Коммутаторы
Коммутаторы в электротехнических и кабельных сетях: классификация, конструкция, применение и выбор
Коммутатор, в контексте электротехники и кабельной продукции, представляет собой электромеханическое или электронное устройство, предназначенное для оперативного включения, отключения и переключения электрических цепей под нагрузкой или без нее. Основная функция – управление потоком электроэнергии и распределение ее между потребителями, участками сети или источниками питания. Коммутаторы являются ключевыми элементами систем управления, защиты и автоматизации в сетях от низкого (до 1000 В) до сверхвысокого (свыше 330 кВ) напряжения.
Классификация коммутационных аппаратов
Классификация проводится по множеству признаков, определяющих конструкцию, назначение и область применения.
1. По уровню напряжения
- Коммутаторы низкого напряжения (НН): до 1000 В переменного и 1500 В постоянного тока. К ним относятся автоматические выключатели, рубильники, пакетные выключатели, контакторы, переключатели.
- Коммутаторы высокого напряжения (ВН): свыше 1000 В. К ним относятся выключатели (масляные, вакуумные, элегазовые, воздушные), разъединители, отделители, короткозамыкатели, выключатели нагрузки.
- Для сетей переменного тока (частотой 50/60 Гц).
- Для сетей постоянного тока.
- Ручные: управление осуществляется оператором непосредственно или через механический привод (рубильники, разъединители).
- Дистанционные (автоматические): управление осуществляется электромагнитным, электродвигательным, пневматическим или гидравлическим приводом по сигналу от релейной защиты, автоматики или оператора (автоматические выключатели, контакторы, выключатели ВН).
- Выключатели: предназначены для коммутации цепей под нагрузкой и отключения токов короткого замыкания (КЗ).
- Разъединители: создают видимый разрыв цепи для безопасного проведения работ, коммутируют цепи без тока или с незначительными токами (например, токи холостого хода трансформаторов).
- Выключатели нагрузки: коммутируют токи нагрузки, но не отключают токи КЗ.
- Короткозамыкатели и отделители: используются в схемах упрощенного исполнения подстанций для создания искусственного КЗ и последующего отключения участка сети.
- Контакторы и магнитные пускатели: для частых коммутаций цепей, обычно в цепях электродвигателей.
- Рубильники и переключатели: для нечастых оперативных коммутаций, организации видимого разрыва в сетях НН.
- Автоматический выключатель (автомат): содержит расцепители (тепловой для защиты от перегрузки и электромагнитный для защиты от КЗ), дугогасительную камеру и контактную систему. Бывают модульными (для установки на DIN-рейку), в литом корпусе (MCCB) и воздушными (ACB).
- Контактор: электромагнитный аппарат для частых коммутаций. Состоит из электромагнита, подвижной системы с силовыми контактами, дугогасительной системы и вспомогательных контактов. Не имеет встроенной защиты от токов КЗ.
- Рубильник (разъединитель НН): простейший аппарат с ножевыми контактами и ручным приводом. Может быть оснащен дугогасительными камерами для отключения под нагрузкой (выключатель нагрузки НН).
- Силовые выключатели устанавливаются на всех присоединениях (линии, трансформаторы) для оперативных коммутаций и аварийного отключения.
- Разъединители обеспечивают видимый разрыв для создания безопасных условий при ремонте выключателя или другого оборудования. Не допускается отключение под нагрузкой (за исключением специальных случаев).
- Выключатели нагрузки применяются в сетях 6-10 кВ для отключения нагрузочных токов, часто в сочетании с предохранителями для защиты от КЗ.
- Короткозамыкатели и отделители используются в схемах блочных трансформаторных подстанций 35-220 кВ без выключателей на высшей стороне.
- Цифровизация и интеллектуализация: Современные коммутаторы оснащаются микропроцессорными терминалами защиты и управления (интеллектуальные реле), встроенными датчиками тока и напряжения (оптические, с эффектом Роговского), что позволяет интегрировать их в системы Smart Grid.
- Гибридные и твердотельные выключатели: Разработка аппаратов, сочетающих быстродействие полупроводниковых ключей (тиристоры, IGBT) и надежность механических контактов. Позволяют осуществлять коммутацию за доли полупериода, минимизируя токи повреждений.
- Экологичность: Поиск альтернатив элегазу (смеси газов, «зеленый» элегаз, вакуумные технологии для ВН) в связи с высоким потенциалом глобального потепления SF6.
- Повышение надежности и диагностика: Внедрение систем непрерывного мониторинга состояния (мониторинг изоляции, износа контактов, состояния приводов) для перехода от планово-предупредительного ремонта к обслуживанию по фактическому состоянию.
2. По роду тока
3. По способу управления
4. По функции и конструкции
Конструкция и принцип действия основных типов коммутаторов
Выключатели высокого напряжения
Главная задача – надежное гашение электрической дуги, возникающей между расходящимися контактами при отключении тока. Способ гашения определяет тип выключателя.
| Тип выключателя | Среда гашения дуги | Принцип гашения | Диапазон напряжений | Преимущества | Недостатки |
|---|---|---|---|---|---|
| Масляный (баковый) | Минеральное масло | Дуга разлагает масло, создавая газовый пузырь с высоким давлением, который интенсивно охлаждает и деионизирует дуговой столб. | 6-750 кВ | Простота конструкции, высокая отключающая способность. | Пожароопасность, необходимость обслуживания масла, большие габариты. |
| Вакуумный (ВВ) | Высокий вакуум (10^-6…10^-8 Па) | В вакууме дуга гаснет при первом же переходе тока через ноль из-за быстрой деионизации и рекомбинации заряженных частиц на контактах. | 6-35 кВ (до 220 кВ) | Долговечность, взрыво- и пожаробезопасность, малое время срабатывания, не требует обслуживания. | Риск возникновения перенапряжений при отключении малых индуктивных токов, высокая стоимость. |
| Элегазовый (SF6) | Элегаз (шестифтористая сера) | Элегаз обладает высокой электрической прочностью и дугогасящей способностью. Дуга охлаждается в потоке газа (автодутье или принудительное). | 6-1150 кВ | Высокие коммутационные характеристики, компактность, всепогодность, низкий уровень шума. | Необходимость контроля утечек, сложность утилизации, потенциальное воздействие на экологию (ПГП). |
| Воздушный (ВВБ) | Сжатый воздух (0.6-8 МПа) | Дуга охлаждается и деионизируется мощным потоком сжатого воздуха, выдувающего плазму в атмосферу или в дугогасительные камеры. | 35-1150 кВ | Быстродействие, высокая отключающая способность, негорючесть. | Сложная пневматическая система, высокий уровень шума, необходимость компрессорного оборудования. |
Коммутационные аппараты низкого напряжения
Конструкция определяется номинальным током, отключающей способностью и назначением.
Ключевые параметры и характеристики
Выбор коммутатора определяется его техническими параметрами, которые должны соответствовать условиям эксплуатации.
| Параметр | Обозначение/Единица измерения | Описание |
|---|---|---|
| Номинальное напряжение | Uн, кВ/В | Максимальное напряжение сети, для работы в котором предназначен аппарат. |
| Номинальный ток | Iн, А | Длительный ток, который аппарат может проводить в продолжительном режиме без превышения допустимых температур. |
| Номинальный ток отключения | Iоткл.ном, кА (для ВН) | Действующее значение периодической составляющей тока КЗ, которое аппарат способен отключить при заданных условиях восстановления напряжения. |
| Отключающая способность (для НН) | Icu (Icn), кА | Максимальный ток КЗ, который аппарат может отключить без повреждений. Icu – предельная, Icn – номинальная. |
| Стойкость при сквозных токах КЗ | Iдин, Iтерм, кА | Iдин – амплитудное значение тока электродинамической стойкости. Iтерм – действующее значение тока термической стойкости за время t (обычно 1 или 3 с). |
| Собственное время отключения | tс.о, с/мс | Интервал от момента подачи команды на отключение до начала расхождения дугогасительных контактов. |
| Полное время отключения | tо, с/мс | Интервал от момента подачи команды до полного гашения дуги. |
| Коммутационный ресурс | циклов В-О | Количество операций включения-отключения при номинальных токах, гарантируемое производителем. Для разных аппаратов варьируется от сотен (выключатели ВН) до миллионов (контакторы). |
| Степень защиты | IP XX | Классификация защиты оболочки от проникновения твердых предметов и воды. |
Применение в схемах распределительных устройств (РУ)
Коммутаторы являются основой для построения главных и вспомогательных цепей РУ. Их расположение и взаимосвязь определяются схемой соединений.
Тенденции и развитие
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
1. В чем принципиальная разница между выключателем и разъединителем?
Выключатель предназначен для операций под нагрузкой и отключения токов КЗ, так как имеет мощную дугогасительную систему. Разъединитель не имеет дугогасительных устройств и служит для создания видимого разрыва, обеспечивающего безопасность персонала при работах на отключенном оборудовании. Операции с разъединителями производятся, как правило, на обесточенной цепи.
2. Почему вакуумные выключатели вытесняют масляные в сетях 6-10 кВ?
Вакуумные выключатели обладают существенными преимуществами: значительно больший коммутационный ресурс (20-30 тыс. циклов против 5-10), практически не требуют обслуживания, взрыво- и пожаробезопасны, имеют меньшее время срабатывания, более экологичны. Это приводит к снижению эксплуатационных расходов и повышению надежности.
3. Что такое «ток включения» и почему он важен для выключателя?
Ток включения – это ток, который выключатель способен включить без сваривания контактов и других повреждений. При включении на существующее КЗ контакты смыкаются в момент, когда ток может быть близок к ударному. Электродинамические силы стремятся отбросить контакты, а преддуга может вызвать их оплавление. Поэтому выключатель должен обладать достаточной электродинамической стойкостью и скоростью замыкания контактов.
4. Как выбрать автоматический выключатель для сети 0.4 кВ?
Выбор осуществляется по каскаду параметров: 1) Номинальное напряжение Uн ≥ 400 В. 2) Номинальный ток Iн ≥ расчетного тока нагрузки цепи с учетом условий прокладки. 3) Отключающая способность Icu ≥ расчетному току трехфазного КЗ в точке установки. 4) Характеристика срабатывания (B, C, D) в зависимости от типа нагрузки и условий селективности. 5) Количество полюсов. 6) Тип конструкции (модульный, литой корпус, воздушный).
5. Что такое селективность (избирательность) защиты и как она обеспечивается коммутаторами?
Селективность – это свойство релейной защиты и аппаратов отключать только поврежденный участок сети, оставляя остальную часть в работе. Обеспечивается двумя основными способами: временной селективностью (выставлением разных выдержек времени у последовательно стоящих выключателей) и токовой селективностью (разными уставками по току). Для ее реализации коммутаторы должны иметь соответствующие регулируемые расцепители (в НН) или работать в связке с микропроцессорными терминалами защиты (в ВН).
6. Каковы основные критерии оценки состояния выключателя ВН при техническом обслуживании?
Ключевые проверки включают: измерение сопротивления контактов главной цепи, проверку времени операций включения/отключения и их синхронности, контроль характеристик приводного механизма (давление в пневмо-/гидроприводе, напряжение в электромагнитном), проверку сопротивления изоляции, анализ газовой среды (для элегазовых) или состояния масла (для масляных), визуальный осмотр на предмет утечек, коррозии, повреждений.
Заключение
Коммутаторы представляют собой сложный и критически важный класс электротехнического оборудования, определяющий надежность, безопасность и живучесть энергосистем. Современный рынок предлагает широкий спектр аппаратов, от традиционных конструкций до цифровых интеллектуальных устройств. Грамотный выбор, основанный на глубоком понимании параметров, условий эксплуатации и тенденций развития, а также квалифицированное техническое обслуживание являются обязательными условиями для обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей. Постоянное развитие технологий, направленное на повышение быстродействия, надежности, экологичности и интеграцию в цифровые сети, определяет вектор эволюции коммутационной аппаратуры на ближайшие десятилетия.