Конспект лекций по предмету электрические аппараты (стр. 21 )

Вакуумные выключатели

В вакуумных выключателях контакты расходятся в сре­де с давлением 10-4 Па. При таком вакууме дугогаситель­ный промежуток имеет очень высокую электрическую проч­ность— примерно 100 кВ/мм. Малая плотность воздуха создает возможность гашения дуги без ДУ за время 0,01 — 0,02 с. Все это дает возможность создать выключатели с ма­лым износом контактов, работающих при минимальном техническом обслуживании в течение нескольких десятков лет. Это определяет перспективность развития и широкого применения вакуумных выключателей. Здесь добавим, что об­разующиеся под действием высокой температуры ионы дви­жутся к электродам, создавая вблизи них соответствующие объемные заряды. Поток электронов направляется к аноду и производит его бомбардировку. Освобождающие­ся из анода положительные ионы движутся к катоду и раз­рушают его. Эти процессы определяют срок службы кон­тактов.

Следует отметить, что высокие значения напряженности электрического поля (при малых расстояниях между кон­тактами) являются также причиной возникновения дуги в вакууме благодаря автоэлектронной эмиссии.

Малая плотность среды обусловливает очень высокую скорость диффузии зарядов из-за большой разницы плотностей частиц в разряде и вакууме. Быстрая диффузия частиц, высокая электрическая прочность вакуума позволяет эффективно гасить дугу в вакуумном выключателе.

Для работы вакуумного выключателя имеет больше значение дегазация контактов, так как адсорбированые ими газы при разогреве выделяются и ухудшают вакуум. С целью удаления газовых включений из контактов их нагревают в течение нескольких часов до красного каления.

При работе выключателя распыленные материалы контактов осаждаются на поверхности изоляционного цилиндра, что создает возможность перекрытия изоляции. Для защиты цилиндра от паров металла электроды защищаются специальными металлическими экранами 8, 9 (рис 18.27). При отсутствии экранов электрон, разгоняясь в электрическом поле по длинному пути, приобретает высокую энергию и при столкновении с молекулой может вызывать её ионизацию. Благодаря экранам 8 и 9 электрическое поле разбито на два небольших участка (между электродами 9 и 8 и между электродами 8 и 9). Возможность перекрытия внутри камеры резко снижается.

При переменном токе после прохождения тока через нуль происходит быстрое рассасывание зарядов вследствии диффузии, и через 10 мкс между контактами восстанавливается электрическая прочность вакуума. Быстрое нарастание электрической прочности промежутка после прохождения тока через нуль является большим достоинством вакуумных выключателей.

Для вакуумной дуги характерен обрыв (срез) тока при подходе к нулевому значению. При уменьшении тока падает давление паров металла, дуга становится неустойчивой и гаснет. Резкие уменьшения тока могут вызывать перенапряжения, опасные для отключаемого оборудования. Ток среза зависит как от параметров отключаемой цепи, так и от свойств материала контактов. Вольфрам обладает ус - тойчивостью к свариванию, высокой температурой плавления и износостойкостью. Однако при вольфрамовых контактах значения тока среза и перенапряжений очень высоки, так как пары вольфрама создают низкое значение перенапряжения при медных контактах в 2,5 раза ниже, но они более подвержены свариванию и износу. Эти противоречия устраняются, если часть контактной поверхности выполнена из дугостойкого металла (молибден), а другая часть—из материала с высоким давлением паров (сурь­ма). Хорошие результаты дает специальная металлокера­мика. Наличие вакуума ухудшает охлаждение контактов. Однако за счет увеличения размеров подводящих шин, со­вершенствования конструкции ДУ и контактных материа­лов удается довести длительные токи до необходимых зна­чений.

В вакуумной дугогасительной камере (рис. 18.27) кон­тактный стержень 4 с контактным наконечником 1—2 же­стко укреплен в металлическом фланце 6 керамического кор­пуса 10. Контактный стержень подвижного контакта 5 связан с сильфоном 7, выполненным из нержавеющей стали. Сильфон представляет собой цилин­дрическую эластичную гар­мошку. Поэтому стержень 5 имеет возможность осевого пе­ремещения. Внутренняя по­лость сильфона связана с ат­мосферой, поэтому контакт 3 верхнего контакта нажимает на контакт 3 нижнего контак­та с силой, равной произведе­нию площади сильфона 5С на атмосферное давление. Допу­стим, SС=100 см2, тогда кон­тактное нажатие равно 1000 Н, что достаточно для пропуска­ния небольшого номинального тока. При больших номиналь­ных токах и для получения необходимой динамической стой­кости ставится дополнительная пружина, создающая необ­ходимое нажатие контактов. Металлические экраны 8 и 9 служат для выравнивания электрического поля между кон­тактами с целью повышения электрической прочности. Эк­ран 8 защищает также керамику 10 от напыления паров ме­талла, образующихся при гашении дуги. Контакты 1 и 2 имеют форму, показанную на рис. 18.28. Касание контактов 1 происходит в шести точках, что позволяет снизить пере­ходное сопротивление и уменьшить температуру контактов. Следует отметить, что тепло, выделяемое в контактах 1,1' и контактных стержнях 4, 5, отводится в основном тепло проводностью к нижнему фланцу 6 и шинам, соединяемым с контактом 5. Из-за высокого вакуума отдача тепла в ра­диальном направлении идет только за счет излучения.

Поперечное магнитное поле в месте перехода тока из контакта 1 в контакт Г быстро перебрасывает дугу на кри­волинейные сегменты 2 (рис. 18.28). Перемещение дуги по контактам с большой скоростью позволяет уменьшить эро­зию контактов и снизить количество паров металла в ваку­умной дуге. При таких контактах удалось поднять номи­нальный ток отключения до 31,5 кА при напряжении 10 кВ. Однако при больших токах отключения напряжение на ду­ге начинает расти с увеличением тока (до 100В и выше). При этом энергия дуги увеличивается, процесс гашения за­трудняется. Как показали исследования, если мощная ва­куумная дуга находится в продольном магнитном поле (ин­дукция направлена по оси камеры), то удается снизить напряжение на дуге при больших токах (до 50 В) и отклю­чать токи 100 кА при напряжении сети 10 кВ.

Разъединители, отделители и короткозамыкатели

Общие сведения

Разъединители служат для включения и отключения цепи высокого напряжения либо при токах, значительно меньших номинальных, либо в случаях, когда отключается номинальный ток, но напряжение на контактах аппарата недостаточно для образования дуги.

В первом случае разъединители применяются, как пра­вило, для отсоединения от напряжения высоковольтного оборудования перед ревизией или ремонтом (рис. 19.1,а).

Рис. 19.1. Схемы включения разъединителей

Согласно правилам техники безопасности оборудование, выводимое в ремонт, должно быть отключено. Между вы­водами отключенного аппарата и цепью, оставшейся под напряжением, должен быть создан видимый воздушный промежуток, гарантирующий безопасные условия работы обслуживающего персонала.

Для безаварийной работы ток в цепи сначала отклю­чается выключателем QF, и только потом размыкаются контакты разъединителей QS1 и QS2. В этом случае разъ­единителями отключаются небольшие емкостные токи, соз­даваемые опорной изоляцией отключаемого аппарата и присоединенными к нему проводниками.

После размыкания QS1 и QS2 выключатель QF, подле­жащий ремонту, должен быть заземлен с обеих сторон с по­мощью дополнительных разъединителей QS3 и QS4. Если ножи QS3 и QS4 не заземлены, то на выводах выключате­ля QF может возникать высокий потенциал за счет емкост­ной связи с линиями высокого напряжения. Для удешевле­ния и упрощения схем коммутации разъединители исполь-

зуются для отключения небольших токов (токов холостого хода трансформаторов, зарядных токов воздушных и ка­бельных линий). Допустимые нагрузки разъединителей приведены в [19.2].

В ряде случаев разъединителями можно пользоваться для перевода нагрузки с одной ветви А на другую Б (рис. 19.1,6). Для этого при замкнутом разъединителе (QS2 включают разъединитель (QS1). После этого разъединитель QS2 отключают. Дуга на его контактах не возникает, так как напряжение на них равно падению напряжения на вет­ви, которое ничтожно мало.

К разъединителям предъявляются следующие требова­ния:

1. Контактная система должна надежно пропускать но­минальный ток сколь угодно длительное время. В особо тяжелых условиях работают разъединители наружных ус­тановок, подвергающиеся воздействию воды, пыли, льда. Контактная система должна иметь необходимую динамиче­скую и термическую стойкость.

2. Разъединитель и механизм его привода должны на­дежно удерживаться во включенном положении при проте­кании тока КЗ. В отключенном положении подвижный кон­такт должен быть надежно фиксирован, так как самопро­извольное включение может привести к очень тяжелым ава­риям и человеческим жертвам.

3. В связи с особой ролью разъединителя как аппарата безопасности промежуток между разомкнутыми контакта­ми должен иметь повышенную электрическую прочность.

4. Привод разъединителя целесообразно блокировать с выключателем. Операции с разъединителем должны быть возможны, только когда выключатель отключен.

Конструкция разъединителей и их приводов

Для внутренних установок, не подверженных воздействию атмо­сферы и с напряжением, как правило, не выше 20 кВ, наиболее широко распространены рубящие разъединители с движением подвижного кон­такта (ножа) в вертикальной плоскости.

Для получения электродинамической стойкости контактов необхо­димо соответствующее контактное нажатие. С ростом тока контактное нажатие и усилие, необходимое для включения, возрастают. При ручных приводах контактные нажатия стремятся брать возможно ма­лыми. С этой целью применяют сдвоенные ножи и электромагнитные замки.

Для повышения электродинамической стойкости контактов разъ­единителей широко используются электродинамические силы, возника­ющие в токоведущих элементах.