Воздушные выключатели: что это такое, типы, принцип работы

Эффективность

Сегодня различные типы воздушных выключателей стали более совершенными и функциональными, это было достигнуто внесением следующих дополнений:

• В генераторных устройствах используется принудительная схема охлаждения.
• Качественные материалы и тщательное выполнение конструктивных элементов обеспечили большую надежность и длительный срок использования до возникновения необходимости в ремонте.
• Коммутационные перенапряжения приобрели ограничение, наличие которого играет особую роль для устройств высокого напряжения.
• Модульная схема размещения серий обеспечивает возможность создавать из идентичных модулей нескольких серий, характеризующихся широким диапазоном напряжения, производить испытания и реализовать устройства, которые отличаются простым изготовлением, установкой и последующей эксплуатацией.
• Использование схем управления с быстрым реагированием и минимальным временным разбросом. Их главной задачей является обеспечение срабатывания устройств на существенное превышение напряжения и отключения в течение полупериода. Также за счет них функционируют приборы с синхронным включением и отключением.
• Элементы для гашения дуги помещаются в сжатый воздух. Так достигаются высокие пропускные характеристики по номинальному напряжению, надежность изоляции промежутков между контактами, быстрое реагирование и коммутационные свойства. Чаще всего давление воздуха находится в пределах 6-8 МПа.

Отрицательные стороны

Главным недостатком является дорогостоящий монтаж и последующий ремонт воздушных выключателей. Также они отличаются меньшей скоростью срабатывания на превышение номинального тока, из-за этого есть вероятность повреждения электронных устройств. Помимо этого, они отличаются чувствительностью к механическим воздействиям и вибрациям.

С учетом того, что воздушный выключатель и предохранитель предназначаются для различных функций, они не могут заменять друг друга. Для того чтобы определиться с тем, какое устройство необходимо, стоит обратиться к профессионалам, они помогут подобрать оптимальный вариант для имеющейся электрической сети.

Способ гашения дуги

      Работа выключателя основана на определенных физических процессах, независимо от номинала напряжения аппарата. Рассмотрим подробную схему функционирования.

     Оба контакта работают в вакуумной среде, достигаемой за счет удаления газов из дугогасительной камеры. Благодаря этому достигается высокая диэлектрическая прочность. Во время отключения аппарата приводом, между контактами образуется вакуумный зазор. При размыкании поверхностей появляется металлический пар, через который продолжает протекать электрический ток нагрузки. Под действием высокого напряжения, ионы металла движутся в одном направлении, и нагреваются до состояния плазмы.

      Выключатель работает на переменном токе, который меняет свое направление по синусоидальному закону. При его нулевом значении происходит угасание дуги, а ионы металла больше не выделяются и оседают на поверхностях контакта или электростатических экранах дугогасительной камеры. Одновременно, в промежутке между контактами образуется вакуум, который препятствует дальнейшему протеканию тока нагрузки и в следующий полупериод синусоиды дуговой разряд не может возникнуть.

      Благодаря такому принципу работы, обеспечивается хорошее быстродействие, а разрушение контактов при разряде минимальное.

Магнитный расщепитель

Механизм действия магнитного устройства приводится в действие подвижным сердечником. Расщепитель данного вида является соленоидом, через обмотку которого проходит ток, идущий через выключатель, при превышении номинального значения сердечник начинает втягиваться. Магнитный вид обладает свойством моментального срабатывания, чем не может похвастаться тепловой, но реакция происходит только в случае существенного превышения установленного порога. Используется несколько разновидностей, которые обладают различной степенью чувствительности.

В процессе расщепления возникает вероятность появления электрической дуги. Для предотвращения этого рядом с контактами размещается дугогасительная решетка, а сами элементы выполняются в особой форме.

Что такое воздушный автоматический выключатель?

• Устройство
• Принцип действия
• Область применения и назначение

Устройство

При отключении нагрузки, мощных потребителей, между расходящимися для отключения контактами возникает дуга, по силе не уступающая номинальному току. Во время данного явления образуется плазма, рост температуры, в результате чего может образоваться неконтролируемая самоподдерживающаяся дуга, способная расплавить контакты коммутатора и даже перекинутся на соседнюю фазу, вызвав фазное короткое замыкание, что может закончится выводом из строя дорогостоящего оборудования. Чтобы избежать подобного явления, было разработано устройство — камера дугогашения.

Наглядно конструкция воздушного выключателя рассмотрена на схеме ниже (нажмите на картинку для увеличения):

Принцип действия

В момент разрывания контактов возникает дуга. Достигая решетки камеры дугогашения, она начинает вытягиваться, а под действием тепла воздух, находящийся в камере, вытекает через решетки, увлекая дальше за собою продукты образованные плазмой, прекращая ее проявления физически.

Понимание процессов, происходящих в коммутируемых цепях, а также способы подавления нежелательных явлений, помогли создать достаточно компактные по размеру и весу аппараты, способные производить отключения тока сотнями ампер. На фото ниже представлен типичный представитель автоматического воздушного выключателя:

Область применения и назначение

Воздушные автоматы применяются для промышленных нужд, в сфере энергетики, частном секторе. На сегодняшний день разработаны разнообразные по величине и габаритам защитные устройства. От квартирных автоматических выключателей и до силового защитно-коммутационного оборудования выкатного типа, со встроенным контроллером параметров.

Теперь поговорим о том, для чего используются автоматы данного типа. Основное назначение воздушных автоматических выключателей — это защита электрооборудования и линий электропередач от токов короткого замыкания, а также от завышенной мощности потребления путем контроля величины количества тока, проходящего через контакты автомата.

Требования, предъявляемые к современным воздушным выключателям:

• неограниченное время пропуска номинального тока;
• многократное отключение токов короткого замыкания;
• малое время срабатывания;
• устойчивость к многократным термодинамическим нагрузкам;
• наличие внутренних защитных механизмов;
• селективность.

Благодаря относительной простоте конструкции они прочно заняли свое место под солнцем и к тому же продолжают совершенствоваться в техническом плане.

Напоследок рекомендуем просмотреть видео, на котором наглядно показывается, из чего состоит воздушный автомат:

Вот мы и рассмотрели назначение, принцип действия и устройство автоматического воздушного выключателя. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и интересной!

Также рекомендуем прочитать:

Дополнительная защита

Для предотвращения повреждения устройств, вызванного скачками напряжения, используется сетевая защита от пиков напряжения. Возможно два варианта монтажа таких аппаратов: на специальную рейку в электрическом шкафу при использовании для группы энергопотребителей или локально у определенного прибора.

Такие приспособления позволяют производить фильтрацию аварийных скачков напряжения во внешней сети и блокировать высокомощные потоки. Несмотря на то что до энергопотребителей пики напряжения не доходят, течение тока остается на прежнем уровне. Новейшие электронные схемы обеспечивают продолжительный период работы и быструю скорость срабатывания. Защита сети за счет электронных процессоров реагирует на превышение параметров в тысячные доли секунды.

Подготовка воздуха

Если распределительная подстанция оборудован этим типом выключатели то к воздуху, подаваемому в них тоже предъявляться ряд требований, направленных на подготовку воздуха его очистку и удаление влаги. Пыль, имеющаяся в воздухе, даже очень мелкая снижает разрядное напряжение, а также засоряет клапаны. Особую опасность вызывает влажность, которая при изменениях в окружающей среде может конденсироваться в воздуховоде. Из-за этого зимой, возможно, обледенение клапанов и труб, и нарушение проходимости воздуха под давлением. Стальные же элементы быстро ржавеют и изнашиваются. Появление конденсата на внутренней поверхности изоляторов, приводит к ухудшению электрической прочности и даже к пробоям.
Для очистки воздуха используются масляные фильтры, которые установлены на всасывающих патрубках. Чистка их должна быть регулярной, и чем выше запыленность тем меньше период между ними. Уменьшение влаги в воздухе производится путём подвергания его сжатию выше номинального давления в два раза. Влага, улавливаемая в змеевике, спускается, а сжатый воздух проходит через редуктор, который и снижает его давление. Дополнительная осушка выполнятся может с помощью абсорбентов, улавливающих воду из воздуха. Эти две беспрецедентные меры позволяют добиться значительного снижения влаги почти до нулевого значения.

Масляные выключатели

Различают масляные выключатели двух видов – баковые и маломасляные. Методы деионизации дугового промежутка в этих выключателях одинаковы. Различие заключается лишь в изоляции контактной системы от заземленного основания и в количестве масла.

До недавнего времени в эксплуатации находились баковые выключатели следующих типов: ВМ-35, С-35, а также выключатели серии У напряжением от 35 до 220 кВ. Баковые выключатели предназначены для наружной установки, в настоящее время не производятся.

Основные недостатки баковых выключателей: взрыво- и пожароопасность; необходимость периодического контроля за состоянием и уровнем масла в баке и вводах; большой объем, масла, что обусловливает большую затрату времени на его замену, необходимость больших запасов масла; непригодность для установки внутри помещений.

Поиск неисправности при срабатывании автоматического выключателя: алгоритм действий

Без особой причины автомат никогда не отключится, а значит, имеет место нештатная ситуация, заставившая обесточить цепь. Поэтому прежде чем включить его снова, нужно понять, почему он сработал, обнаружить неполадку, и устранить ее. Только после этого можно перевести устройство в рабочее состояние. Рассмотрим два наиболее распространенных срабатывания и алгоритм поиска неисправностей.

Выбивает автомат, отвечающий за линию розеток

• Сразу после срабатывания защиты следует отключить от розеток, подключенных к этому автоматическому выключателю, всех потребителей. Стоит прикинуть суммарную нагрузку, которая была подключена. Есть вероятность, что была непроизвольная перегрузка линии. Это нужно учесть, и в дальнейшем не допускать одновременного включения большого количества потребителей.
• Включить автомат, если повторного срабатывания защиты не произошло, то, скорее всего, произошла перегрузка линии или короткое замыкание в каком-либо из электроприборов. Если устройство защиты не включается, то можно говорить о коротком замыкании или в контактах розетки, или в самом подводящем кабеле.

Порядок действий, если автоматический выключатель отключился без нагрузки

• Осмотреть розетки на предмет подгораний, если таковые есть, то разобрать или заменить.
• Визуальный осмотр ничего не дал, то стоит допустить, что произошел пробой изоляции в подводящих проводах.
• Возможен слабый контакт или неисправность самого автомата. После устранения неполадки или замены можно пробовать подать напряжение на линию.

Порядок действий, если автомат включился без нагрузки

• Выключить устройство защиты и подключить к той же розетке один из электроприборов, который был ранее сюда включен.
• Включить автоматический выключатель, если он опять сработал, то данный прибор неисправен. Если срабатывания не произошло, то включить по очереди все потребители, которые работали до момента отключения защиты. Таким образом можно найти неисправный электроприбор.

Срабатывает автоматическая защита, отвечающая за линию освещения

Неисправность в линиях освещения обнаруживается, как правило, в момент включения люстры. Здесь сразу все понятно, но такая ситуация бывает не всегда. Как же тогда поступить? Алгоритм действий простой и вполне доступен любому:

• Перевести все клавиши выключателей в режим «Выключено». Этим обесточивается фазный провод, идущий на светильники.
• Выкрутить лампочки, осмотреть их и патроны – обычно после КЗ на лампе и цоколе остаются следы нагара. Где обнаружены такие последствия, там и произошла неисправность. Светильник нужно демонтировать, осмотреть состояние проводки и патрона, при необходимости заменить.
• Когда ничего подозрительного на лампах и патронах не обнаружено – включить автомат. Если он снова сработал, то стоит искать замыкание в самой проводке. Это может случиться как в распределительной коробке, так и где-либо по линии. Второй вариант – автоматический выключатель включился, значит, идем дальше.

• Теперь время включать поочередно освещение, если на какой-то клавише сработал автомат, то нужно искать поломку в проводке данного светильника.
• Если после включения выключателей защита не сработала, нужно ввернуть все лампочки на место, и пробовать поочередно включать клавиши. Это поможет обнаружить дефектную лампочку.

Выполняя любые работы по поиску неисправностей, будьте аккуратны и осторожны, потому что не исключены повторные короткие замыкания. При малейших сомнениях лучше обратиться к специалистам-электрикам, которые имеют опыт подобной работы.

Режимы работы и нагрева электрических аппаратов

Любые устройства, вне зависимости от области применения и характера, выполняемых ими функций, рассчитаны на определенные режимы эксплуатации. Электрические аппараты могут работать в кратковременном, повторно-кратковременном, продолжительном и прерывисто продолжительном режиме.

Существует два вида режимов нагрева электрических аппаратов: установившийся и переходный. Процесс нагрева можно считать установившимся в том случае, если спустя один час нагрева, температура электрического аппарата возрастет не более чем на 1С.

Для того чтобы рассчитать значение температуры в переходном режиме, необходимо использовать уравнение теплового баланса.

Тепловой расщепитель

Биметаллическая пластина, из которой состоит расщепитель теплового вида, нагревается протекающим напряжением. Механизм расщепления происходит после изгибания пластины, вызванного прохождением тока с напряжением, выше установленного значения. Свойства тока напрямую влияют на период реагирования, который может находиться в пределах часа. Элемент срабатывает на напряжение, установленное в ходе производства. Воздушный выключатель ВНВ может использоваться сразу после того, как пластина достигнет нормальной температуры, что нехарактерно для поплавкового предохранителя.

Принцип действия

В основу работы выключателя положен принцип гашения электродуги скоростным потоком сжатой воздушной смеси, подаваемого в дутьевые каналы. Под воздействием воздушного потока столб разряда растягивается и направляется в дутьевые каналы, где окончательно гасится.

Конструкции дугогасительных камер отличаются как взаимным расположением дутьевых каналов, так и размыкающихся контактов. По этому признаку следующие схемы дутья:

1. Продольная продувка через металлический канал.
2. Продольная продувка через изоляционный канал.
3. Двухстороння симметричная продувка.
4. Двухсторонняя ассиметричная.

Схемы дутья Из представленных вариантов наиболее эффективен последний.

Подготовка воздуха

Распределительное устройство, оборудованное воздушными выключателями, нуждается в установке для подготовки воздуха высокого давления, его очистки и осушки. Пыль, содержащаяся в воздухе, засоряет клапаны, создает неплотности, снижает разрядное напряжение изоляции. Особенно опасна влага, которая при понижении температуры может конденсироваться в воздуховодах.

Очистка воздуха от пыли производится с помощью фильтров, устанавливаемых на всасывающих патрубках компрессоров. Применение получили масляные (висциновые) фильтры, которые имеют ряды металлической сетки, смоченной маслом с низкой температурой замерзания. При прохождении воздуха через фильтр пыль оседает па поверхности масла.

Образовавшуюся в охлаждающем змеевике воду спускают. После этого воздух подвергают расширению через редукционный клапан, чтобы снизить давление до рабочего. Вследствие увеличения объема воздуха его относительная влажность, представляющая собой отношение массы водяного пара, содержащегося в воздухе, к максимально возможному содержанию его, т.е.

Для надежной работы выключателей осушка воздуха описанным способом недостаточна, поскольку колебания температуры при наружной установке значительны. Приходится принимать меры к дальнейшему уменьшению содержания влаги с помощью адсорбентов, т.е. веществ, обладающих способностью поглощать влагу. К ним относятся силикагель (SiO•Н20), алюмогель (Аl203хН20) и др.

Осушка воздуха термодинамическим способом с последующей обработкой его адсорбентами позволяет получить воздух с ничтожным содержанием водяного пара, при котором точка росы лежит значительно ниже минимальной температуры воздуха летом и зимой.

В качестве компрессоров используют многоступенчатые компрессоры двойного действия с воздушным охлаждением и приводом от асинхронных электродвигателей.

Воздуховоды изготовляют из стальных труб с антикоррозийным покрытием во избежание образования ржавчины, которая может быть занесена в выключатели.

Установка полностью автоматизирована. Компрессоры работают периодически. Пуск осуществляется от контактных манометров при понижении давления в ресиверах высокого давления. Подача воздуха через редукционные клапаны в ресиверы рабочего давления производится также автоматически при понижении давления в последних.

Достоинство воздушных выключателей по сравнению с масляными заключается в их быстродействии. Однако воздушные выключатели значительно сложнее масляных и имеют большую стоимость.

В последнее время заметна тенденция к замене части воздушных выключателей элегазовыми. Так, например, воздушные выключатели 110 и 220 кВ нормального климатического исполнения сняты с производства и заменены элегазовыми.

Высоковольтные выключатели постоянного тока

Принцип действия высоковольтного выключателя постоянного тока схематично выглядит следующим образом:

• размыкаются контакты, в результате чего образуется электродуга;
• далее, происходит ограничение процесса нарастания тока;
• затем, идет уменьшение в цепи тока до показателей, которые обеспечивают самопроизвольное распадение дуги по причине ионизации промежутка;
• потом происходит процесс восстановления прочности между контактами.

При эксплуатации выключателей высокого тока между их контактами используются диэлектрические среды разного типа. По этому принципу оборудование классифицируется на несколько видов, рассмотренные ниже по тексту.

Маломасляные выключатели

Маломасляные выключатели (горшковые) получили широкое распространение в закрытых и открытых распределительных устройствах всех напряжений. Масло в этих выключателях в основном служит дугогасящей средой и только частично изоляцией между разомкнутыми контактами.

Изоляция токоведущих частей друг от друга и от заземленных конструкций осуществляется фарфором или другими твердыми изолирующими материалами. Контакты выключателей для внутренней установки находятся в стальном бачке (горшке), отсюда сохранилось название выключателей «горшковые».

Маломасляные выключатели напряжением 35 кВ и выше имеют фарфоровый корпус. Самое широкое применение получили выключатели 6-10 кВ подвесного типа (ВМГ-10, ВМП-10). В этих выключателях корпус крепится на фарфоровых изоляторах к общей раме для всех трех полюсов. В каждом полюсе предусмотрен один разрыв контактов и дугогасительная камера.

Конструктивные схемы маломасляных выключателей 1 – подвижный контакт; 2 – дугогасительная камера; 3 – неподвиж-ный контакт; 4 – рабочие контакты

При больших номинальных токах обойтись одной парой контактов (которые выполняют роль рабочих и дугогасительных) трудно, поэтому предусматривают рабочие контакты снаружи выключателя, а дугогасительные – внутри металлического бачка. При больших отключаемых токах на каждый полюс имеется два дугогасительных разрыва. По такой схеме выполняются выключатели серий МГГ и МГ на напряжение до 20 кВ включительно. Массивные внешние рабочие контакты 4 позволяют рассчитать выключатель на большие номинальные токи (до 9500 А). При напряжениях 35 кВ и выше корпус выключателя выполняется фарфоровым, серия ВМК – выключатель маломасляный колонковый). В выключателях 35, 110 кВ предусмотрен один разрыв на полюс, при больших напряжениях – два разрыва и более.

Недостатки маломасляных выключателей: взрыво- и пожароопасность, хотя и значительно меньшая, чем у баковых выключателей; невозможность осуществления быстродействующего АПВ; необходимость периодического контроля, доливки, относительно частой замены масла в дугогасительных бачках; трудность установки встроенных трансформаторов тока; относительно малая отключающая способность.

Область применения маломасляных выключателей – закрытые распределительные устройства электростанций и подстанций 6, 10, 20, 35 и 110 кВ, комплектные распределительные устройства 6, 10 и 35 кВ и открытые распределительные устройства 35 и 110 кВ.