Воздушный выключатель: классификация, основные параметры, технические требования

Воздушный выключатель (air-blast switch)  — это выключатель, в котором дуга образуется в потоке воздуха высокого давления (определение согласно ГОСТ Р 52565-2006).

Классификация

Для более четкого представления о требованиях, предъявляемых к современным воздушным выключателям, и параметрах выключателей целесообразно произвести их классификацию по назначению, виду установки, категории размещения, климатическому исполнению.

По назначению воздушные выключатели могут быть разбиты на следующие группы [2]:

1) Сетевые выключатели на напряжения от 6 кВ и выше, применяемые в электрических цепях (кроме цепей электрических машин и электротермических установок) и предназначенные для пропускания и коммутирования тока в нормальных условиях работы цепи, а также для пропускания в течение заданного времени и коммутирования тока в заданных ненормальных условиях, таких, как условие короткого замыкания:

а) Для нормальных условий эксплуатации, то есть предусмотренных требованиями ГОСТ Р 52565-2006.

б) Для частых коммутационных срабатываний с механическим и коммутационным ресурсом существенно более высоким, чем тот, что предусмотрен требованиями стандартов к выключателям общего назначения.

в) С повышенной скоростью нарастания (частотой) восстанавливающегося напряжения, допускающие эксплуатацию в тех точках энергосистем, где эта скорость существенно выше скорости, установленной стандартом на выключатели общего назначения;

г) С повышенной межконтактной электрической прочностью, существенно более высокой, чем у выключателей общего назначения.

2) Генераторные выключатели на напряжения от 6 до 20 кВ, применяемые в цепях электрических машин (генераторов, синхронных компенсаторов, мощных электродвигателей) и предназначенные для пропускания и коммутаций тока в нормальных условиях, а также в пусковых режимах и при коротких замыканиях.

3) Выключатели на напряжение от 6 до 220 кВ для электротермических установок, применяемые в цепях крупных электротермических установок (например, сталеплавильных, руднотермических и других печей) и предназначенные для пропускания и коммутаций тока в нормальных условиях, а также в различных эксплуатационных режимах и при коротких замыканиях.

4) Выключатели специального назначения:

а) включатели-отключатели на напряжение от 500 до 1150 кВ, предназначенные для безынерционного подключения к линии электропередачи шунтирующих реакторов при возникновении перенапряжений, превышающих заданный уровень, для коммутаций указанных реакторов, а также отключения в их цепи коротких замыканий;

б) защитные выключатели на напряжение от 6 до 20 кВ, применяемые для установки в цепях ударных генераторов испытательных стендов и предназначенные для нормальных коммутаций ударных генераторов, а также для защиты их при неуспешных отключениях испытуемых аппаратов;

в) выключатели нагрузки на напряжение от 110 до 500 кВ, предназначенные для пропускания и коммутаций тока в нормальных условиях работы цепи, а также для пропускания в течение заданного времени и включения токов при коротких замыканиях;

г) выключатели на напряжение от 6 до 35 кВ, применяемые в комплектных распределительных устройствах.

По виду установки воздушные выключатели делятся на следующие группы [2]:

1) Опорные, т. е. имеющие основную изоляцию на землю опорного типа.

2) Подвесные, т. е. имеющие основную изоляцию – на землю подвесного типа.

3) Настенные, т. е. укрепленные на стенах закрытых распредустройств.

4) Выкатные, т. е. имеющие приспособления для выкатки из ячеек распредустройств.

5) Встраиваемые в комплектные распределительные устройства.

По категориям размещения и климатическому исполнению воздушные выключатели в соответствии с ГОСТ 15150 разделяются на [2]:

а) пять категорий размещения (вне и внутри помещений с различными условиями обогрева и вентиляции);

б) шесть климатических исполнений (У, ХЛ, ТВ, ТС, Т и О) в зависимости от географического места установки;

Воздушные выключатели
Пример воздушных выключателей

Основные (номинальные) параметры

К номинальным параметрам воздушного выключателя относятся:

  • номинальное напряжение воздушного выключателя – Uном (соответствующее ему наибольшее рабочее напряжение воздушного выключателя – Uн.р);
  • номинальный ток воздушного выключателя – Iном;
  • номинальный ток отключения воздушного выключателя – Iо, ном;
  • номинальное напряжение цепей управления и вспомогательных цепей привода – Uп, ном;
  • номинальное (избыточное) давление сжатого воздуха Pном .

Значения номинальных параметров воздушного выключателя выбирают из ряда стандартных значений, приведенных в таблице 1.

Обозначение параметраЗначение параметра
Uном / Uн.р, кВ3/3,6; 6/7,2; 10/12; 15/17,5; 20/24; 24*/26,5; 27*/30; 35/40,5; 110/126; 150/172; 220/252; 330/363; 500/525; 750/787
Iном , А200; 400; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500; 3150; 4000; 5000; 6300; 8000; 10000; 12500; 16000; 20000; 25000; 31500
Iо, ном , кА2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250
Uп, ном , ВДля постоянного тока – 24; 48; 110; 220
Для переменного тока (однофазного и трехфазного) частоты 50 Гц – 100**; 120; 230; 400
Pном, МПа (кгс/см2)0,5(5); 1,0(10); 1,6(16); 2,0(20); 2,6(26); 3,0(30); 4,0(40)
Таблица 1 – Стандартные значения номинальных параметров воздушного выключателя

Примечания к таблице 1:

* Только для воздушных выключателей, предназначенных для цепей генераторов.

** Номинальное вторичное напряжение трансформатора напряжения, используемого для питания вспомогательных цепей воздушного выключателя (привода).

  • 1) Для включающих электромагнитов и электродвигателей приводов зависимого действия номинальные напряжения 24 и 48 В постоянного тока и 100 В переменного тока не применяют.
  • 2) Номинальные напряжения вспомогательных цепей могут отличаться от номинального напряжения цепей управления и электродвигателей приводов зависимого действия.
  • 3) В случае питания приемников постоянного тока двигательных приводов через выпрямительные устройства от сети переменного тока номинальные напряжения на стороне постоянного тока устанавливаются изготовителем приводов; они могут отличаться от указанных в таблице 1.

Основные технические требования

Требования к электрической прочности изоляции.

Электрическая прочность изоляции воздушных выключателей – по ГОСТ 1516.3.

Длина пути утечки внешней изоляции и степень загрязнения изоляции (I, II, II*, III, IV) по ГОСТ 9920 для воздушных выключателей категории размещения 1 должны быть указаны в ТУ и эксплуатационных документах.

Требования к нагреву.

Требования в отношении нагрева воздушных выключателей в продолжительном режиме – по ГОСТ 8024.

Установленные ГОСТ 8024 наибольшие допустимые температуры нагрева частей аппаратов и соответствующие превышения температуры не должны быть превышены при следующих условиях:

  • а) для главной цепи – при токе, равном Iном;
  • б) для обмоток электромагнитов цепей управления и вспомогательных цепей, предназначенных для продолжительного режима, и для обмоток минимальных расцепителей напряжения – при напряжении на выводах, равном 1,1 Uп, ном;
  • в) для обмоток максимальных расцепителей тока, встроенных в привод, при наименьшей уставке отключающего тока для данного исполнения расцепителя – при токе, равном: 5,5 А – для исполнения с наименьшей уставкой 5 А; 10 А – для исполнения с наименьшей уставкой 10 А и более;
  • г) для контактов, контактных зажимов и других элементов вспомогательных цепей, предназначенных для работы в продолжительном режиме, – при токе 10 А; для элементов цепей с малым потреблением (до 0,5 А) – при токе 1 А.

Наибольшие допустимые температуры и соответствующие превышения температур обмоток и других элементов вспомогательных цепей (кроме электродвигателей), предназначенных для кратковременного режима (только в процессе операции включения или отключения воздушного выключателя), должны соответствовать требованиям ГОСТ 8024 после 10-кратного срабатывания при напряжении на выводах, равном 1,1 Uп, ном (для обмоток включающих электромагнитов приводов зависимого действия – при напряжении Uп, ном), при интервале между моментами подачи напряжения 10 с или, если конструкция не позволяет обеспечить интервал 10 с, – при минимально возможном интервале.

Если в цепи обмоток или в цепи таких элементов отсутствуют блок-контакты или другие коммутационные устройства, автоматически снимающие импульс на срабатывание, то обмотки должны выдерживать приложение напряжения 1,1 Uп, ном один раз в течение 15 с.

Наибольшие допустимые температуры и соответствующие превышения температур частей электродвигателей приводов должны соответствовать требованиям ГОСТ 183 после 10-кратного срабатывания привода при напряжении на зажимах двигателя, равном Uп, ном, с минимально возможными интервалами времени между моментами подачи напряжения.

Требования к механической работоспособности.

Воздушный выключатель должен выполнять следующие механические операции и (или) циклы операций при условиях, указанных ниже, и с характеристиками работы механизма воздушного выключателя, обеспечивающими нормированные параметры коммутационной способности воздушного выключателя:

  • а) включение (В);
  • б) отключение (О);
  • в) включение-отключение (ВО), в том числе без преднамеренной выдержки времени между В и О;
  • отключение-включение (ОВ) при любой бесконтактной паузе, начиная от tбк, соответствующей tбт .
  • д) отключение-включение-отключение (ОВО) с интервалами между операциями согласно требованию перечислений в) и г).

Требуемые характеристики работы механизма воздушного выключателя с предельными отклонениями от их нормированных значений должны указываться в ТУ и эксплуатационных документах.

Примечание – Требования перечислений г) и д) относятся только к воздушных выключателям, предназначенным для работы при автоматическом повторном включении (АПВ).

Отключение воздушного выключателя должно обеспечиваться при напряжении на зажимах цепи управления отключением в диапазоне, ограниченном нижним и верхним пределами (в процентах номинальных значений указанных величин):

  • а) при питании электромагнитов постоянным током – от 70% до 110%;
  • б) при питании электромагнитов переменным током, а также постоянным током при подключении электромагнитов к сети переменного тока через выпрямительные устройства – от 65% до 120%.

Воздушные выключатели, а также выключатели других видов с пневматическими приводами, питающимися из общего с выключателем резервуара воздуха, должны выполнять операции и циклы операций (указанные выше по тексту), при начальном (перед началом операции или цикла операций) избыточном давлении сжатого воздуха в резервуаре в диапазоне, ограниченном нормированным для данного выключателя (привода) нижним и верхним пределами начального избыточного давления в соответствии с таблицей 2.

Номинальное избыточное давлениеНижний предел начального давленияВерхний предел начального давления
0,5 (5)0,45 (4,5)0,55 (5,5)
1,0 (10)0,95 (9,5)1,05 (10,5)
1,6 (16)1,5 (15)1,7 (17)
2,0 (20)1,9 (19)2,1 (21)
2,6 (26)2,5 (25)2,7 (27)
3,0 (30)2,9 (29)3,1 (31)
4,0 (40)3,9 (39)4,1 (41)
Таблица 2 – Давление воздуха в воздушных выключателях и пневматических приводах, МПа (кгс/см2)

Номинальное давление сжатого воздуха (газа) выключателей с индивидуальной компрессорной установкой, а также гидравлических приводов не нормируют; оно должно быть указано в эксплуатационных документах.

Воздушные выключатели, предназначенные для АПВ, должны выполнять операцию О при избыточном давлении, остающемся в резервуаре выключателя (привода) после одного цикла О-tбт-B, выполненном при начальном избыточном давлении, равном нормированному нижнему пределу по таблице 2.

Собственные времена отключения и включения воздушного выключателя, разновременность замыкания и размыкания контактов полюсов и разрывов следует указывать в эксплуатационных документах.

При отсутствии специальных указаний наибольшая разница между моментами замыкания контактов полюсов при включении не должна превышать 0,005 с, наибольшая разница между моментами размыкания контактов полюсов воздушных выключателей при отключении не должна превышать 0,0033 с, наибольшая разница между моментами размыкания контактов разрывов одного полюса для воздушных выключателей с несколькими разрывами при отключении не должна превышать 0,0025 с.

При необходимости в ТУ и эксплуатационных документах следует также указывать требуемые значения с допустимыми отклонениями для скоростей включения и отключения воздушного выключателя, электрических сопротивлений и токов потребления электромагнитов включения и отключения, контактного нажатия пружин размыкаемых контактов, а также минимального напряжения, минимального давления и минимального натяжения пружин, при которых обеспечивается выполнение воздушным выключателем операций отключения и включения.

Значения временных и скоростных характеристик воздушного выключателя следует нормировать при:

  • отсутствии тока и (или) напряжения в главной цепи выключателя (для выключателей с максимальным расцепителем тока – при протекании тока в главной цепи);
  • номинальном напряжении на зажимах цепей управления;
  • номинальном давлении сжатого воздуха для воздушных выключателей и для выключателей других типов с пневматическими приводами;
  • нормированном усилии (моменте) пружин для воздушных выключателей с пружинными приводами.

Воздушные выключатели категории размещения 1 должны нормально работать в условиях гололеда при толщине корки льда до 20 мм и ветре скоростью до 15 м/с, а при отсутствии гололеда – при ветре со скоростью до 40 м/с.

Требования к стойкости при сквозных токах короткого замыкания.

Воздушный выключатель во включенном положении должен выдерживать без повреждений, могущих препятствовать его исправной работе, электродинамическое и термическое воздействие сквозных токов короткого замыкания с параметрами вплоть до следующих нормированных значений:

  • а) наибольший пик (ток электродинамической стойкости) iд , значение которого должно быть не менее 2,5 Iо, ном;
  • б) среднеквадратичное значение тока за время его протекания (ток термической стойкости) IТ, значение которого должно быть не менее Iо, ном;
  • в) время протекания тока (время короткого замыкания) tк,з, которое рекомендуется выбирать из ряда: 1, 2 или 3 с.

Обмотки и другие элементы цепей максимального расцепителя тока, встроенных в привод, должны при подтянутом якоре выдерживать без повреждений протекание тока, равного 150 А, в течение 1 с – для расцепителей мгновенного действия на уставке отключающего тока менее 80 А и в течение 2 с – для расцепителей с выдержкой времени, а обмотки электромагнитов расцепителей мгновенного действия на уставке отключающего тока 80 А и более должны выдерживать протекание тока 250 А в течение 1 с.

Требования к коммутационной способности при коротких замыканиях.

Коммутационная способность выключателей при коротких замыканиях должна обеспечиваться при указанных в настоящем подразделе характеристиках и условиях.

Напряжение сети – вплоть до равного наибольшему рабочему напряжению выключателя Uн.р, соответствующему номинальному напряжению выключателя Uном.

Примечание – Для выключателей на Uном = 15 кВ, предназначенных также для использования в сетях с Uном = 13,8 кВ, и выключателей на Uном = 20 кВ, предназначенных также для использования в сетях с Uном = 18 кВ, допускается дополнительно нормировать коммутационную способность при указанных номинальных напряжениях сетей, исходя из наибольших рабочих напряжений 15,2 и 19,8 кВ.

Список использованной литературы

  • ГОСТ Р 52565-2006
  • Афанасьев В.В., Вишневский Ю.И. «Воздушные выключатели» Энергоиздат. 1981