Interruptors d'alta tensió: classificació, dispositiu, principi de funcionament
Els requisits per als interruptors són els següents:
1) fiabilitat en el treball i seguretat per als altres;
2) resposta ràpida: possiblement temps d'aturada curt;
3) facilitat de manteniment;
4) facilitat d'instal·lació;
5) funcionament silenciós;
6) cost relativament baix.
Els interruptors automàtics que s'utilitzen actualment compleixen els requisits enumerats en major o menor mesura. Els dissenyadors d'interruptors, però, s'esforcen per adaptar millor les característiques de l'interruptor amb els requisits anteriors.
Interruptors d'oli
Hi ha dos tipus d'interruptors d'oli: dipòsit i baix nivell d'oli. Els mètodes de desionització de l'espai d'arc en aquestes claus són els mateixos. L'única diferència està en l'aïllament del sistema de contacte de la base de terra i en la quantitat d'oli.
Fins fa poc funcionaven tancs per a tancs dels següents tipus: VM-35, S-35, així com interruptors de la sèrie U amb tensions de 35 a 220 kV. Els interruptors de tancs estan dissenyats per al muntatge extern, actualment no en producció.
Els principals desavantatges dels interruptors de tancs: explosió i incendi; la necessitat de controlar periòdicament l'estat i el nivell d'oli al dipòsit i les entrades; un gran volum de petroli, que comporta una gran inversió de temps per a la seva substitució, la necessitat de grans reserves de petroli; no apte per a instal·lació interior.
Interruptors de baix nivell d'oli
Els interruptors de baix nivell d'oli (tipus d'olla) s'utilitzen àmpliament en aparells tancats i oberts totes les tensions. L'oli d'aquests interruptors serveix principalment com a mitjà d'arc i només parcialment com a aïllament entre contactes oberts.
L'aïllament de les parts actives entre si i de les estructures posades a terra es fa amb porcellana o altres materials aïllants sòlids. Els contactes dels interruptors per al muntatge intern es troben en un dipòsit d'acer (olla), per això es manté el nom d'interruptors "tipus d'olla".
Els interruptors de baixa tensió d'oli de 35 kV o superior tenen un cos de porcellana. Els més utilitzats són els penjolls del tipus 6-10 kV (VMG-10, VMP-10). En aquests interruptors el cos es fixa sobre aïllants de porcellana a un marc comú per als tres pols. Cada pal té una ruptura de contacte i un canal d'arc.
Esquemes de disseny d'interruptors de baix nivell d'oli 1 - contacte mòbil; 2 — canal d'arc; 3 — contacte fix; 4 — contactes de treball
A corrents nominals altes, és difícil operar amb un parell de contactes (actuant com a contactes de funcionament i d'arc), per tant, els contactes de funcionament es proporcionen fora de l'interruptor i els contactes d'arc es troben en un dipòsit metàl·lic. A corrents de ruptura altes, hi ha dues ruptures d'arc per a cada pol. Segons aquest esquema, els interruptors de les sèries MGG i MG es fabriquen per a tensions de fins a 20 kV inclosos.Els contactes de funcionament externs massius 4 permeten dissenyar l'interruptor automàtic per a corrents nominals elevats (fins a 9500 A). Per a tensions de 35 kV i superiors, el cos de l'interruptor està fet de porcellana, la sèrie VMK és un interruptor de columna amb baix nivell d'oli). En els interruptors automàtics de 35, 110 kV, es proporciona una interrupció per pol, a alta tensió: dues o més interrupcions.
Inconvenients dels interruptors de baix nivell d'oli: risc d'explosió i incendi, encara que molt menor que el dels interruptors del dipòsit; incapacitat per implementar el tancament automàtic d'alta velocitat; la necessitat de control periòdic, recàrrega, canvi d'oli relativament freqüent als dipòsits d'arc; la dificultat d'instal·lar transformadors de corrent integrats; capacitat de trencament relativament baixa.
L'àmbit d'aplicació dels interruptors automàtics de baix nivell d'oli són els aparells tancats de centrals i subestacions 6, 10, 20, 35 i 110 kV, els aparells complets de 6, 10 i 35 kV i els aparells oberts de 35 i 110 kV.
Vegeu aquí per a més detalls: Tipus d'interruptors d'oli
Interruptors d'aire
Els disjuntors d'aire per a tensions de 35 kV i superiors estan dissenyats per trencar grans corrents de curtcircuit. L'aire s'encén una tensió de 15 kV que s'utilitza a les centrals elèctriques com a generador. Els seus avantatges: resposta ràpida, gran capacitat de ruptura, crema insignificant de contactes, manca de casquilles cares i poc fiables, seguretat contra incendis, menys pes en comparació amb els interruptors d'oli al dipòsit. Desavantatges: la presència d'una economia d'aire feixuga, perill d'explosió, manca de transformadors de corrent integrats, complexitat del dispositiu i funcionament.
En els interruptors d'aire, l'arc s'extingeix amb aire comprimit a una pressió de 2-4 MPa, i l'aïllament de les parts actives i el dispositiu d'extinció d'arc es fa amb porcellana o altres materials aïllants sòlids. Els esquemes de disseny dels interruptors d'aire són diferents i depenen de la seva tensió nominal, del mètode per crear un buit aïllant entre els contactes en posició apagada i del mètode de subministrament d'aire comprimit al dispositiu d'extinció d'arc.
Els interruptors de circuit d'alta qualificació tenen un circuit principal i d'arc similar als interruptors automàtics MG i MGG de baix nivell d'oli. La part principal del corrent en la posició tancada de l'interruptor passa pels contactes principals 4, que es troben oberts. Quan s'apaga l'interruptor, primer s'obren els contactes principals, després tot el corrent passa pels contactes d'arc tancats a la cambra 2. Mentre aquests contactes s'obren, l'aire comprimit del dipòsit 1 s'introdueix a la cambra, es crea una explosió potent que s'extingeix. l'arc. El bufat pot ser longitudinal o transversal.
L'espai d'aïllament necessari entre els contactes en posició oberta es crea al canal d'arc separant els contactes a una distància suficient. Els interruptors realitzats segons projecte amb separador obert es produeixen per a instal·lació interior per a tensions de 15 i 20 kV i corrents de fins a 20.000 A (sèrie VVG). Amb aquest tipus d'interruptors, després de desconnectar el separador 5, s'atura el subministrament d'aire comprimit a les cambres i es tanquen els contactes d'arc.
Esquemes de construcció dels interruptors d'aire 1 — dipòsit per a aire comprimit; 2 — canal d'arc; 3 — resistència de derivació; 4 — contactes principals; 5 — separador; 6 — Divisor de tensió capacitiu per a 110 kV — dues interrupcions per fase (d)
En els interruptors automàtics d'aire per a instal·lació oberta per a tensió 35 kV (VV-35), n'hi ha prou amb una interrupció per fase.
En els interruptors amb una tensió de 110 kV i més, després de l'extinció de l'arc, els contactes del separador 5 s'obren i la cambra del separador roman plena d'aire comprimit tot el temps en posició apagada. En aquest cas, l'aire comprimit no es subministra al canal d'arc i els contactes que hi ha estan tancats.
Els interruptors automàtics de la sèrie VV per a tensions de fins a 500 kV es creen segons aquest esquema de disseny. Com més gran sigui la tensió nominal i més gran sigui la potència limitadora, més interrupcions hi haurà d'haver a la rampa d'arc i al separador.
Els interruptors automàtics plens d'aire de la sèrie VVB es fabriquen segons l'esquema de disseny de la figura D. La tensió del mòdul VVB és de 110 kV a una pressió d'aire comprimit a la cambra d'extinció d'incendis de 2 MPa. La tensió nominal del mòdul d'interruptor VVBK (mòdul gran) és de 220 kV i la pressió de l'aire a la cambra d'extinció és de 4 MPa. Els interruptors automàtics de la sèrie VNV tenen un esquema de disseny similar: un mòdul amb una tensió de 220 kV a una pressió de 4 MPa.
Per als interruptors automàtics de la sèrie VVB, el nombre de canals d'arc (mòduls) depèn de la tensió (110 kV - un; 220 kV - dos; 330 kV - quatre; 500 kV - sis; 750 kV - vuit) i per a grans mòduls d'interruptors (VVBK, VNV), mòduls amb números dues vegades menys, respectivament.
Disjuntors SF6
El gas SF6 (SF6 - hexafluorur de sofre) és un gas inert amb una densitat 5 vegades més gran que la de l'aire. La força elèctrica del gas SF6 és 2-3 vegades superior a la força de l'aire; a una pressió de 0,2 MPa, la rigidesa dielèctrica del gas SF6 és comparable a la del petroli.
En el gas SF6 a pressió atmosfèrica, un arc es pot extingir amb un corrent 100 vegades superior al corrent interromput a l'aire en les mateixes condicions. L'excepcional capacitat del gas SF6 per apagar l'arc s'explica pel fet que les seves molècules capturen els electrons de la columna de l'arc i formen ions negatius relativament immòbils. La pèrdua d'electrons fa que l'arc sigui inestable i s'extingeix fàcilment. En un flux de gas SF6, és a dir, durant la injecció de gas, l'absorció d'electrons de la columna d'arc és encara més intensa.
Els interruptors de circuit SF6 utilitzen dispositius d'extinció d'arc autopneumàtics (compressió automàtica) on el gas es comprimeix per un dispositiu de pistó durant l'engegada i es dirigeix a la zona de l'arc. L'interruptor SF6 és un sistema tancat sense emissions de gas a l'exterior.
Actualment, els interruptors automàtics SF6 s'utilitzen per a totes les classes de tensió (6-750 kV) a una pressió de 0,15 a 0,6 MPa. La pressió augmentada s'utilitza per als interruptors amb classes de tensió més altes. Els interruptors automàtics SF6 de les següents empreses estrangeres han demostrat la seva validesa: ALSTOM; SIEMENS; Merlí Guerin i altres. La producció de moderns disjuntors SF6 de PO «Uralelectrotyazmash» està dominada: interruptors de circuit de tancs de la sèrie VEB, VGB i interruptors de columna de la sèrie VGT, VGU.
Com a exemple, considereu el disseny d'un interruptor automàtic de 6-10 kV LF de Merlin Gerin.
El model d'interruptor bàsic consta dels elements següents:
— el cos de l'interruptor, en el qual es troben els tres pols, que representa un "recipient a pressió", ple de gas SF6 a una baixa sobrepressió (0,15 MPa o 1,5 atm);
— accionament mecànic tipus RI;
— Panell frontal de l'actuador amb mànec de càrrega manual de molla i indicadors d'estat de molla i interruptor;
— coixinets de contacte per a la font d'alimentació d'alta tensió;
— connector multipin per connectar circuits de commutació secundaris.
Interruptors de buit
La rigidesa dielèctrica del buit és significativament superior a la d'altres mitjans utilitzats en els interruptors. Això s'explica per l'augment del camí lliure mitjà d'electrons, àtoms, ions i molècules amb una disminució de la pressió. En el buit, el camí lliure mitjà de les partícules supera les dimensions de la cambra de buit.
Recuperació de la força dielèctrica de 1/4 "de bretxa després de tall de corrent de 1600 A al buit i diversos gasos a pressió atmosfèrica
En aquestes condicions, els impactes de partícules a les parets de la cambra es produeixen amb molta més freqüència que les col·lisions partícula a partícula. La figura mostra la dependència de la tensió de ruptura del buit i l'aire de la distància entre elèctrodes amb un diàmetre de tungstè de 3/8 ". Amb una rigidesa dielèctrica tan alta, la distància entre els contactes pot ser molt petita (2 - 2,5 cm), de manera que les dimensions de la cambra també poden ser relativament petites...
El procés de restauració de la força elèctrica de la bretxa entre els contactes quan el corrent està apagat es produeix al buit molt més ràpid que als gasos.El nivell de buit (pressió residual del gas) en els conductes d'arc industrial moderns sol ser Pa. D'acord amb la teoria de la força elèctrica dels gasos, les propietats aïllants necessàries de la bretxa de buit també s'aconsegueixen a nivells de buit més baixos (de l'ordre de Pa), però per al nivell actual de tecnologia de buit, la creació i manteniment de la El nivell de Pa durant tota la vida útil de la cambra de buit no és un problema.Això proporciona a les cambres de buit reserves de força elèctrica durant tota la vida útil (20-30 anys).
A la figura es mostra un disseny típic d'interruptors de buit.
Diagrama de blocs d'un trencador de buit
El disseny de la cambra de buit consta d'un parell de contactes (4; 5), un dels quals és mòbil (5), tancats en una carcassa estanca al buit soldada per aïllants de ceràmica o vidre (3; 7), de metall superior i inferior. cobertes (2; 8) ) i blindatge metàl·lic (6). El moviment del contacte mòbil respecte al fix s'assegura mitjançant una funda (9). Els cables de la càmera (1; 10) s'utilitzen per connectar-la al circuit de l'interruptor principal.
Cal tenir en compte que només s'utilitzen metalls especials resistents al buit, purificats de gasos dissolts, coure i aliatges especials, així com ceràmiques especials per a la fabricació de la carcassa de la cambra de buit. Els contactes de la cambra de buit estan fets d'una composició metall-ceràmica (per regla general, és coure-crom en una proporció de 50%-50% o 70%-30%), que proporciona una gran capacitat de trencament, resistència al desgast i evita l'aparició de punts de soldadura a la superfície de contacte. Els aïllants ceràmics cilíndrics, juntament amb una bretxa de buit als contactes oberts, proporcionen aïllament entre els terminals de la cambra quan l'interruptor està apagat.
Tavrida-electric ha llançat un nou interruptor de circuit de buit de disseny amb un bloqueig magnètic. El seu disseny es basa en el principi d'alinear l'electroimant de conducció i el trencador de buit a cada pol del trencador.
L'interruptor es tanca en la següent seqüència.
En l'estat inicial, els contactes de la cambra de l'interruptor de buit estan oberts a causa de l'acció de la molla de tancament 7 sobre ells a través de l'aïllant de tracció 5. Quan s'aplica una tensió de polaritat positiva a la bobina 9 de l'electroimant, el flux magnètic s'acumula al buit del sistema magnètic.
En el moment en què la força de compressió de l'induït creada pel flux magnètic supera la força de la molla de parada 7, l'induït 11 de l'electroimant, juntament amb l'aïllant de tracció 5 i el contacte mòbil 3 de la cambra de buit, comença a moure's. cap amunt, comprimint la molla per aturar-se. En aquest cas, es produeix un motor-EMF al bobinatge, que impedeix un nou augment del corrent i fins i tot el redueix una mica.
En el procés de moviment, l'armadura guanya una velocitat d'aproximadament 1 m / s, la qual cosa evita danys previs a l'encesa i elimina el rebot dels contactes VDK. Quan es tanquen els contactes de la cambra de buit, queda un espai de compressió addicional de 2 mm al sistema magnètic. La velocitat de l'induït cau bruscament, ja que també ha de superar la força de molla de la precàrrega addicional del contacte 6. No obstant això, sota la influència de la força creada pel flux magnètic i la inèrcia, l'induït 11 continua movent-se cap amunt, comprimint la molla per a la parada 7 i una molla addicional per a la precàrrega dels contactes 6.
En el moment de tancar el sistema magnètic, l'induït entra en contacte amb la coberta superior de l'accionament 8 i s'atura. Després del procés de tancament, el corrent a la bobina d'accionament s'apaga. L'interruptor roman en la posició tancada a causa de la inducció residual creada pel anell imant permanent 10, que manté l'armadura 11 en una posició estirada a la coberta superior 8 sense subministrament de corrent addicional.
Per obrir l'interruptor, cal aplicar una tensió negativa als terminals de la bobina.
Actualment, els interruptors de buit s'han convertit en els dispositius dominants per a xarxes elèctriques amb una tensió de 6-36 kV. Així, la proporció d'interruptors de buit en el nombre total de dispositius fabricats a Europa i als EUA arriba al 70%, al Japó - al 100%. A Rússia, en els darrers anys, aquesta quota ha tingut una tendència a l'alça constant i el 1997 va superar la marca del 50%. Els principals avantatges dels explosius (en comparació amb els interruptors de petroli i gas) que determinen el creixement de la seva quota de mercat són:
- major fiabilitat;
- menors costos de manteniment.
Vegeu també: Disjuntors de buit d'alta tensió — Disseny i principi de funcionament