Hoogspanningsschakelaars: classificatie, apparaat, werkingsprincipe

De vereisten voor de schakelaars zijn als volgt:

1) betrouwbaarheid op het werk en veiligheid voor anderen;

2) snelle reactie — mogelijk korte uitschakeltijd;

3) onderhoudsgemak;

4) installatiegemak;

5) stille werking;

6) relatief lage kosten.

De momenteel gebruikte vermogensschakelaars voldoen in meer of mindere mate aan de genoemde eisen. Ontwerpers van stroomonderbrekers streven er echter naar om de kenmerken van stroomonderbrekers beter af te stemmen op de bovenstaande vereisten.

Olie schakelaars

Er zijn twee soorten olieschakelaars: reservoir en laag oliepeil. De methoden voor deïonisatie van de boogruimte in deze sleutels zijn hetzelfde. Het enige verschil zit in de isolatie van het contactsysteem vanaf de grondbasis en in de hoeveelheid olie.

Tot voor kort werkten tanks voor tanks van de volgende typen: VM-35, S-35, evenals schakelaars van de U-serie met spanningen van 35 tot 220 kV. Tankschakelaars zijn ontworpen voor externe montage, momenteel niet in productie.

De belangrijkste nadelen van tankschakelaars: explosie en brand; de noodzaak van periodieke controle van de toestand en het oliepeil in de tank en inlaten; een grote hoeveelheid olie, wat leidt tot een grote tijdsinvestering voor de vervanging ervan, de behoefte aan grote oliereserves; niet geschikt voor installatie binnenshuis.

Lage olie schakelaars

Low-oil-schakelaars (pottype) worden veel gebruikt in gesloten en open schakelapparatuur alle spanningen. De olie in deze schakelaars dient voornamelijk als boogmedium en slechts gedeeltelijk als isolatie tussen open contacten.

Isolatie van onder spanning staande delen van elkaar en van geaarde constructies gebeurt met porselein of ander vast isolatiemateriaal. De contacten van de schakelaars voor inbouwmontage bevinden zich in een stalen tank (pot), vandaar dat de naam "pot type" schakelaars behouden blijft.

Low-oil stroomonderbrekers met een spanning van 35 kV en hoger hebben een porseleinen behuizing. De meest gebruikte zijn hangers van het type 6-10 kV (VMG-10, VMP-10). Bij deze stroomonderbrekers is het lichaam op porseleinen isolatoren bevestigd aan een gemeenschappelijk frame voor de drie polen. Elke paal heeft één contactonderbreking en een vlamboogkoker.

Ontwerpschema's van low-oil-schakelaars 1 - beweegbaar contact; 2 — boogparachute; 3 — vast contact; 4 — werkcontacten

Bij hoge nominale stromen is het moeilijk om met één paar contacten te werken (fungerend als werk- en boogcontacten), daarom bevinden de werkcontacten zich buiten de vermogenschakelaar en bevinden de boogcontacten zich in een metalen tank. Bij hoge breekstromen zijn er twee boogonderbrekingen voor elke pool. Volgens dit schema zijn schakelaars van de MGG- en MG-serie gemaakt voor spanningen tot en met 20 kV.Dankzij de massieve externe werkcontacten 4 kan de vermogenschakelaar worden ontworpen voor hoge nominale stromen (tot 9500 A). Voor spanningen van 35 kV en hoger is het schakellichaam van porselein, de VMK-serie is een kolomschakelaar met laag oliepeil). In automatische stroomonderbrekers 35, 110 kV is één onderbreking per pool voorzien, bij hoogspanning - twee of meer onderbrekingen.

Nadelen van low-oil-schakelaars: risico op explosie en brand, hoewel veel minder dan dat van tankschakelaars; onvermogen om automatische sluiting met hoge snelheid te implementeren; de noodzaak van periodieke controle, bijvullen, relatief frequente olieverversing in boogtanks; de moeilijkheid om ingebouwde stroomtransformatoren te installeren; relatief laag breekvermogen.

Het toepassingsgebied van low-oil vermogenschakelaars zijn gesloten schakelinstallaties van energiecentrales en onderstations 6, 10, 20, 35 en 110 kV, complete schakelinstallaties 6, 10 en 35 kV en open schakelinstallaties 35 en 110 kV.

Zie hier voor meer details: Soorten olieschakelaars

Lucht schakelaars

Open stroomonderbrekers voor spanningen van 35 kV en hoger zijn ontworpen om grote kortsluitstromen te onderbreken. Lucht wordt ingeschakeld spanning 15 kV wordt gebruikt in energiecentrales als generator. Hun voordelen: snelle reactie, hoog breekvermogen, onbeduidende verbranding van contacten, gebrek aan dure en onvoldoende betrouwbare bussen, brandveiligheid, minder gewicht in vergelijking met olieschakelaars in de tank. Nadelen: de aanwezigheid van omslachtige luchteconomie, explosiegevaar, gebrek aan ingebouwde stroomtransformatoren, de complexiteit van het apparaat en de bediening.

In luchtschakelaars wordt de boog gedoofd met perslucht bij een druk van 2-4 MPa, en de isolatie van delen onder spanning en het boogblusapparaat is gemaakt met porselein of ander vast isolatiemateriaal. De ontwerpschema's van luchtschakelaars zijn verschillend en zijn afhankelijk van hun nominale spanning, de methode voor het creëren van een isolerende opening tussen de contacten in de uit-stand en de methode voor het toevoeren van perslucht aan het boogblusapparaat.

Hoogwaardige stroomonderbrekers hebben een hoofd- en boogcircuit vergelijkbaar met MG- en MGG-stroomonderbrekers met een laag oliepeil. Het grootste deel van de stroom in de gesloten stand van de schakelaar gaat door de hoofdcontacten 4, die zich open bevinden. Wanneer de schakelaar wordt uitgeschakeld, gaan eerst de hoofdcontacten open, daarna gaat alle stroom door de boogcontacten die in kamer 2 zijn gesloten. Terwijl deze contacten opengaan, wordt perslucht uit tank 1 de kamer in gevoerd, een krachtige explosie ontstaat, dovend de boog. Het blazen kan longitudinaal of transversaal zijn.

De noodzakelijke isolatiespleet tussen de contacten in de open positie wordt in de lichtboog gecreëerd door de contacten op voldoende afstand te scheiden. De schakelaars gemaakt volgens het project met een open scheider worden geproduceerd voor installatie binnenshuis voor spanningen van 15 en 20 kV en stromen tot 20.000 A (VVG-serie). Met dit type schakelaars wordt na het loskoppelen van de separator 5 de toevoer van perslucht naar de kamers gestopt en worden de boogcontacten gesloten.

Constructieschema's van luchtschakelaars 1 — tank voor perslucht; 2 — boogparachute; 3 — rangeerweerstand; 4 — belangrijkste contacten; 5 — scheidingsteken; 6 — capacitieve spanningsdeler voor 110 kV — twee onderbrekingen per fase (d)

Bij open installatieautomaten voor spanning 35 kV (VV-35) volstaat één onderbreking per fase.

In schakelaars met een spanning van 110 kV en meer, nadat de boog is gedoofd, openen de contacten van de separator 5 en blijft de separatorkamer de hele tijd gevuld met perslucht in de uit-stand. In dit geval wordt er geen perslucht aan de boogkoker toegevoerd en zijn de contacten daarin gesloten.

Volgens dit ontwerpschema worden stroomonderbrekers van de VV-serie voor spanningen tot 500 kV gemaakt. Hoe hoger de nominale spanning en hoe hoger het beperkende vermogen, hoe meer onderbrekingen er moeten zijn in de lichtboog en in de separator.

Met lucht gevulde stroomonderbrekers van de VVB-serie zijn gemaakt volgens het ontwerpschema in Fig., D. De spanning van de VVB-module is 110 kV bij een persluchtdruk in de brandbluskamer van 2 MPa. De nominale spanning van de VVBK vermogensschakelaarmodule (grote module) is 220 kV en de luchtdruk in de bluskamer is 4 MPa. Stroomonderbrekers van de VNV-serie hebben een vergelijkbaar ontwerpschema: een module met een spanning van 220 kV bij een druk van 4 MPa.

Voor stroomonderbrekers van de VVB-serie is het aantal vlambogen (modules) afhankelijk van de spanning (110 kV - één; 220 kV - twee; 330 kV - vier; 500 kV - zes; 750 kV - acht), en voor grote vermogenschakelaarmodules (VVBK, VNV), modules met respectievelijk twee keer minder nummers.

Stroomonderbrekers SF6

SF6-gas (SF6 - zwavelhexafluoride) is een inert gas met een dichtheid die 5 keer groter is dan die van lucht. De elektrische sterkte van SF6-gas is 2-3 keer hoger dan de sterkte van lucht; bij een druk van 0,2 MPa is de diëlektrische sterkte van SF6-gas vergelijkbaar met die van aardolie.

In SF6-gas bij atmosferische druk kan een boog worden gedoofd met een stroom die 100 keer hoger is dan de stroom die onder dezelfde omstandigheden in lucht wordt onderbroken. Het uitzonderlijke vermogen van SF6-gas om de boog te doven, wordt verklaard door het feit dat de moleculen de elektronen van de boogkolom vangen en relatief onbeweeglijke negatieve ionen vormen. Het verlies van elektronen maakt de boog onstabiel en dooft gemakkelijk. In een stroom van SF6-gas, dat wil zeggen tijdens gasstralen, is de absorptie van elektronen uit de boogkolom zelfs nog intenser.

SF6 stroomonderbrekers maken gebruik van auto-pneumatische (auto-compressie) boogblusapparaten waarbij gas wordt gecomprimeerd door een zuigerapparaat tijdens het trippen en in het booggebied wordt geleid. De SF6 stroomonderbreker is een gesloten systeem zonder gasemissies naar buiten.

Momenteel worden SF6 stroomonderbrekers gebruikt voor alle spanningsklassen (6-750 kV) bij een druk van 0,15 - 0,6 MPa. Verhoogde druk wordt gebruikt voor schakelaars met hogere spanningsklassen. SF6 stroomonderbrekers van de volgende buitenlandse bedrijven hebben zich goed bewezen: ALSTOM; SIEMENS; Merlijn Guerin en anderen. De productie van moderne SF6-stroomonderbrekers van PO «Uralelectrotyazmash» wordt beheerst: tankstroomonderbrekers van de VEB-, VGB-serie en kolomschakelaars van de VGT-, VGU-serie.

Beschouw als voorbeeld het ontwerp van een 6-10 kV LF stroomonderbreker door Merlin Gerin.

Het basismodel vermogensschakelaar bestaat uit de volgende elementen:

— het lichaam van de vermogenschakelaar, waarin alle drie de polen zich bevinden, die een "drukvat" voorstellen, gevuld met SF6-gas bij een lage overdruk (0,15 MPa of 1,5 atm);

— mechanische aandrijving type RI;

— voorpaneel van de actuator met handmatige veerbelastingshendel en statusindicatoren voor veer en stroomonderbreker;

— contactvlakken voor hoogspanningsvoeding;

— meerpolige connector voor het aansluiten van secundaire schakelcircuits.

Vacuüm stroomonderbrekers

De diëlektrische sterkte van vacuüm is aanzienlijk hoger dan die van andere media die in stroomonderbrekers worden gebruikt. Dit wordt verklaard door de toename van het gemiddelde vrije pad van elektronen, atomen, ionen en moleculen met een afname van de druk. In een vacuüm overschrijdt het gemiddelde vrije pad van de deeltjes de afmetingen van de vacuümkamer.

1/4" spleetherstel diëlektrische sterkte na 1600 A stroomonderbreking in vacuüm en verschillende gassen bij atmosferische druk

Onder deze omstandigheden komen botsingen van deeltjes op de kamerwanden veel vaker voor dan botsingen tussen deeltjes. De figuur toont de afhankelijkheid van de doorslagspanning van vacuüm en lucht op de afstand tussen elektroden met een diameter van 3/8 « wolfraam. Met zo'n hoge diëlektrische sterkte kan de afstand tussen de contacten erg klein zijn (2 - 2,5 cm), dus de afmetingen van de kamer kunnen ook relatief klein zijn...

Het proces van het herstellen van de elektrische sterkte van de opening tussen de contacten wanneer de stroom is uitgeschakeld, vindt in vacuüm veel sneller plaats dan in gassen.Het niveau van vacuüm (restgasdruk) in moderne industriële boogkanalen is meestal Pa. In overeenstemming met de theorie van de elektrische sterkte van gassen worden de vereiste isolerende eigenschappen van de vacuümspleet ook bereikt bij lagere vacuümniveaus (in de orde van Pa), maar voor het huidige niveau van vacuümtechnologie, het creëren en onderhouden van de Het Pa-niveau gedurende de hele levensduur van de vacuümkamer is geen probleem.Hierdoor beschikken de vacuümkamers over elektrische krachtreserves voor de gehele levensduur (20-30 jaar).

Een typisch ontwerp van een vacuümstroomonderbreker wordt getoond in de afbeelding.

Blokschema van een vacuümonderbreker

Het ontwerp van de vacuümkamer bestaat uit een paar contacten (4; 5), waarvan er één beweegbaar is (5), ingesloten in een vacuümdichte schaal gelast door keramische of glazen isolatoren (3; 7), bovenste en onderste metalen afdekkingen (2; 8) ) en metalen afscherming (6). De beweging van het beweegbare contact ten opzichte van het vaste contact wordt verzekerd door middel van een huls (9). De camerakabels (1; 10) worden gebruikt om hem aan te sluiten op het hoofdschakelaarcircuit.

Opgemerkt moet worden dat alleen speciale vacuümbestendige metalen, gezuiverd van opgeloste gassen, koper en speciale legeringen, evenals speciale keramiek worden gebruikt voor de vervaardiging van de behuizing van de vacuümkamer. De contacten van de vacuümkamer zijn gemaakt van een metaal-keramische samenstelling (in de regel is het koper-chroom in een verhouding van 50%-50% of 70%-30%), wat zorgt voor een hoog breekvermogen, slijtvastheid en voorkomt het verschijnen van laspunten op het contactoppervlak. Cilindrische keramische isolatoren, samen met een vacuümopening bij open contacten, zorgen voor isolatie tussen de kameraansluitingen wanneer de schakelaar is uitgeschakeld.

Tavrida-electric heeft een nieuw design vacuümvermogenschakelaar uitgebracht met een magnetisch slot. Het ontwerp is gebaseerd op het principe van het uitlijnen van de aandrijfelektromagneet en de vacuümonderbreker in elke pool van de onderbreker.

De schakelaar sluit in de volgende volgorde.

In de begintoestand zijn de contacten van de vacuümonderbrekerkamer open vanwege de werking van de sluitveer 7 erop via de trekisolator 5. Wanneer een spanning met positieve polariteit wordt aangelegd op de spoel 9 van de elektromagneet, de magnetische flux hoopt zich op in de opening van het magnetische systeem.

Op het moment dat de drukkracht van het anker gecreëerd door de magnetische flux groter is dan de kracht van de stopveer 7, begint het anker 11 van de elektromagneet, samen met de tractie-isolator 5 en het beweegbare contact 3 van de vacuümkamer, te bewegen omhoog, waarbij de veer wordt samengedrukt om te stoppen. In dit geval treedt er een motor-EMF op in de wikkeling, die een verdere toename van de stroom verhindert en zelfs enigszins vermindert.

Tijdens het bewegingsproces krijgt het anker een snelheid van ongeveer 1 m / s, wat voorlopige schade bij het inschakelen voorkomt en het stuiteren van de VDK-contacten elimineert. Wanneer de vacuümkamercontacten gesloten zijn, blijft er een extra compressiespleet van 2 mm over in het magneetsysteem. De snelheid van het anker daalt sterk, omdat het ook de veerkracht van de extra voorspanning van het contact 6 moet overwinnen. Onder invloed van de kracht die wordt gecreëerd door de magnetische flux en traagheid, blijft het anker 11 omhoog bewegen, het samendrukken van de veer voor aanslag 7 en een extra veer voor voorspancontacten 6.

Op het moment van het sluiten van het magneetsysteem komt het anker in contact met het bovendeksel van de aandrijving 8 en stopt. Na het sluitproces wordt de stroom naar de aandrijfspoel uitgeschakeld. De schakelaar blijft in de gesloten stand vanwege de restinductie die wordt gecreëerd door de ring permanente magneet 10, die het anker 11 in een getrokken positie houdt aan het bovendeksel 8 zonder extra stroomtoevoer.

Om de schakelaar te openen, moet er een negatieve spanning op de spoelklemmen worden gezet.

Momenteel zijn vacuümstroomonderbrekers de dominante apparaten geworden voor elektrische netwerken met een spanning van 6-36 kV. Zo bereikt het aandeel van vacuümstroomonderbrekers in het totale aantal gefabriceerde apparaten in Europa en de VS 70%, in Japan - 100%. In Rusland heeft dit aandeel de afgelopen jaren een constante opwaartse trend doorgemaakt en in 1997 overschreed het de grens van 50%. De belangrijkste voordelen van explosieven (ten opzichte van olie- en gasswitches) die de groei van hun marktaandeel bepalen zijn:

— hogere betrouwbaarheid;

— lagere onderhoudskosten.
Zie ook: Hoogspanningsvacuümstroomonderbrekers — Ontwerp en werkingsprincipe