Конструкции элегазовых коммутационных аппаратов с магнитным дутьем

Использование принципа магнитного дутья в элегазе является одним из перспективных направлений развития выключателей на напряжение 6 — 35 кВ для частых коммутаций. В выключателях этого типа давление элегаза в дугогасительной камере не превышает 2,5 -105 Па. Обеспечить герметичность конструкции при таких уровнях давлений достаточно просто. Даже при падении давления до атмосферного обеспечиваются отключение тока нагрузки и восстановление электрической прочности межконтактного промежутка. Ниже рассмотрены некоторые конструкции элегазовых коммутационных аппаратов, основанных на принципе гашения дуги посредством ее вращения под действием магнитного дутья.

Для частых коммутаций на напряжение 6 — 10 кВ и отключаемый ток до 20 кА используется выключатель с контактной системой поворотного типа (рис. 1, а). В герметичном корпусе 1 расположены дугогасительная катушка, дугогасительные наружный 3 и внутренний 4 электроды, главные неподвижный 5 и подвижный 6 контакты. Дуга, возникающая между контактами 5 и 6, перебрасывается в межконтактный промежуток между концентрическими электродами 1 и 4, и ее гашение происходит в результате интенсивного вращения под действием магнитного поля, создаваемого дугогасительной катушкой 2. Выключатель обладает высоким коммутационным ресурсом, пожаро- и взрывобезопасен, удобен в эксплуатации. Недостатком конструкции является большое потребление контактного материала на изготовление массивных электродов 3 и 4.

Рис. 1. Конструктивные схемы элегазовых дугогасительных устройств с магнитным дутьем

Более целесообразным представляется использование кольцевых электродов меньших размеров с прямоходовой контактной системой. Кроме того, наличие механического привода в дугогасительной камере, помимо увеличения габаритов дугогасительного устройства может привести к снижению электрической прочности межконтактного промежутка вследствие попадания металлических частиц, образующихся при срабатывании аппарата.

В несколько измененном виде конструкция элегазового выключателя с магнитным дутьем приведена на рис. 1, б. На крышке герметичной дугогасительной камеры 1 расположены вводы 2, на которых закреплены неподвижный контакт 3 и подвижная траверса 4 с подвижным контактом 5. Дуга, возникающая между контактами 3 и 5, перебрасывается в кольцевой промежуток между торцевым дугогасительным электродом 5 и наружным кольцевым электродом 6 и гасится при вращении под действием магнитного поля, создаваемого катушкой 7. Выключатель рассчитан на напряжение 12 кВ и отключаемый ток до 20 кА.

Для повышения эффективности дугогашения в некоторых конструкциях дугогасительных устройств предусматриваются специальные экраны, защищающие межконтактный промежуток от попадания паров металла (рис. 1, в). В процессе отключения вначале размыкаются (без дуги) главные контакты 1 и 7, а затем — дугогасительные 3 и 5. Возникающая при этом дуга гасится в результате вращения в промежутке между электродами 3 и 5 под действием магнитного поля, создаваемого дугогасительной катушкой 2 при протекании по ней отключаемого тока. Экраны 4 и 6 препятствуют поступлению ионизированного газа из зоны дугогашения в промежуток между контактами 1 к 7. Рассмотренная конструкция дугогасительных устройств может быть положена в основу разработки элегазового выключателя на напряжение до 24 кВ и отключаемые токи 30 кА.

На более высокие классы напряжения до 35 кВ и отключаемые токи 30 — 40 кА и выше используются дугогасительные устройства с комбинированными принципами дугогашения, в которых помимо магнитного дутья, вращающего дугу, используется дополнительный обдув дуги, создаваемый в результате повышения давления при вращении дуги в замкнутом объеме элегаза (рис. 1, г). В изоляционном корпусе 1, разделенном перегородкой на область 8, в которой давление при отключении повышается, и на выхлопную область 10, закреплен токоподводящий элемент 2, на котором размещены неподвижный ламельный контакт 4, дугогасительная катушка 3 и дугоулавливающий кольцевой электрод 5. Выводы катушки 3 присоединены к контакту 4 и кольцевому электроду 5. Подвижный трубчатый контакт 7 (слева изображен во включенном положении) снабжен в верхней части сопловидным электродом б, в нижней части — выхлопными отверстиями, сообщающимися с областью 10, а в средней части соединен с поршнем, перемещающимся в полости 9 вспомогательного дутьевого цилиндра. Подвижный контакт приводится в движение штоком 11, связанным с приводом. При отключении контакт 7 перемещается вниз и между контактной накладкой б и контактом 4 возникает дуга, которая затем перебрасывается на кольцевой электрод 5. В этот момент ток протекает по катушке 3, возбуждается магнитное поле, под действием которого дуга вращается между торцевыми поверхностями электродов 5 и б. Вращающаяся дуга разогревает элегаз в области 8, давление повышается, и возникает продольное дутье через электрод (сопло) 6 в выхлопную область 10, повышающее эффективность дугогашения.

Преимуществом этой конструкции является более высокий ресурс контактов по сравнению с автопневматическими выключателями, поскольку быстрое вращение дуги снижает ее локальное эрозионное воздействие на контакты. Кроме того, здесь допустимы малая скорость движения контактов (2—3 м/с) и относительно небольшой ход контактов, поэтому не требуется большая мощность привода.

Этот принцип дугогашения использован в генераторных выключателях на напряжение 24 кВ и номинальные токи 6300 — 12 000 А (рис. 10, д). Выключатель имеет герметичную оболочку из алюминиевого сплава, заполненную элегазом до давления 0,6 МПа. Во включенном состоянии ток протекает по главной токоведущей цепи, образуемой токоподводами 1, неподвижным 5 и подвижным 6 главными токоведущими контактами. Вместе с подвижным главным контактом движется и дугогасительный контакт 4, который размыкается с неподвижным дугогасительным контактом 3 несколько позже размыкания главных токоведущих контактов. При размыкании главных дугогасительных контактов между ними возникает дуга и в токоведущую цепь включается катушка магнитного дутья 2. Под действием возбуждаемого ею магнитного поля дуга начинает быстро вращаться по торцам дугогасительных контактов. Выделяющаяся в дуге энергия разогревает элегаз в объеме автогенерации давления 11. Поток элегаза из объема 11 направляется в объем 7 через сопла в контактах 3 и 4, деионизирует дугу, и она гаснет. Следует подчеркнуть, что в этот интервал времени резко (на несколько порядков) возрастает напряжение на дуге и в случае большой апериодической составляющей в токе КЗ он быстро проходит через нулевые значения, создавая предпосылки для гашения дуги.

Подвижные контакты приводятся в действие при вращении вала 9, который в свою очередь приводится в действие пневматическим приводом (рис. 1, г), смонтированным на основании 10 выключателя, вне объема, заполненного элегазом.

Все три полюса устанавливаются на основании 10 и соединяются между собой тягами. Расстояния между центрами полюсов выбираются в соответствии с расстояниями между центрами шинопроводов. Если шинопроводы имеют пофазно-экранированную конструкцию, то каждый полюс выключателя размещается в отдельной металлической заземленной оболочке, позволяющей включать выключатель в рассечку шинопроводов.

Выключатель имеет пневматический привод, который питается воздухом высокого давления от компрессора. Запас воздуха высокого давления достаточен для выполнения двух циклов ВО. Привод отделителей и заземлителей электродвигательный или ручной.

На выключателе могут устанавливаться дополнительные устройства. Например, разделительный изоляционный экран между контактами отделителя, фотоприставка для дистанционного контроля положения контактов отделителя, специальные устройства для работы в тяжелых климатических условиях и т.д.

Отключение токов КЗ может осуществляться при относительном содержании апериодической составляющей в токе КЗ до 35%, в интервалах между ревизиями допускается отключение от 1000 до 2000 раз номинального тока выключателя.

Основным преимуществом элегазовых коммутационных аппаратов с магнитным дутьем является их способность "мягкого" (без перенапряжений) отключения индуктивных и емкостных токов, что обеспечивает им конкурентоспособность с вакуумными выключателями при коммутации двигателей и трансформаторов.

Высокий коммутационный ресурс (до 20000 отключений номинального тока) позволяет их использовать в установках с частыми операциями. Герметичность и пожаровзрывобезопасность расширяет область их применения (шахтные и электропечные установки, транспорт и т.п.)