ВСТУП
Різновидність вимог до вимикачів високовольтних трьохполюсних для комутації ліній електропередач веде до необхідності розробки широкої номенклатури даних пристроїв
Ці вимикачі відносяться рідинних трьохполюсних високовольтних вимикачів з малим об’ємом дугопогашуючої рідини (трансформаторного масла). Оскільки дані пристрої застосовуються на високовольтних лініях електропередач то вони потребують вдосконалення вимог по техніці безпеки а також герметичності.
Дані вимикачі потребують розробки інших кліматичних виконань в зв’язку глобальним підвищенням температури тому що верхнє робоче значення температури усіх існуючих аналогів кліматичних виконаннь не перевищує 45 °С.
1.ЗАГАЛЬНО-ТЕХНІЧНА ЧАСТИНА
1.1 Технічна характеристика та службове призначення приладу
Масляні вимикачі з'явилися одними з перших комутаційних апаратів, на електроустановках високої напруги. Вони почали застосовуватися з кінця XIX ст. і не дивлячись на значний прогрес у розвитку інших видів вимикачів широко застосовуються і в даний час.
В нашій країні масляні вимикачі є основним видом вимикачів на напругу від 6 до 220кВ, на вищу напругу вони не випускаються.
Масляні вимикачі можна розділити на дві великих групи: бакові, в яких трансформаторне масло використовується і для погашення дуги, і для створення необхідної ізоляції, та маломасляні, в котрих масло використовується в основному для дугогасіння.
На напругу від 6 до 220 кВ застосовуються в основному бакові вимикачі; ці вимикачі є і в більш низьких класах напруги.
Маломасляні вимикачі являються основними для напруги 10кВ, і, напевно, цей статус збережеться за ними ще довгий час, особливо якщо вдасться збільшити їх номінальний струм до 4 кА, а струм відключення до 40—50кА.
Вимикачі високовольтні трьох полюсні на напругу від 6 до 220кВ по своїх параметрах нижче, ніж бакові, але через малу вартість, малу витрату матеріалів, а також пожежобезпечність ці вимикачі в значній мірі можуть замінити масляні бакові і конкурувати з повітряними вимикачами.
В Україні для електричних мереж із струмами від 4 до 20кА, що займають приблизно 25% мереж нашої Держави, з 2008р. почався перехід на вимикачі серії ВПМ-10 напругою від 6 до 220 кВ.
1.2 Аналіз існуючих аналогів, критичний огляд літературних джерел
Маломасляні вимикачі являються основними для напруги 10кВ, і, напевно це становище, збережеться ще довгий час, особливо якщо вдасться збільшити їх номінальний струм до 4кА, а струм відключення — до 40—50кА.
Компоновка сучасних полюсів. Баковий вимикач показана на мал. 1.1.
Несучим елементом кожного полюса є сталевий бак 2- циліндр або еліпсоїд
Рис. 1.1. Полюс вимикача серія У-110-2000-40-159
На кришці якого встановлені введення, 5, приводний механізм 3, запобіжний клапан, магнітопроводи з вторинними обмотками вбудованих трансформаторів струму 4 і патрубки для заливки масла.
На кожному баку є пази для доступу всередину бака і до контактотримача, пристрою для електропідігріву масла 10, що включається при низьких температурах, коли сильно підвищується в'язкість масла.
Рис. 1.2. Вимикач серії У-110-2000-40-159
Приводний механізм сполучений з ізоляційною штангою 6, рухомою у вертикальному напрямі і рухомою контактною траверсою. На нижніх кінцях введень кожного полюса закріплені ДУ - 8, до кожного з яких кріпиться шунтуючий резистор - 1, що полегшує умови відключення ємкісних і індуктивних струмів і поліпшують розподіл напруги. Внутрішня стінка бака ізольована листами з електрокартону 9.
Управління вимикачем здійснюється електромагнітним або пневматичним приводом, який кріпиться на одному з полюсів. У вимикачах 20кВ приводні механізми всіх трьох полюсів зазвичай з'єднуються між собою за допомогою тяги і приєднуються до приводу (Рис. 1.2). У вимикачах 220кВ на кожному полюсі встановлюється індивідуальний привід.
У маломасляному вимикачі на відміну від бакового, ізоляція в основному забезпечується твердими діелектриками. Малі габаритні розміри, а також гірші механічні властивості матеріалів, вживаних для виготовлення корпусів маломасляних вимикачів, приводять до того, що механічна міцність корпусу по відношенню до тиску, що створюється при відключенні максимальних струмів погіршується в декілька разів.
Рис. 1.3. Маломасляний вимикач серії ВМПЕ.
На рис. 1.3 показаний спільний вигляд підвісного маломасляного вимикача серії ВМПЕ з вбудованим електромагнітним приводом. Номінальна напруга вимикача 10кВ, номінальний струм залежно від перетину струмовідвідного контуру і контактів — від 630 до 1600А, номінальний струм відключення 20 і 31,5кА, час відключення вимикача з приводом — не більше 0,12с., час горіння дуги при відключенні номінальних струмів відключення — не більше 0,02с.
Вимикач складається з рами , до якої за допомогою опорних ізоляторів 3 кріпляться полюси вимикача 2. Полюси вимикача за допомогою ізоляційної тяги 4 зв'язуються з валом 5, спільним для трьох полюсів і встановленим в рамі вимикача. Включення вимикача здійснюється подачею напруги на вбудований електромагнітний привід через контактор. Електромагнітний привід, долаючи силу відключаючих пружин, а в кінці ходу на включення і буферної пружини, повертає вал вимикача і через ізоляційну тягу забезпечує замикання рухливих і нерухомих контактів, розташованих усередині полюсів, а також блокує механізм вимикача у включеному положенні. При цьому зводяться ті, що відключають і буферна пружини. При відключенні механізм вимикача розчіпляється і під дією відключаючих пружин і буферної пружини, що працює на невеликому ході, відбувається переміщення рухливих контактів.
Гальмування рухливих частин в кінці ходу на відключення відбувається за рахунок масляного буфера, що усуває вібрації рухливих контактів. Полюси розділяються між полюсними ізоляційними перегородками, що дозволяють скоротити міжполюсні відстані. Рама вимикача заземляється з допомогою болта заземлення.
З боку приводу рама закрита металевим дахом який, в якому є вікна для спостереження за рівнем масла в полюсах і для покажчика, який фіксує ввімкнене чи відключене положення вимикача.
Рис. 1.4. Полюс вимикача
Полюс вимикача рис. 1.4 складається з ізоляційного циліндра 3, на кінцях якого заармовані металеві фланці 2 і 4. Нижній фланець ізоляційного циліндра закривається кришкою 1, на якій розташований не рухливий контакт розеткового типа. На верхньому фланці 4 укріплений корпус 5, до якого кріпиться голівка полюса 7. Усередині корпусу розташований механізм переміщення рухомого стержня, що складається з двох важелів — зовнішнього 16 і внутрішнього 12, жорстко закріплених на спільному валу 14. Зовнішній важіль за допомогою ізоляційної тяги зв'язаний з валом вимикача, а внутрішній двома сережками 25 шарнірно сполучений з рухливим контактом 24. Вал 14 встановлений на підшипниках ковзання 10 і має ущільнення 13 для запобігання викиду газомасляної суміші при відключеннях. Ізоляційна тяга кріпиться до важеля 16 механізму 15.
У голівці полюса є чотири отвори для виходу газомасляної суміші при відключенні і зворотний клапан 9.
Сукупність елементів, що забезпечують потрібні зміни положення рухливого контакту, утворює механізм вимикача. Елементами механізму є тяга, важелі, шарніри, вали і так далі. Розглянемо механізм, типовий для маломасляних вимикачів підвісного виконання. На рамі 1 (Рис. 2.1) встановлені опорні ізолятори 2, на яких закріплений корпус вимикача, верхня частина якого 3 містить в собі елементи механізму рухливого контакту 4 і струмознімні пристрої. Рухливий 4 і нерухомий розетковий 7 контактів розташовані в ізоляційному циліндрі 5, усередині якого є дугопогашуюча камера 6. На рамі 1 встановлений вал вимикача 8, до якого жорстко прикріплено декілька важелів: важіль 9 для з'єднання з приводом, два важелі для приєднання відключаючих пружин - 10, два важелі 11 двох пружинних буферів 12, важіль 13 масляного буфера 14 і важіль 15, шарнірно пов'язаний з ізоляційною тягою 16.
Для включення вимикача привід повертає вал вимикача за годинниковою стрілкою, розтягуючи відключаючі пружини 10. В кінці ходу на включення гальмування рухливих частин здійснюється пружинними буферами і весь механізм блокується спеціальним механізмом, так званим механізмом вільного розчіплення, встановленим в приводі. Обертання валу вимикача викликає переміщення ізоляційної тяги 16, обертання важеля 17 і через випрямляючий механізм в корпусі вимикача прямолінійне переміщення рухливого контакту4.
Відключення вимикача здійснюється після спрацьовування механізму вільного розчіплення автоматично від ланцюгів релейного захисту, або схем управління вимикачем, або від кнопки ручного управління При цьому за рахунок енергії, запасеної у відключаючих пружинах, що працюють на всьому ході руху рухливих контактів, і енергії буферних пружин, що працюють на початковій ділянці розмикання контактів, відбувається рух рухливих контактів на відключення.
Рис. 1.5. ВПМП-10.
В кінці ходу на відключення кінетична енергія рухливих частин переходить в роботу сил опору, що створюються масляним буфером.
Привід, а також відключаючі і буферні пружини повинні забезпечувати задані швидкості включення і відключення вимикача. Висока швидкість включення зменшує час горіння дуги після попереднього пробою проміжку між контактами, що зближуються і тим самим ерозію контактів, а також вірогідність зварювання контактів.
Швидкість відключення вимикача встановлюється відповідно до динаміки процесу накопичення тиску усередині ДУ і процесами газового авто дуття.
Рис. 1.6. Кінематична схема механізму ВПМП-10.
Крім того, високі швидкості включення і відключення вимикача зменшують власні часи спрацьовування вимикача і дають можливість зменшити перерви в подачі енергії споживачам при роботі вимикачів в режимі АПВ. У сучасних масляних вимикачах час без струмової паузи знаходиться на рівні 0,3—0,5с. для маломасляних і 0,8—1,2с. для бакових вимикачів.
Таким чином, механізм вимикача повинен забезпечувати задані швидкості руху рухливих контактів, задані часи включення і відключення вимикача, а також створювати мінімальні сили тертя в механізмі, які викликають знос деталей і вузлів механізму і підвищують роботу приводних і відключаючих пристроїв. При розрахунку динаміки процесів як включення, так і відключення можуть вирішуватися два завдання: перша — знаходження швидкості по заданих силових характеристиках приводу або відключаючих і буферних пружин, а також визначення власного часу включення або відключення; друга — визначення силових характеристик приводних і відключаючих пристроїв по заданих залежностях швидкості від ходу контактів. Обидві ці завдання вирішуються на основі рівняння Лагранжа.
Для розрахунку приведених мас в якій-небудь точці необхідно спочатку визначити дійсні маси елементів і ланок механізму, а потім замінити їх заміщаючими масами, розташованими в певних точках, званих вузловими.
Для знаходження заміщаючих мас використовують три правила:
1. При поступальному ході ланки його заміщаюча маса дорівнює його дійсній масі і знаходиться в центрі ваги ланки.
2. Заміщаюча маса ланки, що здійснює обертальний рух, дорівнює приведеному від ділення моменту інерції ланки відносно осі обертання на квадрат відстані від осі обертання до точки заміщення (вузлової точки).
3. При складному русі ланки заміщаючі маси розташовуються в трьох точках, наприклад А, В, С. Координати цих крапок визначаються системою рівнянь.
Для визначення моменту інерції форму ланок спрощують, розбиваючи їх на паралелепіпеди, циліндри, кільця і інші фігури, для яких виведені формули розрахунку моменту інерції.
У випадках, коли маси ланок, що здійснюють складний рух, не дуже великі і переміщення їх незначні, можна поділити дійсну масу такої ланки між двома крайніми вузловими точками навпіл.
Рис. 1.7. До побудови плану швидкостей в механізмі мало масляного вимикача.
На основі планів швидкостей для десяти положень механізму і заданої швидкості розмикання контактів будується залежність приведеної маси в точці кріплення відключаючої пружини від ходу пружини, визначуваного з кінематичної схеми механізму.
Силами опору при відключенні вимикача можуть бути сили тертя створювані в механізмі вимикача і в розеткових контактах, сили тертя рухливого контакту об масло, сили гальмування при роботі масляного буфера, сили ваги залежно від розташування механізму відносно рухливого контакту.
Електродинамічні сили, що стискують ламелі розеткового контакту, перешкоджають процесу як включення, так і відключення вимикача. Силу тертя в механізмі можна порахувати через ККД механізму, який можна прийняти рівним 0,75—0,8.
Привод пружинний типу ПП-67
Привод пружинний типу ПП-67 призначений для управління масляними вимикачами змінного струму високої напруги класом напруги до 35 кВ (для включення вимикача, утримання його у включеному положенні і звільнення його при відключенні).
Управління вимикачем за допомогою приводу ПП-67 може здійснюватися:
- вручну - спеціальними кнопками управління, розташованими на приводі;
- дистанційно - спеціальними електромагнітами дистанційного керування, вбудованими в привід;
- автоматично - спеціальними вимикаючим елементами захисту, вбудованими в привід.
Конструктивно привід ПП-67К має виконання окреме від вимикача і може з'єднуватися з вимикачем безпосередньо або через проміжні ланки.
Привід ПП-67 може застосовуватися для внутрішньої і зовнішньої установки. Привід при внутрішній установці призначений для управління вимикачами типу ВМГ-10, ВПМ-10. Привід ПП-67К при зовнішній установці призначений для управління вимикачами типу С-35-630, ВМ-35. У цьому випадку привід монтується в шафі ШПП-63.
Привід пружинний типу ПП-67 є руховим приводом непрямої дії. Операція включення вимикача здійснюється за рахунок попередньо натягнутих включають пружин приводу ПП-67. Відключення вимикача здійснюється за рахунок енергії, яку накопичують пружини вимикача при включенні.
Рис. 1.8. Зовнішній вигляд привода ПП-67.
Будова приводу:
Рис. 1.9.
1 – важіль; 2 – електродвигун; 3 – редуктор; 4 – рукоятка; 5 – важіль; 6 – зубчата передача; 7 – упор; 8 – планка; 9 – вмикаючі пружини; 10 – регулювальний болт; 11 – траверса; 12 – вантаж;13 – зуб-траверса; 14 – важіль; 15 – відбивач; 16 – корпус; 17,18 – важелі; 19 – кінцевий вимикач.
Варіанти виконання приводу ПП-67 відрізняються один від одного кількістю і типом вбудованих в них вимикаючих елементів захисту (схемою захисту). У привід ПП-67 можливо вмонтувати:
- електромагніти дистанційного керування включення ЕВ і відключення ЕО - 2 шт.;
- вимикаючі елементи захисту (РТВ, РВМ та ін) - не більше 5 шт.;
Електромагніти дистанційного управління є у всіх варіантах виконання приводу ПП-67К. Кожен варіант виконання схеми захистів позначається своїм цифровим індексом, що складається з п'яти цифр, написаних після позначення типу приводу. Кожна цифра індексу відповідає певному типу вбудованого відключає елементи захисту:
- цифра 1 - реле максимального струму миттєвої дії (РТМ);
- цифра 2 - реле максимального струму з витримкою часу (РТВ);
- цифра 3 - електромагніт відключення з живленням від незалежний джерела оперативного струму (РЕ);
- цифра 4 - струмовий електромагніт відключення для схем захисту з дешунтірованіем (ТЕО);
- цифра 5 - реле мінімальної напруги з витримкою часу (РНВ);
Рис. 1.10. Кінематична схема приводу ПП-67
1 – вал приводу ПП-67; 2 – втулка з заводним важелем; 3, 4 – засувка заводного важеля; 5 – утримуючий пристрій; 6 – важіль; 7 - ролик заводу ударника розчеплення; .8, 9 – утримуюча засувка; 10 – електромагніти відключення; 11 – релейна планка; 12 – утримуюча стійка; 13 – блок – контакти; 14 – пристрій АПВ; 15,16 - кнопки відключення і включення.
1.3 Фізичні основи перетворень, які використовуються в приладі
Для ефективного погашення дуги необхідно в області, близькій до нуля струму, створити визначений тиск (0,6—1МПа). В процесі погашення дуги в камері виникає високий тиск, який може її зруйнувати.
Після розбіжності контактів в ВПМ-10 спалахує дуга, масло розкладається на гази Н2, С2Н4 і ін. і утворюються пари масла.
Кожен кілоджоуль енергії виділяє 70 газу, приведеного до нормальної температури (293) і нормального тиску (0,1Мпа).
Рис. 1.11. Зразковий вигляд кривих надлишкового тиску усередині ВПМ-10 в процесі горіння дуги.
Газ знаходиться при високій температурі (середня температура газового міхура близько 800) і високому тиску — до 6Мпа.
Розрахунок тиску в ВПМ-10 проводиться з врахуванням багаточисленних чинників, що діють, У справжньому посібнику він проводиться приблизно, зокрема приймається, що виділення масла з ВПМ-10 відбувається в стаціонарному режимі згідно із законом Бернуллі.
Для поліпшення роботи в ВПМ-10 воно забезпечується повітряним буфером який зрізає пікові значення тиску і дозволяє створити потрібний тиск при проходженні струму через нуль. Розрізняють два режими роботи — режим замкнутого міхура і режим газового дуття.
Режим замкнутого міхура: газ, що утворюється в ВПМ-10 після розмикання контактів, займає об'єм, що визволяється рухливим контактом і маслом, витікаючи через зазори, і об'єм, що утворюється за рахунок стискування повітряного буфера. Ця стадія роботи властива більшості вимикачів серії ВПМ до початку відкриття щілини.
Дослідження ВПМ-10 показує, що в ефективно працюючих камерах у момент гасіння дуги (нульовий струму) тиск складає 0,6—1МПа. Якщо після побудови кривих тиску буде знайдено, що в точках вірогідного гасіння тиск в камерах трохи вищий, то необхідно змінити параметри вихлопних щілин і об'єму повітряного буфера для здобуття необхідного тиску у момент проходження струму через нуль.
Механічна міцність камер розраховується по максимуму тиску, отриманому при розрахунку ВПМ з коефіцієнтом запасу 1,5. Якщо розрахункових даних по тиску немає, то можна задатися внутрішнім надлишковим тиском 6МПа.