ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ С ФУНКЦИЕЙ РАЗЪЕДИНИТЕЛЯ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕМ Российский патент 2012 года по МПК H01H33/12 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в общем случае относится к высоковольтному выключателю с функцией разъединителя и к способу управления таким выключателем, который в случае неисправности выполняет отключение электрооборудования от высоковольтной сети по каждому из контактных выводов.

Уровень техники

Сети электропередачи защищаются и управляются при помощи высоковольтных выключателей. Прерывание тока в высоковольтном выключателе достигают с помощью разъединения двух контактов в среде, такой как шестифтористая сера или элегаз (SF₆), обладающей превосходными диэлектрическими и дугогасительными свойствами. После размыкания контактов ток протекает через дугу и прерывается, когда дуга охлаждается при воздействии газового потока достаточной интенсивности.

Обычно на одной или каждой стороне высоковольтного выключателя устанавливается высоковольтный воздушный разъединитель с целью обеспечения электрической изоляции в соответствии с существующими требованиями, относящимися к ремонту или техническому обслуживанию линий передачи и станционного оборудования. Разъединители являются основным средством обеспечения безопасности персонала.

Однако высоковольтные воздушные разъединители подвергаются воздействию атмосферной среды, и, таким образом, подвержены коррозии и износу. Долгосрочная надежность является не очень высокой, и установки требуют значительного технического обслуживания.

Кроме того, применение отдельных воздушных разъединителей увеличивает сложность и расходы на установку высоковольтных выключателей. Более того, они занимают много места. Желательно, чтобы применяемое оборудование было менее сложным и дорогостоящим, и в тоже время оно обеспечивало реализацию функций выключателя и электрической изоляции.

Раскрытие изобретения

В принципе, высоковольтный выключатель с функцией разъединителя может быть получен путем соответствующего использования заземляющих переключателей и увеличения размеров выключателя, то есть путем использования выключателя, имеющего более высокое номинальное напряжение, чем необходимое для реализации функции отключения тока, что позволяет избежать таким образом недостатков воздушных разъединителей.

Однако проблема подобного подхода заключается в том, что функция отключения тока с использованием такого выключателя с увеличенными размерами может не быть оптимизированной для более низкого напряжения, поскольку существует множество параметров, накладывающих ограничения на операцию отключения тока, например, скорость удаления одного контакта от другого, расстояние между контактами, нагнетание дугогасительного газа и т.д., в результате чего данная операция не будет оптимизированной. В итоге, например, необходимо будет использовать более дорогой выключатель с более высокой отключающей способностью по току.

Кроме того, в выключателе с изношенными контактами функциональность будет ухудшаться, поскольку изношенные контакты будут существенно влиять на характеристики выключения и диэлектрической прочности.

Целью настоящего изобретения является создание высоковольтного выключателя с улучшенной диэлектрической прочностью при нахождении выключателя в состоянии разъединения, с тем, чтобы можно было отказаться от использования высоковольтных воздушных разъединителей при сохранении оптимальной функции отключения тока.

Следующей целью изобретения является создание такого высоковольтного выключателя, который был бы прочным, точным, простым, компактным и недорогим, обладал оптимальными эксплуатационными характеристиками и отвечал существующим требованиям безопасности.

Еще одной целью изобретения является создание способа управления высоковольтным выключателем, удовлетворяющего вышеперечисленным условиям.

Вышеперечисленные цели достигаются с помощью высоковольтного выключателя с функцией разъединителя и способа, охарактеризованных в прилагаемой формуле изобретения.

Согласно первому аспекту изобретения предлагается высоковольтный выключатель с функцией разъединителя, то есть комбинированный высоковольтный разъединитель и высоковольтный выключатель, содержащий первый и второй контакты; средства для перемещения контактов на первое взаимное расстояние и средства для гашения дуги, возникающей между контактами во время перемещения, тем самым реализации функции высоковольтного выключателя. Средства для перемещения дополнительно выполнены с возможностью перемещения контактов, после гашения дуги, на второе взаимное расстояние, превышающее. первое взаимное расстояние, благодаря чему реализуется функция высоковольтного разъединителя, состоящая в обеспечении диэлектрической прочности по отношению к напряжению пробоя.

Высоковольтный выключатель с функцией разъединителя оптимизируют предпочтительно таким образом, чтобы его функция как высоковольтного выключателя была оптимальной и по номинальному напряжению соответствовала возникающим напряжениям.

Высоковольтный выключатель с функцией разъединителя согласно изобретению предполагает увеличенное расстояние между двумя контактами сверх расстояния, требуемого для прерывания тока, а также предполагает, что это увеличенное расстояние может быть использовано для получения увеличенной диэлектрической прочности, необходимой для реализации разъединительной функции, причем функция прерывания тока при этом не затрагивается, то есть функция выключения остается идентичной функции стандартного выключателя, имеющего номинальное напряжение, соответствующее напряжениям, возникающим в выключателе в процессе его работы.

Согласно второму аспекту изобретения предлагается способ управления выключателем, содержащим первый и второй контакты. Согласно данному способу контакты перемещают на первое взаимное расстояние и гасят дугу, возникающую между контактами, тем самым реализуют функцию высоковольтного выключателя. После гашения дуги контакты перемещают на второе взаимное расстояние, превышающее первое взаимное расстояние, тем самым реализуют функцию высоковольтного разъединителя.

Таким образом, предлагается способ управления выключателем, в котором достигают увеличенной диэлектрической прочности при помощи увеличенного хода контактов, что позволяет обойтись без отдельных высоковольтных воздушных разъединителей.

Дополнительные характеристики изобретения и его преимущества будут очевидны из приведенного ниже подробного описания предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на сопроводительные чертежи фиг.1-3, приводимые только в качестве иллюстрации и, таким образом, не накладывающие ограничений.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлен общий вид высоковольтного выключателя согласно одному из вариантов осуществления изобретения.

На фиг.2а-е показаны контакты высоковольтного выключателя с функцией разъединителя по фиг.1 во время различных режимов работы.

На фиг.3 представлен график, показывающий положение контакта в осевом направлении в высоковольтном выключателе с функцией разъединителя по фиг.1 во время различных режимов работы.

Осуществление изобретения

Ниже приводится подробное описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения. В данном описании термин «высоковольтный» будет использоваться для напряжений от 1 кВ и выше. Однако следует отметить, что настоящее изобретение, главным образом, относится к высоковольтным выключателям с номинальным напряжением 72,5 кВ и выше.

На фиг.1 показан трехфазный высоковольтный выключатель с функцией разъединителя, который представляет собой комбинированный высоковольтный разъединитель и высоковольтный выключатель. Для каждой из фаз выключателя выполнена камера 10 прерывания тока, расположенная на опорном изоляторе 20. В каждой из камер 10 прерывания тока прерывание тока происходит под управлением устройства 30 управления путем разъединения двух контактов в среде, такой как шестифтористая сера или элегаз (SF₆), обладающей превосходными диэлектрическими и дугогасительными свойствами. После размыкания контактов ток протекает через дугу и прерывается, когда данная дуга охлаждается при воздействии газового потока достаточной интенсивности.

Требования по диэлектрической прочности и другие требования для высоковольтных выключателей с функцией разъединителя определены в Международном Стандарте IEC 62271-108.

Далее будет детально описан высоковольтный выключатель с функцией разъединителя согласно настоящему изобретению и его работа со ссылкой на фиг.2а-е и фиг.3. На фиг.2а-е показаны два контакта 11 и 12, через которые проходит дуга, в камере 10 прерывания тока высоковольтного выключателя 1 с функцией разъединителя. Первый контакт 11 является неподвижным, в то время как второй контакт 12 может перемещаться в осевом направлении по отношению к первому контакту 11.

Перемещение второго контакта 12 может совершаться при помощи пружинного исполнительного устройства (актюатора) и гидравлически демпфированного поршня (не показан), управляемого устройством 30 управления высоковольтного выключателя с функцией разъединителя. В качестве альтернативы поршень может приводиться в действие сервомотором или подобным устройством. Однако возможно использование любых других средств реализации осевого перемещения.

На фиг.2а показаны контакты в замкнутом положении, т.е. при протекании тока. Затем инициируют отключение, соответствующее точке "А" на графике фиг.3. Данный график показывает расстояние d (в мм) между текущей позицией и конечной позицией второго контакта 12 как функцию времени (в мс).

После небольшой задержки второй контакт 12 начинает выходить из соединения с первым контактом 11. Второй контакт теряет гальванический контакт с первым контактом через примерно 20 мс, см. фиг.2b, что соответствует точке "В" на фиг.3. Следует принимать во внимание, что в данной точке токовые контакты высоковольтного выключателя уже потеряли гальванический контакт.

Второй контакт 12 продолжает двигаться в осевом направлении, уже не имея гальванического контакта с первым контактом, см. фиг.2с, что соответствует точке "С" на фиг.3. Как только два контакта 11, 12 теряют гальванический контакт друг с другом, возникает дуга, обусловленная протеканием высокого тока через контакты. Данная дуга охлаждается и гасится при помощи подходящего газа, такого как SF₆, инжектируемого в пространство между двумя контактами, в то время как второй контакт 12 продолжает двигаться дальше от первого контакта 11. Гашение дуги завершается до момента достижения вторым контактом позиции, показанной на фиг.2d, что соответствует точке "D" на фиг.3.

Следует отметить, что для осуществления инжекции гасящего газа может быть использована так называемая термокамера или камера с самостоятельным обдувом.

Для обеспечения правильного гашения дуги скорость перемещения второго контакта 12 и расстояние между контактами 11, 12 должны тщательно контролироваться. Период гашения ограничивается двумя вертикальными линиями, пересекающими точки "В" и "D" соответственно. В момент времени, когда гашение завершено, взаимное расстояние между двумя контактами, т.е. наименьшее расстояние между двумя контактами составляет приблизительно 65 мм, что соответствует 100% номинального хода контакта. Таким образом, работа высоковольтного выключателя с функцией разъединителя между точками "А" и "D" реализует функцию обычного высоковольтного выключателя.

Пример графика на фиг.3 отражает параметры высоковольтного выключателя переменного тока ABB, имеющего номинальное напряжение 145 кВ в соответствии с Международным Стандартом IEC 62271-100 и номинальным грозовым импульсным напряжением пробоя с пиковым значением 650 кВ в соответствии с Международным Стандартом IEC 62271-1. Для выключателя, имеющего изношенные поверхности контактов, импульсное напряжение пробоя должно составлять 80% от 650 кВ.

После завершения периода гашения, второй контакт 12 отодвигается дальше от первого контакта на приблизительно 10-15 мм до тех пор, пока он не достигнет конечного положения, показанного на фиг.2е, что соответствует точке "Е" на фиг.3. При перемещении второго контакта на данное дополнительное расстояние, т.е. при увеличении хода контакта приблизительно на 10% от номинального хода контакта достигается увеличенная диэлектрическая прочность высоковольтного выключателя без затрагивания функции прерывания такого выключателя. Данная увеличенная диэлектрическая прочность имеет особую важность, поскольку высоковольтный выключатель представляет собой высоковольтный выключатель с функцией разъединителя, который, кроме выполнения функций выключателя в энергетической системе, также заменяет разъединители, обычно используемые в таких энергетических системах. Таким образом, дополнительная работа высоковольтного выключателя с функцией разъединителя между точками "D" и "Е" обеспечивает реализацию функции высоковольтного разъединителя по напряжению пробоя.

Пример графика на фиг.3 отражает размеры величин между точками "D" и "Е", необходимые для удовлетворения требованиям по диэлектрической прочности, установленным для высоковольтного разъединителя переменного тока, имеющего номинальное напряжение 145 кВ, то есть имеющего номинальное грозовое импульсное напряжение пробоя 750 кВ согласно стандарту IEC 62271-1 через изолирующий промежуток. Для устройства, имеющего изношенные контакты, импульсное напряжение пробоя также должно составлять 750 кВ.

Увеличенный ход контакта может быть получен с помощью управления гидравлически демпфированным поршнем. Для получения желаемых характеристик хода контакта может быть использован линейный успокоитель, т.е. демпфер, который препятствует перемещению посредством вязкого трения. При желании демпфирование комбинируют с подходящим, например нелинейным, перекидным механизмом.

Следует заметить, что описанный выше высоковольтный выключатель с функцией разъединителя обладает параметрами выключения тока, оптимизированными для номинального напряжения выключателя. То есть выполняемые функции выключения тока идентичны выполняемым функциям стандартного выключателя, имеющего то же самое номинальное напряжение. Реализацию функции диэлектрической прочности осуществляют при помощи увеличенного хода контактов. В частности, следует заметить, что расстояние d в точке "D", представляющее собой расстояние, при котором заканчивается период гашения, не должно быть слишком большим, поскольку в противном случае рабочие характеристики ухудшаются.

Высоковольтный выключатель с функцией разъединителя согласно настоящему изобретению предпочтительно представляет собой высоковольтный выключатель переменного тока с функцией разъединителя для номинального напряжения 72,5 кВ или выше, соответствующий как международным, так и национальным стандартам и положениям. В частности, данный выключатель соответствует Международному Стандарту IЕС 62271-108.

В частности, следует отметить, что высоковольтный выключатель переменного тока с функцией разъединителя представляет собой стандартный высоковольтный выключатель с функцией разъединителя тока с номинальным напряжением, соответствующим возникающим напряжениям, имеющий параметры выключения, оптимизированные для номинального напряжения/возникающих напряжений, в котором реализована увеличенная длина хода контакта, получаемая при помощи модифицированного демпфера, благодаря чему получают способность выдерживать напряжение пробоя, достаточное для удовлетворения требованиям, предъявляемым к разъединителю для данного номинального напряжения.

Согласно следующему варианту осуществления изобретения предлагается способ модификации высоковольтного выключателя, имеющего первое номинальное напряжение, с целью получения высоковольтного выключателя о функцией разъединителя, имеющего первое номинальное напряжение, причем высоковольтный выключатель содержит первый и второй контакты, средства для перемещения контактов на первое взаимное расстояние и средства для гашения дуги, возникающей между контактами во время перемещения, для реализации, таким образом, функции высоковольтного выключателя. Способ включает в себя модификацию средств для перемещения таким образом, что они могут, после перемещения контактов на первое взаимное расстояние, перемещать контакты на второе взаимное расстояние, превышающее первое взаимное расстояние, для обеспечения диэлектрической прочности высоковольтного разъединителя, имеющего первое номинальное напряжение.

Описанный выше вариант осуществления может включать в себя любые другие функции, описанные в настоящей заявке.

Выше были описаны варианты осуществления высоковольтного выключателя с функцией разъединителя согласно настоящему изобретению. Специалист в данной области техники должен понимать, что данные варианты могут видоизменяться в рамках прилагаемой формулы изобретения. Например, несмотря на то, что были описаны варианты осуществления с одним подвижным и одним неподвижным контактом, следует понимать, что идея изобретения может быть применена также для других видов конфигураций контактов, например, таких, как конфигурация, включающая два подвижных в осевом направлении контакта. Таким образом, термин «перемещение контактов» следует понимать как перемещение контактов относительно друг друга, то есть один или более контактов перемещают таким образом, чтобы регулировать взаимное расстояние между контактами.

Кроме того, следует понимать, что можно соединить последовательно несколько камер прерывания тока и управлять ими синхронно для снижения требований по выдерживаемому напряжению пробоя каждой из камер прерывания.

Высоковольтный выключатель с функцией разъединителя содержит первый и второй контакты; средства для перемещения контактов на первое взаимное расстояние и средства для гашения дуги, возникающей между контактами во время указанного перемещения, и тем самым реализации функции высоковольтного выключателя. Средства для перемещения выполнены с возможностью перемещения контактов, после гашения дуги, на второе взаимное расстояние, превышающее первое взаимное расстояние, для реализации функции высоковольтного разъединителя, состоящей в обеспечении диэлектрической прочности. Технический результат - обеспечение повышенной диэлектрической прочности в состоянии разъединения только при помощи увеличенного хода контактов без увеличения номинального напряжения выключателя и использования отдельных высоковольтных воздушных разъединителей, что позволяет упростить конструкцию при сохранении оптимальной функции отключения тока. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Высоковольтный выключатель с функцией разъединителя, имеющий заданное номинальное напряжение, содержащий первый и второй контакты, средства для перемещения контактов на первое взаимное расстояние и средства для гашения дуги, возникающей между контактами во время указанного перемещения, тем самым реализации функции высоковольтного выключателя, отличающийся тем, что указанные средства для перемещения выполнены с возможностью перемещения контактов, после гашения дуги, на второе взаимное расстояние, превышающее первое взаимное расстояние, для реализации функции высоковольтного разъединителя, состоящей в обеспечении диэлектрической прочности, и тем, что при перемещенных на первое взаимное расстояние контактах выдерживает первое напряжение пробоя, необходимое для выключателя с указанным заданным номинальным напряжением, а при перемещенных на второе взаимное расстояние контактах выдерживает второе напряжение пробоя, необходимое для разъединителя с указанным заданным номинальным напряжением.

2. Выключатель по п.1, отличающийся тем, что указанные средства для перемещения включают в себя демпфер на основе гидравлического поршня.

3. Выключатель по п.2, отличающийся тем, что указанные средства для перемещения выполнены с возможностью перемещения контактов на первое и второе взаимные расстояния в осевом направлении по отношению к контактам за один проход.

4. Выключатель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что указанные средства для гашения включают в себя газ, предпочтительно шестифтористую серу (элегаз).

5. Выключатель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что средства для перемещения контактов выполнены с возможностью перемещения контактов на первое взаимное расстояние с первой скоростью и перемещения контактов с первого взаимного расстояния на второе взаимное расстояние со второй скоростью, при этом первая скорость превышает вторую скорость.

6. Выключатель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что второе взаимное расстояние, по меньшей мере, на 5%, предпочтительно, по меньшей мере, на 10%, более предпочтительно приблизительно на 10%-25% превышает первое взаимное расстояние.

7. Выключатель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что указанные средства для гашения дуги выполнены с возможностью гашения дуги, возникающей между контактами в течение периода гашения, который заканчивается при перемещении контактов на первое взаимное расстояние.

8. Выключатель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что он имеет заданное номинальное напряжение, причем указанная функция высоковольтного выключателя и указанная функция высоковольтного разъединителя, состоящая в обеспечении диэлектрической прочности, оптимизированы для указанного заданного номинального напряжения.

9. Выключатель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что он имеет номинальное напряжение 72,5 кВ или выше.

10. Способ управления высоковольтным выключателем с функцией разъединителя, охарактеризованным в п.1, имеющим заданное номинальное напряжение и содержащим первый и второй контакты, в котором перемещают указанные контакты на первое взаимное расстояние и обеспечивают гашение дуги, возникающей между контактами, обеспечивая тем самым первое напряжение пробоя, необходимое для выключателя с указанным заданным номинальным напряжением, отличающийся тем, что указанные контакты перемещают, после гашения дуги, на второе взаимное расстояние, превышающее первое взаимное расстояние, для обеспечения второго напряжения пробоя, необходимого для разъединителя с указанным заданным номинальным напряжением.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что контакты перемещают на первое и второе взаимные расстояния при помощи перемещающего устройства, содержащего управляемый гидравлический поршень.

12. Способ по п.10 или 11, отличающийся тем, что второе взаимное расстояние, по меньшей мере, на 5%, предпочтительно, по меньшей мере, на 10%, более предпочтительно приблизительно на 10%-25% превышает первое взаимное расстояние.

13. Способ по п.10 или 11, отличающийся тем, что гашение дуги выполняют в течение периода гашения, который заканчивается при перемещении контактов на первое взаимное расстояние.

14. Способ по п.10 или 11, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть перемещения на второе взаимное расстояние выполняют при помощи переключающего механизма, предпочтительно нелинейного переключающего механизма.

15. Способ по п.10 или 11, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть перемещения на второе взаимное расстояние выполняют при помощи успокоителя, предпочтительно нелинейного успокоителя.

16. Способ по п.10 или 11, отличающийся тем, что выключатель с функцией разъединителя имеет заданное номинальное напряжение, причем указанная функция высоковольтного выключателя и указанная функция высоковольтного разъединителя, состоящая в обеспечении диэлектрической прочности, оптимизированы для указанного заданного номинального напряжения.

17. Способ модификации высоковольтного выключателя, имеющего заданное номинальное напряжение, для получения высоковольтного выключателя с функцией разъединителя, имеющего указанное заданное номинальное напряжение, охарактеризованного в п.1, причем высоковольтный выключатель содержит первый и второй контакты, средства для перемещения контактов на первое взаимное расстояние и средства для гашения дуги, возникающей между контактами во время указанного перемещения, и тем самым реализации функции высоковольтного выключателя с первым напряжением пробоя, необходимым для выключателя с указанным заданным номинальным напряжением, отличающийся тем, что модифицируют указанные средства для перемещения таким образом, что они способны обеспечить, после перемещения контактов на первое взаимное расстояние, перемещение указанных контактов на второе взаимное расстояние, превышающее первое взаимное расстояние, для обеспечения второго напряжения пробоя, необходимого для разъединителя с указанным заданным номинальным напряжением.