Interruttori ad alta tensione: classificazione, dispositivo, principio di funzionamento

I requisiti per gli switch sono i seguenti:

1) affidabilità sul lavoro e sicurezza per gli altri;

2) risposta rapida — possibilmente breve tempo di spegnimento;

3) facilità di manutenzione;

4) facilità di installazione;

5) funzionamento silenzioso;

6) costo relativamente basso.

Gli interruttori automatici attualmente utilizzati soddisfano in misura maggiore o minore i requisiti elencati. I progettisti di interruttori automatici, tuttavia, si sforzano di abbinare meglio le caratteristiche degli interruttori automatici ai requisiti di cui sopra.

Interruttori dell'olio

Esistono due tipi di interruttori dell'olio: serbatoio e olio basso. I metodi di deionizzazione dello spazio dell'arco in queste chiavi sono gli stessi. L'unica differenza è nell'isolamento del sistema di contatto dalla base a terra e nella quantità di olio.

Fino a poco tempo fa funzionavano serbatoi per serbatoi dei seguenti tipi: VM-35, S-35, nonché interruttori della serie U con tensioni da 35 a 220 kV. Gli interruttori serbatoio sono progettati per il montaggio esterno, attualmente non in produzione.

I principali svantaggi degli interruttori del serbatoio: esplosione e incendio; la necessità di un monitoraggio periodico delle condizioni e del livello dell'olio nel serbatoio e negli ingressi; un grande volume di petrolio, che comporta un grande investimento di tempo per la sua sostituzione, la necessità di grandi riserve di petrolio; non adatto per installazione interna.

Interruttori olio basso

Gli interruttori a basso livello di olio (tipo pot) sono ampiamente utilizzati in quadri chiusi e aperti tutte le tensioni. L'olio in questi interruttori serve principalmente come mezzo d'arco e solo parzialmente come isolamento tra contatti aperti.

L'isolamento delle parti in tensione l'una dall'altra e dalle strutture messe a terra viene effettuato con porcellana o altri materiali isolanti solidi. I contatti degli interruttori per il montaggio interno si trovano in un serbatoio di acciaio (pot), motivo per cui viene mantenuto il nome di interruttori "tipo pot".

Gli interruttori automatici a bassa tensione con tensione pari o superiore a 35 kV hanno un corpo in porcellana. I più utilizzati sono i pendenti del tipo 6-10 kV (VMG-10, VMP-10). In questi interruttori il corpo è fissato su isolatori in porcellana ad un telaio comune per i tre poli. Ogni polo ha un interruttore di contatto e uno spegniarco.

Schemi di progettazione degli interruttori a basso olio 1 - contatto mobile; 2 - scivolo d'arco; 3 — contatto fisso; 4 — contatti di lavoro

A correnti nominali elevate, è difficile operare con una coppia di contatti (che fungono da contatti operativi e d'arco), pertanto i contatti operativi sono forniti all'esterno dell'interruttore ei contatti d'arco sono in un serbatoio metallico. A correnti di rottura elevate, ci sono due interruzioni d'arco per ogni polo. Secondo questo schema, gli interruttori delle serie MGG e MG sono realizzati per tensioni fino a 20 kV inclusi.I massicci contatti operativi esterni 4 consentono di progettare l'interruttore automatico per correnti nominali elevate (fino a 9500 A). Per tensioni di 35 kV e superiori, il corpo dell'interruttore è realizzato in porcellana, la serie VMK è un interruttore a colonna con basso livello di olio). Negli interruttori automatici 35, 110 kV, viene fornita un'interruzione per polo, ad alta tensione - due o più interruzioni.

Svantaggi degli interruttori a basso olio: rischio di esplosione e incendio, anche se molto inferiore a quello degli interruttori del serbatoio; incapacità di implementare la chiusura automatica ad alta velocità; la necessità di controllo periodico, rabbocco, cambio dell'olio relativamente frequente nei serbatoi ad arco; la difficoltà di installare trasformatori di corrente incorporati; capacità di interruzione relativamente bassa.

Il campo di applicazione degli interruttori automatici a basso olio sono quadri chiusi di centrali elettriche e sottostazioni 6, 10, 20, 35 e 110 kV, quadri completi 6, 10 e 35 kV e quadri aperti 35 e 110 kV.

Vedi qui per maggiori dettagli: Tipi di interruttori dell'olio

Interruttori d'aria

Gli interruttori automatici aperti per tensioni di 35 kV e superiori sono progettati per interrompere grandi correnti di cortocircuito. L'aria viene accesa con una tensione di 15 kV utilizzata nelle centrali elettriche come generatore. I loro vantaggi: risposta rapida, elevata capacità di interruzione, bruciatura insignificante dei contatti, mancanza di boccole costose e insufficientemente affidabili, sicurezza antincendio, minor peso rispetto agli interruttori dell'olio nel serbatoio. Svantaggi: presenza di ingombranti risparmi d'aria, pericolo di esplosione, mancanza di trasformatori di corrente incorporati, complessità del dispositivo e funzionamento.

Negli interruttori ad aria, l'arco viene spento con aria compressa alla pressione di 2-4 MPa, e l'isolamento delle parti in tensione e il dispositivo di estinzione dell'arco sono realizzati con porcellana o altri materiali isolanti solidi. Gli schemi di progettazione degli interruttori pneumatici sono diversi e dipendono dalla loro tensione nominale, dal metodo per creare uno spazio isolante tra i contatti in posizione off e dal metodo per fornire aria compressa al dispositivo di estinzione dell'arco.

Gli interruttori automatici di alta qualità hanno un circuito principale e d'arco simile agli interruttori automatici MG e MGG a basso contenuto di olio. La parte principale della corrente nella posizione chiusa dell'interruttore passa attraverso i contatti principali 4, che si trovano aperti. Quando l'interruttore è spento, i contatti principali si aprono prima, quindi tutta la corrente passa attraverso i contatti dell'arco chiusi nella camera 2. Mentre questi contatti si aprono, l'aria compressa dal serbatoio 1 viene immessa nella camera, si crea una potente esplosione che spegne l'arco. Il soffiaggio può essere longitudinale o trasversale.

Il necessario spazio di isolamento tra i contatti in posizione aperta viene creato nello spegniarco separando i contatti di una distanza sufficiente. Gli interruttori realizzati su progetto con sezionatore aperto sono prodotti per installazione interna per tensioni 15 e 20 kV e correnti fino a 20.000 A (serie VVG). Con questo tipo di interruttori, dopo aver disinserito il separatore 5, si interrompe l'alimentazione di aria compressa alle camere e si chiudono i contatti d'arco.

Schemi costruttivi interruttori aria 1 - serbatoio per aria compressa; 2 - scivolo d'arco; 3 - resistore di shunt; 4 — contatti principali; 5 — separatore; 6 - partitore di tensione capacitivo per 110 kV - due interruzioni per fase (d)

Negli interruttori aperti per installazione aperta per tensione 35 kV (VV-35), è sufficiente avere una interruzione per fase.

Negli interruttori con una tensione di 110 kV e oltre, dopo che l'arco si è spento, i contatti del separatore 5 si aprono e la camera del separatore rimane sempre piena di aria compressa nella posizione di spegnimento. In questo caso, l'aria compressa non viene fornita alla camera d'arco e i contatti al suo interno sono chiusi.

Gli interruttori automatici della serie VV per tensioni fino a 500 kV sono creati secondo questo schema di progettazione. Più alta è la tensione nominale e più alta è la potenza di limitazione, più interruzioni ci devono essere nella camera d'arco e nel separatore.

Gli interruttori automatici riempiti d'aria della serie VVB sono realizzati secondo lo schema di progettazione in Fig., D. La tensione del modulo VVB è di 110 kV a una pressione dell'aria compressa nella camera antincendio di 2 MPa. La tensione nominale del modulo interruttore automatico VVBK (modulo grande) è di 220 kV e la pressione dell'aria nella camera di spegnimento è di 4 MPa. Gli interruttori automatici della serie VNV hanno uno schema di progettazione simile: un modulo con una tensione di 220 kV a una pressione di 4 MPa.

Per gli interruttori automatici della serie VVB, il numero di camere d'arco (moduli) dipende dalla tensione (110 kV — uno; 220 kV — due; 330 kV — quattro; 500 kV — sei; 750 kV — otto) e per interruttori di grandi dimensioni moduli interruttore (VVBK, VNV), rispettivamente moduli con numero due volte inferiore.

Interruttori automatici SF6

Il gas SF6 (SF6 — esafluoruro di zolfo) è un gas inerte con una densità 5 volte maggiore di quella dell'aria. La forza elettrica del gas SF6 è 2-3 volte superiore alla forza dell'aria; alla pressione di 0,2 MPa, la rigidità dielettrica del gas SF6 è paragonabile a quella del petrolio.

Nel gas SF6 a pressione atmosferica si può estinguere un arco con una corrente 100 volte superiore alla corrente interrotta in aria nelle stesse condizioni. L'eccezionale capacità del gas SF6 di estinguere l'arco è spiegata dal fatto che le sue molecole catturano gli elettroni della colonna dell'arco e formano ioni negativi relativamente immobili. La perdita di elettroni rende l'arco instabile e facilmente estinguente. In un flusso di gas SF6, cioè durante il gas jetting, l'assorbimento di elettroni dalla colonna d'arco è ancora più intenso.

Gli interruttori SF6 utilizzano dispositivi di estinzione dell'arco autopneumatici (autocompressivi) in cui il gas viene compresso da un dispositivo a pistone durante lo scatto e diretto nell'area dell'arco. L'interruttore SF6 è un sistema chiuso senza emissioni di gas verso l'esterno.

Attualmente, gli interruttori automatici SF6 sono utilizzati per tutte le classi di tensione (6-750 kV) a una pressione di 0,15 - 0,6 MPa. La pressione aumentata viene utilizzata per gli interruttori con classi di tensione più elevate. Gli interruttori SF6 delle seguenti società estere si sono dimostrati validi: ALSTOM; Siemens; Merlin Guerin e altri. La produzione di moderni interruttori automatici SF6 di PO «Uralelectrotyazmash» è padroneggiata: interruttori automatici per serbatoi delle serie VEB, VGB e interruttori a colonna delle serie VGT, VGU.

Ad esempio, si consideri il progetto di un interruttore automatico 6-10 kV LF di Merlin Gerin.

Il modello base dell'interruttore è costituito dai seguenti elementi:

— il corpo dell'interruttore, in cui si trovano tutti e tre i poli, che rappresenta un "recipiente a pressione", riempito con gas SF6 a bassa sovrappressione (0,15 MPa o 1,5 atm);

— trasmissione meccanica tipo RI;

— pannello frontale dell'attuatore con maniglia carica molla manuale e indicatori di stato molla e interruttore;

— piazzole di contatto per alimentazione ad alta tensione;

— connettore multipolare per il collegamento di circuiti di commutazione secondari.

Interruttori in vuoto

La rigidità dielettrica del vuoto è significativamente superiore a quella di altri mezzi utilizzati negli interruttori automatici. Ciò è spiegato dall'aumento del percorso libero medio di elettroni, atomi, ioni e molecole con una diminuzione della pressione. Nel vuoto, il percorso libero medio delle particelle supera le dimensioni della camera a vuoto.

Rigidità dielettrica di recupero gap 1/4" dopo interruzione di corrente 1600 A nel vuoto e vari gas a pressione atmosferica

In queste condizioni, gli impatti delle particelle sulle pareti della camera si verificano molto più spesso delle collisioni tra particelle. La figura mostra la dipendenza della tensione di rottura del vuoto e dell'aria dalla distanza tra gli elettrodi con un diametro di 3/8 « tungsteno. Con una rigidità dielettrica così elevata, la distanza tra i contatti può essere molto piccola (2 — 2,5 cm), quindi anche le dimensioni della camera possono essere relativamente piccole...

Il processo di ripristino della resistenza elettrica dello spazio tra i contatti quando la corrente è assente avviene nel vuoto molto più velocemente che nei gas.Il livello di vuoto (pressione residua del gas) nei moderni condotti ad arco industriale è solitamente Pa. In accordo con la teoria della resistenza elettrica dei gas, le proprietà isolanti richieste del vuoto sono raggiunte anche a livelli di vuoto inferiori (dell'ordine di Pa), ma per l'attuale livello della tecnologia del vuoto, la creazione e il mantenimento del vuoto Il livello Pa per tutta la durata della camera a vuoto non è un problema.Ciò fornisce alle camere a vuoto riserve di resistenza elettrica per l'intera vita utile (20-30 anni).

Nella figura è mostrato un tipico design di un interruttore automatico sottovuoto.

Schema a blocchi di un rompivuoto

Il design della camera a vuoto è costituito da una coppia di contatti (4; 5), di cui uno mobile (5), racchiusi in un guscio a tenuta di vuoto saldato da isolatori in ceramica o vetro (3; 7), metallo superiore e inferiore coperchi (2; 8) ) e schermo metallico (6). Il movimento del contatto mobile rispetto a quello fisso è assicurato mediante un manicotto (9). I cavi della telecamera (1; 10) vengono utilizzati per collegarla al circuito dell'interruttore principale.

Va notato che per la fabbricazione dell'alloggiamento della camera a vuoto vengono utilizzati solo metalli speciali resistenti al vuoto, purificati da gas disciolti, rame e leghe speciali, nonché ceramiche speciali. I contatti della camera a vuoto sono costituiti da una composizione metallo-ceramica (di norma è rame-cromo in un rapporto del 50%-50% o 70%-30%), che fornisce elevata capacità di rottura, resistenza all'usura e previene la comparsa di punti di saldatura sulla superficie di contatto. Gli isolatori ceramici cilindrici, insieme a uno spazio vuoto sui contatti aperti, forniscono l'isolamento tra i terminali della camera quando l'interruttore è spento.

Tavrida-electric ha rilasciato un nuovo interruttore automatico sottovuoto con blocco magnetico. Il suo design si basa sul principio dell'allineamento dell'elettromagnete di azionamento e dell'interruttore a vuoto in ciascun polo dell'interruttore.

L'interruttore si chiude nella seguente sequenza.

Nello stato iniziale, i contatti della camera dell'ampolla in vuoto sono aperti per l'azione della molla di chiusura 7 su di essi attraverso l'isolatore di tiro 5. Quando viene applicata una tensione di polarità positiva alla bobina 9 dell'elettromagnete, il flusso magnetico si accumula nello spazio vuoto del sistema magnetico.

Nel momento in cui la forza di compressione dell'armatura creata dal flusso magnetico supera la forza della molla di arresto 7, l'armatura 11 dell'elettromagnete, insieme all'isolatore di trazione 5 e al contatto mobile 3 della camera a vuoto, inizia a muoversi verso l'alto, comprimendo la molla per l'arresto. In questo caso, nell'avvolgimento si verifica una forza elettromotrice del motore, che impedisce un ulteriore aumento della corrente e addirittura la riduce leggermente.

Durante il movimento, l'armatura guadagna una velocità di circa 1 m / s, che evita danni preliminari all'accensione ed elimina il rimbalzo dei contatti VDK. Quando i contatti della camera a vuoto sono chiusi, nel sistema magnetico rimane uno spazio di compressione aggiuntivo di 2 mm. La velocità dell'armatura diminuisce bruscamente, poiché deve anche vincere la forza della molla del precarico aggiuntivo del contatto 6. Tuttavia, sotto l'influenza della forza creata dal flusso magnetico e dall'inerzia, l'armatura 11 continua a salire, comprimendo la molla di fermo 7 e una molla aggiuntiva di precarico contatti 6.

Al momento della chiusura del sistema magnetico, l'armatura contatta il coperchio superiore dell'azionamento 8 e si arresta. Dopo il processo di chiusura, la corrente alla bobina di azionamento viene interrotta. L'interruttore rimane in posizione di chiuso a causa dell'induzione residua creata dal magnete permanente ad anello 10, che trattiene l'armatura 11 in posizione tirata al coperchio superiore 8 senza ulteriore alimentazione di corrente.

Per aprire l'interruttore è necessario applicare una tensione negativa ai terminali della bobina.

Attualmente, gli interruttori sottovuoto sono diventati i dispositivi dominanti per le reti elettriche con una tensione di 6-36 kV. Pertanto, la quota di interruttori automatici in vuoto nel numero totale di dispositivi prodotti in Europa e negli Stati Uniti raggiunge il 70%, in Giappone - 100%. In Russia, negli ultimi anni, questa quota ha avuto una costante tendenza al rialzo, tanto da superare nel 1997 la soglia del 50%. I principali vantaggi degli esplosivi (rispetto agli switch oil and gas) che determinano la crescita della loro quota di mercato sono:

— maggiore affidabilità;

— minori costi di manutenzione.
Guarda anche: Interruttori automatici in vuoto ad alta tensione: progettazione e principio di funzionamento