Interruptores de alto voltaje: clasificación, dispositivo, principio de funcionamiento.

Los requisitos para los interruptores son los siguientes:

1) confiabilidad en el trabajo y seguridad para los demás;

2) respuesta rápida, posiblemente tiempo de apagado corto;

3) facilidad de mantenimiento;

4) facilidad de instalación;

5) funcionamiento silencioso;

6) costo relativamente bajo.

Los interruptores automáticos utilizados actualmente cumplen los requisitos enumerados en mayor o menor medida. Los diseñadores de interruptores automáticos, sin embargo, se esfuerzan por hacer coincidir mejor las características de los interruptores automáticos con los requisitos anteriores.

Interruptores de aceite

Hay dos tipos de interruptores de aceite: depósito y bajo nivel de aceite. Los métodos de desionización del espacio de arco en estos interruptores son los mismos. La única diferencia está en el aislamiento del sistema de contacto de la base de tierra y en la cantidad de aceite.

Hasta hace poco, funcionaban tanques para tanques de los siguientes tipos: VM-35, S-35, así como interruptores de la serie U con voltajes de 35 a 220 kV. Los interruptores de tanque están diseñados para montaje externo, actualmente no están en producción.

Las principales desventajas de los interruptores de tanques: explosión e incendio; la necesidad de monitorear periódicamente la condición y el nivel de aceite en el tanque y las entradas; un gran volumen de petróleo, lo que conlleva una gran inversión de tiempo para su reposición, la necesidad de grandes reservas de petróleo; no apto para instalación en interiores.

Interruptores de bajo nivel de aceite

Los interruptores de bajo nivel de aceite (tipo olla) se utilizan ampliamente en celdas cerradas y abiertas todos los voltajes El aceite de estos interruptores sirve principalmente como medio de formación de arcos y solo parcialmente como aislamiento entre contactos abiertos.

El aislamiento de las partes vivas entre sí y de las estructuras puestas a tierra se realiza con porcelana u otros materiales aislantes sólidos. Los contactos de los interruptores para montaje interno están ubicados en un tanque de acero (pot), razón por la cual se conserva el nombre de interruptores "tipo pot".

Los interruptores automáticos de bajo nivel de aceite de tensión de 35 kV y superiores tienen un cuerpo de porcelana. Los más utilizados son los colgantes del tipo 6-10 kV (VMG-10, VMP-10). En estos interruptores automáticos el cuerpo va fijado sobre aisladores de porcelana a un marco común para los tres polos. Cada polo tiene una ruptura de contacto y una rampa de arco.

Esquemas de diseño de interruptores de bajo nivel de aceite 1 - contacto móvil; 2 — rampa de arco; 3 — contacto fijo; 4 — contactos de trabajo

A corrientes nominales altas, es difícil operar con un par de contactos (que actúan como contactos operativos y de arco), por lo tanto, los contactos operativos se proporcionan fuera del interruptor y los contactos de arco están en un tanque de metal. A altas corrientes de ruptura, hay dos rupturas de arco para cada polo. De acuerdo con este esquema, los interruptores de las series MGG y MG están hechos para voltajes de hasta 20 kV inclusive.Los contactos operativos externos masivos 4 permiten diseñar el interruptor automático para corrientes nominales altas (hasta 9500 A). Para tensiones de 35 kV y superiores, el cuerpo del interruptor es de porcelana, la serie VMK es un interruptor de columna con bajo nivel de aceite). En los interruptores automáticos 35, 110 kV, se prevé una interrupción por polo, en alta tensión, dos o más interrupciones.

Desventajas de los interruptores de bajo nivel de aceite: riesgo de explosión e incendio, aunque mucho menor que el de los interruptores de tanque; imposibilidad de implementar el cierre automático de alta velocidad; la necesidad de control periódico, relleno, cambio de aceite relativamente frecuente en tanques de arco; la dificultad de instalar transformadores de corriente incorporados; capacidad de ruptura relativamente baja.

El campo de aplicación de los interruptores automáticos de bajo nivel de aceite es aparamenta cerrada de centrales eléctricas y subestaciones de 6, 10, 20, 35 y 110 kV, aparamenta completa de 6, 10 y 35 kV y aparamenta abierta de 35 y 110 kV.

Ver aquí para más detalles: Tipos de interruptores de aceite

Interruptores de aire

Los disyuntores de aire para voltajes de 35 kV y superiores están diseñados para romper grandes corrientes de cortocircuito. El aire se enciende con voltaje de 15 kV y se usa en centrales eléctricas como generador. Sus ventajas: respuesta rápida, alta capacidad de interrupción, quema insignificante de contactos, falta de bujes costosos e insuficientemente confiables, seguridad contra incendios, menos peso en comparación con los interruptores de aceite en el tanque. Desventajas: la presencia de economía de aire engorrosa, peligro de explosión, falta de transformadores de corriente incorporados, la complejidad del dispositivo y la operación.

En los interruptores neumáticos, el arco se extingue con aire comprimido a una presión de 2-4 MPa, y el aislamiento de las partes activas y el dispositivo de extinción del arco se realizan con porcelana u otros materiales aislantes sólidos. Los esquemas de diseño de los interruptores de aire son diferentes y dependen de su clasificación de voltaje, el método para crear un espacio aislante entre los contactos en la posición de apagado y el método para suministrar aire comprimido al dispositivo de extinción de arco.

Los interruptores automáticos de alta capacidad tienen un circuito principal y de arco similar a los interruptores automáticos MG y MGG de bajo nivel de aceite. La parte principal de la corriente en la posición cerrada del interruptor pasa a través de los contactos principales 4, que se encuentran abiertos. Cuando se apaga el interruptor, los contactos principales primero se abren, luego toda la corriente pasa a través de los contactos de arco cerrados en la cámara 2. Mientras estos contactos se abren, el aire comprimido del tanque 1 se alimenta a la cámara, se crea una poderosa explosión que extingue el arco El soplado puede ser longitudinal o transversal.

El espacio de aislamiento necesario entre los contactos en la posición abierta se crea en la cámara de arco separando los contactos una distancia suficiente. Los interruptores realizados según proyecto con separador abierto se fabrican para instalación interior para tensiones de 15 y 20 kV y corrientes hasta 20.000 A (serie VVG). Con este tipo de interruptores, después de desconectar el separador 5, se detiene el suministro de aire comprimido a las cámaras y se cierran los contactos de arco.

Diagramas de construcción de interruptores de aire 1 — tanque para aire comprimido; 2 — rampa de arco; 3 - resistencia de derivación; 4 — contactos principales; 5 — separador; 6 — divisor de tensión capacitivo para 110 kV — dos cortes por fase (d)

En los interruptores automáticos abiertos para instalación abierta para tensión 35 kV (VV-35), es suficiente tener una interrupción por fase.

En interruptores con un voltaje de 110 kV y más, después de extinguir el arco, los contactos del separador 5 se abren y la cámara del separador permanece llena de aire comprimido todo el tiempo en la posición de apagado. En este caso, no se suministra aire comprimido a la cámara de arco y los contactos están cerrados.

Los interruptores automáticos de la serie VV para tensiones de hasta 500 kV se crean de acuerdo con este esquema de diseño. Cuanto mayor sea la tensión nominal y mayor la potencia límite, más interrupciones debe haber en la cámara de arco y en el separador.

Los interruptores automáticos llenos de aire de la serie VVB se fabrican de acuerdo con el esquema de diseño en la Fig. D. El voltaje del módulo VVB es de 110 kV a una presión de aire comprimido en la cámara de extinción de incendios de 2 MPa. La tensión nominal del módulo interruptor automático VVBK (módulo grande) es de 220 kV y la presión del aire en la cámara de extinción es de 4 MPa. Los interruptores automáticos de la serie VNV tienen un esquema de diseño similar: un módulo con un voltaje de 220 kV a una presión de 4 MPa.

Para los interruptores automáticos de la serie VVB, el número de cámaras de arco (módulos) depende de la tensión (110 kV — uno; 220 kV — dos; 330 kV — cuatro; 500 kV — seis; 750 kV — ocho), y para grandes módulos de disyuntores (VVBK, VNV), módulos con números dos veces menos, respectivamente.

Disyuntores SF6

El gas SF6 (SF6 — hexafluoruro de azufre) es un gas inerte con una densidad 5 veces mayor que la del aire. La fuerza eléctrica del gas SF6 es 2-3 veces mayor que la fuerza del aire; a una presión de 0,2 MPa, la rigidez dieléctrica del gas SF6 es comparable a la del petróleo.

En gas SF6 a presión atmosférica, se puede extinguir un arco con una corriente 100 veces superior a la corriente interrumpida en el aire en las mismas condiciones. La excepcional capacidad del gas SF6 para extinguir el arco se explica por el hecho de que sus moléculas capturan los electrones de la columna del arco y forman iones negativos relativamente inmóviles. La pérdida de electrones hace que el arco sea inestable y se extinga fácilmente. En un flujo de gas SF6, es decir, durante el gas jetting, la absorción de electrones de la columna de arco es aún más intensa.

Los interruptores automáticos de SF6 utilizan dispositivos de extinción de arcos autoneumáticos (de autocompresión) en los que un dispositivo de pistón comprime el gas durante el disparo y lo dirige hacia el área de arco. El disyuntor de SF6 es un sistema cerrado sin emisiones de gases al exterior.

Actualmente, los interruptores automáticos de SF6 se utilizan para todas las clases de voltaje (6-750 kV) a una presión de 0,15 a 0,6 MPa. La presión aumentada se usa para interruptores con clases de voltaje más altas. Los disyuntores de SF6 de las siguientes empresas extranjeras han demostrado su eficacia: ALSTOM; SIEMENS; Merlín Guerin y otros. Se domina la producción de interruptores automáticos de SF6 modernos de PO «Uralelectrotyazmash»: interruptores automáticos de tanque de la serie VEB, VGB e interruptores de columna de la serie VGT, VGU.

Como ejemplo, considere el diseño de un interruptor automático LF de 6-10 kV de Merlin Gerin.

El modelo básico de interruptor automático consta de los siguientes elementos:

— el cuerpo del interruptor automático, en el que se encuentran los tres polos, que representa un "recipiente a presión", lleno de gas SF6 con una pequeña sobrepresión (0,15 MPa o 1,5 atm);

— accionamiento mecánico tipo RI;

— panel frontal del actuador con palanca de carga manual del resorte e indicadores de estado del resorte y del disyuntor;

— almohadillas de contacto para suministro de energía de alto voltaje;

— conector multipolo para conectar circuitos secundarios de conmutación.

Disyuntores de vacío

La rigidez dieléctrica del vacío es significativamente mayor que la de otros medios utilizados en los interruptores automáticos. Esto se explica por el aumento en el camino libre medio de electrones, átomos, iones y moléculas con una disminución de la presión. En el vacío, el camino libre medio de las partículas excede las dimensiones de la cámara de vacío.

Rigidez dieléctrica de recuperación de espacio de 1/4" después de un corte de corriente de 1600 A en vacío y varios gases a presión atmosférica

Bajo estas condiciones, los impactos de partículas en las paredes de la cámara ocurren con mucha más frecuencia que las colisiones de partículas a partículas. La figura muestra la dependencia de la tensión de ruptura del vacío y el aire de la distancia entre electrodos con un diámetro de 3/8 « de tungsteno. Con una rigidez dieléctrica tan alta, la distancia entre los contactos puede ser muy pequeña (2 — 2,5 cm), por lo que las dimensiones de la cámara también pueden ser relativamente pequeñas...

El proceso de restauración de la fuerza eléctrica del espacio entre los contactos cuando la corriente está apagada ocurre en el vacío mucho más rápido que en los gases.El nivel de vacío (presión de gas residual) en los conductos de arco industriales modernos suele ser Pa. De acuerdo con la teoría de la rigidez eléctrica de los gases, las propiedades aislantes requeridas de la brecha de vacío también se logran a niveles de vacío más bajos (del orden de Pa), pero para el nivel actual de tecnología de vacío, la creación y mantenimiento de la El nivel de Pa a lo largo de la vida útil de la cámara de vacío no es un problema.Esto proporciona a las cámaras de vacío reservas de fuerza eléctrica para toda la vida útil (20-30 años).

En la figura se muestra un diseño típico de interruptor automático al vacío.

Diagrama de bloques de un interruptor de vacío

El diseño de la cámara de vacío consta de un par de contactos (4; 5), uno de los cuales es móvil (5), encerrados en una carcasa estanca al vacío soldada por aisladores de cerámica o vidrio (3; 7), superior e inferior de metal tapas (2; 8) ) y escudo metálico (6). El movimiento del contacto móvil con respecto al fijo está asegurado por medio de un manguito (9). Los cables de la cámara (1; 10) se utilizan para conectarla al circuito del interruptor principal.

Cabe señalar que solo se utilizan metales especiales resistentes al vacío, purificados de gases disueltos, cobre y aleaciones especiales, así como cerámicas especiales para la fabricación de la carcasa de la cámara de vacío. Los contactos de la cámara de vacío están hechos de una composición metal-cerámica (por regla general, es cobre-cromo en una proporción de 50%-50% o 70%-30%), lo que proporciona una alta capacidad de ruptura, resistencia al desgaste. y evita la aparición de puntos de soldadura en la superficie de contacto. Los aisladores cerámicos cilíndricos, junto con un espacio de vacío en los contactos abiertos, brindan aislamiento entre los terminales de la cámara cuando el interruptor está apagado.

Tavrida-electric ha lanzado un interruptor automático de vacío de nuevo diseño con bloqueo magnético. Su diseño se basa en el principio de alinear el electroimán de accionamiento y el interruptor de vacío en cada polo del interruptor.

El interruptor se cierra en la siguiente secuencia.

En el estado inicial, los contactos de la cámara de la botella de vacío están abiertos debido a la acción del resorte de cierre 7 sobre ellos a través del aislador de tracción 5. Cuando se aplica un voltaje de polaridad positiva a la bobina 9 del electroimán, el flujo magnético se acumula en el hueco del sistema magnético.

En el momento en que la fuerza de compresión de la armadura creada por el flujo magnético supera la fuerza del resorte de tope 7, la armadura 11 del electroimán, junto con el aislador de tracción 5 y el contacto móvil 3 de la cámara de vacío, comienza a moverse. hacia arriba, comprimiendo el resorte para detenerse. En este caso, se produce un motor-EMF en el devanado, lo que evita un mayor aumento de la corriente e incluso lo reduce un poco.

En el proceso de movimiento, la armadura gana una velocidad de aproximadamente 1 m / s, lo que evita daños preliminares al encender y elimina el rebote de los contactos VDK. Cuando los contactos de la cámara de vacío están cerrados, queda un espacio de compresión adicional de 2 mm en el sistema magnético. La velocidad de la armadura cae bruscamente, ya que también tiene que vencer la fuerza elástica de la precarga adicional del contacto 6. Sin embargo, bajo la influencia de la fuerza creada por el flujo magnético y la inercia, la armadura 11 continúa moviéndose hacia arriba, comprimiendo el resorte para el tope 7 y un resorte adicional para precargar los contactos 6.

En el momento de cerrar el sistema magnético, el inducido contacta con la tapa superior del accionamiento 8 y se detiene. Después del proceso de cierre, se corta la corriente a la bobina de accionamiento. El interruptor permanece en la posición cerrada debido a la inducción residual creada por el anillo de imán permanente 10, que mantiene la armadura 11 en una posición tirada a la cubierta superior 8 sin suministro de corriente adicional.

Para abrir el interruptor, se debe aplicar un voltaje negativo a las terminales de la bobina.

Actualmente, los disyuntores de vacío se han convertido en los dispositivos dominantes para redes eléctricas con un voltaje de 6-36 kV. Por lo tanto, la participación de los interruptores automáticos de vacío en el número total de dispositivos fabricados en Europa y EE. UU. alcanza el 70%, en Japón, el 100%. En Rusia, en los últimos años, esta participación ha tenido una tendencia ascendente constante, y en 1997 superó la marca del 50%. Las principales ventajas de los explosivos (frente a los interruptores de petróleo y gas) que determinan el crecimiento de su cuota de mercado son:

— mayor fiabilidad;

— menores costes de mantenimiento.
Ver también: Disyuntores de vacío de alta tensión: diseño y principio de funcionamiento