Генераторный гибридный выключатель
GENERATOR HYBRID SWITCH

Группа изобретений относится к электротехнике, а именно, к высоковольтному электроаппаратостроению и может найти применение при разработке высоковольтных генераторных выключателей.
Активное развитие атомной энергетики обусловливает потребности в генераторах мощностью более 1,2 ГВт, для подключения которых в распределительную сеть необходимы генераторные выключатели, выдерживающие номинальное напряжение порядка 24 кВ, номинальные токи более 40 кА и номинальные токи отключения более 300 кА. Недостатки существующих генераторных гибридных выключателей обусловлены тем, что к их конструкции одновременно предъявляются требования по высокой пропускной способности при номинальном токе и по отключению токов короткого замыкания в случае возникновения аварийной ситуации за генераторным выключателем по отношению к генератору. Для того, чтобы соответствовать этим требованиям, генераторный гибридный выключатель в замкнутом состоянии должен иметь малое сопротивление, а его контакты должны выдерживать восстанавливающееся напряжение после отключения.
»
Например, генераторный выключатель по патенту RU1786526 «Высоковольтный генераторный выключатель, МПК Н01Н 33/00, опубл. 07.01.1993 г., патентообладатель АООТ «НИПКИ высоковольтного аппаратостроения», содержит главные контакты для длительного пропускания номинального тока и дугогасительные контакты для отключения как номинального тока, протекающего через генераторный выключатель, так и тока короткого замыкания. Главные контакты и дугогасительные контакты расположены в одной воздушной среде. Основным недостатком этой конструкции является низкий ресурс работы дугогасительных контактов при отключении токов короткого замыкания, низкая надежность из-за подгорания дугогасительных контактов, высокая вероятность повторных пробоев при приложении к разогретым дугогасительным контактам восстанавливающегося напряжения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции генераторный гибридный выключатель является генераторный выключатель фирмы АВВ типа HEC 9, который работает в среде элегаза и имеет главные контакты и дугогасительные контакты. При размыкании главных контактов, возникающая дуга перебрасывается на дугогасительные контакты. Гашение дуги проходит несколько стадий: сначала - разогрев элегаза горящей дугой, что приводит к увеличению давления элегаза в области горения дуги, затем - сжатие элегаза в специальной камере и, наконец, при переходе отключаемого тока через ноль - интенсивное дутье сжатого элегаза через сопло в межконтактный промежуток дугогасительных контактов. Очевидно, что такая конструкция генераторного выключателя является очень сложной в технологическом аспекте, поскольку необходимо точное исполнение дутьевого сопла и точный расчет с последующей экспериментальной проверкой камеры сжатия. Конструкция генераторного гибридного выключателя HEC 9 имеет низкий коммутационный ресурс из-за эрозии сопла, низкую надежность из-за отказов в дугогашении, например, из-за небольших утечек элегаза и, как следствие, создании недостаточного давления сжатого элегаза в специальной камере. Помимо этого, отсутствие повторных пробоев и электрическая прочность данного генераторного выключателя не гарантируются, т.к. дугогасительные контакты находятся в зоне нагрева отключаемой дугой, и промежуток между ними имеет пониженную электрическую прочность после протекания через них дуги и отключения тока короткого замыкания.
Целью изобретения является повышение ресурса и надежности генераторного гибридного выключателя.
Техническим результатом изобретения является разработка генераторного гибридного выключателя, позволяющего надежно отключать номинальные токи и токи короткого замыкания, повысить ресурс по отключению номинальных токов, надежно выдерживать восстанавливающееся напряжение.
По первому варианту исполнения поставленная цель и требуемый технический результат достигаются за счет следующих конструктивных особенностей предлагаемого высоковольтного генераторного гибридного выключателя. Генераторный гибридный выключатель встраивается в экранирующий токопровод и содержит следующие элементы: главный токопровод с разъединителями, отделяющими генераторный выключатель от генератора с одной стороны и от сети, которую питает генератор, с другой стороны; главные контакты; дугогасительные контакты; заземлители; систему управления с блоком запуска и датчики тока. К главному токопроводу параллельно главным контактам подключены датчик напряжения и два токопровода, первый из которых содержит последовательно соединенные вакуумную дугогасительную камеру и датчик тока, а второй содержит вакуумный управляемый разрядник и датчик тока. Выходы всех датчиков тока генераторного гибридного выключателя подсоединены ко входам системы управления, обеспечивая управление приводом главных контактов, приводом вакуумной дугогасительной камеры и вакуумным управляемым разрядником. На главном токопроводе последовательно с главными контактами подключен токоограничивающий предохранитель, имеющий в своем составе дополнительную автономную систему управления, срабатывающую при мгновенном значении тока генераторного гибридного выключателя, превышающем заранее установленное значение тока срабатывания. Дополнительная автономная система управления подключена к дополнительному датчику тока, установленному на главном токопроводе и находящемуся под его потенциалом.
По второму варианту исполнения, поставленная цель и требуемый технический результат достигаются за счет следующих конструктивных особенностей предлагаемого высоковольтного генераторного гибридного выключателя. Генераторный гибридный выключатель встраивается в экранирующий токопровод и содержит следующие элементы: главный токопровод с разъединителями, отделяющими генераторный выключатель от генератора с одной стороны и от сети, которую питает генератор, с другой стороны; главные контакты; дугогасительные контакты; заземлители; систему управления с блоком запуска и датчики тока. К главному токопроводу параллельно главным контактам подключены датчик напряжения и два токопровода, первый из которых содержит последовательно соединенные вакуумную дугогасительную камеру и датчик тока, а второй содержит тиристорную сборку и датчик тока. Выходы всех датчиков тока генераторного гибридного выключателя подсоединены ко входам системы управления, обеспечивая управление приводом главных контактов, приводом вакуумной дугогасительной камеры и тиристорной сборкой. На главном токопроводе последовательно с главными контактами подключен токоограничивающий предохранитель, имеющий в своем составе дополнительную автономную систему управления, срабатывающую при мгновенном значении тока генераторного гибридного выключателя, превышающем заранее установленное значение тока срабатывания. Дополнительная автономная система управления подключена к дополнительному датчику тока, установленному на главном токопроводе и находящемуся под его потенциалом.
Ниже принцип работы и преимущества предлагаемого изобретения описываются более детально.
На фиг.1 показано схемное решение генераторного гибридного выключателя по первому варианту исполнения. На фиг.2 показано схемное решение генераторного гибридного выключателя по второму варианту исполнения.
Генераторный гибридный выключатель, высоковольтный, содержит главный токопровод 1, встроенный в заземленный экранирующий токопровод 2 с разъединителями 3, 4, отделяющими генераторный выключатель от генератора (на чертежах не показан) с одной стороны и от сети, которую питает генератор, с другой стороны, главные контакты 6, предназначенные для длительного пропускания номинального тока генератора, дугогасительные контакты (на чертежах не обозначены) в вакуумной дугогасительной камере 7, заземлители 5, соединяющие главный токопровод 1 с экранирующим токопроводом 2 при разомкнутых контактах разъединителей 3 и 4, систему управления 14 с блоком запуска 13 и датчики тока 11, 12, 15.
По первому варианту исполнения, к главному токопроводу 1 параллельно главным контактам 6 подключены датчик напряжения 18 и два токопровода 9 и 10, первый из которых содержит последовательно соединенные вакуумную дугогасительную камеру 7 и датчик тока 12, а второй содержит вакуумный управляемый разрядник 8 и датчик тока 15.
По второму варианту исполнения, к главному токопроводу 1 параллельно главным контактам 6 подключены датчик напряжения 18 и два токопровода 9 и 25, первый из которых содержит последовательно соединенные вакуумную дугогасительную камеру 7 и датчик тока 12, а второй содержит тиристорную сборку 26 и датчик тока 15.
По обоим вариантам исполнения, для включения вакуумного управляемого разрядника 8 или тиристорной сборки 26, предусмотрен блок запуска 13, подключенный к системе управления 14. Выходы датчиков тока 11, 12, 15, и выход датчика напряжения 18 подсоединены ко входу системы управления 14. Посредством приводов 20, 21, 22, 23, 24 система управления 14 и блок запуска 13 посылают управляющие сигналы на входы, соответственно, главных контактов 6, дугогасительных контактов, разъединителей 3, 4, заземлителей 5, вакуумного управляемого разрядника 8 по первому варианту исполнения или тиристорной сборки 26 по второму варианту исполнения.
По обоим вариантам исполнения, последовательно с главными контактами 6 включен токоограничивающий предохранитель 16, имеющий в своем составе дополнительную автономную систему управления 19. Дополнительная автономная система управления 19 подключена к дополнительному датчику тока 17, установленному на главном токопроводе 1 и находящемуся под его потенциалом. Инициирование срабатывания токоограничивающего предохранителя 16 производится от дополнительной автономной системы управления 19, которая анализирует проходящий через главный токопровод 1 ток и, в случае возникновения тока короткого замыкания, превышающего в 2 раза и более максимальный номинальный ток выключателя, блокирует отключение главных контактов 6, но подает команду на инициирование срабатывания токоограничивающего предохранителя 16, который срабатывает с минимальной задержкой по времени, не допуская повышения тока короткого замыкания до максимального значения и полностью отключает ток короткого замыкания при срабатывании.
По обоим вариантам исполнения, генераторный гибридный выключатель работает следующим образом.
Отключение номинального тока.
В штатном рабочем режиме главный токопровод 1 соединяется с одной стороны с электрическим генератором (на чертежах не показан) через замкнутые контакты разъединителя 3, а с другой стороны - с сетью, которую питает генератор через замкнутые контакты разъединителя 4. Через главный токопровод 1 генераторного гибридного выключателя протекает номинальный ток. Контакты заземлителей 5 разомкнуты, а главные контакты 6 и контакты вакуумной дугогасительной камеры 7 замкнуты. По первому варианту исполнения, вакуумный управляемый разрядник 8 находится в режиме ожидания, т.е. управляющий сигнал по приводу 24 на него от блока запуска 13 не подается, и замыкания между его электродами нет.По второму варианту исполнения, тиристоры в тиристорной сборке 26 находятся в режиме ожидания, т.е. на них не подается сигнал управления по приводу 24 от блока запуска 13.
Датчики тока 11, 12, 15 подключены к системе управления 14. По сигналу внешнего управления, поступившего на вход системы управления 14, происходит формирование команды на отключение главных контактов 6 приводом 20, который вначале разводит главные контакты 6, в результате чего ток, протекавший через главные контакты 6 переходит в ветвь вакуумной дугогасительной камеры 7, протекая по токопроводу 9. После разведения главных контактов 6 на расстояние, необходимое для выдерживания восстанавливающегося переходного напряжения, которое возникнет после полного прерывания тока по цепи главного токопровода 1, начинают разводиться дугогасительные контакты в вакуумной дугогасительной камере 7. Данные об уровне напряжения, которое появляется на вакуумной дуге, поступают от датчика напряжения 18 на вход системы управления 14. Система управления 14 анализирует этот сигнал, и если уровень напряжения достаточен для срабатывания вакуумного управляемого разрядника 8 (по первому варианту исполнения) или тиристорной сборки 26 (по второму варианту исполнения), то на блок запуска 13 от системы управления 14 подается управляющий сигнал. Блок запуска 13 формирует пусковой сигнал по приводу 24 для запуска вакуумного управляемого разрядника 8 (по первому варианту исполнения) или тиристорной сборки 26 (по второму варианту исполнения).
По первому варианту исполнения вакуумный управляемый разрядник 8 срабатывает и ток, протекавший по токопроводу 9 вакуумной дугогасительной камеры 7, переходит в токопровод 10 вакуумного управляемого разрядника 8. Дуга между контактами вакуумной дугогасительной камеры 7 гаснет, и между ее контактами восстанавливается электрическая прочность, достаточная для выдерживания переходного восстанавливающегося напряжения. При переходе тока через ноль в токопроводе 10 вакуумного управляемого разрядника 8 ток обрывается в силу свойств работы вакуумных управляемых разрядников типа РВУ. Возникающее при этом переходное восстанавливающее напряжение прикладывается к главным контактам 6, контактам вакуумной дугогасительной камеры 7 и контактам вакуумного управляемого разрядника 8. Все контактные системы к этому моменту способны выдержать это переходное восстанавливающее напряжение. Дополнительная автономная система управления 19 при этом не выдает команду на инициирование срабатывания токоограничивающего предохранителя 16.
По второму варианту исполнения процесс отключения номинального тока будет происходить аналогично, только блок запуска 13 формирует пусковой сигнал по приводу 24 для запуска тиристорной сборки 26, подключенной на токопроводе 25.
Далее, в случае необходимости, могут быть отключены разъединители 3 и 4 по сигналу от системы управления 14 на приводы 21, 22, соответственно, и включены заземлители 5, также по сигналу управления на их привод 23.
Включение при номинальном токе.
Включение генераторного гибридного выключателя начинается с отключения заземлителей 5 посредством сигнала отключения на привод 23 от системы управления 14. Затем от системы управления 14 подается сигнал на приводы 21 и 22 на включение разъединителей 3 и 4 соответственно. Далее, по первому варианту исполнения, система управления 14 формирует сигнал на блок запуска 13 на включение через привод 24 вакуумного управляемого разрядника 8. При успешном срабатывании вакуумного управляемого разрядника 8 начинает протекать ток от генератора по пути: разъединитель 3 - токоограничивающий предохранитель 16 - токопровод 10 - вакуумный управляемый разрядник 8 - разъединитель 4 - сеть. Затем, по сигналу от системы управления 14 на привод 20 вакуумной дугогасительной камеры 7 подается сигнал на ее включение. Происходит замыкание контактов вакуумной дугогасительной камеры 7, при этом номинальный ток перебрасывается из токопровода 10 в токопровод 9, поскольку переходное сопротивление вакуумной дугогасительной камеры 7 значительно меньше, чем сопротивление дуги вакуумного управляемого разрядника 8. После этого привод 20 замыкает главные контакты 6. Генераторный гибридный выключатель включен и номинальный ток от генератора протекает по пути: разъединитель 3 - токоограничивающий предохранитель 16 - главные контакты 6 - разъединитель 4 - сеть.
По второму варианту исполнения, включение генераторного гибридного выключателя также начинается с отключения заземлителей 5 посредством сигнала отключения на привод 23 от системы управления 14. Затем от системы управления 14 подается сигнал на приводы 21 и 22 на включение разъединителей 3 и 4 соответственно. После этого, система управления 14 формирует сигнал на блок запуска 13 через привод 24 на включение тиристорной сборки 26. При успешном срабатывании тиристорной сборки 26 начинает протекать ток от генератора по пути: разъединитель 3 - токоограничивающий предохранитель 16 - токопровод 25 - тиристорная сборка 26 - разъединитель 4 - сеть. Затем, по сигналу от системы управления 14 на привод 20 вакуумной дугогасительной камеры 7 подается сигнал на ее включение. Происходит замыкание контактов вакуумной дугогасительной камеры 7, при этом номинальный ток перебрасывается из токопровода 25 в токопровод 9. После этого привод 20 замыкает главные контакты 6. Генераторный гибридный выключатель включен и номинальный ток от генератора протекает по пути: разъединитель 3 - токоограничивающий предохранитель 16 - главные контакты 6 - разъединитель 4 - сеть.
Отключение токов короткого замыкания.
В случае возникновения короткого замыкания на шинах, идущих в сеть, дополнительный датчик 17 тока передает сигнал на вход дополнительной автономной системы управления 19. Дополнительная автономная система управления 19 анализирует значение этого сигнала и если ток превышает номинальный ток сети в два и более раз, то посылает команду на инициирование срабатывания токоограничивающего предохранителя 16 и одновременно отправляет сигнал в систему управления 14. За время около 0,5 мс происходит разрушение токовой шины токоограничивающего предохранителя 16, в результате чего происходит отключение главного токопровода 1. Это вызывает отключение тока короткого замыкания еще до достижения им амплитуды ударного тока, которая может быть вплоть до 10 раз больше амплитуды номинального тока генераторного гибридного выключателя. Датчик тока 11 передает в систему управления 14 сигнал, что ток в цепи главного токопровода 1 отключился. Система управления 14 подает сигнал на привод 20 для разведения главных контактов 6 и контактов вакуумной дугогасительной камеры 7. После их разведения система управления 14 не подает сигнал на срабатывание вакуумного управляемого разрядника 8 (по первому варианту исполнения) или на срабатывание тиристорной сборки 26 (по второму варианту исполнения), поскольку ток короткого замыкания уже отключен. Далее система управления 14 отключает разъединители 3 и 4 посредством подачи сигналов отключения на приводы 21 и 22. После их отключения система управления 14 включает заземлители 5 подачей сигналов включения на привод 23. Процесс отключения тока короткого замыкания завершен.
Включение генераторного гибридного выключателя на короткое замыкание.
В настоящее время нет технической возможности объективно оценить, будет короткое замыкание в сети при включении выключателя или нет. Поэтому при включении генераторного гибридного выключателя всегда есть вероятность включения на короткое замыкание. Начало включения происходит в той же последовательности, что и при включении при номинальном токе. Включение генераторного гибридного выключателя начинается с отключения заземлителей 5 посредством сигнала отключения на привод 23 от системы управления 14. Затем от системы управления 14 подается сигнал на приводы 21 и 22 на включение разъединителей 3 и 4, соответственно. После этого по первому варианту исполнения система управления 14 формирует сигнал блоку запуска 13 на включение через привод 24 вакуумного управляемого разрядника 8. При успешном срабатывании вакуумного управляемого разрядника 8 начинает протекать ток от генератора по пути: разъединитель 3 - токоограничивающий предохранитель 16 - токопровод 10 - вакуумный управляемый разрядник 8 - разъединитель 4 - сеть. По второму варианту исполнения система управления 14 формирует сигнал блоку запуска 13 на включение тиристорной сборки 26. При успешном срабатывании тиристорной сборки 26 начинает протекать ток от генератора по пути: разъединитель 3 - токоограничивающий предохранитель 16 - токопровод 25 - тиристорная сборка 26 - разъединитель 4 - сеть.
Если при этом по обоим вариантам исполнения в сети есть или возникло короткое замыкание, то дополнительный датчик 17 подает соответствующий сигнал на вход дополнительной автономной системы управления 19. Так как ток короткого замыкания больше номинального тока, то в этом случае дополнительная автономная система управления 19 выдает команду на инициирование срабатывания токоограничивающего предохранителя 16 и одновременно в систему управления 14. За время около 0,5 мс происходит разрушение токовой шины токоограничивающего предохранителя 16, в результате чего происходит отключение главного токопровода 1. Это вызывает отключение тока короткого замыкания еще до достижения им амплитуды ударного тока. После разрушения шины главного токопровода 1 датчик тока 11 передает системе управления 14 сигнал, что ток в цепи главного токопровода 1 отключился. Система управления 14 отключает разъединители 3 и 4 посредством подачи сигналов отключения на приводы 21 и 22. После отключения разъединителей 3 и 4 система управления 14 включает заземлители 5 посредством привода 23. Процесс отключения тока короткого замыкания завершен.
Такое конструктивное исполнение генераторного гибридного выключателя с разделением функций отключения номинальных токов и токов короткого замыкания между разными элементами генераторного гибридного выключателя не просто обеспечивает высокую надежность отключения токов короткого замыкания и номинальных токов, но дает суммарный синергетический эффект, который выражается в значительном увеличении ресурса всего генераторного гибридного выключателя за счет увеличения ресурса его главных контактов 6. Износ главных контактов 6, а также износ контактов вакуумной дугогасительной камеры 7 определяется только их эрозией при отключении номинальных токов, что в несколько раз увеличивает коммутационный ресурс генераторного гибридного выключателя по номинальному току. При этом, замена токоограничивающего предохранителя 16 обеспечивается за относительно короткий промежуток времени (менее 10 ÷ 15 мин), что не оказывает существенного отрицательного воздействия на производительность работы генераторного гибридного выключателя в соответствии с требованиями международного стандарта к генераторным выключателям МЭК (IEC/IEEE 62271-37-013) и требованиями ГОСТ Р 52565-2006.