Hochspannungsschalter: Klassifizierung, Gerät, Funktionsprinzip

Die Anforderungen an die Schalter sind wie folgt:

1) Zuverlässigkeit am Arbeitsplatz und Sicherheit für andere;

2) schnelle Reaktion – möglicherweise kurze Abschaltzeit;

3) Wartungsfreundlichkeit;

4) einfache Installation;

5) geräuschloser Betrieb;

6) relativ niedrige Kosten.

Die derzeit verwendeten Leistungsschalter erfüllen die aufgeführten Anforderungen mehr oder weniger. Entwickler von Leistungsschaltern sind jedoch bestrebt, die Eigenschaften der Leistungsschalter besser an die oben genannten Anforderungen anzupassen.

Ölschalter

Es gibt zwei Arten von Ölschaltern: Behälter- und Ölmangelschalter. Die Entionisierungsmethoden im Lichtbogenraum in diesen Schlüsseln sind die gleichen. Der einzige Unterschied besteht in der Isolierung des Kontaktsystems vom Erdboden und in der Ölmenge.

Bis vor kurzem funktionierten Tanks für Tanks der folgenden Typen: VM-35, S-35 sowie Schalter der U-Serie mit Spannungen von 35 bis 220 kV. Tankschalter sind für die externe Montage konzipiert und werden derzeit nicht hergestellt.

Die Hauptnachteile von Tankschaltern: Explosion und Feuer; die Notwendigkeit einer regelmäßigen Überwachung des Zustands und des Ölstands im Tank und in den Einlässen; eine große Ölmenge, die zu einem großen Zeitaufwand für den Ersatz führt, der Bedarf an großen Ölreserven; Nicht für die Innenaufstellung geeignet.

Ölmangelschalter

Weit verbreitet sind Ölmangelschalter (Topftyp). in geschlossenen und offenen Schaltanlagen alle Spannungen. Das Öl in diesen Schaltern dient hauptsächlich als Lichtbogenmedium und nur teilweise als Isolierung zwischen offenen Kontakten.

Die Isolierung spannungsführender Teile untereinander und von geerdeten Strukturen erfolgt mit Porzellan oder anderen festen Isoliermaterialien. Die Kontakte der Schalter für den Inneneinbau befinden sich in einem Stahlbehälter (Topf), weshalb die Bezeichnung „Topfschalter“ beibehalten wird.

Ölarme Leistungsschalter ab einer Spannung von 35 kV haben ein Porzellangehäuse. Am weitesten verbreitet sind Anhänger vom Typ 6-10 kV (VMG-10, VMP-10). Bei diesen Leistungsschaltern ist das Gehäuse auf Porzellanisolatoren an einem gemeinsamen Rahmen für die drei Pole befestigt. Jeder Pol verfügt über eine Kontaktunterbrechung und eine Lichtbogenkammer.

Konstruktionsschemata von Ölmangelschaltern 1 – beweglicher Kontakt; 2 – Lichtbogenkammer; 3 – fester Kontakt; 4 – Arbeitskontakte

Bei hohen Nennströmen ist es schwierig, mit einem Kontaktpaar (das als Betriebs- und Lichtbogenkontakte fungiert) zu arbeiten. Daher sind die Betriebskontakte außerhalb des Leistungsschalters vorgesehen und die Lichtbogenkontakte befinden sich in einem Metallbehälter. Bei hohen Abschaltströmen gibt es für jeden Pol zwei Lichtbogenunterbrechungen. Nach diesem Schema sind Schalter der Serien MGG und MG für Spannungen bis einschließlich 20 kV ausgelegt.Massive Außenkontakte 4 ermöglichen die Auslegung des Leistungsschalters für hohe Nennströme (bis 9500 A). Für Spannungen ab 35 kV besteht der Schalterkörper aus Porzellan, bei der VMK-Serie handelt es sich um einen Säulenschalter mit niedrigem Ölstand. Bei automatischen Leistungsschaltern 35, 110 kV ist eine Unterbrechung pro Pol vorgesehen, bei Hochspannung zwei oder mehr Unterbrechungen.

Nachteile von Ölmangelschaltern: Explosions- und Brandgefahr, allerdings deutlich geringer als bei Tankschaltern; Unfähigkeit, automatisches Hochgeschwindigkeitsschließen zu implementieren; die Notwendigkeit einer regelmäßigen Kontrolle, eines Nachfüllens und eines relativ häufigen Ölwechsels in Lichtbogentanks; die Schwierigkeit, eingebaute Stromwandler zu installieren; relativ geringe Schaltleistung.

Der Einsatzbereich von ölarmen Leistungsschaltern sind geschlossene Schaltanlagen von Kraftwerken und Umspannwerken 6, 10, 20, 35 und 110 kV, komplette Schaltanlagen 6, 10 und 35 kV und offene Schaltanlagen 35 und 110 kV.

Weitere Einzelheiten finden Sie hier: Arten von Ölschaltern

Luftschalter

Offene Leistungsschalter für Spannungen ab 35 kV sind für die Abschaltung großer Kurzschlussströme ausgelegt. Luft wird mit einer Spannung von 15 kV betrieben und in Kraftwerken als Generator verwendet. Ihre Vorteile: schnelle Reaktion, hohe Schaltleistung, unbedeutendes Abbrennen der Kontakte, Verzicht auf teure und unzureichend zuverlässige Buchsen, Brandschutz, geringeres Gewicht im Vergleich zu Ölschaltern im Tank. Nachteile: das Vorhandensein einer umständlichen Luftwirtschaft, Explosionsgefahr, das Fehlen eingebauter Stromwandler, die Komplexität des Geräts und der Bedienung.

Bei Luftschaltern wird der Lichtbogen mit Druckluft bei einem Druck von 2-4 MPa gelöscht, und die Isolierung spannungsführender Teile und der Lichtbogenlöscheinrichtung erfolgt aus Porzellan oder anderen festen Isoliermaterialien. Die Konstruktionsschemata von Luftschaltern sind unterschiedlich und hängen von ihrer Nennspannung, der Methode zur Schaffung eines Isolierspalts zwischen den Kontakten in der Aus-Position und der Art der Druckluftversorgung des Lichtbogenlöschgeräts ab.

Hochleistungs-Leistungsschalter verfügen über einen Haupt- und Lichtbogenstromkreis, der den ölarmen MG- und MGG-Leistungsschaltern ähnelt. Der Hauptteil des Stroms fließt in der geschlossenen Stellung des Schalters durch die Hauptkontakte 4, die geöffnet sind. Beim Ausschalten des Schalters öffnen sich zunächst die Hauptkontakte, dann fließt der gesamte Strom durch die geschlossenen Lichtbogenkontakte in Kammer 2. Während diese Kontakte geöffnet werden, wird Druckluft aus Tank 1 in die Kammer geleitet, es entsteht ein starker Löschstoß die Arche. Das Blasen kann längs oder quer erfolgen.

Die notwendige Isolationsstrecke zwischen den Kontakten in der Offenstellung wird im Lichtbogenlöschrohr durch einen ausreichenden Abstand der Kontakte erzeugt. Die nach dem Projekt hergestellten Schalter mit offenem Trenner werden für die Inneninstallation für Spannungen von 15 und 20 kV und Ströme bis 20.000 A (VVG-Serie) hergestellt. Bei dieser Art von Schaltern wird nach dem Abschalten des Abscheiders 5 die Druckluftzufuhr zu den Kammern unterbrochen und die Lichtbogenkontakte geschlossen.

Konstruktionsdiagramme von Luftschaltern 1 – Tank für Druckluft; 2 – Lichtbogenkammer; 3 – Überbrückungswiderstand; 4 – Hauptkontakte; 5 – Trennzeichen; 6 – kapazitiver Spannungsteiler für 110 kV – zwei Unterbrechungen pro Phase (d)

Bei offenen Leistungsschaltern für offene Installation für eine Spannung von 35 kV (VV-35) ist eine Unterbrechung pro Phase ausreichend.

Bei Schaltern mit einer Spannung von 110 kV und mehr öffnen sich nach dem Erlöschen des Lichtbogens die Kontakte des Abscheiders 5 und die Abscheiderkammer bleibt in der Aus-Stellung die ganze Zeit über mit Druckluft gefüllt. In diesem Fall wird der Lichtbogenkammer keine Druckluft zugeführt und die Kontakte darin sind geschlossen.

Nach diesem Konstruktionsschema werden Leistungsschalter der VV-Serie für Spannungen bis 500 kV erstellt. Je höher die Nennspannung und je höher die Grenzleistung, desto mehr Unterbrechungen müssen in der Lichtbogenkammer und im Abscheider vorhanden sein.

Luftgefüllte Leistungsschalter der VVB-Serie werden nach dem Konstruktionsschema in Abb. D hergestellt. Die Spannung des VVB-Moduls beträgt 110 kV bei einem Druckluftdruck in der Feuerlöschkammer von 2 MPa. Die Nennspannung des VVBK-Leistungsschaltermoduls (großes Modul) beträgt 220 kV und der Luftdruck in der Löschkammer beträgt 4 MPa. Leistungsschalter der VNV-Serie haben ein ähnliches Konstruktionsschema: ein Modul mit einer Spannung von 220 kV bei einem Druck von 4 MPa.

Bei Leistungsschaltern der VVB-Serie hängt die Anzahl der Lichtbogenkammern (Module) von der Spannung ab (110 kV – eins; 220 kV – zwei; 330 kV – vier; 500 kV – sechs; 750 kV – acht) und bei großen Leistungsschaltermodule (VVBK, VNV), Module mit jeweils doppelt so vielen Nummern.

Leistungsschalter SF6

SF6-Gas (SF6 – Schwefelhexafluorid) ist ein Inertgas mit einer fünfmal größeren Dichte als Luft. Die elektrische Festigkeit von SF6-Gas ist zwei- bis dreimal höher als die von Luft. Bei einem Druck von 0,2 MPa ist die Spannungsfestigkeit von SF6-Gas mit der von Erdöl vergleichbar.

In SF6-Gas bei atmosphärischem Druck kann ein Lichtbogen mit einem Strom gelöscht werden, der 100-mal höher ist als der Strom, der unter gleichen Bedingungen in Luft unterbrochen wird. Die außergewöhnliche Fähigkeit des SF6-Gases, den Lichtbogen zu löschen, erklärt sich aus der Tatsache, dass seine Moleküle die Elektronen der Lichtbogensäule einfangen und relativ unbewegliche negative Ionen bilden. Durch den Elektronenverlust wird der Lichtbogen instabil und kann leicht gelöscht werden. Im SF6-Gasstrom, also beim Gasstrahlen, ist die Aufnahme von Elektronen aus der Lichtbogensäule noch intensiver.

SF6-Leistungsschalter verwenden autopneumatische (selbstkomprimierende) Lichtbogenlöschvorrichtungen, bei denen Gas während der Auslösung durch eine Kolbenvorrichtung komprimiert und in den Lichtbogenbereich geleitet wird. Der SF6-Leistungsschalter ist ein geschlossenes System ohne Gasemissionen nach außen.

Derzeit werden SF6-Leistungsschalter für alle Spannungsklassen (6–750 kV) bei einem Druck von 0,15–0,6 MPa eingesetzt. Für Schalter mit höheren Spannungsklassen wird ein erhöhter Druck verwendet. Bewährt haben sich SF6-Leistungsschalter folgender ausländischer Firmen: ALSTOM; SIEMENS; Merlin Guerin und andere. Die Produktion moderner SF6-Leistungsschalter der PO „Uralelectrotyazmash“ wird beherrscht: Tankleistungsschalter der Serien VEB, VGB und Säulenschalter der Serien VGT, VGU.

Betrachten Sie als Beispiel den Entwurf eines 6-10-kV-NF-Leistungsschalters von Merlin Gerin.

Das Grundmodell des Leistungsschalters besteht aus folgenden Elementen:

— das Gehäuse des Leistungsschalters, in dem sich alle drei Pole befinden und einen „Druckbehälter“ darstellt, der mit SF6-Gas bei geringem Überdruck (0,15 MPa oder 1,5 atm) gefüllt ist;

— mechanischer Antrieb Typ RI;

— Frontplatte des Stellantriebs mit manuellem Federladegriff und Statusanzeigen für Feder und Schutzschalter;

— Kontaktpads für die Hochspannungsversorgung;

— Mehrpoliger Steckverbinder zum Anschluss sekundärer Schaltkreise.

Vakuum-Leistungsschalter

Die Spannungsfestigkeit von Vakuum ist deutlich höher als die anderer Medien, die in Leistungsschaltern verwendet werden. Dies wird durch die Zunahme der mittleren freien Weglänge von Elektronen, Atomen, Ionen und Molekülen bei abnehmendem Druck erklärt. Im Vakuum übersteigt die mittlere freie Weglänge der Partikel die Abmessungen der Vakuumkammer.

Spannungserholungsfestigkeit von 1/4 Zoll nach einer Stromunterbrechung von 1600 A im Vakuum und in verschiedenen Gasen bei atmosphärischem Druck

Unter diesen Bedingungen kommt es wesentlich häufiger zu Partikelstößen auf die Kammerwände als zu Partikel-zu-Partikel-Kollisionen. Die Abbildung zeigt die Abhängigkeit der Durchbruchspannung von Vakuum und Luft vom Abstand zwischen Elektroden mit einem Durchmesser von 3/8 « Wolfram. Bei einer so hohen Spannungsfestigkeit kann der Abstand zwischen den Kontakten sehr gering sein (2 – 2,5 cm), sodass auch die Kammerabmessungen relativ klein sein können...

Der Prozess der Wiederherstellung der elektrischen Festigkeit des Spalts zwischen den Kontakten bei stromlosem Strom erfolgt im Vakuum viel schneller als in Gasen. Das Vakuumniveau (Restgasdruck) in modernen industriellen Lichtbogenkanälen beträgt normalerweise Pa. Gemäß der Theorie der elektrischen Festigkeit von Gasen werden die erforderlichen Isoliereigenschaften des Vakuumspalts auch bei niedrigeren Vakuumniveaus (in der Größenordnung von Pa) erreicht, für den aktuellen Stand der Vakuumtechnologie ist jedoch die Schaffung und Aufrechterhaltung des Vakuumspalts erforderlich Der Pa-Wert stellt während der gesamten Lebensdauer der Vakuumkammer kein Problem dar.Dadurch stehen den Vakuumkammern elektrische Kraftreserven für die gesamte Lebensdauer (20-30 Jahre) zur Verfügung.

Eine typische Konstruktion eines Vakuum-Leistungsschalters ist in der Abbildung dargestellt.

Blockschaltbild eines Vakuumbrechers

Das Design der Vakuumkammer besteht aus einem Paar Kontakten (4; 5), von denen einer beweglich ist (5), die in einer vakuumdichten Hülle eingeschlossen sind, die mit Keramik- oder Glasisolatoren (3; 7) oben und unten aus Metall verschweißt ist Abdeckungen (2; 8) ) und Metallschild (6). Die Bewegung des beweglichen Kontakts relativ zum festen wird durch eine Hülse (9) sichergestellt. Die Kamerakabel (1; 10) dienen zum Anschluss an den Hauptschalterstromkreis.

Zu beachten ist, dass für die Herstellung des Vakuumkammergehäuses ausschließlich spezielle vakuumbeständige, von gelösten Gasen gereinigte Metalle, Kupfer und Sonderlegierungen sowie Spezialkeramiken verwendet werden. Die Kontakte der Vakuumkammer bestehen aus einer Metall-Keramik-Zusammensetzung (in der Regel handelt es sich um Kupfer-Chrom im Verhältnis 50–50 % oder 70–30 %), die eine hohe Schaltleistung und Verschleißfestigkeit bietet und verhindert die Entstehung von Schweißstellen auf der Kontaktfläche. Zylindrische Keramikisolatoren sorgen zusammen mit einem Vakuumspalt an offenen Kontakten für die Isolierung zwischen den Kammeranschlüssen, wenn der Schalter ausgeschaltet ist.

Tavrida-electric hat einen neuen Vakuum-Leistungsschalter mit Magnetverriegelung auf den Markt gebracht. Sein Design basiert auf dem Prinzip der Ausrichtung des Antriebselektromagneten und des Vakuumschalters in jedem Pol des Schalters.

Der Schalter schließt in der folgenden Reihenfolge.

Im Ausgangszustand sind die Kontakte der Vakuumschaltkammer aufgrund der Einwirkung der Schließfeder 7 über den Zugisolator 5 auf sie geöffnet. Beim Anlegen einer Spannung positiver Polarität an die Spule 9 des Elektromagneten wird der magnetische Fluss unterbrochen sammelt sich im Spalt des Magnetsystems.

In dem Moment, in dem die durch den Magnetfluss erzeugte Druckkraft des Ankers die Kraft der Anschlagfeder 7 übersteigt, beginnt sich der Anker 11 des Elektromagneten zusammen mit dem Traktionsisolator 5 und dem beweglichen Kontakt 3 der Vakuumkammer zu bewegen nach oben und drückt die Feder zum Stoppen zusammen. In diesem Fall entsteht in der Wicklung eine Motor-EMK, die einen weiteren Stromanstieg verhindert und diesen sogar etwas reduziert.

Bei der Bewegung erreicht der Anker eine Geschwindigkeit von ca. 1 m/s, was Vorschäden beim Einschalten vermeidet und das Prellen der VDK-Kontakte verhindert. Bei geschlossenen Vakuumkammerkontakten verbleibt im Magnetsystem ein zusätzlicher Kompressionsspalt von 2 mm. Die Geschwindigkeit des Ankers nimmt stark ab, da er auch die Federkraft der zusätzlichen Vorspannung des Kontakts 6 überwinden muss. Unter dem Einfluss der durch den magnetischen Fluss und die Trägheit erzeugten Kraft bewegt sich der Anker 11 jedoch weiter nach oben, Zusammendrücken der Feder für den Anschlag 7 und einer zusätzlichen Feder zum Vorspannen der Kontakte 6.

Im Moment des Schließens des Magnetsystems berührt der Anker die obere Abdeckung des Antriebs 8 und stoppt. Nach dem Schließvorgang wird der Strom zur Antriebsspule abgeschaltet. Der Schalter bleibt aufgrund der durch ihn erzeugten Restinduktion in der geschlossenen Position Ring-Permanentmagnet 10, der den Anker 11 ohne zusätzliche Stromversorgung in gezogener Position zum oberen Deckel 8 hält.

Um den Schalter zu öffnen, muss eine negative Spannung an die Spulenanschlüsse angelegt werden.

Derzeit sind Vakuum-Leistungsschalter die dominierenden Geräte für elektrische Netze mit einer Spannung von 6-36 kV. Damit erreicht der Anteil der Vakuum-Leistungsschalter an der Gesamtzahl der hergestellten Geräte in Europa und den USA 70 %, in Japan 100 %. In Russland verzeichnete dieser Anteil in den letzten Jahren einen stetig steigenden Trend und überschritt 1997 die 50-Prozent-Marke. Die Hauptvorteile von Sprengstoffen (im Vergleich zu Öl- und Gasschaltern), die das Wachstum ihres Marktanteils bestimmen, sind:

— höhere Zuverlässigkeit;

— geringere Wartungskosten.
Siehe auch: Hochspannungs-Vakuum-Leistungsschalter – Aufbau und Funktionsprinzip