Расчет выбора высоковольтного выключателя — Стиль жизни

Принцип действия автоматического выключателя и его конструкция

Выбор выключателей стоит начать с понимания как работает автоматический выключатель и конструктивных особенностей. Каждый такой автомат имеет:

Несколько полюсов, которые он может включать и отключать. То есть силовые контакты, которые размыкают или замыкают цепь. Их количество может быть от одного до четырёх;
Дугогасительная система. Она может состоять из специальных камер с узкими щелями для разбития дуги на мелкие части и снижения её выгорающей способности. Также камеры дугогашения могут быть выполнены в виде решётки. Эти две вида камер иногда применяются комбинированно если автомат предназначен для коммутации мощных цепей;

Привод расцепляющего механизма;
Расцепитель. Он может иметь электромагнитную, электронную, микропроцессорную или же биметаллическую основу служащую для мгновенного автоматического выключения при создании ненормальных токовых режимов. В свою очередь, он состоит из рычагов, защёлок и отключающих пружин для ускорения срабатывания защиты;
Одну или несколько пар так называемых блок-контактов или вспомогательных контактов, идущих в цепи сигнализации или же контроля.

Хотелось бы остановиться более конкретно на таком элементе как электромагнитный расцепитель. Он представляет собой катушку (соленоид), подвижная часть которой, и приводит в действие само устройство механического разрыва цепи. Ток, протекающий по силовым контактам, непосредственно проходит и по соленоиду, только вот при нормальной работе, когда его значение не превышает номинального параметра, на который рассчитан автомат, он не выключает автомат. Магнитного поля в этом случае не хватает на то, чтобы якорёк расцепителя сдвинул защёлку и автоматический выключатель остаётся во включенном положении. Как только ток, вследствие короткого замыкания в отходящей цепи, превысит пороговое значение, магнитный поток приведет в движение подвижную часть соленоида и автомат немедленно отключится.

Автоматические выключатели постоянного тока, которые устанавливаются для защиты электродвигателей стационарно имеют несколько расцепителей. Это делается с целью ускорить процесс отключения даже при несрабатывании одного из систем расцепления. Допусти ВАТ (выключатель автоматический токовый), который применяется для электродвигателя главных приводов прокатного стана имеет систему ИДП (индукционно динамический привод). Она дополнительно тянет за подвижный силовой контакт во время отключения автомата от токовой защиты.

Тепловая защита автоматических выключателей почти во всех случаях создана на биметаллической пластине, которая также введена в силовую цепь. При прохождении тока выше номинала она начинает греться и в какой-то момент происходит её деформация или изгиб тем самым разрывается электрическая цепь. Поэтому в таких случая стоит подождать когда она остынет, так как отключенный от тепловой защиты автомат включится не сразу. Иногда если автоматы не имеют чёткой тепловой вставки превышение токового номинала ограничивают отдельно установленными тепловыми реле, работающими по такому же принципу, и имеющие настройку.

Вакуумные выключатели

Вакуумные выключатели 6…10 кВ абсолютно пожаро- и взрывобезопасностны, сохраняют свою работоспособность при практически любых температурах окружающей среды. К достоинствам вакуумных выключателей можно отнести большой ресурс отключений-включений номинальных токов, возможность их эксплуатации в агрессивных средах, высокая скорость коммутаций и готовность к повторным включениям. Следует добавить, что это самый «чистый» тип выключателя – никаких проблем с загрязнением распредустройства и выделением небезопасных для экологии веществ, они практически бесшумны в работе. Дальновидный хозяин при выборе покупки учтет невысокую стоимость эксплуатации вакуумных выключателей: протирка изоляции, текущие ремонты привода (малая мощность) и крайне редко требуемая замена дугогасительных камер, не вызовут особых сложностей. Малые габариты и возможность произвольного их расположения позволяют уменьшить размеры распределительного устройства и предоставляют свободу в их компоновке, например, размещение ячеек в несколько ярусов. Установленные на линейных присоединениях вакуумники без проблем отключают зарядные токи кабельных или воздушных линий, находящихся под напряжением.

Но при отключении такими вакуумными выключателями небольших индуктивных токов (холостой ход трансформатора), есть вероятность коммутационных перенапряжений. В случае потери вакуума в одной из дугогасительных камер происходит приваривание контактов – необходим постоянный контроль отсутствия напряжения на всех трех фазах после отключения присоединения. Ресурс дугогасительного устройства по отключению токов короткого замыкания не очень велик.

Элегазовый высоковольтный выключатель

Элегазовый высоковольтный выключатель – это оборудование для обеспечения быстрого управления и контроля электрической линии высокого напряжения.

Гашение электродуги выполняется посредством заполнения камеры соединением газов. Элегазовые высоковольтные выключатели не требуют смены газа и обеспечения контроля его состояния и количества.

Выключение происходит за счет изоляции фаз между собой. При срабатывании сигнала о необходимости отключения, контакты, расположенные в отдельных камерах, рассоединяются. В результате, между встроенными контактами происходит образование дуги, которая помещена в газовой среде. Затем, газ расщепляется на компоненты.

Преимущество использования элегазовых высоковольтных выключателей заключается в таких показателях, как:

универсальность – используются для работы с сетями при любом напряжении;
быстродействие – реакция элегаза происходит быстрее, что дает возможность выполнить аварийное отключение за несколько секунд;
высокий показатель пожаробезопасности;
возможность использования при вибрации;
длительный срок эксплуатации – при соприкосновении контактов не происходит процесс их изнашивания;
возможность работы с постоянным и переменным током.

Но элегазовые высоковольтные выключатели монтируются только на специально созданном фундаменте или подставке и не могут быть использованы при низких температурах. Также следует отметить дороговизну элегаза.

Элегазовые выключатели используются намного чаще, чем иные разновидности высоковольтных выключателей.

Выбор силового выключателя 6 кВ

Рассмотрим пример выбора выключателя в сети 6(10) кВ. В нашем случае, нужно выбрать элегазовый выключатель 6 кВ, типа LF (фирмы Schneider Electric), который будет установлен в ячейку КРУ-6 кВ типа Mcset (фирмы Schneider Electric) для питания силового трансформатора типа Minera (фирмы Schneider Electric) мощностью 2500 кВА.

Выбирать выключатель, мы должны из условий: — номинальное напряжение Uуст ≤ Uном;

1. Рассматривая каталожные данные на элегазовые выключатели серии LF и предварительно выбираем выключатель типа LF1 на напряжение 6 кВ, Uуст=6 кВ ≤ Uном=6кВ (условие выполняется);

номинальный ток Iрасч

2. Рассчитываем расчетный ток:

Выбранный выключатель соответсвуют: Iном.=630 А > Iрасч =240,8 А;

3. Проверяем выключатель по отключающей способности.

Согласно ГОСТа 687-78E отключающая способность выключателя представлена тремя показателями:

номинальным током отключения Iоткл.;
допустимым относительным содержанием апериодической составляющей тока βном;
нормированные параметры восстанавливающего напряжения.

3.1 Определяем номинальный ток отключения Iоткл. и βном отнесенные к времени τ — времени отключения выключателя, равно:

τ = tзmin + tc.в = 0,01 + 0,048 = 0,058 (сек)

где:

tзmin=0,01 сек. – минимальное время действия релейной защиты (в данном случае, быстродействующей защитой является токовая отсечка (ТО));
tc.в – собственное время отключения выключателя (согласно каталожных данных на выключатель LF1 равно 48 мс или 0,048 сек)

3.2 Номинальный ток отключения Iоткл., находим по каталогу: Iоткл.=25 кА.

3.3 Рассчитываем апериодическую состовляющую тока короткого замыкания:

где: Iп.о=7,625 кА – расчетный ток короткого замыкания на шинах 6 кВ. Постоянную времени Та выбираем из таблицы 1, согласно таблицы для распределительных сетей напряжением 6-10 кВ Та=0,01.

Таблица 1 — Значение постоянной времени затухания апериодической составляющей тока короткого замыкания и ударного коэффициента

3.4 Определяем апериодическую составляющую в отключении тока при времени τ=0,058 сек.

где: βном- допустимое относительное содержание апериодической состовляющей, опеределяем по кривой βном=f(τ) приведенном в ГОСТе 687-78E либо можно найти по каталогам.

Рис.1 — Допустимое относительное содержание апериодической составляющей

Если βном ≤ 0,2, то следует принимать равный нулю.

3.5 Определяем тепловой импульс, который выделяется при токе короткого замыкания:

где:

tоткл.= tр.з.+ tо.в=0,01+0,07=0,08 сек.
tр.з. – время действия основной защиты (токовая отсечка) трансформатора, равное 0,01 сек.
tо.в – полное время отключения выключателя LF1 выбирается из каталога, равное 0,07 сек.

3.6 Проверяем на электродинамическую стойкость по условию:

iу=20,553 кА ≤ iпр.с=64 кА (условие выполняется) где: iу=20,553 кА – расчетный ударный ток КЗ; iпр.с= 64 кА – ток динамической стойкости, выбирается из каталога.

3.7 Определим предельный термический ток термической стойкости, исходя из каталога: При этом должно выполнятся условие:

Iтер. = 25 кА — предельный ток термической стойкости, выбранный по каталогу;
tтер= 3 сек. — длительность протекания тока термической стойкости, согласно каталога.

Все расчетные и каталожные данные, сводим в таблицу 2

Таблица 2

№ п/п	Расчетные данные	Каталожные данные	Условие выбора	Примечание
Выключатель LF1
1	Uуст=6 кВ	Uном=6 кВ	Uуст ≤ Uном	условие выполняется
2	Iрасч=240,8 А	Iном=630 А	Iрасч< Iном	условие выполняется
3	Iп.о=7,625 кА	Iоткл=25 кА	Iп.о ≤ Iоткл	условие выполняется
4	условие выполняется
5	iу=20,553 кА	iпр.с= 64 кА	iу ≤ iпр.с	условие выполняется
6	условие выполняется

Литература:

1. ГОСТ 687-78E — Выключатели переменного тока на напряжение свыше 1000 кВ 2. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Седьмое издание. 2008г. 3. Рожкова Л.Д. и Козулин В.С. Электрооборудование станций и подстанций: Учебник для техникумов. − 3-е изд., перераб. и доп. − М., Энергоатомиздат, 1987.

Элегазовые выключатели

Рисунок 1 – Конструкция элегазового выключателя

Элегазовый выключатель работает за счет изоляции фаз между собой с помощью газа(обычно используется электропроточный газ SF6 – так называемый «элегаз»). При поступлении сигнала отключения оборудования контакты камер размыкаются. Они создают электрическую дугу, которая размещается в газовой среде. Дуга разделяет газ на отдельные компоненты, а высокое давление в резервуаре способствует ее гашению.

Преимущества:

Многофункциональность(может использоваться при любом напряжении)
Высокая скорость срабатывания
Возможность использования в критических ситуациях(пожар, землетрясение)
Большой срок службы

Недостатки:

Большая цена конструкцииНевозможность работы при низких температурах
Сложность обслуживания
Необходимость установки специального фундамента для такой конструкции

Ремонт высоковольтных выключателей

Обеспечение функционирования оборудования обеспечивается за счет проведения его периодического и капитального ремонта.

Периодический ремонт выполняется:

при нарушении целостности фарфоровых покрышек в местах вводов, мембран предохранителей;
при появлении шума или треска в середине выключателя;
при изменении температуры соединительных контактов;
при увеличении расхода масла.

Капитальный ремонт выключателей высокого напряжения проходит, согласно рекомендации завода-изготовителя. Мероприятия, как правило, проводятся непосредственно на месте эксплуатации.

При появлении неполадок вводов или трансформаторов, ремонт проходит в специализированных мастерских.

Выключатели ВН, ВНА, ВНР, ВНП, ВНПЗ, ВНРП, ВНМ, ВНТ

Выключатели нагрузки — это разновидность высоковольтных выключателей, коммутационный аппарат, занимающий по уровню допускаемых коммутационных токов промежуточное положение между разъединителем (коммутации под нагрузкой запрещены) и выключателем (масляным, вакуумным, воздушным, электромагнитным, элегазовым) который способен отключать без повреждения как номинальные нагрузочные токи так и сверхтоки при аварийных режимах. Выключатель нагрузки допускает коммутацию номинального тока, но не рассчитан на разрыв токов при коротком замыкании. Отключение сверхтоков в таких выключателях осуществляется специальными предохранителями.

Привод выключателей нагрузки может быть мускульным — непосредственного включения и отключения от предварительно натянутой пружины. Иногда применяется электропривод включения и соленоид дистанционного отключения.

Выключатели ВН, ВНА (автогазовые), ВНМ (автогазовые модернизированные)

Выключатель нагрузки общего назначения предназначен для работы в шкафах комплектных распределительных устройств (КРУ), камерах стационарных одностороннего обслуживания (КСО) и шкафах комплектных трансформаторных подстанций (КТП) внутренней установки на класс напряжения до 10 кВ трехфазного переменного тока частотой 50 и 60 Гц для системы с заземленной и изолированной нейтралью.

Условное обозначение выключателя ВН Х-Х-10/Х-Х хх З Х3:

ВН — выключатель нагрузки

; Х – исполнение: А – автогазовый; М – модернизированный; П – с пружинным приводом; Р – с ручным приводом Х — тип расположения привода: П — правое, Л — левое 10 — номинальное напряжение, кВ; Х — номинальный ток, А (400, 630); Х — номинальная периодическая составляющая сквозного тока, А (10, 20); х – наличие ножей заземления: з – с заземляющими ножами; 2з – с заземляющими ножами с двух сторон х – расположение заземляющих ножей (если только с одной стороны): п – заземляющие ножи расположены за предохранителями; в – заземляющие ножи расположены со стороны заземляющих контактов З — устройство для подачи команды на отключение при перегорании предохранителя; Х3 — климатическое исполнение (У, Т) и категория размещения (3) по ГОСТ 15150-69.

Основная номенклатура выключателей ВНА

ВНА-10/400-20ПА(Б)-1УХЛ3; ВНА-10/400-203ПА(Б)-1УХЛ3; ВНМ-10/400-20 УХЛ3
ВНМ-10/630-31,5 УХЛ3
ВНА П(Л)-10/630-20-У2; ВНА П(Л)-10/630-20 з У2; ВНА П(Л)-10/630-20 зп У2; ВНА П(Л)-10/630-20-3 зп У2

Выключатели нагрузки ручные ВНР, ВНРП

Основная номенклатура ВНР

ВНР-10/400
ВНРп-10/400 без предохранителя
ВНРп-10/400 с предохранителем
ВНР-10/630
ВНРп-10/630 без предохранителя
ВНРп-10/630 с предохранителем

Выключатели ВНП, ВНПЗ с пружинным приводом

Выключатель ВНП-10/630-20 У3 состоит из рамы с валом, на которой установлены шесть опорных изоляторов. На трех изоляторах, расположенных в нижней части, шарнирно крепятся главные подвижные контакты совместно с подвижными дугогасительными контактами, а в верхней части — главные и дугогасительные контакты и дугогасительная камера. Движение от рычагов вала к контактным ножам передается при помощи изоляционных тяг. Для отключения выключателя установлены две пружины: отключающая и демпфирующая, а для смягчения ударов при отключении установлен резиновый буфер.

Возможные модификации ВНП

ВНП-10/630-20У3 ; ВНП-10/630-20зУ3
ВНП-10/630-20зпУ3 ; ВНП-10/630-20зпЗУ3
ВНП-10/630-20зУ3-С ; ВНП-10/630-20зУ3Т3
ВНПзр-М1-10/630-20з — выключатель с расположением на задней стенке шкафа с пружинным приводом с ручным управлением, с правым расположением элементов управления, с заземляющими ножами снизу;
ВНПзрл-М1-10/630-20з — с левым расположением элементов управления;
ВНПзр-М1-10/630-20зп — с устройством для установки предохранителей с правым расположением элементов управления;
ВНПзрл-М1-10/630-20зп — с левым расположением элементов управления.

Выключатели вакуумные высоковольтные 10(6) кВ серии ВВп-1-10 (ОАО «Позитрон»)

Вакуумные выключатели серии ВВп-1-10 предназначена для эксплуатации в сетях трехфазного переменного тока частотой 50 Гц номинальным напряжением 6 или 10 кВ с изолированной или заземленной нейтралью (табл. 8, 9).

Вакуумные выключатели серии ВВп-1-10 применяются в комплектных распределительных устройствах, а также в камерах КСО как при новом строительстве, так и при замене выключателей прежних лет выпуска. Привод — пружинно-моторный. Исполнение — выкатное (В); стационарное (С).

Таблица 8. Технические характеристики выключателей серии ВВп-1-10

Параметр	Значение
Номинальное напряжение, кВ	6; 10
Номинальный ток, А	630, 1 250, 1 600, 2 000, 2 500, 3 150
Номинальный ток отключения, кА	20; 25; 31,5; 40
Климатическое исполнение	У2

Таблица 9. Номинальный ток и номинальный ток отключения выключателей серии ВВп-1-10

Тип выключателя	Iном, А	Iном.откл, А	Ток электродинамической стойкости, кА
ВВп-1-10/630/20/C	630	20	50
ВВп-1-10/630/20/B
ВВп-1-10/630/25/C	25	63
ВВп-1-10/630/25/B
ВВп-1-10/1250/20/C	1250	20	50
ВВп-1-10/1250/20/B
ВВп-1-10/1250/25/C	25	63
ВВп-1-10/1250/25/B
ВВп-1-10/1250/31,5/C	31,5	80
ВВп-1-10/1250/31,5/B
ВВп-1-10/1600/31,5/C	1600	100
ВВп-1-10/1600/31,5/В
ВВп-1-10/2000/31,5/C	2000	31,5	100
ВВп-1-10/2000/31,5/B
ВВп-1-10/2000/40/C	2000	40	100
ВВп-1-10/2000/40/B
ВВп-1-10/2500/31,5/С	2500	31,5	100
ВВп-1-10/2500/31,5/В
ВВп-1-10/2500/40/C	40	100
ВВп-1-10/2500/40/B
ВВп-1-10/3150/40/C	3150	40	100
ВВп-1-10/3150/40/B

Отличительные особенности выключателей серии ВВп:

• высокий коммутационный и механический ресурс;

• отсутствие необходимости проведения текущего и среднего ремонтов;

• малое потребление мощности из сети оперативного питания;

• полная взаимозаменяемость с устаревшими маломасляными выключателями по главным и вспомогательным цепям;

• малые габариты и масса.

Выключатели нагрузки

Выключатель нагрузки — высоковольтный коммутационный аппарат, который занимает промежуточное положение между разъеденителем и выключателем по уровню допустимой нагрузки комутационных токов. Способен отключать без повреждения как номинальные нагрузочные токи, так и сверхтоки при аварийных режимах. Выключатель нагрузки допускает коммутацию номинального тока, но не рассчитан на разрыв токов КЗ.

По принципу гашения дуги выключатели нагрузки классифицируются:

Автогазовые(самый распространенный тип)
Вакуумные
Элегазовые
Воздушные
Электромагнитные

В распределительных сетях наиболее распространены конструкции выключателей нагрузки (ВНР, ВНА, ВНБ) с гасительными устройствами газогенерирующего типа.

Рисунок 6 – Выключатель нагрузки с гасительными устройствами газогенерирующего типа (BH) а – общий вид выключателя; б – гасительная камера

Как видно по рисунку, устройство основано на элементах трехполюсного разъединителя для внутренней установки. На опорных изоляторах разъединителя укреплены гасительные камеры. Но привод разъеденителя изменен для того, чтобы обеспечить достаточную скорость срабатывания при включении и отключении.

В положении «включено» ножи входят в гасительные камеры. Контакты разъединителя и скользящие контакты гасительных камер замкнуты. При отключении тока сначала отключаются контакты разъединителя, затем ток смещается через вспомогательные ножи в гасительные камеры. После этого размыкаются контакты в камере. Зажигаются дуги, которые гасятся в потоке газов, являющихся продуктами разложения вкладышей из оргстекла, находящихся в камере. В положении «отключено» вспомогательные ножи находятся вне гасительных камер, обеспечивая достаточные изоляционные разрывы.

Виды выключателей, оснащённых таймером

Механический выключатель

Выключатель с задержкой времени отключения может быть нескольких видов:

Механизм часового типа в системах безопасности, когда осветительные приборы будут включаться для создания эффекта присутствия. Может работать как по установленному времени, так и в хаотичном порядке.
Устройство с интегрированным датчиком движения – предназначены для контроля уличного освещения и для обустройства светотехники в подъездах либо же нежилых зданиях. Включается исключительно при обнаружении движения.
Выключатель кнопочного типа – для запуска нужно нажать на кнопку, отключается сам, в соответствии с установленным временем, которое программируется владельцем.

Монтаж возможен в таких помещениях, как кухня, ванная, туалет или кладовка.

Электронный выключатель с таймером

По принципу размыкания выключатель-таймер разделяется на такие виды:

Устройства с механическим таймером – бывают поворотного типа и перекидного. Поворотные переключатели оборудуются вращательным механизмом с контактами, которые соединяются/размыкаются в конкретном положении тумблера. Схема работы перекидных выключателей несколько иная. Такие приборы оборудуются 3-я контактными парами и металлической пластиной, которая перекидывается на конкретную пару, тем самым замыкая её.
Выключатели с электронным таймером – контакты соединяются/размыкаются при нажатии на кнопку, после чего происходит срабатывание встроенного реле. Настройки и функции такого устройства можно программировать.