> Техника, страница 60 > Масляный выключатель
Масляный выключатель
Масляный выключатель, прибор для размыкания и замыкания цепи тока, устроенный т. о., что замыкание и окончательный разрыв цепи тока происходят в сосуде, содержащем минеральное масло (смотрите Выключатели электрические).
М. в применяются главн. обр. при высоких напряжениях в сетях переменного тока. В отличие от разъединителей (смотрите) и рубильников (смотрите) М. в допускают выключение цепи тока не только при рабочем токе, но также и при силах тока, значительно превышающих рабочую силу тока, вплоть до токов короткого замыкания (смотрите). М. в устраиваются почти всегда автоматическими, то есть таким образом, что при каком-либо заранее установленном нарушении режима в работе сети, трансформатора, генератора или электродвигателя М. в автоматически выключаются и размыкают цепь. С этой целью механизм М. в устраивают так, что для выключения достаточно бывает Освободить защелку, удерживающую М. в замкнутом положении, после чего подвижные контактные части под действием пружин или собственного веса отходят от неподвижных контактных частей и производят размыкание цепи. Освобождение защелки происходит под действием электромагнитного механизма, обмотка которого соединяется или непосредственно с трансформатором тока (выключающий магнит максимального тока), или с трансформатором напряжения (выключающий магнит нулевого напряжения), или же она питается от независимого источника тока через реле (смотрите), которые установлены отдельно.
В нек-рых случаях максимальный выключающий магнит устанавливается на изоляторе М. в., и обмотка его включается последовательно с М. в Такие М. в не требуют для максимальной защиты особых трансформаторов тока. Включение М. в производится или вручную или же при помощи электромагнитного (соленоидного), электромоторного или пневматического устройства. Ручное включение обычно допускается только для небольших М. в.; при очень больших силах тока короткого замыкания электродинамич. усилия, которые возникают в момент касания контактов, могут помешать включению и вызвать аварию. Электромагнитный (соленоидный) механизм обладает тем недостатком, что при работе потребляет довольно большую силу тока (до 400—500 А при мощных М. в.). Электромоторные механизмы устраиваются т. о., что электромотор непосредственно действует на механизм М. в и про изводит его включение, или же сначала производится накопление энергии в кинетической или потенциальной форме, которая затем расходуется на включение М. в Непосредственное действие электромотора на механизм М. в допускается только в небольших М. в и применяется довольно редко. Механизмы, в которых производится предварительное накопление потенциальной энергии, устраиваются т. о., что электромотор производит натяжение или сжатие пружин, а в требуемый момент пружины освобождаются и производят включение. Вместо пружин иногда применяется падающий груз. Механизмы, основанные на предварительном накоплении энергии в кинетич. форме, устраивают
Фигура 1.
так. обр., что электромотор сообщает достаточную угловую скорость вращающимся массам Для включения М. в используют развивающуюся при этом центробежную силу (например фирмой General Electric Со. в Америке) или инерцию вращающихся частей (например фирмой ASEA в Швеции). На фигуре 1 изображен внешний вид М. в с ручным управлением и с двумя пристроенными максимальными выключающими катушками с механизмами, допускающими установку на различную степень перегрузки и на различную выдержку времени. На фигуре 1: 1—выключающий электромагнит, 2—механизм выдержки времени, 3 — механизм свободного расцепления.
В работе М. в можно разграничить 4 момента; соответственно каждому из них к М. в предъявляются особые требования. Эти моменты следующие: выключенное положение М. в., включенное положение его, процесс включения и процесс выключения, а) В выключенном положении М. в должен удовлетворять только условиям надежности изоляции между фазами, между фазами и землей и между разомкнутыми полюсами каждой фазы. Эта надежность обеспечивается надлежащим выбором расстояний, качеством изолирующего материала и состоя-
нием масла. Надежность изоляции проверяется путем испытания М. в повышенным напряжением. Величина испытательного напряжения, согласно нормам Главэлектро, утвержденным IX Всесоюзным электротехническим съездом, принимается равной двойному с четвертью линейному напряжению плюс 2 000 У. Однако эти нормы следует рассматривать как минимальные. Для станционных и линейных М. в настоящее время требуются повышенные нормы. Германские фирмы и з-ды ВЭО (Всесоюзного элек-тротехнич. объединения) принимают для таких М. в обычно величину испытательного напряжения равной двойному линейному напряжению плюс 20 000 V. Для выключателей до 60 000 V включительно эти нормы дают большую величину испытательного напряжения, чем нормы Главэлектро. б) Во включенном положении М. в точно так же должен удовлетворять условиям надежности изоляции и в то же время не должен при номинальном рабочем токе перегреваться выше допустимых норм. Согласно нормам Главэлектро, <° перегрева масла не должна превышать t° окружающей среды более чем- на 35°. При коротких замыканиях возможно кратковременное прохождение через М. в токов очень большой силы, которые вызовут значительный перегрев токоведущих частей М. в и создадут в них появление значительных электродинамических усилий. Кратковременные перегревы от токов короткого замыкания не нормируются. Заводы, изготовляющие М. в на основании собственных расчетов и опыта, обычно указывают предельный допустимый для данного выключателя ток короткого замыкания и время его прохождения. в) Процесс включения, в особенности при существующем за М. в повреждении в сети, когда включение М. в создает условия внезапного короткого замыкания и вызывает появление очень больших токов, является для М. в весьма ответственным. Т. к. при этом, в случае неисправности действия включающего механизма, неисключена возможность аварии, процесс включения следует считать не менее ответственным, чем процесс выключения. При включении, в тот момент, когда расстояние между подвижными и неподвижными контактами становится малым, происходит пробой слоя масла и возникает дуга. Расстояние между контактами в момент возникновения дуги, при хорошем состоянии масла, бывает очень мало и зависит от величины действующего в цепи напряжения. Если скорость движения контактов в этот момент достаточно велика, то время существования дуги весьма незначительно (порядка 2—3 десятитысячных секунды при 6 600 V), сила тока за этот период времени не успеет возрасти до значительной величины, и появление дуги не повлечет за собой никаких вредных последствий. Начиная от момента касания искрогасительных контактов сила тока будет продолжать возрастать и вызовет местный нагрев контактов в точках касания. При большой силе тока и при недостаточной скорости включения нагрев контактов м. б. столь значительным, что вызовет их обгорание и даже приваривание. Кроме того при большой силе тока (в десятки тысяч А) возможно появление значительных электродинамич. усилий, стремящихся уменьшить скорость подвижных контактов и препятствующих включению. Поэтому включающий механизм должен быть достаточно силен для того, чтобы противодействующие электродинамич. усилия не смогли уменьшить скорость включения до опасных пределов. Запас кинетич. энергии движущихся частей является в этом случае весьма благоприятным фактором, помогающим преодолевать усилия, препятствующие включению. Следует иметь в виду, что в тех случаях, когда мгновенное значение силы тока короткого замыкания достигает порядка 25—30 000 А, ручное включение является операцией рискованной и должно заменяться включением механическим. Возможность повреждения контактов при включении М. в на короткое замыкание зависит в значительной степени также от конструкции самих контактов. Их устройство должен быть таково, чтобы действующие на них электродинамич. усилия не отгибали их и не ослабляли силы, прижимающей контакты друг к другу. На фигуре 2 и 3 изображены контакты, применяемые фирмой General Electric Со. для выключателей типа FK-132. Электродинамич. усилия, действующие на подвижную часть контактов, стремятся отогнуть их книзу. Мягкий щеточного типа подвижной контакт а (фигура 2) не в состоянии противостоять большим отгибающим усилиям и поэтому при больших силах тока короткого замыкания заменяется конструкцией, изображенной на фигуре 3. Здесь подвижной контакт с является конструкцией совершенно
жесткой, а щетки d перенесены на неподвижную часть. Электродинамич. усилия будут действовать на щетки d и на искрогасительные контакты е вниз и следовательно будут еще сильнее прижимать их к жесткой подвижной части. г) Процесс выключения наиболее ответственным и тяжелым для М. в является тогда, когда выключается ток короткого замыкания. Происходящие при этом явления имеют следующий характер. Первоначально размыкаются главные контакты М. в., и ток продолжает проходить через вспомогательные (искрогасительные) контакты. Через очень небольшой промежуток времени начинается расхождение вспомогательных контактов, и затем процесс образования дуги. Этот период сопровождается усиленным выделением энергии внутри бака М. в Под влиянием весьма интенсивного испарения и разложения масла, вокруг дуги образуется газовый пузырь, быстро увеличивающийся в объёме и вызывающий повышение давления в баке (фигура 4). При переходе силы тока через каждые полпериода через нуль дуга гаснет и затем вновь восстанавливается, до тех пор пока расстояние между контактами не увеличится настолько, что дальнейшее восстановление дуги станет невозможным. Осциллографии. картина процесса выключения представлена на фиг 5. (I— сила тока, е—напряжение на дуге). Время существования дуги зависит от скорости движения контактов и от их конструкции и в хороших современных М. в весьма невелико, порядка 0,02—0,05 ск. при 6 600—22 000 У, а при больших напряжениях несколько более. Выделяющаяся при этом в баке М. в энергия в весьма сильной степени зависит от целого ряда обстоятельств, определяемых конструкцией выключателя и свойствами размыкаемой цепи. По данным литературных источников эта энергия определяется эмпирич. формулой:
Π=(0,02-Μ»,10)·ίΜ·ί W-CK.
на фазу. Здесь Е—эффективное значение фазного напряжения, I—эффективная сила тока короткого замыкания в момент начала расхождения контактов, t—время в ск. На самом деле количество выделившейся в каждой фазе М. в энергии
*
А=Je-i - dt,
о где е—напряжение на контактах М. в., г— сила тока, t—время прохождения тока короткого замыкания через М. в (фигура 5). Количество выделяющихся при этом газообразных продуктов разложения масла—около 500—800 см3 (в горячем состоянии) на 1 kW-ск. выделившейся в баке М. в энергии. По опытам инж. Кессельринга энергия, выделяющаяся в М. в при выключении им тока короткого замыкания, распределяется след, образом: на деформацию бака—3%, на работу газового пузыря—2%, на испарение и ионизацию масла—90,5%, на нагрев контактов—4,5%. Конечно эти цифры относятся только к какой-то определенной конструкции М. в и к определенным условиям работы; при других условиях они могут изме ниться. При нек-рых опытах наблюдалось, что с увеличением силы выключаемого тока время существования дуги и количество выделяющейся энергии уменьшается. Это объясняется электродинамическим действием на дугу более сильных токов, растягивающих и задувающих ее. Скорость движущихся контактов при выключении обычно не превосходит 1,3—1,8 м/ск. Скорость увеличения общей длины дуги будет больше во столько раз, сколько имеется мест разрыва; например в М. в с 6-кратным разрывом эта скорость будет порядка 8—9 м/ск.
Наибольшая сила тока, к-рую М. в мо-•жет разомкнуть при заданном напряжении, носит название разрывной силы то-к а. Разрывная сила тока зависит от напряжения и с увеличением напряжения уменьшается т. о., что произведение разрывной силы тока на напряжение остается приблизительно постоянным или несколько уменьшается с увеличением напряжения. Произведение рабочего напряжения на соответствующую ему разрывную силу тока и на Уз носит в русской терминологии название-
разрывной мощности. Точного, согласованного определения величины разрывной мощности пока не существует и в правилах различных стран даются различные определения [И. Испытания М. в на их разрывную мощность довольно затруднительны, т. к. для этого требуются весьма мощные источники электрич. энергии. Для этой цели приходится пользоваться сетями
электрических станций, устраивая в них искусственные короткие замыкания. Наиболее крупные электротехнич. фирмы имеют для
Фигура 6.
этой цели специальные испытательные станции, на которых устанавливаются особые генераторы мощностью до 100 000 kVA. В настоящее время строят М. в для разрывной мощности до 2 500 000 kVA.
Выбор М. в должен производиться по следующим его характеристикам: 1) рабочее напряжение, 2) рабочая сила тока, 3) испытательное напряжение, 4) разрывная сила тока, 5) предельная сила тока, определяющая термин, устойчивость М. в течение определенного промежутка времени, например 1 или 5 ск., 6) предельная сила тока (амплитудное значение), определяющая электро-динамич. прочность М. в и мощность включающего механизма.
Конструкция М. в отличается большим разнообразием. Форма баков и толщина стенок выбираются с таким расчетом, чтобы бак мог выдержать возникающие в немдавления. Прямоугольные баки применяются при небольших разрывных мощностях, для больших мощностей применяются овальные или круглые баки. При напряжениях свыше 20—30 kV обычно применяется отдельный бак для каждой фазы. В тех случаях, когда все три фазы помещаются в одном баке, между ними ставят перегородки из изолирующего материала. На фигуре 6 показан в разрезе М. в фирмы Сименс-Шукерт (с двукратным разрывом на фазу) с круглым баком для напряжений до 10 000 V, разрывной мощностью ок. 200 000 kYA.
Весьма надежными по конструкции и пользующимися большим распространением в Америке являются 6-баковые М. в фирмы General Electric Со. Благодаря малому содержанию масла и большой прочности бака эти М. в не подвергаются опасности а, что иногда случается с М. в других конструкций. На фигуре 7 показано устройство баков и контактных частей такого М. в фирмы General Electric Со. для напряжения в 7 500 V, 800 А рабочего тока и 46 000 А разрывного тока. На фигуре 7: 1 —маслоотражатель; 2— кварцевые камешки; 3—тру ба из изолирующегоматериала; 4—подвижной стержневой контакт; 5—муфта; 6—лабиринт; 7—фарфоровый изолятор; 8—основание; 9—крыша; 10—горизонтальная перегородка; 11—оправа изолятора;!!!— горизонтальныеперегород-ки; 13—изолирующие обкладки; 14—стойки для укрепления горизонтальных перегородок; 15—ная камера; 16 — изолирующее кольцо; 17 — оправа контакта; 18—неподвижный контакт; 19—маслоотделитель ; 20 — шток из изолирующего материала; 21 —крестовина; 22·— контактные пальцы; 23 — основание контактов; 24 — стальной бак с маслом; 25—фарфоровый изолятор; 26 — фланец для укрепления изолятора; 27 — контактная гайка; 28 — контактный винт. На фигуре 8 показан чертеж М. в подобной же конструкции на тележке с электромагнитным включающим механизмом на 6 600 V, 1 000 А, в выполнении завода «Электроаппарат» в Ленинграде.
Для ускорения и облегчения процесса гашения дуги нек-рые фирмы применяют многократный разрыв, устраивая М. в таким образом, что разрыв контактов происходит одновременно в нескольких местах; общая длина дуги при этом, при той же скорости подвижных контактов, увеличивается быстрее. Однако такое устройство несколько усложняет конструкцию. Устройство это применяется фирмами:
Броун-Бовери, Сименс-Шукерт, Atelier des constructions 61ectriques de Delle и др. С той же целью ускорения процесса гашения дуги и уменьшения энергии, выделяющейся в баке М. в применяют так называемым гасильные камеры, представляющие собою прочный сосуд, надеваемый на неподвижные контакты М. в и помещающийся в баке с ^даслом. Основным требованием, предъявляемым к гасильной камере, должен быть ее вполне надежная изолирующая спо-
собность и достаточная механич. прочность. Возникающие внутри камеры при выключении тока короткого замыкания большие давления, достигающие десятков atm, нередко бывали причиной разрушения камеры и вызывали аварию М. в На фигуре 9 изображена га-
М. в очень часто выполняют т. о., что допускается их установка непосредственно под открытым небом (тип Out door). В М. в на очень большие напряжения, от 60 до 220 kV, весьма существенной частью является проходной изолятор, предназначенный для подвода тока к контактам. Необходимость выдержать достаточно большие расстояния в масле и в воздухе заставляет
| i
i |
j | |
Глубина камеры около 1550
Фигура 8.
сильная камера для М.в. в выполнении фирмы General Electric Со. М. в с гасильными камерами строятся фирмами General Electric Со. в Америке, AEG в Германии и другими. На фигуре 9: 1—винт, удерживающий изолирующую покрышку; 2—обойма; 3—изолирующая труба; 4—адаптер; 5—верхнее днище камеры; 6—винты; 7—пружины, прижимающие контакты; 8—контактные сегменты; 9— плоская пружина; 10—контактная коробка; 11—ная камера; 12—контактный стержень; 13—горловина из изолирующего материала; 14—нижнее днище из изолирующего материала; 15—контактная траверса; 16—то же. строить такие М. в довольно больших размеров. Высота М. в на 220 - k V достигает например 7 метров На фигуре 10 приведен вид в разрезе М. в фирмы General Electric Со. для напряжений от 110 до 154 кУ. На фигуре 10:1— стеклянный стакан для наблюдения за уровнем масла во втулках изоляторов; 2—фарфоровая оболочка изолятора; 3—бак; 4— изолирующая обклаДка; 5—неподвижные пальцевые контакты; 6—подвижный контактный нож в замкнутом положении; 7— электростатический экран; 8—контактный нож в разомкнутом положении; 9—труба для выпуска масла; 10—измерительный трансформатор тока. В настоящее время многие фирмы выполняют М. в виде совершенно закрытой конструкции, не имеющей снаружи никаких частей, находящихся под напряжением. Подцод и отвод тока к таким М. в производится кабелем, через кабельную муфту или через втычные контакты, размыкающиеся при откатываний М. в Такие бронированного типа М. в изготовляются фирмами Сименс-Шукерт [2], Фельтен-Гильом, Фойгт и Гефнер в Германии, а также многими англ, и америк. фирмами, например: Metropoli tan-Vickers, General Electric Co., Allis Chalmers и друг.
Несмотря на значительные успехи в об-
Фигура 9.
ласти конструирования и постройки М. в., все же продолжаются попытки создать тип мощного выключателя, вовсе не содержащего масла. Делались попытки применить и пустотные выключатели L3]. В последнее время фирма «Вестингауз» разработала тип мощного воздушного в ы-ключателя под названием Deion [*].
Лит.: i) Kopeliovitch J., A propos de la normalisation Internationale des interrupteurs dans I’huile, «RGE», 1928, 17; 2) Gussgekapselte Olschalter, «Siemens-Ztschr.», B., 1928, H. 12; 3)«JAIEB», 1926,12; ibid., 1927, 2, p. 181; l) ibid., 1929, 2.
Лютер P., Электрич. силовые установки, Распределительные устройства, Л., 1926; Сушкин Н.И.и Глазунов А. А., Центр, электрич. станции и их электр. оборудование, М.—Л., 1927; Поярков Μ. Ф., Центр, электрич. станции, 2 изд., М.—Л., 1927; Эпштейн Г. Л., Районные трансформаторные подстанции, Киев, 1929; Залесский А. М., Соврем, конструкции масляных выключателей, «Электричество», М., 1922, 2; Брауде Л. Б., О наилучшем типе масляного выключателя, «Изв. ГЭТ», М., 1927, 8; его ж е, Об испытании масляных выключателей, там же, 4; Воронов Б. А., О требованиях, предъявляемых к масляным выключателям и их выборе, там же, 1929, 2—3; Акц. об-во Сименс-Шукерт, Бронированные выключатели высокого напряжения, информ. бюлл. «Электропмпорт», 1929, 3, прилож. к журц. «Электричество», М., 1929, 5—в; R ii d е п-berg R., Elektrische Schaltvorgange, Berlin, 1926 (теоретич, исследование процессов включения и выключения); Biermanns J., tlberstrome in Hocli-spannungsanlagen, В., 1926 (явления, связанные с коротким замыканием; довольно много посвящено вопросу о масл. выключателях); Roth A., Hochspan-nungsteclmik, Berlin, 1927 (среди прочего материала уделено внимание вопросам работы масл. выключателей и их конструкции); Kesselring F., Elektrische Schaltgerate, Anlassen u. Regler, B.—Lpz., 1928; Bauer В., Die Untersuchungen an Olschal-tern, «Bulletin des Schweizer Elektrotechn. Vereins», Zurich, 1915, 8; Charpentier P., «RGE», 1923, 6; Biermanns J. Olschalterversuche, «ETZ», 1927, 32, 33; Kesselring F., Beitrag z. Losung i. 01-schalter-Problems, ibid., 35, 36, p. 1277, 1312; К 1 o-ninger H., Beitrag z. Olschalterfrage, «EuM», 1927,
H. 20; В e n d m a n n, Loschkammerlorm u. ihre Wir-kung, «ETZ», 1928, 7, p. 252; Kopeliowitch J., Olschalterversuche, ibid., 18, p. 676; Me Neill, Oil Circuit Breakers, «JAIEE», 1928, Oct., p. 723; С 1 e r c A., Etudes des pare-6tincelles, «RGE», 1928, t. 24, 6, 7 (вопрос о поведении контактов при сильных токах); S chneehage, Gussgekapselte Hochspannungschalt-anlagen, «ETZ», 1928, δ. Б. Воронов.