Элегазовые выключатели: виды + правила и особенности эксплуатации

Устройство и виды элегазовых выключателей

Эти системы предназначены для оперативного контроля состояния высоковольтных линий электропередач. Они очень похожи на масляные, но имеют иную рабочую среду — принцип действия основан на свойствах соединения газов вместо масла. В качестве среды используется SF6 (шестифтористая сера).

Преимущество элегаза — неприхотливость. Если масляным моделям требуется особый уход, периодическая замена масла и очистка, то элегазовые с такой проблемой не сталкиваются. Кроме того, газ долговечен: он не деградирует со временем и почти не вредит механическим элементам выключателя.

Физически SF6 — негорючий бесцветный и лишенный запаха газ. Он гораздо плотнее воздуха, а молекулярная масса в 5 раз превышает воздушную. Газ стоек ко внешним воздействиям и сохраняет характеристики: даже если в нем возникнет дуга и начнется распад, через некоторое время состояние смеси восстановится.

Элегазовые выключателя (далее ЭВ) бывают двух видов:

• баковый;
• колонковый ЭВ.

Колонковые ЭВ применяют в сетях 220 В, это стандартные однофазные выключатели. Они состоят из двух связанных между собой частей:

• дугогасительная;
• контактная часть.

Обе имеют одинаковые размеры и объем.

Баковые ЭВ меньше. В их состав входит один из видов, рассмотренных ниже приводов. Распределение привода идет на несколько фаз, благодаря чему устройство мягко изменяет уровень напряжения. Еще одно достоинство баковых — большая допустимая нагрузка, что достигается наличием встроенного трансформатора.

Привод здесь — одновременно и регулятор: он обеспечивает включение/разрыв потока электричества и поддержания электродуги. Выделяют следующие типы приводов ЭВ:

• пружинно-гидравлические (ППРГ);
• более простые пружинные (ППРМ).

Обычно привод монтируется на низкой опоре или у земли, чтобы обслуживающий персонал мог легко до него добраться и отрегулировать. Деталь состоит из:

• включающего механизма;
• устройства расцепления;
• фиксирующей защелки.

Пружинные надежны и устроены весьма просто, в них используется лишь несложная механика. При вводе в эксплуатацию устанавливается определенное сжатие пружины, а после смещения контрольного рычага происходит ее распрямление с дальнейшим размыканием контактов. Этот тип ЭВ часто служит стендом для презентаций поведения шестифтористой серы под действием электрического поля.

Пружинно-гидравлическое элегазовое оборудование имеет гидравлическое управление. Оно дороже, но эффективнее, поскольку способно самостоятельно менять позицию фиксатора.

Помимо конструкции, различают виды ЭВ по принципу прерывания электрической дуги:

• вращающие;
• воздушные (автокомпрессионные) ЭВ;
• продольного дутья;
• аналогичные предыдущему пункту, с разогревом газа.

Все внутренние компоненты ЭВ размещены в заполненной элегазом емкости. Контроль работы осуществляется дистанционно, с помощью электроники, или механическим способом вручную. Схема расположения всех компонентов типичного ЭВ:

Такие особенности приводят к довольно крупным габаритам приборов. Отметим, что сугубо ручное управление актуально для маломощных образцов, в других случаях прибегают к:

• механическому контролю;
• грузовому управлению;
• пружинному;
• электромагнитному способу;
• пневматическому.

Но практически везде предусмотрен аварийный ручной рычаг.

Электромагнитный привод нуждается во внешнем питании, поэтому такой ЭВ подключают к источнику тока на 220 В и 58 А. Система весьма надежна и успешно эксплуатируется в неблагоприятных условиях. У пневматического, рабочим узлом выступает цилиндр с поршнем. Действие сжатого воздуха обеспечивает высокую скорость срабатывания.

Как элегазовый устроен выключатель и какие бывают виды?

Сам по себе элегазовый выключатель предназначен для систематического контроля функциональности высоковольтных сетей. Он устроен очень подобно такому прибору для гашения дуг только с масляным способом действия.

В газовом приспособлении используется не масло, а сера и его преимущество заключается в минимальных особенностях сервиса и обсаживания. Основной плюс элегазового выключателя – его продолжительный срок работоспособности.

Элегазовый выключатель бывает нескольких типов, например по виду конструкции.

1. Бак-конструкция. Он относительно небольшой по своим размерам и обязательно имеет дополнительный вход для нескольких фаз. Ввиду такой особенности любой специалист легко справиться с плавным контролем переключения напряжения электричества. А благодаря встроенному трансформатору, такой выключатель выдерживает даже самые максимальные нагргузки.
2. Колонковая конструкция. Он более габаритный по сравнению с предыдущим вариантом и подключается только на одну фазу. Устройство оснащено соединительной системой и системой внутреннего гашения электрической дуги. Кроме того, такой вид устройства работает как на расстоянии, так и на вмонтированной основе в сети.

В зависимости от способа разрушения электро-дуги выключателе разделяются на следующие подвиды:

1. Автоматический компрессионный элегазовый.
2. Элегаз полного оборота (или полного вращения).
3. Элегаз продольного продувания.

Определение и применение элегаза

Элегаз – это шестифтористая сера, которую относят к электротехническим газам. Благодаря изоляционным свойствам ее активно применяют при производстве электротехнических устройств.

В нейтральном состоянии элегаз представляет собой негорючий газ без цвета и запаха. Если его сравнивать с воздухом, то можно отметить высокую плотность (6,7) и молекулярную массу, превышающую воздушную в 5 раз.

Одно из преимуществ элегаза – устойчивость к внешним проявлениям. Он не меняет характеристик при любых условиях. Если происходит распад во время электроразряда, то вскоре наступает полноценное, необходимое для работы восстановление.

Секрет в том, что молекулы элегаза связывают электроны и образуют отрицательные ионы. Качество «электроотрицания» наделило 6-фтористую серу такой характеристикой, как электрическая прочность.

На практике электропрочность воздуха в 2-3 раза слабее, чем то же свойство элегаза. Кроме прочего, он пожаробезопасен, так как относится к негорючим веществам, и обладает охлаждающей способностью.

Когда возникла необходимость отыскать газ для гашения электродуги, стали изучать свойства SF6 (шестифтористой серы), 4-хлористого углерода и фреона. В испытаниях победила SF6

Перечисленные характеристики сделали элегаз максимально подходящим для применения в электротехнической сфере, в частности, в следующих устройствах:

• силовые трансформаторы, работающие по принципу магнитной индукции;
• распределительные устройства комплектного типа;
• линии высокого напряжения, связывающие удаленные установки;
• высоковольтные выключатели.

Но некоторые свойства элегаза привели к тому, что пришлось усовершенствовать конструкцию выключателя. Основной недостаток касается перехода газообразной фазы в жидкую, а это возможно при определенных соотношениях параметров давления и температуры.

Чтобы оборудование работало без перебоев, необходимо обеспечить комфортные условия. Предположим, для функционирования элегазовых устройств при -40º необходимо давление не более 0,4 МПа и плотность менее 0,03 г/см³. На практике при необходимости газ подогревают, что препятствует переходу в жидкую фазу.

Область применения

Элегазовый трансформатор напряжения применяется на различных электрических подстанциях. Прибор способен передавать сигнал измерительным приборам, защитным компонентам распределительных устройств. Элегазовые трансформаторы подключаются к трехфазной (промышленной) сети. Их задачей является трансформация переменного тока 50 Гц. Установка разрешается в средних и умеренно холодных климатических зонах.

Работа трансформаторов на основе изоляции из элегаза возможна практически во всех отраслях промышленной деятельности человека. Функционирование оборудования позволяет передавать обработанный сигнал измерительным приборам, охранным, защитным система. Установка применяется для обеспечения работы различных приборов учета электроэнергии.

Элегазовый трансформатор тока идеально подойдет для закрытых или подземных подстанций, функционирующих в черте города. Установки монтируют в критических с точки экологии районах. В таких зонах недопустима утечка масла. Здесь разрешается применять исключительно оборудование на элегазе.

Назначение и принцип работы

Элегазовый выключатель — это разновидность высоковольтного выключателя, коммутационный аппарат, использующий элегаз в качестве среды гашения электронной дуги; предназначенный для оперативных подключений и отключений индивидуальных цепей или электрооборудования в энергосистеме.

Рисунок 1 – Схема элегазового выключателя

Элегазовые выключатели начали усиленно разрабатываться с 1980 г. и имеют большие перспективы при напряжениях 110…1150 кВ и токах отключения до 80 кА. В технически развитых странах элегазовые выключатели высокого и сверхвысокого напряжения (110-1150 кВ) практически вытеснили все другие типы аппаратов.

Элегазовые выключатели высокого напряжения выполняют работу за счет изоляции фаз друг от друга посредством элегаза. Когда срабатывает уведомление о том, что нужно отключить электрооборудование, контакты некоторых камер (если аппарат колонковый) размыкаются. Таким способом, встроенные контакты образуют дугу, которая помещена в газовую среду. Она разлагает газ на разные компоненты, но при этом и сама уменьшается из-за высокого давления в емкости.

В процессе использования элегазового выключателя выполняются циклы подключения и отключения коммутационного аппарата. При различных дейсвий с выключателем в режимных целях, в большинстве случаев, ток отключения располагается в границах обозначенных значений. Количество потенциально возможных операций зависимо от тока отключения устанавливает изготовитель. Для того, найти суммарное число операций отключения, существенно нужно пользоваться особой диаграммой взаимосвязи, которую можно найти в паспорте выключателя. Чем больше ток, тем меньшее количество возможных циклов включения/отключения элегазового выключателя. Выключатель специализирован для установки в ОРУ 110кВ, так как его номинальное рабочее напряжение – 126кВ. Выключатель делает работу в согласовании с заявленными производственным изготовителем при условиях:

• установки на возвышенности над ярусом морского побережья не больше тысячи м-ов;
• температуры окружающей среды от -350 С до +400 С;
• установки в согласовании с необходимыми условиями завода-изготовителя;

Элегазовые выключатели различают

• колонковые
• баковые

Особенности обслуживания и эксплуатации

Особенности применения выключателей дистанционного управления

В процессе эксплуатации таких коммутационных устройств на ОРУ (открытых распределительных устройствах) нужно учитывать что в шкафах приводов выключателей может скапливаться конденсат, который приводит к коррозии систем механизма, а также вторичных цепей управления и сигнализации. Для этого внутри шкафов заводом изготовителем предусмотрены нагревательные резисторы, работающие постоянно.

Все действия по включению или же отключению аппаратов возможны только, если давление газа не меньше допустимого, если пренебречь этим то появляется высокая вероятность повреждения и выхода со строя относительно дорого выключателя. Для этих целей должна быть налажена сигнализация минимального давления, а также блокировка управляющих цепей. Если же персонал заметил что давление упало, аппарат нужно вывести в ремонт и приступить к поиску причин снижения этого жизненно важного для него показателя. Естественно, что вывод его из работы должен выполняться со всеми необходимыми требованиями безопасности, предъявляемыми к данной электроустановке и изложенных в местных инструкциях. Для контроля давления должен быть обязательно исправный манометр, а после устранения утечки газа стоит дополнить его через специальное присоединение, которое расположено внутри приводного механизма.

Осмотр элегазовых выключателей выполняется ежедневно, а также один раз за две недели в ночное время суток. В сырую влажную погоду нужно обращать внимание на возникновение электрической коронации. Если величина отключаемого тока была предельно допустимая (при коротких замыканиях), то следует обеспечить качественное техническое обслуживание. Количество отключений как плановых, так и аварийных фиксируется в специально выделенных для этих нужд журналах.

Несмотря на существующие недостатки, элегазовый выключатель имеет свои сильные стороны поэтому является достойной заменой не только масляных, но и воздушных выключателей высокого напряжения.

Назначение, устройство и эксплуатационные показатели аппарата

Элегазовый выключатель (ЭВ) – это коммутационный узел, предназначенный для осуществления переключений в высоковольтных электроустановках с целью перераспределения токов и напряжений в линиях электропередач.

Дугогасящим элементом (элегазом) в аппаратах выступает шестифтористая сера (SF6), которая обладает следующими показателями:

• Высокая электрическая прочность;

• Химическая нейтральность;

• Повышенные теплопередающие свойства;

• Хорошие изоляционные характеристики.

Все эти качества придают составу отличные дугогасящие способности. Конструкция ЭВ является трехполюсной. Каждый из полюсов – это герметичная емкость с элегазом под давлением 0,6 МПа и дугогасящим механизмом.

Конструктивные различия устройств

Различают три вида высоковольтных выключателей с использованием электротехнического газа:

Колонковые – имеют вид вертикальных наборов изоляторов (два или более), представляющих колонны – полюсы. В верхнем элементе располагается дугогасящее устройство, а нижний является опорным и служит диэлектрической прослойкой между аппаратом и металлической рамой. Рама может быть индивидуальной для каждого полюса, а может быть общей для всех трех. Внутри нижнего элемента находится рычаг (изоляционная тяга), передающий движение от приводной системы на подвижный контакт выключателя.

Баковые – изготовлены в виде металлической емкости цилиндрической формы, сверху которой размещаются два изолятора, являющиеся вводами высокого напряжения. Устройство для погашения электрической дуги помещено в металлическую емкость, заполненную элегазом.

Комбинированные – совмещают две предыдущие модели, то есть металлический бак с двумя рядами фарфоровых изоляторов. Один из них содержит дугогасящее устройство. Во втором изоляторном ряду находится встроенный токовый трансформатор.

Электрические дуговые разряды приводят к возникновению в элегазе вредных для человеческого организма примесей. Их образование может увеличиваться из-за присутствия частиц кислорода или водяных паров. Этот факт способен понизить электроизоляционные параметры аппарата, поэтому в верхней части первого изоляторного ряда, помещается фильтр для вбирания влаги и продуктов газового распада.

Из чего состоит элегазовый выключатель и как это всё приводит к отключению дуги

Так как выключатели могут иметь исполнение баковое, колонковое или же быть вообще для установки в КРУ. А кроме этого существуют различные виды ДУ, то и для каждого выключателя будет отдельный принцип работы и состав частей.

Рассмотрим, например, в этой статье для примера популярный выключатель шнайдер электрик с автокомпрессией на напряжение 12 кВ типа LFP.

Выключатель трехполюсный. Каждый полюс находится в изолированном корпусе, который заполнен элегазом под невысоким давлением. Внутри корпуса находится ДУ, на контакты которого посылаются команды включения, отключения или допустимых циклов. Эти команды подаются с пружинного привода, расположенного на лицевой панели или дистанционно.

Также в устройство входят датчики контроля давления элегаза в корпусе и датчики прироста величины давления. Для подключения к силовой цепи есть специальные зажимы сзади корпуса, также имеются клеммники для подключения вторичных цепей.

Принцип работы выключателя построен на автокомпрессионном способе гашения дуги.

Посмотрим на заводскую картинку, приведенную выше. У нас имеются основные контакты (под буквой а, рыжие) и дугогасительные контакты (буква б, темно-синие). Значит поступает команда на отключение выключателя. Основные контакты размыкаются, дугогасительные также размыкаются. В момент когда дугогасительные размыкаются между ними в расширительном объеме (буква с — область ограниченная розовой линией) образуется дуга. На верхнем из дугогасительном контактов расположены катушки. Так вот электрическая дуга под действием магнитного поля этой катушки начинает закручиваться. Объем газа под тепловым воздействием дуги начинает расширяться. Давление газа увеличивается и он ищет выход в область с меньшим давлением. Этот поток элегаза затягивает дугу в нижний дугогасительный контакт (область е на рисунке) и дуга растягивается. А затем в момент, когда ток проходит через ноль — дуга гаснет. В этот момент считается, что выключатель отключен. Это время составляет 70 мс.

В состав пружинного привода входят: двигатель взвода пружин, катушки отключения (YO1, YO2), катушка включения (YF), катушка отключения минимального напряжения (YM), реле прямого действия mitop, счетчик циклов В-О и прочие устройства необходимые для удобства при обслуживании выключателя. У катушек имеется различное число нормально закрытых, нормально открытых контактов и перекидывающий контакт.

Преимущества и минусы элегазовых выключателей

Приборы обладают несомненными плюсами:

• универсальность. Их можно ставить в сетях с практически любым напряжением;
• неприхотливость — ЭВ работают даже в пожароопасных местах и сейсмоопасных зонах;
• скорость срабатывания. Элегаз реагирует на возникновение дуги за доли секунды, благодаря чему происходит почти моментальное обесточивание защищаемых устройств;
• долговечность. Газ не изнашивает соприкасающиеся с ним элементы, газовая смесь не деградирует и не нуждается в регулярной замене, а внешняя оболочка ЭВ прочна и хорошо защищает от неблагоприятных воздействий;
• работают и с переменным, и с постоянным высоким напряжением. Это выгодно отличает их от не способных функционировать в высоковольтных сетях вакуумных;

• взрыво- и пожаробезопасность;
• замкнутая рабочая среда — при срабатывании не происходит выхлопа вовне.

Но есть и обусловленные конструкцией недостатки:

• высокая стоимость. Элегазовый выключатель просто устроен, но сложен в производстве, синтез газовой смеси также довольно трудоемок и затратен;
• нельзя поставить в произвольном месте. Выключатели монтируются только на особый электрический щит или специально подготовленных фундамент;
• требовательность к температурным условиям — при низких температурах ЭВ неэффективны (но элегаз можно подогревать);
• для обслуживания требуются специфические навыки и оборудование;
• система с электромагнитным приводом нуждается в емком аккумуляторе.

Основной недостаток смеси — наблюдающийся при определенных условиях ее переход в жидкую фазу. Это происходит при некоторых соотношениях температуры и давления. Например, в холодных условиях (минус 40 градусов Цельсия) требуется давление не выше 0.4 МПа с плотностью газа ниже 0.03 килограмма на кубический сантиметр — что не обеспечивает должных характеристик. Поэтому на практике во избежание перехода в состояние жидкости элегаз подогревают.

ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ПРЕИМУЩЕСТВА ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ

• наличие встроенных трансформаторов тока (с высо­кими классами точности);
• комплектация модернизированным пружинным при­водом типа ППрК-2000СМ, электрическая схема ко­торого выполнена на импортной элементной базе: с пружинными клеммными зажимами для подсоедине­ния внешних цепей; с увеличенным количеством сигнальных контактов (12 НО, 12 НЗ и 2 импульсных), длительно пропускающих токи более широкого диапазона (от 5 до 25 А); с возможностью изменения «уставок» температуры автоматического включения обогрева и сигнализации об «опасном» снижении температуры в шкафу; с измененным, более удобным дизайном панели управления;
• унифицированная с элегазовыми колонковыми выключателям и серии ВГТ конструкция дугогасительного устройства, работающего на основе автогенерации;
• применение чистого элегаза;
• использование в соединениях двойных уплотнений, а также «жидкостного затвора» в узле уплотнения подвижного вала. Естественный уровень утечек — не более 0,5% в год — подтверждается испытаниями каждого выключателя на заводе-изготовителе по методике, применяемой в космической технике;
• современные технологические и конструкторские ре­шения и применение надежных комплектующих, в том числе высокопрочных изоляторов зарубежных фирм;
• высокая коррозионная стойкость покрытий (горячее цинкование) применяемых для стальных конструкций выключателя;
• эксплуатация как в умеренном, так и в холодном климате (до минус 55°С);
• автоматическое включение и отключение электроподогрева элегаза в резервуарах;
• высокий механический ресурс;
• малые габаритные размеры выключателя и масса;
• высокий коммутационный ресурс, заданный для каж­дого полюса, превосходящий в 2-3 раза коммутаци­онный ресурс лучших зарубежных аналогов (в рас­чете на каждый полюс) в сочетании с высоким меха­ническим ресурсом, повышенными сроками службы уплотнений и комплектующих обеспечивает при нор­мальных условиях эксплуатации не менее, чем 25-летний срок службы до первого ремонта;
• возможность отключения токов нагрузки при потере избыточного давления газа в выключателе;
• минимальное технические обслуживание в межре­монтный период;
• высокие пожаро- и взрывобезопасность;
• низкий уровень шума при срабатывании (соответ­ствует высоким природоохранным требованиям);
• поставка выключателя в полностью собранном виде;
• полная заводская готовность, быстрые монтаж и на­ладка (под руководством шеф-персонала завода-из­готовителя).

Достоинства и недостатки

Учитывая вышеупомянутое, между плюсами выключателей элегазового типа можно отметить следующее:

• возможность установки в электроустановках как закрытого, так и открытого выполнения буквально всех классов напряжения;
• отмечается простота и надежность конструкции в эксплуатации;
• высокая интенсивность скорости срабатывания;
• низкие динамические нагрузки на фундаментные опоры;
• неплохая отключающая способность;
• небольшие габаритные пропорции и сумма веса;
• наличие в приводе автоматического управления двух ступеней обогрева;
• большой коммутационный ресурс контактной системы;

Недостатки элегазовых выключателей:

• требуется более внимательное отношение к использованию и учету элегаза;
• высокие необходимые условия к качеству элегаза;
• необходимость специально подготовленных устройств для заполнения, перекачки и фильтрации элегаза;
• относительно высокая стоимость элегаза;
• сложность и накладность изготовления — при производственном изготовлении неизбежно нужно соблюдать высокоё качество аппарата;
• дороговизна конструкции и второстепенных элементов;
• при выводе из строя выключателя в режиме ЧП, починка данного аппарата может быть не актуальной.

Правила обслуживания элегазового выключателя

Обслуживание элегазовых выключателей регламентируется Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) 1.8.21.

При подключении системы следует проверить присутствие в баке минимального давления — без этого прибор сломается. Во избежание предупреждений конструкцией предусмотрена сигнализация, предупреждающая о критическом значении давления. Имеется также манометр для визуального контроля.

Шкаф привода содержит не позволяющие возникнуть конденсату на ответственных механизмах нагревательные элементы. Оператор ЭВ обязан следить за постоянной работой нагревателей и не допускать их выключения.

При осмотре ЭВ следует:

• проконтролировать состояние внешней защиты;
• убрать загрязнения при их наличии;
• устранить повреждения;
• выяснить и устранить причину нагрева контактов при наличии такового;
• если обнаружены посторонние шумы и треск — выявить их источник;
• проверить целостность металлической опорной рамы, поскольку она одновременно и часть контура заземления;
• снять показания манометра и сверить их с указанными производителем паспортными данными;
• проверить, исправны ли приборы управления и контроля, отремонтировать или заменить вышедшее из строя

При падении давления газа его запасы в камере пополняется.

Виды приводов элегазовых выключателей

Разрыв электрических контактов в герметичной камере ЭВ, заполненной элегазом, происходит за счет перемещения подвижной части дугогасящего устройства через изоляционную тягу, приводимую в действие специальным приводом. Привод представляет собой сложный силовой механизм, посредством которого приводится в действие контактная группа.

Различают три основных вида приводных устройств:

Устройства приводов для элегазовых выключателей подвергаются серьезным силовым нагрузкам, особенно в конструкциях для сверхмощных напряжений, в которых вес подвижной части превышает 100 кг, а движение контакта происходит до 25см, со скоростью 8 м/с, при нагрузке 80 кН.

Качественной работе привода уделяется особое внимание, так как большинство аварий, произошедших с ЭВ, связаны именно с механической частью устройств.

Технические характеристики

В таблице приведены технические характеристики выключателей ВГТ — 110 кВ. Таблица 5.1 – Основные технические данные выключателя ВГТ — 110 кВ