Элегазовый выключатель  — это разновидность высоковольтного выключателя, коммутационный аппарат, использующий элегаз (шестифтористую серу, SF6) в качестве среды гашения электрической дуги; предназначенный для оперативных включений и отключений отдельных цепей или электрооборудования в энергосистеме, в нормальных или аварийных режимах, при ручном дистанционном или автоматическом управлении.

Введение

На сегодняшний день, использование элегаза в качестве дугогасящей среды, более эффективной по сравнению со сжатым воздухом и маслом, является наиболее перспективным и быстроразвивающимся направлением развития выключателей переменного тока высокого и сверхвысокого напряжения. Основные достоинства элегазового оборудования определяются уникальными физико-химическими свойствами элегаза. При правильной эксплуатации элегаз не стареет и не требует такого тщательного ухода за собой, как масло.

Элегазовому оборудованию также присущи: компактность; большие межревизионные сроки, вплоть до отсутствия эксплуатационного обслуживания в течение всего срока службы; широкий диапазон номинальных напряжений (6-1150 кВ); пожаробезопасность и повышенная безопасность обслуживания.

Элегазовые выключатели начали усиленно разрабатываться с 1980 г. и имеют большие перспективы при напряжениях 110…1150 кВ и токах отключения до 80 кА. В технически развитых странах элегазовые выключатели высокого и сверхвысокого напряжения (110-1150 кВ) практически вытеснили все другие типы аппаратов. Также ведущие зарубежные фирмы практически полностью перешли на выпуск комплектных распределительных устройств с элегазовой изоляцией (КРУЭ) и элегазовых выключателей для открытых распределительных устройств на классы напряжения 110 кВ и выше.

Конструкция элегазового выключателя

По конструкции различают колонковые и баковые выключатели. Колонковые ни внешне, ни по размерам принципиально не отличаются от маломасляных, кроме того, что в современных элегазовых выключателях 220 кВ только один разрыв на фазу. Баковые элегазовые выключатели имеют гораздо меньшие габариты по сравнению с масляными, имеют один общий привод на три полюса, встроенные трансформаторы тока.

Элегазовый выключатель состоит из трех основных частей:

1. Полюс с фарфоровой изоляцией, состоящий из опорного изолятора и дугогасительной камеры;
2. Пружинный привод;
3. Рама и поддерживающие стойки.

Схематически, можно обозначить следующие основные части колонкового элегазового выключателя на примере элегазового выключателя 120-SFM-32B на номинальное напряжение 110кВ.

Основные составные части элегазовых выключателей

Дугогасительные Устройства

В элегазовых выключателях применяются различные способы гашения дуги в зависимости от номинального напряжения, номинального тока отключения и эксплуатационных особенностей в месте установки. В элегазовых дугогасительных устройств в отличие от воздушных дугогасительных устройств при гашении дуги прохождение газа через сопло происходит не в атмосферу, а в замкнутый объем камеры, заполненный элегазом при относительно небольшом избыточном давлении. По способу гашения дуги в элегазе различаются следующие элегазовые выключатели:

• автокомпрессионные с дутьем в элегазе, создаваемым посредством компрессионного устройства (элегазовые выключатели с одной ступенью давления);
• в которых гашение дуги в дугогасительных устройствах обеспечивается вращением её по кольцевым контактам под действием поперечного магнитного поля, создаваемого отключаемым током (элегазовые выключатели с электромагнитным дутьем);
• с дугогасительным устройством продольного дутья, в которую предварительно сжатый газ поступает из резервуара с относительно высоким давлением элегаза (элегазовые выключатели с двумя ступенями давления);
• с дугогасительным устройством продольного дутья, в которых повышение давления элегаза происходит за счет разогрева газовой среды дугой отключения в специальной камере (элегазовые выключатели с автогенерирующим дутьем).

Рассмотрим конструкцию и принцип работы наиболее часто используемых в выключателях 110-220кВ автокомпрессионных дугогасительных устройств на примере элегазового выключателя 120-SFM-32B на номинальное напряжение 110кВ.

Дугогасительная камера, наполненная элегазом под давлением, находится в верхней части полюса и состоит из неподвижного контакта, сопла, подвижного контакта, компрессионного цилиндра и закрепленного плунжера (Рис. 1). Во время операции «ОТКЛЮЧЕНИЕ» (Рис. 2) подвижный контакт вместе с компрессионным цилиндром опускается вниз. Неподвижный и подвижный контакты расходятся. В момент расхождения между неподвижным дуговым контактом и подвижным дуговым контактом возникает электрическая дуга. Движение компрессионного цилиндра сжимает элегаз к закрепленному плунжеру, создавая таким образом мощный поток элегаза над дугой. После достижения некоторого расстояния между контактами за счет потока элегаза существенно увеличивается диэлектрическая прочность разрыва, вследствие чего гасится дуга.

Надежность системы еще более увеличивается с использованием одиночного разрыва дуги и противоположного движения элегаза с его распылением, которые уменьшают количество подвижных элементов и вспомогательных систем в выключателе. Данный принцип показан на Рис. 3.

Привод выключателя

Приводы выключателей обеспечивают управление выключателем — включение, удержание во включенном положении и отключение. Вал привода соединяют с валом выключателя системой рычагов и тяг. Привод выключателя должен обеспечивать необходимую надежность и быстроту работы, а при электрическом управлении — наименьшее потребление электроэнергии. В элегазовых выключателя применяют два типа приводов:

• пружинный привод, управляющим органом которого является кинематическая система рычагов, кулачков и валов;
• пружинно-гидравлический привод, управляющим органом которого является гидросистема.

Рассмотрим конструкцию и принцип работы наиболее часто используемых в выключателях 110-220кВ пружинных приводов. Пружинный привод состоит из двух пружин - включающей и отключающей. Включающая пружина сжимается при помощи кулачка с храповым механизмом, которые управляются электрическим двигателем. На Рис. 4 показан выключатель во включенном положении (включающая пружина взведена). Обе пружины (включающая и отключающая) находятся во взведенном состоянии. Пружина отключения создает крутящий момент на рычаге в направлении против часовой стрелки. На данном этапе блокирующее устройство, которое называется «защелка фиксации отключения», предотвращает перемещение рычага.

1. Кулачок 2. Пружина отключения 3. Пружина включения 4. Храповое колесо 5. Защелка фиксации включения 6. Защелка включения 7. Электромагнит включения 8. Электромагнит отключения 9. Защелка отключения 10. Контакты выключателя 11. Защелка фиксации отключения 12. Рычаг 13. Храповик]]

Во время срабатывания электромагнита отключения рычаг освобождается от блокирующего устройства и вращается до момента достижения положения «ОТКЛЮЧЕНО». На Рис. 5 показан автоматический элегазовый выключатель в отключенном состоянии.

Пружина отключения находится в разряженном состоянии. Пружина включения создает крутящий момент на кулачке и храповом колесе в направлении против часовой стрелки. Во время подачи напряжения на электромагнит включения кулачок вращается в направлении против часовой стрелки, при этом рычаг вращается в направлении по часовой стрелке. Данное движение рычага приводит выключатель в положение «ВКЛЮЧЕНО» и одновременно заряжает пружину отключения. На Рис. 6 показан элегазовый выключатель во включенном состоянии (пружина включения разряжена). Сразу же после включения элегазового выключателя подается напряжение на двигатель заводки пружины включения. Пружина включения заводится с помощью храпового колеса, связанного с электродвигателем. После полной заводки пружины включения концевой выключатель отключает питание двигателя и защелка фиксации включения удерживает энергию сжатой пружины до момента следующего ее срабатывания.

Преимущества и недостатки элегазовых выключателей

К преимуществам элегазовых выключателей можно отнести

• возможность применения на все классы напряжений свыше 1 кВ;
• гашение дуги происходит в замкнутом объеме без выхлопа в атмосферу;
• относительно малые габариты и масса;
• пожаро- и взрывобезопасность;
• быстрота действия;
• высокая отключающая способность;
• надежное отключение малых индуктивных и емкостных токов в момент перехода тока через нуль без среза и возникновения перенапряжений;
• малый износ дугогасительных контактов;
• бесшумная работа;
• возможность создания серий с унифицированными узлами;
• пригодность для наружной и внутренней установки.

К недостаткам элегазовых выключателей можно отнести

• высокие требования к качеству элегаза;
• температурные недостатки SF6, необходимость подогрева и использования смесей элегаза с азотом, хладоном и другими веществами, позволяющими работать элегазовым выключателям в условиях низких температур окружающей среды;
• необходимость специальных устройств для наполнения, перекачки и очистки SF6;
• относительно высокая стоимость SF6;
• требуется более внимательное отношение к использованию и учету элегаза.

Литература

1. Аметистов, Е.И. Основы современной энергетики под общей редакцией чл.-корр. РАН Е.В. Аметистова - М.: Издательство МЭИ, 2004.- 822с.
2. Неклепаев, Б.Н. Электрическая часть электростанций и подстанций / Б.Н. Неклепаев, И.П. Крючков – М.:Энергоатомиздат,1989.- 605с.
3. Полтев А. И. Конструкции и расчёт элегазовых аппаратов высокого напряжения. - Л.: Энергия, 1979. -240 с.;
4. Электрические аппараты высокого напряжения/ Под редакцией Г. Н. Александрова. - Л.: Энергоатомиздат, 1989. - 344 с.;
5. Справочник по электрическим аппаратам высокого напряжения/ Под редакцией В. В. Афанасьева. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 544 с.;