 14 шайба 16 прижимается к седлу, закрывая отверстия 0%, сообщающие пространство над поршнем 14 с атмосферой. Дальнейшее перемещение поршня 19 и подвижных контактов 21 происходит вследствие разности давлений по обе стороны поршня, а также по инерции и под действием пружин фиксатора. В отключенном положении подвижные контакты удерживаются фиксатором, ролики которого располагаются ниже утолщенной части штока 20, как это и показано на рис. 8-3.
После остановки поршня 14 сжатый воздух из пространства под этим поршнем перетекает через регулируемый дроссель 30 и шлицы в боковой стенке поршневого цилиндра в пространство над поршнем 14. При достижении давлением над поршнем определенного значения поршень вместе с тарелкой 18 под действием пружины возвращается в первоначальное положение. Тарелка 18 прижимается к седлу и прекращает выход сжатому воздуху из резервуара 22. Регулируемый дроссель 30 позволяет изменять время, в продолжение которого дутьевой клапан находится в открытом положении, и тем самым изменять объем воздуха, выходящего через дутьевой клапан в атмосферу при отключении выключателя. Открытие дутьевого клапана происходит раньше, чем размыкаются контакты и между ними загорается дуга, так как дугогасительный контакт размыкается с неподвижным контактом 23 после перемещения подвижных контактов на 15 мм. Этим обеспечивается интенсивное воздушное дутье в момент возникновения дуги и переброс ее с дугогасительных контактов на дугоулавливатели. Дуга стабилизируется между наконечниками на неподвижных контактах и дугоулавливателями и гаснет при первом прохождении тока через нуль.
Одновременно с подачей сжатого воздуха под поршень 14 сжатый воздух от клапана управления по каналу 7 поступает в пространство слева от поршня 10 клапана отсечки (поршень 10 и тарелка 11 при включенном положении выключателя находятся в крайнем правом положении) и далее, по трубкам 12 и 29 в пространство над поршнями 24 привода дополнительного дутья (на рис. 8-3 левый привод дополнительного дутья, к которому должна присоединяться трубка 12, не показан). Поршень 24 опускается и посредством изоляционной тяги 25, толкателя 45 и рычага 46 открывает клапан 48, передвигая его поршень справа налево. При этом происходит опоражнивание пространства внутри поршня 50 через отверстие 49 и далее через отверстие 04 в атмосферу. Под действием разности давлений справа и слева от поршня 50 последний передвигается справа налево, открывая канал 04, являющийся полостью токоведущей трубы проходного.изолятора 26. Таким образом открывается выход сжатому воздуху из зоны горения дуги в атмосферу через внутренний канал в неподвижном контакте 23, каналы 27 и 04. Канал 27 на рассматриваемой схеме показан условно: в действительности имеется два канала 27, которые подходят к поршню 50 (на выноске 1 их не видно).
Поршень 50 заканчивается в правой части эжектирующим хвостовиком для устранения нарастания давления во внутреннем пространстве поршня 50 при его крайнем левом положении. Этим предотвращается вибрация поршня в процессе отключения.
С момента подачи сжатого воздуха под поршень 24 привода системы дополнительного дутья начинается и заполнение воздухом пространства справа от поршня 10 через регулируемый дроссель 9. При определенном давлении в этом пространстве поршень 10 и тарелка // перемещаются справа налево. При этом прекращается поступление сжатого воздуха из клапана управления по каналу 7 в трубки 12 и 29 и открывается выход сжатому воздуху из этих трубок и из пространств над поршнями 24 обоих приводов дополнительного дутья в атмосферу через отверстия О[. Давление в этих пространствах уменьшается, и поршни 24, изоляционные тяги 25 и толкатели 45 под действием давления сжатого воздуха на торец штока поршня 24 поднимаются, освобождая рычаг 46. Тогда под действием пружины 47 клапан 48 закрывается. Давление воздуха внутри поршня 50 увеличивается, и последний перемещается слева направо, закрывая выход сжатому воздуху из резервуара 22 по каналу 27 через отверстие 04 в атмосферу. Следовательно, прекращается дополнительное дутье сжатого воздуха.
Поршень 34, поднимаясь, посредством тяги 6 перемещает поршень 41. Шток последнего поворачивает рычаг 43. Так как этот рычаг соединен тягой с рычагом I, то последний поворачивается. При этом клапан 44 закрывается, а клапан 3 открывается. Тогда сжатый воздух из магистрали 4 через клапан 3 поступает в пространство над поршнем 2 привода контактов цепи управления и опускает поршень. Тем самым осуществляется переключение контактов цепи управления, размыкание цепи обмотки электромагнита отключения ЭО и подготовка цепи электромагнита включения.
На рис. 8-4 изображена система управления с пневмо-меха-нической передачей, применяемая в воздушном выключателе ВВГ-20 на 20 кВ, 20 000 Л. Номинальное давление воздуха 2 МПа. Изображение элементов системы соответствует отключенному положению выключателя.
Рис. 5-4. Система управления с пневмо-механическои передачей
Включение выключателя осуществляется подачей командного импульса на электромагнит включения 14, который откры вает пусковой клапан 12. Последний посредством трубок 4 н 11 соединен с резервуаром /. При открытии клапана 12 сжатый воздух из пространства В поступает к поршню 13, перемещает его, открывая тем самым клапан 15. Тогда сжатый воздух по трубке 9 поступает к поршню 42 привода 41, а по трубке 23 — к поршню 34 привода 36. При перемещении поршней последовательно поворачиваются ножи отделителя 44 и ножи разъединителя 46, осуществляя замыкание соответствующих цепей. Поршни 34 и 42 при своем движении производят переключение контактов цепи управления 21 и 30 посредством металлических тяг 22, 25 и 29.
Отключение осуществляется подачей командного импульса на электромагнит отключения 18, который открывает пусковой клапан 19, соединенный трубкой 10 с пространством В. Из клапана 19 воздух поступает к поршню П, перемещает его и открывает клапан 16. Тогда воздух по трубке 24 поступает к поршню 34, передвигает его, осуществляя размыкание ножей разъединителя 46. Вал 37 соединен тягой 28 с рычагом 26, который прижимается к ролику 27. При повороте вала 37 ролик 27 передвигает золотник 20 справа налево. Тогда сжатый воздух по трубке 7 через кольцевую выточку на золотнике поступает к поршню 6, который, перемещаясь, открывает клапан 5. Последний, открываясь, выпускает воздух из пространства А через отверстия Б. После этого открывается дутьевой клапан 3 и воздух из резервуара 1 по трубке 2 поступает в главные дугогасительные камеры 32 и 45 и во вспомогательную камеру 54 (для предотвращения вибрации контакта 62 воздух одновременно подается по трубке 60 к поршню 59, который прижимает контакт 62 к контакту 63). Главные дугогасительные камеры 32 и 45 имеют одностороннее дутье с жестко фиксированным дугоулавливателем и снабжены охладителями выходящего воздуха 0В. Контакты камер зашунтированы сопротивлениями 31 и 50. После размыкания главных контактов воздух по трубке 49 поступает в клапан 56 и через регулировочное отверстие 57 к поршню 58. Последний, перемещаясь, открывает клапан 56, из которого воздух поступает к поршню 61 и перемещает поршень вправо. При этом контакты 62 и 63 размыкаются, а возникшая между ними дуга может погаснуть в зависимости от параметров восстанавливающегося напряжения либо без переброса на вспомогательные контакты 47 и 48, либо после переброса и подключения параллельно этим контактам сопротивления 55 (электрод 47 изолирован от корпуса камеры).
Из правой главной дугогасительной камеры сжатый воздух по трубке 53 через дополнительный объем 52 и регулировочное отверстие 51 поступает к поршню 42. При передвижении последнего осуществляется отключение отделителя 44. Такая схема подачи воздуха обеспечивает необходимое запаздывание при отключении отделителя после гашения дуги. После того как рычаг 26 проскочит ролик 27, клапан 20 под действием пружины вернется в исходное положение. Тогда сжатый воздух из пространства слева от поршня 6 выходит в атмосферу через регулировочное отверстие 8 и клапан 5 закрывается. Когда пространство А через отверстие в поршне заполнится сжатым воздухом, дутьевой клапан 3 закроется и прекратит подачу сжатого воздуха в дугогасительные камеры 32 и 45. Контакты последних замыкаются. В конце процесса размыкания разъединителя и отделителя контакты их цепей управления под действием рычагов 39 и 40 и тяг 22, 25, 29 и 38 перейдут в отключенное положение, разрывая цепь электромагнита отключения.
Дроссельные устройства 33, 35 и 43 позволяют регулировать время срабатывания приводов 36 и 41.
8-5. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
С ПНЕВМО-ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ
В системах управления с пневмо-гидравлической передачей одна часть элементов выключателя приводится в действие сжатым воздухом, для чего эти элементы имеют свои поршневые устройства, а другая часть элементов — гидравлическим приводом, передающая и приемная части которого соединены между собой посредством изоляционного трубопровода, заполненного рабочей жидкостью. В системах управления с пневмо-гидравлической передачей в качестве рабочей жидкости применяются минеральные масла, спирто-глицериновые смеси и кремнийор-ганические жидкости. Однако минеральные масла нашли наибольшее применение в гидравлических передачах.
Системы управления с пневмо-гидравлической передачей нашли ограниченное применение в воздушных выключателях вследствие своей сложности. Поэтому в настоящей работе они не рассматриваются. Их принципиальные схемы и специфические требования к рабочей жидкости приведены в [6].
8-6. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ С ПНЕВМО-СВЕТОВОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ
Повышение номинального напряжения выключателя, сопровождающееся значительным увеличением его высоты, приводит к увеличению времени прохождения командного импульса от заземленных частей выключателя к частям, находящимся под напряжением. Соответственно увеличивается и собственное время отключения выключателя. В выключателях на сверхвысокие напряжения время прохождения командного импульса составляет существенную часть их собственного времени отключения. Поэтому создание таких выключателей с малым временем отключения представляет большие технические трудности. Использование светового луча для передачи командного импульса от заземленных частей к частям, находящимся под напряжением, позволяет уменьшить время отключения выключателя.
На рис. 8-5 изображена пневмо-световая система управления полуполюсом воздушного выключателя подвесного типа на номинальное напряжение 1150 кВ (см. рис. 9-5). Каждый полюс этого выключателя состоит из двух одинаковых полуполюсов.
Рис. 8-5. Система управления с пневмо-световой передачей
Полуполюс состоит из трех дугогасительных модулей 8, колонны питания 9, по которой сжатый воздух подается в дугога-сительные модули и колонны управления. Последняя состоит из полых фарфоровых изоляторов 3, фланцев 2 и 4. Обе колонны— питания и управления — шарнирно подвешены на портале 6. Верхний дугогасительный модуль 8 шарнирно подвешен к порталу 6 на трех гирляндах подвесных изоляторов 7. Средний модуль дугогасительного устройства подвешен к верхнему модулю на трех гирляндах подвесных изоляторов //. Таким же образом крепится и нижний модуль к среднему.
Колонна питания 9 состоит из полых фарфоровых изоляторов, внутри которых находится труба из стеклопластика, соединенная резиновыми шлангами 10 с дугогасительными модулями. Таким образом осуществляется питание дугогасительных модулей и системы клапанов управления сжатым воздухом.
В верхнем фланце 4 колонны управления размещено передающее устройство 5, а во фланцах 2 размещены оптические системы с приемными фотодиодами. Верхний фланец служит также для крепления колонны управления к порталу.
Перемещение подвижных контактов при включении и отключении выключателя и управление дутьевым клапаном осуществляется посредством блока управления 12, схема которого аналогична изображенной на рис. 8-2. К блоку управления крепится блок 13, в котором находятся пусковые клапаны и электромагниты управления. Последние приводятся в действие от приемного устройства 14, которое соединяется посредством экранированного кабеля / с фотодиодами, находящимися во фланцах 2. Передача командных импульсов от передающего устройства, находящегося на потенциале земли, к приемному устройству, расположенному на высоком потенциале, осуществляется посредством светового потока инфракрасного диапазона, создаваемого светодиодами. Этот световой поток, проходя сквозь линзы, попадает на зеркала, поставленные в каждом фланце 2 под углом 45°, и отбрасывается на фокусирующие линзы, а от них на фотодиоды. Световые сигналы, принимаемые фотодиодами, преобразуются в электрические импульсы и вызывают срабатывание соответствующих исполнительных механизмов.
Система управления с пневмо-световой передачей позволяет передать по одному оптическому каналу команды на включение и отключение выключателя, а также получить сигнал о его положении (включен или отключен) при любых расстояниях между заземленными частями выключателя и частями его, находящимися под напряжением. Передача команд осуществляется посредством импульсно-временного и частотного кодирования, что повышает стойкость системы к импульсным и постоянно действующим помехам, имеющим место в эксплуатации.
Основными частями системы управления с пневмо-световой передачей являются передающее устройство, оптический канал, приемное устройство и пневматическая система [36].
Передающее устройство состоит из элементов, принимающих электрический командный импульс от цепей защиты и управления, из формирователя команд (Ф/С), формирователя тактовых импульсов (ФТИ), генератора несущей частоты (ГНЧ) и выходного устройства (Вых У).
Формирователь команд Ф/С вырабатывает кодированный сигнал, представляющий собой две «пачки» прямоугольных импульсов каждая с длительностью 500 мкс и частотой заполнения 400 кГц. В зависимости от того, какой сигнал подается на вход передающего устройства, «включить» или «отключить», временное расстояние между пачками импульсов будет соответственно 500 или 1000 мкс. Это осуществляется формирователем тактовых импульсов ФТИ. Таким образом осуществляется импульсно-временное кодирование команд. Тактовые импульсы с выхода ФТИ поступают на ГНЧ, который открывается тактовыми импульсами на время, равное их длительности. Этим достигается частотное кодирование.
С выхода ГНЧ сигнал поступает на схему запрета, обеспечивающую прохождение на выходное устройство только тех команд, которые сформировались под воздействием импульса запуска на входе ФК. Если команда начала формироваться от случайного импульса помехи длительностью менее двух миллисекунд, то схема запрета не передаст ее на выходное устройство.
С выхода ГНЧ сигнал передается на Вых У, превращающее электрический сигнал в световое излучение. В рассматриваемой схеме выходным устройством являются несколько светодиодов, соединенных параллельно. Для преобразования электрического сигнала в световой могут использоваться и другие источники излучения, как, например, лазеры, импульсные ксеноновые или неоновые лампы. Питание передающего устройства осуществляется от сети переменного тока 220 В или постоянного тока 24 В.
Элементы передающих устройств, принимающих командный импульс от цепей защиты и управления в каждом полюсе соединены между собой последовательно. При пофазном управлении команды поступают на две колонны управления, а при трехфазном управлении — на шесть колонн.
Световой (оптический) канал служит для передачи световых импульсов от передающего устройства к фотодиодам. Световой канал должен быть надежно защищен от воздействия сырости и загрязнений. Конструктивно световой канал представляет собой изоляционную трубу с входной и выходной линзами либо разветвленный стекловолоконный светопровод. В рассматриваемой пневмо-световой системе световым каналом является полость колонны изоляторов 3.
Применение разветвленного гибкого стекловолоконного световода позволило бы упростить конструкцию колонны управления. Отпала бы необходимость в оптических линзах и зеркалах. Фотодиоды можно разместить непосредственно в приемных устройствах 14, введя в них ветви световода.
Приемное устройство состоит из фотоприемника ФП, входного устройства ВхУ, схемы накопления СЕ, дешифраторов команд включения (ДВ) и отключения (ДО), а также исполнительных механизмов команд включения (ИМВ) и отключения (И МО).
Входное устройство Вх У представляющее собой резонансный контур, включено последовательно с ФП. Схема накопления СН построена на принципе удвоения напряжения на диодах и конденсаторах. Напряжение на конденсаторах ступенчато возрастает по мере их дозарядки. Как только через схему пройдет 7—10 импульсов, напряжение на конденсаторе достигает напряжения открытия динистора входного устройства и он открывается. Этим обеспечивается помехоустойчивость схемы приемного устройства, так как при попадании на него отдельных импульсов помехи накопления заряда не произойдет.
При поступлении на вход дешифратора кодированного сигнала «отключить» или «включить» на одном из его выходов будет сформирован одиночный импульс, соответствующий одной из переданных команд и поступающий на вход блока приемного устройства БПУ. Последний обеспечивает подключение автономного источника энергии к исполнительному механизму (ИМВ или И МО). Поскольку автономный источник питания находится под высоким напряжением и, следовательно, недоступен для контроля эксплуатационным персоналом, то может быть предусмотрена передача контрольного сигнала для периодического определения состояния автономного источника питания.
Исполнительный механизм состоит из блока электромагнитных механизмов 14 и блока клапанов управления 13.
При отключении выключателя подается командный электрический импульс в передающие устройства каждого полюса. Командный электрический импульс преобразуется в излучениесве-тодиода, которое попадает на зеркала, установленные в световом канале, и отбрасывается на фотоприемники ФЯ, вызывая появление фототока, поступающего по кабелям / в приемные устройства 14. Каждое приемное устройство срабатывает и замыкает цепь автономного источника и индукционно-динамического механизма, открывающего клапан управления, осуществляющий отключение выключателя. Индукционно-ди-намический механизм используется для уменьшения времени отключения.
Таким же образом осуществляется и прохождение командного импульса при включении выключателя, только приемное устройство выдает команду на электромагнит включения.
Рассмотренная система управления с пневмо-световой передачей позволила получить следующие временные характеристики:
1) время включения 0,088 с при неодновременности замыкания контактов 0,002 с;
2) время от подачи команды на отключение до размыкания контактов дугогасительного устройства 0,022 с при неодновременности размыкания контактов 0,002 с.
Все элементы пневмо-световой системы управления надежно работали при температуре от минус 60 до плюс 50 °С.
ПОДГОТОВКА ВОЗДУХА
В заключение остановимся коротко на требованиях к качеству сжатого воздуха. Сжатый воздух необходимого давления получается из атмосферного с помощью специальных компрессорных установок. Воздух атмосферы имеет механические примеси —- пыль и влагу.
Попадая во внутренние полости выключателя, пыль засоряет клапаны, уменьшает их герметичность, способствует утечке воздуха. Осаждаясь на внутренних поверхностях изоляторов, пыль снижает напряжение поверхностного разряда и способствует перекрытию внутренней изоляции. Внутренняя электрическая прочность выключателя в сильной степени зависит от количества механических примесей, причем чем больше давление воздуха, тем сильнее сказывается количество примесей. При давлении 2 МПа очистка воздуха от механических примесей повышает электрическую прочность на 70 % В связи с этим в установках, производящих сжатый воздух, имеются специальные фильтры.
Особенно опасна влага, содержащаяся в воздухе. При понижении температуры влага конденсируется и выпадает в виде капель воды. Эта вода ухудшает работу клапанов управления. Оседая на деталях механизма привода, вода вызывает коррозию и является причиной отказа всего выключателя. Особенно утяжеляется работа выключателя в зимнее время, когда образующийся снег закупоривает трубопроводы и клапаны. Осаждаясь на поверхностях изоляторов, влага ухудшает электрическую прочность изоляции. Поэтому во всех воздушных выключателях предусмотрена продувка (сушка) полостей выключателя сжатым воздухом. Осуществляется поддержание во внутренних полостях давление, избыточное по отношению к атмосферному 0,1- 0,05.ИЗ-за вентиляции существует постоянный расход воздуха.
Наличие влаги в воздухе ухудшает дугогасительные свойства выключателя. В установках для производства сжатого воздуха имеются специальные устройства для его сушки.
Наибольшее применение получили:
1. термодинамическая сушка
2. поглощение влаги с помощью адсорбентов.
При термодинамической сушке воздух из атмосферы сжимается до давления 4 МПа, при этом он нагревается. Из компрессора 1 воздух поступает в змеевик-охладитель 2. Влага конденсируется и удаляется из охладителя в водосборник 3. Примерная схема термодинамической сушки показана на рис. 3. 41. Конденсация влаги идет в змеевике 2 и первом резервуаре 4. Затем сжатый воздух через редуктор 5 подается во второй резервуар 6, причем давление падает в 2 раза (2 МПа). При расширении воздуха его влажность уменьшается в отношении p2/p1 по сравнению с влажностью в сосуде 4. Недостаток этого способа — необходимость наличия компрессора высокого давления. Для повышения надежности применяют двойной резерв оборудования.
При сушке с помощью адсорберов влажный сжатый воздух пропускается через пористое вещество, которое поглощает влагу. Наиболее эффективным является силикогель – обезвоженный и прокаленный гель кремниевой кислоты. Обычно применяют оба вида сушки.
1-компрессор; 2- змеевик- охладитель; 3- водосборник; 4- первый резервуар;5- редуктор; 6-2 резервуар
Элегазовые выключатели.
СВОЙСТВА ЭЛЕГАЗА
При повышении номинальных токов отключения и номинальных напряжений необходимо не только совершенствовать конструкцию выключателей, но и заниматься поисками дугогасительных сред, обладающих высокой электрической прочностью и дугогасительной способностью. Были исследованы фреон, четыреххлористый углерод и шестифтористая сера. Благодаря высокой электрической прочности и большой дугогасящей способности была выбрана шестифтористая сера SF6. Этот газ получил название электротехнического газа, или элегаза.
Физические свойства.
При н.у. бесцветный, не имеющий запаха газ, в 5 раз тяжелее воздуха, с низкой теплопроводностью, но с достаточной при условии конвекции. Хотя удельная теплоемкость элегаза немного ниже, чем воздуха, удельная объемная теплоемкость (энергия, необходимая для подъема температуры 1 см3 элегаза на 1 °С) в 3,7 раза больше, чем воздуха. Благодаря этому охлаждающая способность элегаза выше, чем воздуха. При естественной конвекции теплопередача в 1,9 раза выше, чем в воздухе. Это позволяет повысить токовую нагрузку на 15—25 % и соответственно уменьшить сечение токоведущей цепи аппарата.
Недостатком элегаза является переход из газообразного состояния в жидкое при относительно высоких температурах. На рис. 3.50 представлена диаграмма состояний элегаза. Так, например, при температуре 0°С газ превращается в жидкость при давлении 1,25 МПа (плотность 0,105 г/см3). При температуре —40°С элегаз превращается в жидкость при давлении около 0,4 МПа (плотность 0,03 г/см3). Таким образом, если требуется создать выключатель, работающий в среде с температурой —40°С, необходимо, чтобы давление не превышало 0,4 МПа (плотность не более 0,03 г/см3). При повышении давления температура сжижения повышается.
Химические свойства
Чистый элегаз негорюч, нагревостоек до 800 °С. При температуре менее 800 °С элегаз является инертным газом. При наличии дуги образуется ряд химических соединений, обладающих коррозионными и токсическими свойствами. Для их поглощения в элегазовые выключатели встраиваются фильтры-поглотители-сорберы из активированного А12О3 или из молекулярных сит, которые поглощают как газообразные продукты разложения, так и влагу и обеспечивают безопасный уровень загрязнения элегаза. Следует отметить, что порошкообразные продукты разложения элегаза оседают на изоляционных поверхностях выключателей и другого оборудования, практически не влияют на прочность электрической изоляции.
Благодаря химической инертности элегаза (в диапазоне до 800 °С) допустимая температура медных контактов может быть увеличена с 75 (для воздуха) до 90 °С. Это позволяет дополнительно повысить токовую нагрузку аппарата. Элегаз негорюч, пожаробезопасен. Описанные выше положительные свойства позволили широко использовать элегаз в силовых трансформаторах, кабелях высокого напряжения и герметизированных комплектных распределительных устройствах.
Необходимо отметить, что для надежной работы элегазовых выключателей содержание влаги в элегазе не должно превосходить 100 миллионных долей по объему. Для обеспечения такого условия требуется специальная сушка элегаза перед вводом оборудования в эксплуатацию и принятие мер для поддержания влажности на допустимом уровне в течение междуревизионного срока (около 10 лет).
2.2.2. Химические свойства элегаза
Гексафторид серы полностью удовлетворяет требованиям к валентности серы. Шесть связей являются ковалентными, что объясняет исключительную стабильность этого соединения.
SF6 можно нагреть без его распада до 500 °C в отсутствии каталитических металлов. SF6 не воспламеняется. Водород, хлор и кислород не оказывают никакого воздействия на этот газ. SF6 не растворяется в воде. Кислоты не оказывают никакого воздействия на этот газ.
В чистом состоянии SF6 нетоксичен, что регулярно подтверждается на новом газе перед его поставкой. Для проверки в атмосферу, состоящую на 80 % из SF6 и на 20 % из кислорода, помещают мышей – биологическое исследование, разрешённое Международной электротехнической комиссией МЭК 376.
В электрической дуге температура может достигать 15000 K и выше, и малая часть SF6 при этом распадается. Продукты распада формируются при следующих условиях:
электрическая дуга, образующаяся при расхождении контактов, обычно состоящих из сплавов на основе вольфрама, меди и никеля, содержащих остаточные количества кислорода и водорода; такие примеси в SF6, как воздух, CF4 и водяной пар; изолирующие компоненты, включающие пластмассы на основе углерода, водорода и диоксида кремния;
другие металлические или неметаллические материалы, из которых произведено оборудование.
Вышесказанное объясняет, почему твёрдые и газообразные продукты распада содержат (помимо фтора и серы) такие элементы как углерод, кремний, кислород, водород, вольфрам, медь и т.д.
Основные газообразные побочные продукты, идентифицированные в лабораториях, исследующих данный вопрос, объединяющих хроматографию газовой фазы с масс-спектрометрией, следующие:
фтористоводородная кислота – HF;
диоксид углерода – CO2;
диоксид серы – SO2;
тетрафторид углерода – CF4;
тетрафторид кремния – SiF4;
фторид тионила – SOF2;
фторид двуокиси серы – SO2F2;
дисерный декафторид – S2F10;
тетрафторид серы – SF4.
Некоторые из этих побочных продуктов могут быть токсичными, но большинство из них очень легко адсорбируется такими материалами, как активированный оксид алюминия или молекулярные сетки.
Некоторые побочные продукты образуются в чрезвычайно малых количествах (S2F10).
Если адсорбент (молекулярная сетка или активированный оксид алюминия) присутствует в оборудовании в достаточном количестве, то уровень коррозии из-за продуктов распада элегаза (фтористово-водородной кислоты, в частности) является очень невысоким, а то и вообще незначительным.
Причина этого в том, что адсорбенты действуют настолько быстро, и эффективно, что коррозийные газы не успевают реагировать с другими присутствующими материалами.
Рисунок 2.5 с помощью хроматограммы показывает эффективность применения адсорбента в виде молекулярной сетки при анализе газа, взятого с опытного контакта без использования адсорбента (рис.2.5, a) и с использованием молекулярной сетки (рис. 2.5, б) взятого с такого же контакта, подвергнутого таким же электрическим воздействиям.
Рис. 2.5. Анализ газов, взятых из оборудования
Таблица 2.2 позволяет сравнить количества газообразных продуктов распада для этих случаев. Эффективность применения адсорбентов очевидна.
Чистый SF6 нетоксичен и биологически нейтрален. Испытания, проведённые на животных, показали, что при наличии газа SF6 в концентрации до 80 и 20 % кислорода неблагоприятные эффекты отсутствуют.
Несмотря на то, что вдыхаемый воздух может содержать высокую концентрацию SF6, на здоровье это практически не влияет.
2.2. Результаты анализа SF6 в выключателях с использованием
молекулярной сетки и без неё
Максимальная концентрация газа в производственных помещениях, где рабочие находятся до восьми часов в день пять раз в неделю, не должна превышать 6000 мг/м3. Данное предельное пороговое значение (TLV) обычно используется для безопасных газов, обычно не присутствующих в атмосфере.
Чистый SF6 не оказывает какого-либо вредного воздействия на окружающую среду, мутагенного или канцерогенного влияния на здоровье. Поэтому при работе с новым SF6 достаточно принять процедуры, гарантирующие, что указанная максимальная концентрация не превышена.
Вследствие производственного процесса, серийно выпускаемый SF6 содержит некоторое количество примесей, разрешённые уровни которых установлены в стандарте Международной электротехнической комиссией МЭК 376.
Уровни риска здоровью человека, оказываемого используемым SF6, зависит от ряда факторов:
степени распада SF6 и типов присутствующих продуктов распада;
растворения используемого SF6 в окружающей среде;
времени, в течение которого человек находится в среде, содержащий использованный SF6.
Потенциально токсичным газам присваивается величина, известная как TLV, которая выражает их концентрацию в воздухе. TLV – средневзвешенная во времени концентрация, безвредная для здоровья при нахождении в ней в течение 8 часов в день и 40 часов в неделю.
Несмотря на то, что используемый SF6 содержит многокомпонентную смесь химических веществ, как было показано выше, один конкретный элемент доминирует по определению токсичности. Это газообразный продукт распада фторид тионила SOF2.
Доминирование этого компонента следует из его высокой нормы выработки (образованный объём в литрах на энергию дуги в килоджоулях) по сравнению с нормами выработки других продуктов распада в сочетании с его уровнем токсичности.
TLV для SOF2 составляет 9,6 мг/м3. SOF2 может далее реагировать с водой, приводя к образованию диоксида серы SO2 и фтористоводородной кислоты HF. Их воздействие подобно воздействию SOF2 вследствие сходной концентрации и значений TLV.
Продукты распада – фторид тионила SOF2 и серный фторид SO2F2 – являются самыми широко распространёнными продуктами распада в результате дуги в SF6, при этом последний продукт считается наиболее ядовитым.
2.3. ОБЗОР ЭЛЕГАЗОВОГО КОММУТАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Электрические свойства.
Элегаз является “электроотрицательным” газом. Его молекулы обладают способностью захватывать электроны. При этом образуются малоподвижные, тяжелые отрицательные ионы, которые медленно разгоняются электрическим полем. Благодаря этому элегаз обладает высокой электрической прочностью. При нормальном давлении прочно
