Приводы элегазовых выключателей

Одной из наиболее ответственных систем элегазовых выключателей является привод — совокупность механизмов и устройств, обеспечивающая перемещение контактной системы элегазовых выключателей по требуемому динамическому закону как при отключении, так и при включении аппарата. Из многочисленных и разнообразных элементов привода элегазовых выключателей выделим для рассмотрения силовой приводной механизм и тягу, которая обеспечивает передачу усилия от силового механизма к контактной системе. В качестве силовых механизмов в автокомпрессионных элегазовых выключателей используются пневматические, гидравлические или пружинные приводные устройства. Приводные механизмы в таких элегазовых выключателях работают при высоких динамических нагрузках, и к ним предъявляются более жесткие требования. Это прежде всего относится к приводам элегазовых выключателей сверхвысокого напряжения, где приведенные массы подвижных систем составляют более 100 кг, скорость достигает 6 — 8 м/с, предельные усилия 80 кН, а ход контактов равен 200 — 250 мм. Несмотря на значительное уменьшение числа движущихся элементов в элегазовых выключателях и повышение их надежности, число аварий по механическим причинам составляет 70 — 80% всех аварий. Поэтому зарубежные фирмы, выпускающие элегазовые выключатели, обращают особое внимание на механические элементы конструкции элегазовых выключателей. К примеру, при испытаниях пневматического привода число срабатываний доводится до 20000 со скоростью, близкой к предельной, число срабатываний клапанной системы привода — до 10 000. При этом привод работает при влажном сжатом воздухе прямо от маломощного компрессора.

Рис. 1. Силовой приводной пневматический механизм для элегазового выключателя

Рассмотрим силовой пневматический приводной механизм (рис. 1) для элегазовых выключателей фирмы "Магрини" (Италия) на номинальные напряжения 72,5 — 170 кВ (7). Поршень 5 показан в том положении, когда выключатель включен. Полости под поршнем 5 и над ним соединены с атмосферой через каналы виг. Выходное отверстие, соединяющее объем 1 с высоким давлением воздуха с полостью под поршнем 5, закрыто тарелкой 11, которая посредством штока соединена с поршнем 12. Изоляционная тяга 10 соединяет шток поршня 5 с подвижным контактом выключателя.

При отключении командный импульс подается на электромагнит отключения 3, его сердечник перемещается справа налево и открывает доступ сжатому воздуху сначала к поршню 2, а затем и в пространство под поршнем 12. Когда давление воздуха под поршнем 12 и над ним выравнивается, поршень 12 не удерживает тарелку 11 и последняя под действием сжатого воздуха поднимается, открывая доступ сжатому воздуху в полость под поршнем 5. Боковая поверхность тарелки 11 перекрывает канал г. Поршень 5 вместе с изоляционной тягой 10 поднимается, размыкая контакты выключателя. Давление воздуха над поршнем 5 регулируется предохранительными клапанами 9. Сжатие воздуха в этом пространстве обеспечивает плавный подход поршня к конечному положению. В верхнем положении поршень 5 удерживается механической защелкой.

После прекращения командного импульса сердечник электромагнита 3 перемещается слева направо и прекращает доступ воздуха к поршню 2. Воздух, находящийся слева от поршня 2, выходит в атмосферу через отверстие а. Под действием пружины тарелка 13 вместе со штоком и поршнем 2 перемещается справа налево и закрывает доступ сжатому воздуху из объема 1 в полость под поршнем 12. Воздух из этой полости выходит в атмосферу через кольцевой зазор между штоком, соединяющим поршень 2 с тарелкой 13, и далее через отверстие б. Поршень 12 и тарелка 11 опускаются, прекращая поступление воздуха в полость под поршнем 5. Воздух из этой полости выходит в атмосферу через отверстие г.

При включении командный импульс подается на электромагнит включения 8, его сердечник втягивается и открывает доступ сжатому воздуху к поршню 7. Последний опускается и отводит тарелку б от седла. Тогда сжатый воздух из трубки 4 поступает в полость над поршнем 5, начальное перемещение которого обеспечивает освобождение механической защелки. Поршень 5 и тяга 10 опускаются, включая выключатель.

Рис. 2 Силовой приводной гидравлический механизм для элегазового выключателя

В конструкциях элегазовых выключателей в ГРУ зарубежных фирм распространение получили гидравлические силовые приводные механизмы (рис. 2). Приводной механизм изображен в положении, когда контакты выключателя разомкнуты. Контактная система выключателя 7 соединена изоляционной тягой со штоком 10 поршня 11, находящегося в цилиндре 3. Пространство А над поршнем 11 постоянно заполнено жидкостью под высоким давлением и соединено каналом 8 с пневмогидроаккумулятором 9, а каналом 1 — с пространством слева от тарелки 18. Постоянство высокого давления в пневмогидроаккумуляторе 9 поддерживается системой питания от маломощной насосной станции (на рисунке не показано).

Пространство Б под поршнем 11 соединено с пневмогидроаккумулятором низкого давления 12. Устройство управления состоит из тарелки 18 и клапана сброса 15, жестко связанных между собой и с поршнем 14 посредством штока 17.

При подаче команды на включение гидросигнал, поступающий по каналу 13, передвигает подвижную часть устройства управления справа налево. При том тарелка 18 отходит от седла, а тарелка клапана сброса 15 прижимается к седлу 16.

Жидкость, находящаяся под высоким давлением, поступает в пространство Б под поршнем 11. С обеих сторон поршня 11 давление быстро выравнивается. Но так как площадь поршня снизу больше площади сверху на площадь штока, то поршень начнет подниматься, осуществляя включение выключателя. Незадолго до подхода поршня 11 к конечному положению боковая поверхность поршня перекрывает входное отверстие в канал 4. Теперь жидкость, находящаяся под высоким давлением, поступает в канал I и пространство под поршнем 11 через канал 6 и регулируемый дроссель 5. Регулировкой дросселя можно изменять давление над этим поршнем, а следовательно, плавно уменьшать скорость его движения в конце хода.

В конечном положении поршня 11 давление с обеих его сторон выравнивается, и он удерживается в этом положении из-за разности рабочих площадей.

Торможение подвижной системы в устройстве управления осуществляется "по пути" при перемещении хвостовика 18 в объеме 19.

При подаче сигнала на отключение сбрасывается давление жидкости справа от поршня 14. Тогда клапан сброса перемещается слева направо, выпуская жидкость из пространства Б в сливную систему с пневмогидроаккумулятором низкого давления 12. Тарелка 18 садится на свое седло и прекращает доступ жидкости, находящейся под высоким давлением, из канала I в пространство Б под поршнем 11. Давление под поршнем 11 уменьшается и он опускается, осуществляя отключение выключателя. Торможение поршня 11 при его подходе к отключенному положению осуществляется благодаря уменьшению поперечного сечения канала, по которому масло из пространства Б вытекает в систему низкого давления (шток 2 на этапе торможения входит в канал Б, сильно уменьшая его поперечное сечение).

Методы расчета и проектирования пневматических и гидравлических силовых механизмов рассмотрены в работе. Поэтому отметим лишь некоторые особенности этих механизмов. Так, для гидравлических приводных устройств (модель Г) с исходным давлением в пневмогидроаккумуляторе ро = 25+35 МПа характерно постоянство скорости подвижной системы на большей части хода контактов. Следовательно, движение поршня (элемент приведения массы внешних усилий) в гидроцилиндре в первом приближении можно принять как равномерное. Пневматический силовой приводной механизм (П) может обеспечить как равноускоренное (дифференциальный или прямоходовой механизм), так и равномерное (пневмомеханизм с автоторможением) движение подвижной системы элегазовых выключателей. Для пружинных приводных устройств характерно постоянство активного усилия, действующего на подвижную систему, т.е. движение звена приведения приближается к равноускоренному.

Принимая во внимание особенности приводных механизмов элегазовых выключателей для дальнейшего динамического анализа и синтеза выделим две исходные приближенные модели приводных устройств: модель П, где начальные условия для динамической модели элегазового выключателя соответствуют равноускоренному движению подвижной системы элегазового выключателя с массой т = const (сила привода Fa постоянна); модель Г, где начальные условия соответствуют равномерному движению подвижной системы с массой т = const (начальная скорость подвижной системы х0 постоянна).

Для передачи усилия от силового приводного механизма к контактной системе используется изоляционная тяга, которая должна выдерживать значительные механические напряжения, быть устойчивой к продуктам разложения элегаза, легкой, иметь высокую электрическую прочность. Значительное внимание уделяется металлическим наконечникам изоляционной трубы, технологии насадки, а также механическим испытаниям тяги совместно с силовым механизмом и контактной системой. Процесс передачи силового импульса посредством тяги определяется как геометрическими, так и акустическими параметрами всего соединения. Поэтому при расчетах необходимо различать работу тяги при различной длительности импульсного нагружения, и в качестве критерия использовать параметр туд = ty!/tn, где Гуя — продолжительность ударного нагружения, с; Гп = 21/в3 — время двойного пробега волны напряжения по тяге, с; в3 = V?/y — скорость звука в стержне, м/с; / — длина тяги, м; Е — модуль упругости, Па; у — плотность материала, кг/м3. При туя < 3 следует пользоваться методами волновой механики, при Гуд > 3, когда тело тяги полностью охвачено деформацией, возможен расчет в сосредоточенных параметрах.

Основным направлением совершенствования силовых приводных механизмов элегазовых выключателей является уменьшение энергоемкости и повышение надежности в эксплуатации.

Достижения в данных направлениях связаны, в частности, с повышением эффективности использования элегаза как дугогасящей и изолирующей среды в дугогасительных устройствах. На рис. 3 представлена диаграмма энергоемкости приводного механизма в зависимости от конструкции дугогасительного устройства при известном номинальном токе отключения для элегазовых выключателей среднего напряжения (до 35 кВ). Здесь I — автокомпрессионные дугогасительные устройства дугогасительных устройств, 2 — комбинированные дугогасительные устройства (автокомпрессия и автогенерация), 3 — комбинированные дугогасительные устройства (автогенерация и электромагнитное дутье).

Однако окончательный выбор приводного механизма и дугогасительного устройства определяется номинальными параметрами выключателя и требованиями эксплуатации.

Рис. 3.Диаграмма энергоемкости приводных механизмов