ВОЗДУШНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ
Воздушные выключатели принадлежат ко второй группе выключателей - к газовым. В них для гашения дуги и деионизации дугового промежутка используется сжатый воздух, обдувающий дугу в продольном и поперечном направлениях.
Конструктивные схемы воздушных выключателей для внутренней установки приведены на рис. 1, для наружной установки - на рис. 2. На рис. 3 показаны варианты схем подачи сжатого воздуха к дугогасительным камерам.
Рис. 1. Конструктивные схемы воздушных выключателей внутренней установки на 6 – 20 кВ: а – с одним разрывом в камере продольного дутья; б – с двумя разрывами на полюс; в – с одним разрывом на полюс в камере поперечного дутья.
Рис. 2. Конструктивные схемы воздушных выключателей наружной установки на 110 кВ: а – с двумя разрывами на полюс, с наружным отделителем; б – с двумя разрывами на полюс, с воздухонаполненным отделителем; в – с тремя разрывами на полюс, с горизонтальным расположением дугогасительных камер, без отделителя; г – с двумя разрывами на полюс, находящимися в постоянно наполненной сжатым воздухом камере большого объема, без отделителя.
Рис. 3. Схемы подачи воздуха к дугогасительным камерам: 1 – резервуар; 2 – главный дутьевой клапан; 3 – изоляционная дутьевая труба; 4 – дугогасительная камера.
Принцип гашения дуги сжатым воздухом заключается в том, что межконтактный промежуток обдувается чистым сжатым воздухом, лишенным заряженных частиц. При этом дуга к ее опорные поверхности интенсивно охлаждаются, а ее сечение уменьшается. Одновременно этот же поток воздуха выносит из межконтактного промежутка продукты горения дуги, представляющие собой хорошо проводящую среду. Место этих продуктов теперь занимает свежий неионизированный воздух, способный выдержать напряжение, восстанавливающееся на контактах выключателя. Задача дугогасительной камеры заключается в быстром и полном замещении ионизированной среды свежим, обладающим высокой электрической прочностью, воздухом.
Существует два типа дугогасительных камер, получивших распространение на практике. В камерах первого типа поток сжатого воздуха параллелен стволу дуги. Это так называемая камера продольного дутья. В других - поток гасящего воздуха перпендикулярен оси ствола дуги. Их называют камерами поперечного дутья. На рис. 4, б, в, г, д показаны схемы камер продольного дутья, a на рис. 4, а - поперечного дутья.
Рис. 4. Схемы дугогасительных устройств с воздушным дутьем: 1 – контакты; 2 – изоляционный корпус; 3 – дуга; 4 – изоляционное сопло; 5 – металлическое сопло-контакт.
Камеры продольного дутья имеют преимущественно распространение во всем диапазоне напряжений от 3 до 1150 кВ, на которые строятся выключатели, т.к. они позволяют создать аппарат, отвечающий самым жестким требованиям по номинальной мощности отключения, номинальному току и быстродействию. Камеры поперечного дутья из-за громоздкости конструкции и больших габаритов применяются ограниченно, лишь в выключателях 6-20 кВ.
Важным элементом дугогасительной камеры воздушного выключателя является сопло, сжатый воздух из которого в процессе отключения выбрасывается в дуговой промежуток со скоростью звука. Форма сопла обеспечивает поддержание на всем пути перед ним (в том числе и в дуговом промежутке) необходимого давления сжатого воздуха.
Сопла могут изготавливаться из металла или изоляционного материала, быть неподвижными или подвижными. Устройство контактной системы с соплами из изоляционного материала показано на рис. 4, б. На рис. 4, г и д показана система с соплообразными контактами.
Применение соплообразных контактов ограничивается электрической прочностью промежутка между контактным стержнем и контактом-соплом. Отводить в процессе отключения сопло от стержня на очень большое расстояние нельзя, т.к. при этом эффект уплотнения воздуха перед соплом (который необходим для быстрого повышения электрической прочности), будет проявляться недостаточно. Наиблагоприятнейший для гашения дуги раствор контактов составляет всего 35-40 %. При этом достигается максимально возможная отключающая способность выключателя, т.к. это расстояние недостаточно, чтобы выдержать при атмосферном давлении приложенное к выключателю напряжение. Необходимое изоляционное расстояние создается включенным последовательно с дугогасительными контактами и находящимися вне камеры специальным отделителем, нож которого начинает двигаться после погасания дуги. После размыкания отделителя подача сжатого воздуха в камеру прекращается и главные контакты смыкаются под действием пружины. Последующее включение выключателя производится ножом отделителя. С учетом неудовлетворительной работы открытых отделителей в условиях гололеда созданы выключатели, у которых контакты отделителя находятся внутри фарфоровой покрышки и размыкаются сжатым воздухом (рис. 2 б). В выключателях не имеющих отделителя, включенного последовательно с контактным промежутком, раствор контактов увеличивается до необходимой изолирующей длины, а межконтактный промежуток заполняется сжатым воздухом.
Отключающая способность воздушного выключателя ограничивается появлением обратного подпора давления. Большие токи короткого замыкания дросселируют поток дутья, создавая за соплом противодавление из-за чрезмерного нагревания сжатого воздуха. При этом возникает закупорка сопла и дутье резко ухудшается. Число повторных зажиганий дуги зависит от того, будет ли противодавление, возникшее после первой полуволны тока, повышаться дальше. Хорошо рассчитанные и сконструированные выключатели гасят дугу уже после первой, полуволны, самое позднее - после третьего перехода тока через нуль.
Также как и у масляных выключателей, повышение отключающей способности воздушных выключателей достигается увеличением количества разрывов дуги, число которых достигает у выключателя 750 кВ, например, шестнадцати.
Простым средством повышения отключающей способности воздушных выключателей и улучшения их эксплуатационных свойств является повышение давления воздуха, применяемое в последних конструкциях.
Воздушные выключатели строятся на все напряжения от 3 до 750 кВ, на номинальные токи до 4 кА (генераторные выключатели до 12 кА) и на широкий диапазон мощностей отключения от 300 MВ·A(10 кB) до 50000 МВ·А (750 кВ). Разработан опытный образец выключателя на 1150 кВ на номинальный ток 4 кА и номинальную мощность отключения: 65000 МВ·А.