Управление высоковольтными выключателями
Операции по включению, отключению и повторному включению осуществляются дистанционно оператором или соответствующим автоматическим устройством с помощью приводных устройств или приводов, которые у всех выключателей, кроме воздушных, состоят из следующих частей: отключающих пружин, напряженных в положении «включено»; устройства, запирающего подвижную часть выключателя в положении «включено»; устройства, освобождающего подвижную часть выключателя при отключении; двигателя, выполняющего работу включения, в качестве которого используют электромагнит, пневматическое поршневое устройство, напряженные пружины; передаточного механизма, связывающего двигатель с подвижными контактами.
Приводы воздушных выключателей отличаются отсутствием отключающих пружин, устройством передаточного механизма и двигателя и др.
Источником энергии, необходимой для управления выключателем, является электрическая система. Однако энергия из системы не поступает непосредственно в привод, а предварительно преобразуется и аккумулируется в том или ином виде, например в аккумуляторных батареях для электромагнитных приводов, в ресиверах сжатого воздуха для пневматических приводов, в напряженных пружинах в пружинных привода. Аккумуляторы энергии любого вида обеспечивают работу привода в аварийных условиях при отсутствии энергии в рассматриваемой части системы.
Приводы должны отвечать следующим требованиям:
- они должны быть исключительно надежными в эксплуатации;
- привод может находиться в бездействии в течение недель и месяцев и при подаче команды на отключение должен сработать также хорошо, как после только что проведенного ремонта и испытания;
- операции включения, отключения, многократного повторного включения должны протекать в течение минимального времени;
- должна быть обеспечена возможность включения выключателя при временном нарушении работы станции, подстанции и отсутствии энергии в рассматриваемой части системы.
Передаточный механизм
Передача движения от двигателя к контактной системе осуществляется с помощью передаточного механизма выключателя, состоящего из ряда плоских шарнирных четырехзвенников, валов, рычагов, тяг и других элементов. В качестве примера на рис.1 приведена схема передаточного механизма бакового масляного выключателя.
Рис.1. Схема передаточного механизма бакового масляною выключателя
Процесс включения протекает следующим образом. Шток подвижного органа двигателя (на схеме не показан), являющегося частью привода 1, давят на ролик 4 снизу вверх и поворачивает рычаг 3-4 по часовой стрелке приблизительно на угол 90°. С помощью четырехзвенников 3,4,5,6 и 6,7,8,9 движение передается к валу 9 и далее с помощью четырехзвенника 9,10,11,12 - к валу 12 полюса А. С помощью аналогичных четырехзвенников движение передается к валам полюсов В и С, связанным между собой общей тягой 19. Дальнейшая передача движения к контактным траверсам 18 осуществляется с помощью выпрямляющих устройств полюсов. Каждое такое устройство имеет неподвижные шарниры 12 и 16, рычаги 12-14, 15-16 и коромысло 13-14-15. При вращении рычагов 12-14 и 15-16 шарнир 13 перемещается вверх по траектории, близкой к вертикальной прямой, и поднимает изолирующую штангу 17 с контактной траверсой. Когда двигатель доведет механизм до положения «включено», подача энергии к двигателю автоматически прерывается и механизм запирается. Реакцию отключающих пружин 20, а также пружин контактной системы 21 и 22 воспринимает упор 2, на который садится ролик 4. Стрелки на рисунке указывают направление сил реакции пружин 20, 21 и 22.
Свойства передаточного механизма выключателя можно частично уяснить с помощью статических характеристик, каждая из которых представляет собой зависимость равнодействующей сил сопротивления, отнесенных к какой-либо точке механизма, от рабочего хода этой точки при скорости, близкой к нулю. Силы инерции при этом отсутствуют.
Рис.2. Статические характеристики передаточного механизма бакового выключателя
На рис.2 приведены две такие характеристики, из которых первая Рк(H) отнесена к контактной траверсе, а вторая Рд(h) - к подвижному органу двигателя. По оси абсцисс отложены ход контактной траверсы Н и соответственно ход двигателя h в долях полного рабочего хода. Как видно из рисунка, характеристика Рк(H) представляет собой ломаную линию. В начале хода сила сопротивления относительно мала и резко увеличивается при подходе к положению «включено». Точки 1 и 2 соответствуют замыканию дугогасительных и главных контактов выключателя; при этом сила сопротивления увеличивается скачком. Статическая характеристика Рд(h), отнесенная к валу привода, значительно ровнее, что достигается соответствующим выбором размеров рычагов и положения опор. Таким образом, механизм выключателя преобразует силы и моменты и тем самым облегчает работу двигателя.
При проектировании механизма выключателя должны быть также учтены силы инерции. Последние зависят от массы движущихся частей и характера изменения скорости в процессе включения. В начале движения скорость этих частей быстро увеличивается и сила инерции максимальна. Далее она уменьшается, достигает нуля и в конце хода, когда скорость уменьшается, изменяет направление, содействуя двигателю. Избыточная энергия поглощается амортизаторами.
Устройство, освобождающее подвижную часть выключателя. Как указано выше, в положении «включено» механизм выключателя заперт; отключающие пружины напряжены. Чтобы отключить выключатель, необходимо освободить подвижную систему механизма с помощью небольшого электромагнита. При этом отключающие и другие пружины приходят в действие и сообщают контактной системе необходимую скорость. Отключающее устройство должно обеспечивать возможность беспрепятственного отключения выключателя не только из положения «включено», но также на любой стадии незавершенного процесса включения, когда двигатель еще работает на включение. Это требование связано с установившейся практикой автоматического повторного включения воздушных линий, при котором возможно включение на КЗ. В этом случае быстродействующая релейная защита подает команду на отключение до завершения операции включения. Подвижный орган двигателя не должен препятствовать немедленному отключению выключателя.
Мощность, необходимая для освобождения механизма выключателя, невелика по сравнению с мощностью, необходимой для включения. Поэтому замыкание цепи электромагнита отключения может быть выполнено малогабаритными контактами реле.
Механическое устройство, обеспечивающее свободное отключение выключателя независимо от положения подвижного органа двигателя, называют устройством свободного механического расцепления.
Большинство приводов снабжено такими устройствами. Они отсутствуют в некоторых пневматических приводах, где свободное отключение обеспечивается другими способами.
Электромагнитные приводы
Двигатель электромагнитного привода (рис.3,а) состоит из следующих частей: магнитопровода 1, сердечника 2, неподвижного "стопа" 3, катушки 4. Последняя имеет две секции, которые расположены внутри магнитопровода. Они включаются параллельно или последовательно в зависимости от номинального напряжения сети постоянного тока (110 или 220 В). В торец сердечника 2 ввинчен шток 5, который в процессе включения упирается в ролик ведущего рычага передаточного механизма и поворачивает его по часовой стрелке.
Рис.3. Двигатель электромагнитного привода (а) и
статические характеристики электромагнита постоянного тока (б)
Тяговая сила F электромагнита зависит от тока и положения сердечника (рис.3,б). Цифры у кривых указывают значение тока в долях номинального Iном= Uном/R, где R - сопротивление обмотки.
Как видно из рисунка, тяговая сила увеличивается по мере уменьшения расстояния h и достигает максимального значения при подходе к положению «включено». Такая характеристика соответствует статической характеристике выключателя.
Рис.4. Процесс включения электромагнитного привода:
а - изменение тока;
б - ход подвижной системы выключателя
В процессе включения ток и магнитный поток электромагнита непрерывно изменяются. Сначала при замыкании цепи ток увеличивается приблизительно экспоненциально, пока не достигнет значения, достаточного для трогания нагруженного сердечника (рис.4,а). Время, необходимое для такого нарастания тока, относительно велико (0,2с). Когда ток достигнет необходимого значения, начинается движение сердечника. Скорость его быстро увеличивается, а скорость нарастания тока уменьшается. При включении выключателя на ненагруженную цепь ток в цепи не успевает достигнуть установившегося значения. Если же включение происходит на КЗ, то возникают электродинамические силы, препятствующие движению сердечника и завершению операции включения. Скорость сердечника резко уменьшается, что вызывает увеличение тока в электромагните и увеличение тяговой силы. Сердечник вновь увеличивает скорость и доводит подвижную систему выключателя до положения «включено» (рис.4,б). Если мощность электромагнита недостаточна, происходит сильное торможение сердечника и опасность оплавления контактов, поскольку давление в них недостаточно.
Электромагнитные приводы относятся к приводам медленного действия. Собственное время привода (от момента подачи команды на включение до момента трогания) составляет большую часть полного времени включения. Последнее достигает 0,5с и более.
Для питания электромагнитных приводов необходима аккумуляторная батарея достаточной емкости, обычно предусматриваемая на станциях в качестве независимого от энергосистемы вспомогательного источника энергии. Однако на большей части понижающих подстанций установка аккумуляторных батарей экономически не оправдывается. В этих условиях применение электромагнитных приводов возможно только при питании от сети переменного тока через индивидуальные полупроводниковые выпрямители. Но такая схема не обеспечивает возможность включения выключателя при нарушении электроснабжения. Поэтому применение электромагнитных приводов при отсутствии аккумуляторной батареи нецелесообразно. В последнее время в связи с увеличением отключающей способности выключателей и повышением требований к быстродействию электромагнитные приводы вытесняются более совершенными пневматическими приводами.
Пневматические приводы
Уральский завод Электротехнического машиностроения (УЭТМ) для баковых масляных выключателей серий У-110 и У-220 изготовляет пневматические приводы, особенность которых заключается в том, что подача сжатого воздуха в рабочий цилиндр регулируется в процессе включения с помощью дроссельного устройства (рис.5).
Рис.5. Пневматический привод:
1 - силовой пневмоцилиндр с поршнем; 2 - шток;
3 - рычажный механизм для передачи движения к выключателю;
4 - отключающий механизм; 5 - электромагнит отключения;
6 - корпус дросселирующей приставки с золотником;
7 - пусковой клапан с электромагнитом включения
В начале процесса включения, когда силы противодействия малы, подача воздуха невелика. К моменту замыкания контактов, когда силы противодействия резко увеличиваются, подача воздуха также увеличивается и незадолго до посадки механизма на упор подача воздуха в цилиндр прекращается. При таком регулировании уменьшаются время включения и нагрузка на элементы привода и выключателя.
Пружинные приводы
Эти приводы в качестве двигателя и аккумулятора энергии имеют пружину, которая может быть напряжена через редуктор от небольшого электродвигателя переменного тока. Редуктор представляет собой зубчатую передачу с большим передаточным числом.
Двигатель соединяют с редуктором через фрикционную муфту. Предусматривают также устройство для завода пружины от руки в случае потери источника энергии.
Для включения выключателя необходимо освободить напряженную пружину с помощью особого устройства, управляемого небольшим электромагнитом постоянного или переменного тока. Как только процесс включения закончен, включается электродвигатель и пружина заводится вновь. Теперь привод готов к повторному включению, если такое потребуется. Второе повторное включение (в случае, если первое окажется неуспешным) также возможно, но не ранее чем через 5-10 с после первого включения. За это время пружина будет вновь заведена электродвигателем. Таким образом, пружинный привод с автоматическим заводом от электродвигателя обеспечивает возможность многократного повторного включения с интервалами 5-10с.