Рнс. 37.3. Роговой разрядник на напряжение 6 кВ

Улучшение механическихи электрическиххарактеристик фарфоровых изоляторов, разра­ботка полимерных изоляторов позволили суще­ственно усовершенствовать конструкции разъе­динителей, в первую очередь сверхвысокого и ультравысокогонапряжения.

Первые ячейки комплектно распределитель­ных устройств с элегазовой изоляцией (КРУЭ) на напряжение110 кВ были созданы в России в 1975—1977 гг. сначала на Опытном заводе ВЭИ, а затем на ЛенПО «Электроаппарат». Ксе­редине 80-х годов в ВЭИ был создан первый в мире макетКРУЭ нанапряжение 1150кВ.

Наиболее мощным стимуломдля широкогоиспользования элегаза стало требование о мини­мизации влияния оборудования высокого напря­жения на окружающую среду.Поэтому реально первыми элегазовыми аппаратами энергетиче­ского назначениястали выключатели высокого напряжения. Применение элегаза позволило со­хранить преимущества воздушного выключате­ля перед пожароопасным баковым масляным вы­ключателем и в то же время уйти от одного из ос­новных недостатков воздушных выключателей в условияхнаселенных пунктов—сильного шума при выхлопе отработавшего воздуха. Первый элегазовый выключатель был построен фирмой «Вестингауз» в 1955 г. С этого момента все боль­шее число фирм подключается к разработке и производству элегазовых выключателей, а их номинальныепараметры непрерывно по­вышаются.

Выключатели высокого напряжения. Вы­ключатель является одним из основных видов ЭА, обеспечивающих включениеи отключениеэлектрических цепей с различными токами, в том числетоками перегрузки и коротких за­мыканий.

В начале XX в. появились первые выключа­тели, в которых гашение дуги происходило под воздействием продуктов разложения минераль­ного масла. Поэтому такие выключатели полу­чили название масляных. Конструктивно первые выключатели были выполнены в виде бака с трансформаторным маслом, в котором распо­лагались неподвижные части контактов. Под­вижная часть контактов прикреплялась к травер­се, подвешенной на вертикальных бакелитовых трубках. Эти стержни соединялись с конструк­тивными элементами приводного механизма. В каждой фазе контакт обеспечивался двумя не­подвижными контактами и одной траверсой. В результате обеспечивалось два разрыва цепи на каждую фазу и соответственно в процессе коммутации возникало две дуги. Гашение дуги обеспечивалось за счет увеличения ее длины при движении траверсы и воздействия продуктов разложения масла, возникающих под воздейст­вием высокой температуры дуги. Эти продукты в виде газового пузыря создавали дугогасящую среду, и при прохождении тока через нуль про­исходил процесс деионизации и восстановления электрической прочности между разрывными контактами. Трансформаторное масло служило одновременно изоляцией токоведущих частей от заземленного корпуса бака.

Первые отечественные масляные выключа­тели были разработаны на напряжение от 6 до 110 кВ. Среди них были как однобаковые выключатели тина МЛ-5, ВМ-12, -гак и трехбаковые типа МВ-18, МВ-24.

Большое значение при создании ЭА имеет теория электрической дуги. Исследования мето­дов гашения электрической дуги для ЭА были проведены в период 1910— 1914 гг. М.О. Доливо-Добровольским, и им впервые предложено использовать для этих целей магнитное дутье, обеспечивающее гашение длинной дуги в узких щелях специальных дугогасительных камер.

В начале XX в. были заложены основы тео­рии электрической дуги по результатам исследо­ваний, выполненных в 1902 г. англичанкой Гертой Айртон и в 1905 г. русским ученым В.Ф. Миткевичсм. Основополагающими для развития теории дуги явились выводы об ее электронной природе, а также установление за­висимостей между током дуги, ее длиной и на­пряжением.

По мере развития ЭА, расширялись исследования и в области электрической дуги. Наиболее существенные результаты исследований в этой области были получены в 20-х годах XX в, аме­риканскими учеными Комптоном и Слепяном, В развитии теории дуги и разработке методов ее эффективного гашения принимали участие мно­гие ученые, среди которых значительное место принадлежит отечественным специалистам.

Особенно плодотворным был период 30—40-х годов. Так, например, Д.А. Рожанским впервые (1937 г.) разработана математическая модель ду­ги, учитывающая тепловую инерцию и тепловой баланс в различных режимах ее существования. А.Я. Буйлов впервые исследовал в 1933— 1935 гг. процесс деионизации при высоком на­пряжении и установил зависимость изменения диэлектрической прочности от скорости восста­новления напряжения. Г.А. Буткевич в период 1929—1936 гг. установил температуры дуг пере­менного и постоянного тока. Е.М. Цейров в 1941 г. предложил аналитический метод расчета дуги. В 30-е годы большой вклад в исследование электрической дуги внес М-М, Акодис, которым предложено много оригинальных конструкций дугогасительных устройств. М.А. Бабиковым в 1934—1939 гг. исследованы переходные процес­сы при изменениях дуги. Всесторонние исследо­вания поведения дуги низкого напряжения, ще­левых дугогасительных камерах выполнены О.Б. Броном и его учениками.

В более поздние периоды большой вклад в развитие теории дуги внесли А.М. Залесский, Г.А, Кукеков, И.С. Таев, А.А. Чунихин и многие другие отечественные ученые. Следует также от­метить работы Г.Г. Нестерова в области гашения дуги в жидких средах нагруженных аппаратов.

Для уменьшения габаритов и снижения мас­сы масляных выключателей были разработаны конструкции маломасляных выключателей, в ко­торых масло использовалось только как дугогасящая среда. Изоляция же между токоведущими частями обеспечивалась твердыми изоляционными материалами — фарфором и бакелитами.

Совершенствование масляных выключате­лей, повышение их коммутационной способно­сти шло различными путями. Одним из таких пу­тей являлось использование деионной решетки, погруженной в масло, что позволяло более эф­фективно осуществлять дугогашение при более высоких напряжениях. Другим способом стало применение дугогасительных камер из изоляци­онного материала. Возникновение дуги повыша­ло давление в этих камерах. Поэтому при выходе подвижного контакта из камеры происходил бо­лее интенсивный обдув дуги и ускорялся про­цесс ее деионизации. В дальнейшем конструк­ции сдугогасительными камерами были усовер­шенствованы за счет создания процесса так на­зываемого масляного дутья. Масляные выключа­тели с дугогасительными камерами продольного масляного дутья были впервые разработаны в 1931 г. в США фирмой «Дженерал электрик»

Рис. 37.1. Маломасляный выключатель на напря­жение 110 кВ колонкового типа

а с поперечным масляным дутьем — в 1930 г. в Британской научно-исследовательской электротехнической ассоциации.

Одним из направлений совершенствования масляных выключателей являлось применение многоразрывных дугогасительных систем.

Факторами, ограничивающими развитие масляных выключателей, явились их пожаро опасность, относительно большие габариты, по­вышенные эксплуатационные расходы и др.

Практически параллельно с масляными вы­ключателями начали развиваться воздушные, которые впоследствии составили им серьезную конкуренцию. Принцип действия воздушного выключателя основан на гашении дуги потоком сжатого воздуха под давлением 2—4 МПа. Пер­вый воздушный выключатель высокого напря­жения создан в 1929 г, в Германии фирмой АЕГ (АЕО). В 1935 г- воздушный выключатель создан в Швейцарии, различные его модификации раз­рабатывались фирмой «Броун Бовери». Общий вид воздушного выключателя этой фирмы с дугогасительным устройством на 12 разрывов, созданного в 1940 г., представлен на рис. 37.2.

Первые отечественные конструкции выклю­чателей со сжатым воздухом типаВВ-110 на на­пряжение 110 кВ были разработаны в ВЭИ и вы­пущены в период 1940—1948 гг. заводом «Элек­троаппарат».

Рис. 37.2. Воздушный выключатель фирмы «Броун Боверн» с дугогаснтельным устройством на 12 разрывов

В дальнейшем воздушные выключатели со­вершенствовались за счет улучшения аэродина­мических качеств сопловых систем подачи воз­духа, увеличения числа разрывов дуги, введения металлических камер с постоянно сжатым возду­хом, что позволило поднять уровень их рабочего напряжения до 750 кВ при токах до 63 кА.

Воздушные выключатели разрабатывались также и без применения сжатого воздуха на ос­нове использования деионных решеток и элек­тромагнитного воздействия на дугу. Так, напри­мер, в 1929 г. Слепяном (фирма «Вестингауз») была разработана дугогасительная система с деионной решеткой для гашения дуги в воздухе при атмосферном давлении. Принцип действия системы был основан на раз­биении дуги на ряд коротких дуг посредством решетки из металлических пластин, электриче­ски изолированных одна от другой. Дуга при от­ключении втягивалась в эту решетку под воздей­ствием внешнего магнитного поля.

В электромагнитных выключателях фирмы «Дженерал электрик» (1940 г.) был применен принцип дугогашения за счет затягивания дуги под воздействием магнитного поля в щелевые лабиринты специальных камер, где происходи­ло ее удлинение и более интенсивное охлажде­ние.

Развитие выключателей высокого напряже­ния в направлении уменьшения их габаритов и повышения удельных коммутирующих показа­телей связано с использованием вместо воздуха элегаза (шестифтористой серы).

Первые работы по применению элегаза в коммутационных аппаратах начались почти одновременно в ВЭИ, Москва (А.М. Бронштейн, В.С. Чемерис) и ЛПИ, Ленинград (А.М. Залесский, А.И. Полтев) с 1962—1963 гг. Хотя иссле­довательские работы и продолжались, но реаль­ного освоения производства элегазовых комму­тационных аппаратов за последующие 15 лет так и не произошло- В эксплуатацию были поставле­ны небольшие партии выключателей нагрузки. отделителей, выключателей для железнодорож­ных подстанций. Лишь в конце 70-х годов в ре­зультате совместных усилий ВЭИ им. В.И- Лени­на и ЛенПО «Электроаппарат» (Ю.И. Вишнев­ский) появляются первые сильноточные элегазовые выключатели высокого напряжения.

Создание комплектных распределительных устройств потребовало разработки не только коммутационных элегазовых аппаратов, но и других типов элегазового и совместимого с ним оборудования — вводов с элегазовой изо­ляцией и муфт масло—элегаз, трансформаторов тока и напряжения, ограничителей перенапряже­ния, токопроводов. До появления потребности в КРУЭ развитие работ но этим видам оборудо­вания происходило весьма медленно: в ВЭИ

(М.И. Сысоев, А.Г. Арсон) были созданы элегазовые трансформаторы для метрополитена, там же (И.М. Бортник, А.А. Панов) и в ЭНИН им. Г.М. Кржижановского (В.И. Попков, А.Г. Ляпин), велись работы но созданию первых образцов то копроводов (линий) с газовой изоляцией.

В результате элегазовые выключатели име­ют мощные приводы и существенно более ком­пактные конструкции, а также позволяют легче реализовать высокое быстродействие процесса коммутации.

Из экономических соображений и экологи­ческих требований элегазовые выключатели разрабатываются с замкнутым циклом функцио­нирования без выбросов отработанных газон в атмосферу.

Развитие дугогасительных систем происхо­дило не только с использованием дутья газами повышенного давления, но и созданием вакуума. Так как вакуум обладает высокой электрической прочностью, поддержание дуги в вакуумных вы­ключателях происходит не за счет ионизирован­ных частиц газов, а за счет ионизированных па­ров металлов электродов контактных систем.

Вакуумные выключатели заняли прочное ме­сто в классах средних напряжений 3—35 кВ. В этих классах напряжений они наиболее полно соответствуют современным требованиям. Вы­сокие электрическая прочность и дугогасительная способность вакуумных промежутков дают возможность создать вакуумные выключатели с малыми габаритами и массой, большими ре­сурсом, надежностью и сроком службы. Они экологически чисты и взрывопожаробезопасны, вибростойки и сейсмостойки, работоспособны в условиях холодного и тропического климата, ха­рактеризуются предельно малыми эксплуатаци­онными расходами.

Первая попытка создать вакуумный выклю­чатель была сделана в Калифорнийском техно­логическом институте (США) в 1923 г. Однако только в 60-х годах после решения научных и технологических проблем был начат промыш­ленный выпуск вакуумных выключателей. В на­шей стране систематические исследования и раз­работки вакуумных дугогасительных камер и выключателей были начаты В.Л. Грановским и его сотрудниками в 1956 г,

В настоящее время в России и за рубежом созданы выключатели на все требуемые потреби­телю параметры в классах напряжения 3—35 кВ (с номинальными токами до 3150 А).

Наибольший вклад вдело становления отече­ственной вакуумной коммутационной аппарату­ры был внесен сотрудниками ВЭИ, такими как

В.Н. Тихонов, В.Б. Козлов, И.А. Лукацкая, ГС. Белкин, В.С. Потокин, А.А. Перцев, Ю.Г Ромочкин и др.

Разъединители. Этот вид ЭА предназначен для отключения цепи высокого напряжения без тока. Первые разъединители на напряжение 6 — 10 кВ и номинальный ток 600—800 А появи­лись в начале XX в. и представляли собой трех­фазную систему с общим ручным приводом.

Развитие конструкций разъединителей шло по пути повышения их рабочего напряжения и уменьшения габаритов. Среди отечественных разъединителей следует отметить конструкцию разъединителя с подвижным контактом и элек­троприводом. В настоящее время разработаны разъединители на напряжение до 1150 кВ и токи до 3200 А.

В создании отечественных разъединителей наиболее существенную роль сыграли завод «Электроаппарат», Великолукский завод высо­ковольтных аппаратов, завод «Уралэлектротяжмаш»,ВЭИ,НИИПТ,ЛПИ.

Разрядники и реакторы. Эти виды ЭА ис­пользуются для защиты оборудования энерго­систем и потребителей в различных аварийных режимах. Разрядники — ЭА, предназначенный для защиты оборудования от перенапряжений.

Первые разрядники были рассчитаны на за­щиту от атмосферных перенапряжений посред­ством искрового пробоя воздушного промежут­ка между двумя металлическими электродами. Такие электроды имели форму рогов, закреплен­ных на фарфоровых изоляторах (рис. 37.3). Та­кая форма электродов способствовала отводу от изоляторов электрической дуги, которая может возникать при пробое разрядника под воздейст­вием молнии.

В дальнейшем функции разрядников расши­рились, и они стали использоваться для защиты от внутренних перенапряжений, возникающих в энергосистеме, в частности, из-за коммутации цепей с индуктивным характером сопротивле­ния. С расширением функций одновременно усовершенствовались технические характери­стики разрядников и их техническая реализация.

Начиная с 30-х годов стали широко исполь­зоваться трубчатые разрядники многократного действия. Такой разрядник состоял из дугогаси тельной трубки, содержащей электроизолирующие материалы,

например фибру или винипласт, которые генерируют газы под воздействием ду­ги. Эти газы повышали давление и создавали эффект газового дутья для гашения дуги.

В дальнейшем получили распространение разрядники на основе нелинейных резисторов, способных поглощать кратковременные импуль­сы энергии при перенапряжениях. Большая часть таких резисторов имеет вентильные вольт-амперные характеристики и создавалась на осно­ве специальных материалов — тирита, вилита и др. В настоящее время в качестве разрядников преимущественно используются нелинейные ре­зисторы, созданные на основе оксида цинка.

Для защиты электрооборудования в систе­мах высокого напряжения также используются ограничивающие и шунтирующие реакторы.

Реакторы без стали для ограничения токов короткого замыкания начали использоваться с 20-х годов. Отечественные реакторы такого ти­па на напряжения 3—6—10 кВ и токи до 100 А были созданы в период 1921—1927 гг. Конструк­ция первых реакторов была сборной, а в качестве конструктивных элементов использовались де­ревянные прокладки, стягиваемые при помощи изолирующих болтов (шпилек). В дальнейшем для повышения динамической прочности прово­да реакторов стали помещать в специальные бе­тонные колонки, а для улучшения технико-эко­номических характеристик реакторов стали ис­пользовать ферромагнитные материалы.

Шунтирующие реакторы для снижения перенапряжений первоначально подключались к токопроводам или отключались от них посредст­вом выключателей высокого напряжения для компенсации избытка реактивной мощности и снижения возникающего при этом перенапряже­ния. В дальнейшем в целях повышения быстро­действия стали использовать управляемые шун­тирующие реакторы с подмагничиванием. В на­стоящее время на основе полупроводниковых приборов (тиристоров) созданы шунтирующие реакторы с быстродействием не более 0,01 с на частоте 50 Гц. Большой вклад в развитие отечественных аппаратов высокого напряжения внес Г.Н.Александров.

Дата добавления: 2014-12-25