Высоковольтные выключатели: типы и виды

1. Принцип работы высоковольтного выключателя
2. Виды, типы высоковольтных выключателей
3. Выключатели постоянного тока
4. Масляные выключатели
5. Вакуумные выключатели
6. Элегазовые выключатели
7. Выключатели нагрузки
8. Автоматические выключатели
9. Требования к высоковольтным выключателям
10. Эксплуатация
11. Когда требуется ремонт высоковольтного выключателя

Выключатели высокого напряжения - ключевой элемент энергосистемы, отвечающий за коммутацию цепей с напряжением свыше 1000 В.

Назначение выключателя – включать/отключать ток в любых режимах работы: от ремонта линий до мгновенного, безопасного гашения электрической дуги при коротких замыканиях, когда ток возрастает лавинообразно.

Примечание: при размыкании цепи в бытовом выключатели возникает искра, а в высоковольтном - мощная электрическая дуга с температурой в тысячи градусов. Если ее моментально не погасить, может произойти серьезная авария, порча оборудования.

Принцип работы высоковольтного выключателя

При напряжении свыше 1000 вольт недостаточно просто разомкнуть контакты. В момент их расхождения уменьшается площадь соприкосновения, из-за чего плотность тока в последней точке контакта возрастает до огромных значений. Выделяющейся тепловой энергии хватает для образования электрической дуги (плазмы). Последняя продолжает замыкать цепь, позволяя току течь дальше.

Чтобы полностью разорвать цепь, необходимо токопроводящую плазму превратить в диэлектрик. Для этого высоковольтный выключатель использует дугогасящую среду:

• по мере увеличения контактного зазора степень ионизации столба дуги начинает зависеть от характеристик окружающей среды. Дугогасящая среда (масло, элегаз, воздух) интенсивно охлаждает плазму;
• как только охлаждающей субстанции удается «забрать» достаточное количество ионов, плазма теряет проводимость. Плазма гаснет, циркуляция тока прекращается.

Виды, типы высоковольтных выключателей

Высоковольтные выключатели различаются по ряду эксплуатационных и конструктивных признаков. В зависимости от локации оборудования выделяют аппараты для внутренней и наружной установки.

По типу назначению подразделяют на:

• сетевые (номиналом от 6 кВ);
• генераторные (до 24 кВ);
• для электротермических комплексов (диапазон 6–220 кВ).

По типу монтажа относительно земли:

• в заземленном корпусе (бакового типа);
• находящиеся под напряжением (колонковые, подвесные модификации).

По типу среды, используемой для гашения электрической плазмы:

• воздушные;
• элегазовые;
• вакуумные;
• масляные;
• электромагнитные.

Каждый тип устройства имеет конструктивные особенности и характерную область применения.

Выключатели постоянного тока

Отключение постоянного тока осложняется отсутствием естественного перехода электричества через ноль, поэтому процесс гашения плазмы происходит принудительно в несколько этапов:

1. Контакты размыкаются, возникает электрическая дуга.
2. Специальные элементы ограничивают скорость нарастания тока.
3. Снижение тока до величины, при которой плазма гаснет самопроизвольно из-за деионизации промежутка.
4. Восстановление диэлектрической прочности между контактами.

Для повышения эффективности гашения дуги межконтактное пространство заполняют диэлектриком: вакуумом, элегазом (SF6), трансформаторным маслом, сжатым воздухом. Выбор типа среды зависит от класса напряжения, условий эксплуатации высоковольтного выключателя.

Масляные выключатели

За гашение дуги, токоведущую изоляцию отвечает трансформаторное масло. При размыкании контактов электрическая плазма вызывает интенсивное разложение и испарение жидкой среды. В результате формируется парогазовая оболочка, которая гасит токопроводящую плазму.

Типы масляного высоковольтного выключателя:

• баковый. Применяются в сетях напряжением 110–220 кВ. Имеет массивную конструкцию, требует систематический мониторинг качества и объема изолятора.

Плюсы: конструктивная надежность.

Минусы: низкая скорость срабатывания (порядка 150 мс), невозможность быстродействующего автоматического повторного включения (АПВ), высокий риск возгорания.

• маломасляный. Используются в сетях 6–110 кВ. Отличаются небольшим весом, меньшим объемом масла.

Плюсы: высокое быстродействие, пониженная взрывопожароопасность.

Минусы: ограниченная коммутационная способность при частых отключениях из-за быстрого загрязнения масла, сложность конструкции камер.

Вакуумные выключатели

Обладает высокой электрической прочностью. Гашение происходит в зоне с глубоким разрежением. Высокие диэлектрические свойства вакуума обусловлены значительным увеличением длины свободного пробега электронов и молекул. Это препятствует развитию пробоев, эффективно деионизирует дуговой столб.

Применение устройства ограниченно - используется в сетях до 110 кВ включительно.

Элегазовые выключатели

Прерывание вольтовой дуги происходит за счет комбинации высокой теплоемкости газа и обдува. Интенсивность гашения на порядок выше, чем в воздушной зоне (в 4-5 раз). Это объясняется аномально высокой электрической прочностью, плотностью SF6.

Принцип действия:

1. Механический разрыв контактов провоцирует возникновение плазмы.
2. Энергия нагревает газ, мгновенно повышая его давление в зоне горения.
3. Формируется мощная высокоскоростная струя газа.
4. Струя растягивает и одновременно отводит тепло от дугового канала, обеспечивая гашение при переходе тока через ноль.

Плюсы устройства:

• масло отсутствует, исключены взрыв и пожар;
• минимальный износ контактов благодаря работе в инертной среде;
• пригодно для циклов АПВ.

Конструкция требует поддержания номинальных параметров среды. Техническое обслуживание подразумевает мониторинг состояния газонаполненного оборудования (ДГК), восполнение утечек SF6.

Выключатели нагрузки

Применяются для управления работой аварийных рубильников и селективных переключателей. Адаптированы для монтажа на шины различной толщины, рассчитаны на разные межфазные расстояния.

Могут работать как в сетях с высокими токовыми нагрузками, так и в слаботочных цепях. Выпускаются в корпусах из металла или ударопрочного пластика. Монтируются в производственных цехах или на открытых площадках без дополнительных укрытий.

Встроенный механизм блокировки исключает риск самопроизвольного или ошибочного включения рубильника. Основные плюсы:

• универсальность;
• устойчивость к эксплуатационным нагрузкам;
• надежная защита персонала.

Автоматические выключатели

Отвечают за два основных режима работы сети: проведение номинального тока в замкнутом состоянии и гарантированное прерывание цепи при возникновении аварийных режимов.

Подразделяются на группы:

• общего применения. Используются в стандартных схемах электроснабжения для включения/отключения нагрузок;
• специального исполнения. Созданы для работы в сетях с особыми требованиями (например, взрывозащита или химически активная среда);
• токоограничивающие (быстродействующие). Отключают цепь до достижения пикового значения, что минимизирует повреждения.

Требования к высоковольтным выключателям

Согласно ГОСТ Р 52565, коммутационные аппараты высокого напряжения обязаны соответствовать следующим требованиям:

• оборудование должно сохранять работоспособность при протекании номинальных токов, воздействии номинального напряжения в течение неограниченно долгого времени;
• гарантированное и оперативное гашение электрической дуги при отключении любых типов токов, в том числе аварийных;
• конструкция высоковольтного изделия обязана обеспечивать реализацию циклов автоматического повторного включения после экстренного отключения линии;
• наличие возможности независимого управления каждым полюсом (для моделей, эксплуатируемых в сетях от 110 кВ).

Производители закладывают в высоковольтные устройства минимальный ресурс в 20 лет. Помимо долговечности, аппараты должны иметь уменьшенные габариты, низкую стоимость обслуживания и монтажа, высокие показатели энергоэффективности в процессе эксплуатации.

Эксплуатация

В ходе работы устройства важно уделять внимание его диагностике: визуальный осмотр (выявление различных типов дефектов), замер сопротивления изоляции, проверка обмоток, привода, контактов, времени срабатывания коммутатора. При остановке оборудования проводится чистка и удаление нагара с контактов согласно регламенту.

Периодичность ремонта высоковольтного изделия:

• текущий — раз в 4 года;
• капитальный — раз в 8 лет.

Все работы выполняются на месте эксплуатации квалифицированными специалистами.

Когда требуется ремонт высоковольтного выключателя

Текущее обслуживание необходимо проводить при обнаружении:

• нарушения герметичности, сколов фарфоровых изоляторов;
• посторонних акустических шумов (потрескивание, гул) внутри корпуса высоковольтного выключателя;
• отклонении температуры контактных соединений от нормативных показателей;
• повышенном расходе, утечке масла из баковых систем.

Капитальный ремонт выполняется в соответствии с регламентом производителя.