Многообъемные масляные выключатели

Многообъемные (баковые) масляные выключатели первоначально до середины 30-х годов были единственным видом отключающих аппаратов в сетях высокого напряжения.

В выключателях этого вида на каждую фазу предусмотрен отдельный стальной заземленный бак, заполненный трансформаторным маслом, которое используется в качестве газогенерирующего вещества при гашении электрической дуги в процессе отключения, а также для изоляции контактной системы от заземленного бака. Выключатели используются в электроустановках напряжением 35, 110 и 220 кВ.

Выключатель МКП-35 (масляный, камерный, подстанционный, на напряжение 35 кВ показан на рис. 1. Он состоит из трех баков 1 овальной формы (рис. 1, а), закрепленных на сварной раме 2. Управление выключателем осуществляется с помощью привода в шкафу 3. Для опускания и подъема баков используется лебедка 4.

Рис. 1:

а — выключатель типа МКП-35; б — разрез полюса выключателя На рис. 1, б приведен разрез одного полюса выключателя, на котором показаны: бак 3 и дугогасительная камера 1, имеющие изолирующие экраны 2. На крышке бака расположены высоковольтные вводы 5. Подвижные контакты 7 закреплены на траверсе которая штангой б связана с приводным механизмом в верхней части бака.

На токоведущем стержне каждого ввода крепится дугогасительная камера (рис. 2) с помощью двух болтов держателя 4. Камера закрыта изоляционным экраном 1. Верхняя часть камеры — металлическая (сталь, латунь), нижняя — собирается из изолирующих пластин 9, имеющих специальные профильные вырезы. В собранном виде пластины стягиваются текстолитовыми шпильками и образуют Камеру, имеющую центральный вертикальный канал с горловиной 8. для прохода подвижного контакта и два горизонтальных канала поперечного дуться с выходом в масляный бак.

а — дугогасительная камера выключателя MKП-35; б — процесс гашения дуги в камере

Контакты выключателя торцевого типа. Их замыкание происходит в верхней части камер, имеющей металлический корпус 6, в котором находится неподвижный контакт 7. Пружина 3 служит для смягчения ударов, предупреждения вибраций при включении и создания контактного нажатия во включенном положении. Гибкая связь 2 обеспечивает хороший контакт между подвижной и неподвижной частью верхней контактной системы (неподвижного контакта). В правой верхней части камеры имеется отсек 5, в котором при заполнении бака маслом остается воздух, образующий буферную газовую подушку. ,

При размыкании контактов 3 и 4 (рис. 2, б) в верхней части камеры возникает дуга, которая растягивается вслед за подвижным контактом 4, разлагает и испаряет масло. Давление в основной камере резко повышается, так как выход из камеры перекрыт стержнем подвижного контакта. Давление передается в отсек 2, где происходит сжатие воздуха газовой подушки.

Подвижный контакт по мере движения вниз поочередно открывает горизонтальные каналы 6 поперечного дутья, в которые под большим давлением устремляются масло и газы их верхней части камеры. При этом дуга зигзагообразно растягивается в каналах, интенсивно деионизируется и гаснет.

Гашение происходит в двух дугогасительных камерах одновременно (рис. 1, б), то есть на каждую фазу создается два разрыва электрической дуги, благодаря чему процесс отключения значительно ускоряется (tотклв = 0,08 с). Выключатель МКП-35 относится к числу быстродействующих. Интенсивная деионизация дуги и ее быстрое гашение происходят благодаря следующим факторам:

наличие водорода в газовом пузыре, возникающем при разложении масла;

высокое давление в газовом пузыре;

растяжение дуги в продольном и поперечном направлениях;

два разрыва токовой цепи на одну фазу;

прохождение переменного тока через нуль.

Рис. 3:

а — разрез полюса выключателя типа С-35; б — разрез его дугогасительной камеры

Важнейшую роль в работе выключателя играет буферное пространство, расположенное в верхней части бака над маслом и заполненное воздухом. Оно позволяет маслу расширяться вверх, из-за чего уменьшается давление на стенки и дно бака. Если это пространство недостаточно (высокий уровень масла), то возможен взрыв бака.

При низком уровне масла в баке водород, входящий в состав выделяющихся газов и имеющий высокую температуру, поднимаясь вверх, не успевает охладиться, и соединяясь с кислородом воздуха в буферном пространстве, может вызвать взрыв. Следовательно, взрыв выключателя может произойти как при повышении, так и при понижении уровня масла. В процессе эксплуатации ведется контроль за уровнем масла, для этой цели баки имеют маслоуказатели.

Выключатель С-35 на 35 кВ был разработан в городе Свердловске (Екатеринбурге). Он выпускается на номинальный ток 630 А и используется в сетях, где не требуется мощный выключатель МКП-35. Их основной отличительной особенностью являются дугогасительные камеры и процессы гашения дуги в них.

Выключатель состоит из трех баков, разрез одного из них представлен на рис. 3, а. Бак 14 имеет форму эллиптического конуса выполнен из листовой стали, внутри обшит изоляцией 11 из электрокартона и снабжен маслоспускным краном 13. Бак крепится с помощью четырех стяжных шпилек 17 к стальной крышке 1, на которой расположены два ввода. Основной частью ввода является токоведущий стержень 15, пропущенный через бакелитовую втулку 5. Наконечник 2 с резьбой служит для присоединения внешних токоведущих частей. Для повышения влагостойкости пространство между бакелитовой втулкой 5 и фарфоровой покрышкой б заполняется морозостойкой мастикой 4. Сверху ввод закрыт круглой литой крышкой 3. На вводах установлены трансформаторы ток 7. Снизу к токоведущим стержням 15 крепятся медные неподвижные контакты 9 Г-образной формы. Подвижная дугогасительная камера 10 закреплена на изолирующей тяге 16, перемещающейся внутри направляющей втулки 8, под действием приводного механизм 18. Под дном бака размещено нагревательное устройство 12, которое включается для подогрева масла при температуре окружающего воздуха ниже -20°С.

Разрез дугогасительной камеры показан на рис. 29, б. Корпус 5 собирается из двух частей, изготовленных из легкого синтетического материала, выдерживающего высокое давление, путем соединения стяжными болтами 10. Внутренняя полость камеры облицована дугостойким изоляционным материалом 7. В выхлопные отверстия, расположенные в верхней части и с боков камеры установлены втулки 4 и б из дугостойкого материала. В камере размещается подвижный контактный мост 8 с металлокерамическими напайками 12, опирающийся на четыре контактные пружины 9.

Пружины обеспечивают необходимое усилие в контактном соединений между неподвижными контактами 14, облицованными металлическими пластинами 13, и подвижным контактом 8. Ход подвижного контакта 8 ограничивается двумя парами выступов. Корпус 3 камеры воздушной подушки соединяется с изолирующей штангой 1 с помощью резьбового соединения и фиксируется гайкой 2.

При отключении приводной механизм перемещает штангу 1 вместе с камерой вниз, между подвижным и неподвижным контактами образуются две дуги, разлагающие масло на газы. Давление в камере резко повышается и дуги выдуваются в выхлопные отверстия, этому способствует сжатый в камере воздушной подушки воздух, который служит в первый момент газообразования амортизатором, запасающим энергию. По мере продвижения камеры с подвижным контактным мостом вниз дуги растягиваются как в поперечном, так и в продольном направлении. Соприкасаясь с холодными слоями масла дуги охлаждаются, деионизируются и гаснут окончательно при очередном переходе тока через нуль.

В выключателе необходимо поддерживать уровень масла во избежание взрыва как и в МКП-35. Выключатель С-35 относится к быстродействующим.

В выключателе МКП-110М на напряжение 110 кВ установлены дугогасительные камеры поперечного масляного дутья с многократным разрывом дуги. На рис. 4, а схематично представлен разрез дугогасительных камер в процессе отключения выключателя. Процесс идет по двухступенчатому циклу: сначала размыкаются контакты внутри камеры и в ней размыкается цепь тока; ток, протекающий через шунтирующие резисторы 7 сопротивлением 750-1000 Ом, резко снижается; потом цепь размыкается за пределами дугогасительных камер и две маломощные дуги легко гасятся в масляной среде бака выключателя.

Внутри камеры заключенной в толстостенный бакелитовый цилиндр 1, по оси проходит изолирующая штанга 4 с подвижными контактными мостиками 3, эластично закрепленных с помощью пружин. На внутренней боковой поверхности цилиндра установлены неподвижные контакты 2, располагаемые попарно друг против друга. При помощи внешних подвижных контактов, расположенных на траверсе 5 при включении штанги 4 с контактными мостиками 3 перемещаются вверх, преодолевая сопротивление пружин, и замыкают цепь.

Рис. 4:

а —г- принцип гашения дуги в выключателе типа МКП-110М; б — разрез его фазы

При отключении выключателя на каждом контактном мостике образуется две дуги: вначале — гасимая, против выхлопного отверстия в стенке цилиндра, частично прикрытого фибровыми накладками; потом газогенерирующая (примерно, через четверть периода) генерирующие дуги разлагают масло в камере, генерируют газы, поддерживающие в камере высокое давление и поперечное газомасляное дутье через выхлопное отверстие 6. Таким образом, в двух камерах создается восемь разрывов токовой цепи на одну фазу, что способствует гашению возникающих дуг.

Шунтирующие резисторы 7, заключенные в отдельные бакелитовые цилиндры с отверстиями для циркуляции масла и охлаждения нихромовых спиралей, намотанных на бакелитовые цилиндры внутри цилиндров с отверстиями. Эти резисторы обеспечивают равномерное распределение напряжения между двумя дугогасительными камерами, снижение скорости восстановления напряжения и уменьшения напряжения, появляющегося на контактах выключателя после отключения, уменьшения мощности дуг при окончательном разрыве цепи. С другой стороны, применение шунтирующих резисторов и удорожает конструкцию выключателя, а также несколько увеличивает время полного отключения цепи, так как после погасания дуг в камерах через шунтирующие резисторы протекает небольшой сопровождающий ток, отключаемый контактами траверсы 5. Длительность горения дуги с сопровождающим током составляет от 0,06 до 0,08 с.

Разрез одной фазы выключателя МКП-110М дан на рис. 4, б. выключатель имеет три цилиндрических бака 1, устанавливаемых на фундаменте. На крышках баков устанавливаются маслонаполненные вводы 3, к стержням которых крепятся дугогасительные камеры 4. Параллельно дугогасительным камерам присоединяются шунтирующие резисторы в бакелитовых цилиндрах. Траверса 7 с подвижными контактами закреплена на штанге 5, перемещающейся при включении и отключении в направляющем устройстве 6 под действием механизма включения и отключения 2, с которым связаны блокировочные контакты 9. Внутренняя поверхность бака изолирована двумя слоями электротехнической фанеры 10. Масло- спускной кран 12 служит для спуска отработанного масла и подачи по маслопроводу свежего. Устройство для подогрева масла 14 используется в зимнее время при температуре окружающего воздуха ниже -20°С.В нижней части бака находится лаз 13, используемый для проникновения в бак ремонтного персонала для внутреннего осмотра и ремонта выключателя. Встроенные трансформаторы тока 8 устанавливаются на вводах 3, токоведущие стержни которых являются первичными обмотками для трансформаторов тока.

Выключатель У-110 на 110 кВ был разработан заводом Уралэлектротяжмаш. Внешний вид, габаритные размеры, принцип работы во многом аналогичен выключателю МКП-110М, однако, применение новых материалов и некоторых конструктивных разработок позволило повысить рабочие токи и отключаемые мощности выключателя, снизить удельный расход материалов на единицу отключаемой мощности.

На рис. 5, а показан разрез фазы выключателя. В каждой из двух дугогасительных камер 3 имеется по две пары последовательно соединенных контактов, между которыми при отключении возникает две дуги. Первая пара контактов образована верхним неподвижным контактом 15 и подвижным 17 (рис. 5, б), вторая — промежуточным контактом 24 и подвижным 22. Между контактами 24 и 17 существует электрическая связь в форме скользящего контакта. Механически оба подвижных контакта 17 и 22 соединены с внешним контактом 21 дугогасительной камеры, причем контакт 17 изолирован от контактов 21 и 22 втулкой 18.

При отключенном выключателе контакты внутри камеры разомкнуты: контакт 21 и связанные с ним механически контакты 17 и 22 отведены вниз пружиной поджатия 20. Траверса 2 опущена вниз, так что между ее подвижным контактом 27 и внешним подвижным контактом камеры 21 образован еще один, внешний, разрыв.

Рис. 5:

а — разрез фазы выключателя типа У-110; б — разрез его дугогасительной камеры

При включении выключателя траверса 2 под действием приводного механизма 9, который перемещает штангу подвижной

системы в направляющем устройстве 5, поднимается вверх, ее контакт 27 вначале соприкасается с контактом 21 и образует при этом цепь тока через резисторы 4, шунтирующие дугогасительные камеры, затем перемещает контакт 21 и контакты 22 и 17, синхронно замыкая цепь тока через контактные пары 15-17 и 22-24.

При отключении выключателя траверса 2 под действием отключающей пружины выключателя опускается вниз. На первом этапе вместе с ней опускается контакт 21, прижимаемый к контакту 27 пружиной поджатая 20, обе пары контактов 15-17 и 22-24 размыкаются. В образовавшихся разрывах токовой цепи образуется по две дуги в каждой камере. Масло в камерах под действием высокой температуры дуг активно разлагается и давление быстро растет. Дутьевая щель 25 гасительной решетки 23 открывается при опускании контакта 22, создается поперечное газомасляное дутье дуги. Дуга гаснет при первом же переходе тока через нуль. Вторая щель 26 используется для гашения дуги при отключении небольших токов КЗ или рабочих токов. Аналогичный процесс происходит в решетке 16. Образовавшиеся в процессе гашения дуг газы выбрасываются в бак 1 через сопло 11. Экран 19 ограничивает движение вниз подвижного контакта 21. После прекращения движения контакта подвижная траверса 2 продолжает движение вниз и образуются две дуги вне дугогасительных камер между контактами 21 и 27. Ток в этих дугах невелик, так как в цепь включены шунтирующие резисторы 4, поэтому гашение дуг происходит достаточно быстро.

Дугогасительная камера имеет цилиндрический корпус 14 из толстостенного бакелита. Крепится она держателем 12 к токоведущему стержню маслонаполненного ввода 14, уровень масла в котором контролируется маслоуказателем 8. На вводах установлены трансформаторы тока 7 на съемных подставках, позволяющих заменять их без объема вводов. Внутрибаковая изоляция 6 препятствует перебросу дуги на заземленный бак 1 в момент отключения выключателя. Для подогрева масла в зимнее время на каждом баке выключателя предусмотрено нагревательное устройство 12.

Основные достоинства многообъемных масляных выключателей: простота конструкции; высокая отключающая способность; возможность применения встроенных трансформаторов тока; наружная установка, позволяющая обходиться без специальных помещений.

Основные недостатки выключателей: большая масса трансформаторного масла (230 кг — С-35; 800 кг — МКП-35; 8500 кг —

МКП-110; 27000 кг — У-220), отсюда, необходимость иметь большой, запас его для замены; взрыво- и пожароопасность (справедливости ради следует отметить, что в последних разработках выключателей этот недостаток был практически исключен); большая масса и габариты затрудняют перевозку и монтаж выключателей.