Wyłącznik olejowy: rodzaje, oznaczenia + specyfika użytkowania

Wśród urządzeń łączeniowych zaszczytne miejsce, niczym weteran, zajmuje wyłącznik olejowy, stosowany zarówno w rozdzielnicach zamkniętych, jak i otwartych, o dowolnym napięciu.

Jego podstawową funkcją jest załączanie i wyłączanie poszczególnych linii normalnie pracującego układu elektrycznego lub w sytuacjach niestandardowych. Wyłączanie, w zależności od okoliczności, odbywa się automatycznie lub ręcznie.

W tym artykule omówimy istniejące rodzaje tych urządzeń, ich klasyfikację i oznaczenia. Zwrócimy również uwagę na zalety i wady takich wyłączników, cechy i zasady ich użytkowania. Dla lepszego zrozumienia materiału dobraliśmy schematy, tabele, poglądowe zdjęcia oraz tematyczne przeglądy wideo.

Zalety i wady wyłączników olejowych

Urządzenia te mają stosunkowo prostą konstrukcję. Charakteryzują się dobrą zdolnością wyłączania, nie są zależne od warunków pogodowych. W przypadku awarii można przeprowadzać prace naprawcze. Zbiornikowe WO nadają się do montażu zewnętrznego. Istnieją warunki do montażu wbudowanych przekładników prądowych.

Ważną rolę w działaniu WO odgrywa szybkość rozchodzenia się styków. Może wystąpić sytuacja, gdy styki rozchodzą się z ogromną prędkością, a łuk natychmiast osiąga długość, która jest dla niego krytyczna. Wówczas wartość napięcia powrotnego może być niewystarczająca do przebicia przerwy międzystykowej.

Więcej wad mają wyłączniki zbiornikowe. Pierwsza – obecność dużej ilości oleju, a co za tym idzie, niemałe gabaryty tych agregatów i rozdzielnic. Druga – zagrożenie pożarowe i wybuchowe, w sytuacjach awaryjnych skutki mogą być najbardziej nieprzewidywalne.

Poziom oleju zarówno w zbiorniku, jak i we wlocie, a także jego stan, należy okresowo kontrolować. W przypadku występowania WO w obsługiwanych sieciach elektroenergetycznych, konieczne jest posiadanie specjalnego gospodarstwa olejowego.

Na zdjęciu wyłącznik olejowy WMG. Może wyłączać dowolne prądy obciążenia i zwarcia, włącznie z granicznym prądem wyłączania. Ten typ jest szeroko stosowany na stacjach transformatorowych.

Klasyfikacja wyłączników olejowych

Zaczęto stosować wyłączniki olejowe już pod koniec przedostatniego wieku. Niemal do połowy XX wieku nie było innych urządzeń wyłączających w sieciach wysokiego napięcia.

Istnieją dwie duże grupy tych aparatów:

1. Zbiornikowe, których cechą charakterystyczną jest duża objętość oleju. Dla tego urządzenia olej stanowi zarówno środowisko, w którym gasi się łuk, jak i izolację.
2. Małoolejowe lub małobjętościowe. O ilości wypełniacza mówi już sama nazwa. Wyłączniki te zawierają elementy dielektryczne, a olej jest tu potrzebny tylko do gaszenia łuku.

Pierwsze są stosowane głównie w rozdzielnicach od 35 do 220 kV. Drugie – do 10 kV. Urządzenia małoolejowe serii VMT są używane również w zewnętrznych rozdzielnicach przeznaczonych na 110 i 220 kV.

Zasada gaszenia łuku w obu typach jest identyczna. Łuk pojawiający się przy rozwieraniu wysokonapięciowych styków wyłącznika powoduje szybkie odparowanie oleju. Prowadzi to do wytworzenia gazowej powłoki wokół łuku. Tworzy się ona z par oleju (około 20%) i wodoru (H2).

Przestrzeń łukowa jest dejonizowana w wyniku szybkiego chłodzenia kolumny łuku przez mieszanie w powłoce gazów o wysokiej i niskiej temperaturze.

W momencie powstawania łuków w strefie kontaktu temperatura jest bardzo wysoka – około 6000⁰. W zależności od instalacji wyróżnia się wyłączniki stosowane wewnątrz, na zewnątrz, a także w KRP – kompletnych rozdzielnicach.

Rodzaj #1 — urządzenia typu zbiornikowego

Urządzenia łączeniowe tego typu mogą mieć jeden zbiornik lub więcej w zależności od napięcia. W pierwszym przypadku jest to do 10 kV, w niektórych przypadkach do 35. Każda faza wyłączników pracujących w instalacjach o wyższym napięciu jest umieszczona w indywidualnym zbiorniku.

Wszystkie wyłączniki zbiornikowe mają zbliżoną kompozycję. Stalowy zbiornik na wprowadzeniach z olejem mieści komory gaszenia łuku. Zewnętrzne styki są połączone poprzeczką.

Napędy zarówno do wyłączników zbiornikowych, jak i małoolejowych mogą być ręczne, automatyczne z cewką załączającą solenoidu lub sprężynowe. W drugim przypadku wykorzystuje się właściwość magnetyczną solenoidu, która umożliwia wciągnięcie metalowego rdzenia połączonego za pośrednictwem specjalnego systemu z wałem wyłącznika (MW).

Po podaniu na uzwojenie solenoidu stałego prądu elektrycznego, następuje załączenie agregatu poprzez wciągnięcie trzpienia obwodu magnetycznego, a następnie obrót wału wyłącznika.

Specjalna zapadka utrzymuje wał w takim położeniu. Jednocześnie z załączeniem solenoid nadaje określone położenie sprężynom wyłączającym, które po otrzymaniu specjalnego impulsu elektrycznego wyłączą MW.

Proces wyłączania uruchamia drugi solenoid poprzez wybicie mechanizmu rolkowego (zapadki). W rezultacie wał natychmiast obraca się za pomocą sprężyny i następuje wyłączenie. Do działania napędu solenoidowego niezbędna jest obecność akumulatora do zasilania go prądem stałym.

Gdy brakuje akumulatora, stosuje się napęd sprężynowy. Załączanie wykonuje się za pomocą silnika elektrycznego lub siły mięśni. Ręczne wyłączanie jest możliwe w przypadku małej mocy agregatów o wartości prądów zwarciowych do 30 kA, do wyłączenia których należy przyłożyć siłę maksymalnie 25 kg.

Jednozbiornikowy wyłącznik olejowy z otwartym łukiem

W niektórych rozdzielnicach instaluje się wyłączniki zbiornikowe, które nie mają komór gaszących. Łuk elektryczny jest tu gaszony w najprostszy sposób – przez podwójne przerwanie styków w zbiorniku wypełnionym olejem. Do takich urządzeń z otwartym łukiem należą krajowe modele WMB i WME. Są one przeznaczone na prąd znamionowy 1,25 kA.

Schemat WME-6-200. Konstrukcja składa się ze zbiornika (1), pokrywy (2), izolatorów porcelanowych (3), styków nieruchomych (4), styków ruchomych (5), trawersu (6), styków gaszących łuk (7), płytek (8), sprężyny (9), wału (10)

Symbol «E» oznacza ekskawatorowy, cyfra 6 – napięcie znamionowe 6 kV, 200 – prąd znamionowy w amperach. Próg wyłączania dla tego wyłącznika olejowego wynosi 1,25 kA. Zbiornik tego wyłącznika jest wykonany ze stali i połączony z pokrywą z żeliwa za pomocą śrub. Ściany zbiornika pokryte są izolacją (13).

Sześć izolatorów porcelanowych przechodzących przez pokrywę kończy się miedzianymi zaciskami, pełniącymi funkcję nieruchomych styków roboczych. Seria WME ma ręczny napęd kołowy.

Na trawersie lub moście stykowym znajdują się styki ruchome. Tutaj również znajdują się ruchome styki gaszące łuk w postaci mosiężnych kątowników. Płytki miedziane z mosiężnymi końcówkami, znajdujące się na dole na końcach izolatorów, to nieruchome styki gaszące łuk. Izolujący drążek poprzez kontakt z mechanizmem napędowym przekazuje ruch stykom ruchomym.

Przy podniesionym położeniu trawersu styki nieruchome są zwarte, sprężyna odpowiedzialna za wyłączenie jest ściśnięta, wyłącznik olejowy jest włączony. Wyłącznik jest połączony z wałem napędu zapadki, która utrzymuje go w położeniu roboczym. Przy każdym wyłączeniu zapadka zostaje zwolniona, sprężyna rozpręża się, a trawers gwałtownie opada. Następuje wówczas sekwencyjne rozwieranie styków roboczych: 4 i 5, następnie – 7,8.

Powoduje to na każdym biegunie wyłącznika rozwarcie obwodu w dwóch punktach, pojawienie się łuku i rozkład oleju. Wewnątrz osłon 12 ciśnienie osiąga od 0,5 do 1 MPa, aktywując tym samym proces dejonizacji. W ciągu maksymalnie 0,1 s łuki są gaszone, a osłony, unosząc się, znajdują się pod pokrywą i zwiększają objętość poduszki powietrznej.

Gdy wszystkie fazy wyłącznika olejowego znajdują się w jednym zbiorniku, olej izoluje styki między sobą i od korpusu zbiornika, który musi być uziemiony.

Pełni ona rolę bufora, zmniejszającego siłę uderzenia w procesie gaszenia łuku. Normalna wysokość poduszki powietrznej wynosi około 25% objętości. Przekroczenie tego progu może prowadzić do wybuchu.

Takie wyłączniki są proste w eksploatacji, stosunkowo niedrogie, wygodne w użyciu na otwartych stacjach. Jednak gorące opary oleju nawet przy prostym kontakcie z tlenem łatwo ulegają zapłonowi.

Spalanie łuku w środowisku olejowym uruchamia proces polikondensacji, co pogarsza wytrzymałość elektryczną oleju. Zbiornik zanieczyszcza osad składający się z cząstek węgla. Dlatego konieczne są przeglądy zespołu z wymianą oleju.

Wyłączniki olejowe z komorą gaszenia łuku

Obecność komory gaszenia łuku znacznie zwiększa zdolność wyłączania i niezawodność pracy wyłączników zbiornikowych. Umieszcza się ją w oleju znajdującym się w zbiorniku. W wyłącznikach trójzbiornikowych każdą fazę umieszcza się w osobnym zbiorniku.

Jeden biegun wyłącznika zbiornikowego w przekroju. Jest wyposażony w komorę gaszenia łuku C-35–630–10. Oznaczenie wskazuje, że wyłącznik jest przeznaczony do instalacji w rozdzielnicach 35 kV i wyższych, zaprojektowany na prąd znamionowy 630,4 kA, znamionowy prąd wyłączalny 10 kA.

Konstrukcja jest bardziej złożona niż w przypadku wyłącznika olejowego bez komór gaszenia łuku i składa się z:

• bieguna (1);
• przekładnika prądowego (2);
• obudowy napędu (3);
• drążka (4);
• styku nieruchomego (5);
• komory gaszenia łuku (6);
• izolacji (7);
• elementu grzejnego (8);
• urządzenia do spuszczania oleju (9).

Górna część komory wyposażona jest w styk nieruchomy. Podczas załączania wnika w niego styk ruchomy w kształcie pręta. W przypadku wyłączenia pręt opuszcza styk nieruchomy, w wyniku czego w komorze pojawia się łuk. Wartość powstającego przy tym ciśnienia jest o rząd wielkości wyższa niż odpowiedni parametr wyłączników nie wyposażonych w komorę gaszenia łuku.

Ciśnienie 8-7 MPa zmniejsza średnicę łuku, zwiększa wytrzymałość przebicia przerwy po przejściu prądu przez punkt zerowy. W rezultacie następuje szybszy proces gaszenia łuku. Po wyjściu styku ruchomego z komory, przez wolny otwór następuje wylot gazów z częściowym wychwyceniem oleju.

Kolumna łuku szybko się ochładza, następuje intensywna dejonizacja. Wraz ze wzrostem prądu wzrasta skuteczność działania komory gaszenia łuku. Wyłącznik olejowy może pracować również jako urządzenie z otwartym łukiem w przypadku wyłączania małych prądów.

Oprócz zwiększania ciśnienia mieszanki parowej w przerwie łuku, w celu przyspieszenia wygaszania łuku stosuje się metodę wzmocnionego przedmuchiwania mieszanki parowej w strefę łuku. Istnieje nadmuch wzdłużny, poprzeczny, przeciwny.

Widok automatycznego wydmuchiwania jest określony przez konstrukcję komory gaszącej. W pierwszym przypadku wektor mieszanki par ma kierunek wzdłużny względem kolumny łuku (fragment a). Przy poprzecznym kierunku wydmuchiwania strumień porusza się w kierunku prostopadłym do kolumny łuku lub pod określonym kątem (fragment b).

W przypadku, gdy przepływ ma kierunek przeciwny do wektora ruchu styków ruchomych z łukiem, występuje wydmuchiwanie przeciwne. Często w urządzeniach gaszących stosuje się kombinacje tych metod.

Łuk w wyłączniku olejowym jest gaszony w 3 etapach. W pierwszym (a) następuje wydzielanie energii elektrycznej w łuku i w zamkniętej obudowie generowane jest wysokie ciśnienie. W momencie wydostania się mieszaniny z obudowy rozpoczyna się drugi etap (b). Trzeci (c) – usunięcie z komory pozostałości rozgrzanych gazów i produktów rozpadu.

Na ostatnim etapie następuje przygotowanie komory do udziału w następnym cyklu wyłączania. Dla automatycznego ponownego wyłączania ten etap jest niezwykle ważny.

Rodzaj #2 — wyłączniki garnkowe lub małoolejowe

W instalacjach zamkniętych wyłączniki garnkowe są używane jako generatorowe i rozdzielcze. W otwartych – jako podstacjiowe i rozdzielcze. Olej w tych wyłącznikach nie pełni funkcji izolacyjnych, jest potrzebny tylko jako środowisko do gaszenia łuku.

Zagrożenie pożarowe i wybuchowe wyłączników małoobjętościowych jest znacznie niższe niż wyłączników zbiornikowych. Instaluje się je zarówno w rozdzielnicach zewnętrznych, jak i wewnętrznych do napięć do 110 kV. Rolę izolacji biegunów względem siebie i ziemi pełnią takie dielektryki jak porcelana, żywica syntetyczna, steatyt.

Olej w tych wyłącznikach zajmuje jedynie od 3 do 4% objętości bieguna. Niewielka objętość oleju, mała masa i wygodne wymiary są niewątpliwą zaletą tego urządzenia. Jednak stosuje się je w takich węzłach systemu, gdzie nie stawia się wysokich wymagań wyłącznikom.

Te ograniczenia tłumaczy się silnym związkiem zdolności wyłączania z prądem wyłączanym oraz nieprzystosowaniem konstrukcji do pracy w warunkach częstych wyłączeń.

Innym powodem są trudności w realizacji wielokrotnych szybkich automatyki ponownego załączania. W wyłącznikach małoobjętościowych stosuje się następujące rodzaje wydmuchiwania olejowego: poprzeczne, wzdłużne, mieszane. Specjaliści uważają pierwszy z nich za najbardziej efektywny.

W wyłącznikach tego typu przeznaczonych do wnętrz styki są umieszczone w stalowym zbiorniku. Wyłączniki na napięcie 35 kV i wyższe mają obudowę porcelanową. Najbardziej stosowanym jest urządzenie podwieszane 6-10 kV. Jego korpus jest zamocowany na wspólnej ramie dla wszystkich biegunów. Wszystkie trzy bieguny mają komorę gaszącą, każdy jest zaprojektowany na jedno przerwie styków, a przy wyższych napięciach na dwie lub więcej.

Budowa wyłączników małoolejowych obejmuje styk ruchomy i nieruchomy (1 i 3), komorę łukogaszącą (2), styki robocze (4).

Według przedstawionego schematu produkowane są wyłączniki VMP, VMG, MG, przeznaczone na napięcie do 20 kV. Cechą charakterystyczną konstrukcji wyłączników dla prądów o dużych wartościach znamionowych jest to, że na zewnątrz umieszczone są styki robocze, a wewnątrz zbiornika – styki łukogaszące.

Wyłączniki serii VMP często stosowane są w urządzeniach zamkniętych, a także w rozdzielnicach 6-10 kV. W kompletnych rozdzielnicach instalowane są wyłączniki serii VK. Są one wyposażone we wbudowany napęd elektromagnetyczny lub sprężynowy i przeznaczone są na prądy wyłączania 20–31,5 kA oraz prądy znamionowe 630–3150 A.

Wyłączniki kolumnowe, produkowane specjalnie do rozdzielnic, wyróżniają się wysuwnym wykonaniem. W instalacjach 35 kV instaluje się wyłączniki VM typu kolumnowego serii VMK i VMUE. Rozdzielnice 110, 220 kV wyposażane są w wyłączniki serii VMT. Agregat ma spawaną podstawę, na której umieszczone są trzy jego bieguny. Sterowanie – napęd sprężynowy.

Na zdjęciu wyłącznik VMT-110. Na obrazku po lewej stronie pokazano zespoły, z których się składa: napęd sprężynowy (1), izolator wsporczy bieguna wyłącznika (2), urządzenie łukogaszące (3), podstawa (4), mechanizm sterujący (5).

Po prawej stronie zdjęcia pokazano moduł, gdzie: 1 – odprowadzenie prądu, 2 – styk ruchomy, połączony z odprowadzeniem prądu za pomocą urządzeń odbierających prąd. Komora łukogasząca, oznaczona numerem 3, styk nieruchomy – 5. Wszystko to umieszczone jest w pustym izolatorze (4) z porcelany. Wewnątrz niego znajduje się olej transformatorowy, a na górze osłona (6).

Ten ostatni wyposażony jest w manometr umożliwiający kontrolę ciśnienia w module. Ponadto na pokrywie znajduje się zespół do napełniania sprężoną mieszaniną gazów, automatyczny zawór spustowy, wskaźnik oleju (8). Styk ruchomy i urządzenie sterujące połączone są izolacyjnymi cięgłami.

Wykonanie konstrukcyjne bieguna jest identyczne dla całej serii wyłączników. W zbiornikach MV dla prądów znamionowych od 630 do 1600 A znajduje się 5,5 kg oleju, powyżej 1600 do 3150 A włącznie – 8 kg.

W celu zwiększenia niezawodności, w konstrukcji niektórych wyłączników dodatkowo umieszcza się elementy sterowania i zabezpieczeń:

• elektromagnesy wyłączające;
• przekaźniki działające bezzwłocznie i z opóźnieniem przy prądzie progowym;
• przekaźniki minimalnego napięcia;
• dodatkowe styki.

W zależności od sposobu kompozycji istnieją wyłączniki małoolejowe z dolnym umieszczeniem komory łukogaszącej i przeciwnym – górnym. W pierwszym przypadku styk ruchomy wykonuje ruch z góry na dół, w drugim – odwrotnie. Zdolność wyłączająca tych drugich jest wyższa.

Oznaczenia wyłączników olejowych

Rozszyfrowanie oznaczenia naniesionego przez producenta na wyłącznik olejowy pozwoli zapoznać się z podstawowymi informacjami o nim. Przeanalizujmy dla przykładu oznaczenie wyłącznika VMG-133. Pierwszy symbol «V» mówi o tym, że mamy do czynienia z wyłącznikiem.

Na tym schemacie przedstawiono skład oznaczenia symbolicznego wyłączników wysokiego napięcia, w tym również dla urządzeń napełnionych olejem.

Drugi — «M» oznacza typ wyłącznika, w konkretnym przypadku — małoolejowy. Litera «G» określa przynależność do określonego rodzaju — garnkowy. 133 — seria MW.

Zasady eksploatacji WO

Personel remontowy, operacyjny, specjaliści związani z obsługą i eksploatacją wyłączników olejowych muszą znać odpowiednie instrukcje, budowę i zasadę działania urządzenia.

Pracownicy obsługujący MW podczas eksploatacji są zobowiązani kontrolować:

1. Napięcie robocze, prąd obciążenia. Wartości nie powinny wykraczać poza wartości tabelaryczne.
2. Wysokość słupa oleju w biegunach, brak wycieków.
3. Obecność smaru na częściach trących. Styki mogą utracić ruchomość i zablokować się, jeśli smar części trących stanie się gęsty i brudny.
4. Zapylenie pomieszczeń, w których umieszczone są rozdzielnice.
5. Zgodność charakterystyk mechanicznych eksploatowanych wyłączników z normami tabelarycznymi.

Po każdym wyłączeniu zwarcia należy dokonać oględzin urządzenia. Informacje o tych wyłączeniach wpisuje się do specjalnego dziennika. Obowiązkowo musi być dostępny dziennik defektów, do zapisywania informacji o usterkach stwierdzonych podczas pracy agregatu. Wyłącznik, na którym nastąpiło wyłączenie w wyniku zwarcia, podlega oględzinom.

Sprawdza się, czy nie ma wyrzutu oleju. Jeżeli tak się stało, i to w dużej ilości, wskazuje to na nieprawidłowe wyłączenie zwarcia. Urządzenie wycofuje się z eksploatacji i poddaje oględzinom. Gdy olej jest ciemny, konieczna jest wymiana. Na prędkość rozłączania negatywnie wpływa lepkość oleju, rosnąca wraz ze spadkiem temperatury.

Czasami zachodzi konieczność wymiany starego smaru podczas naprawy na nowy: CIATIM-221, GOI-54 lub CIATIM-201.

Tabela z danymi technicznymi wyłączników olejowych. Jeżeli wartości rzeczywiste nie odpowiadają fabrycznym, regulację wykonuje się ponownie.

Po wyłączeniu MW z pracy, dokładnym oględzinom podlegają izolatory wsporcze, cięgła, izolacja zbiorników pod kątem pęknięć. Mocno zabrudzoną izolację przeciera się. Konieczność naprawy nadzwyczajnej pojawia się po określonej liczbie zwarć.

Okresowe oględziny (PO) wykonuje się co miesiąc. Przy tym zwraca się uwagę na stopień nagrzania wyłącznika. Przegląd bieżący (PB) przeprowadza się co roku. Obejmuje on takie prace, jak sprawdzenie i usunięcie wad mocowania, kinematyki napędu, poziomu oleju, uszczelnień. Sprawdza się również części izolacyjne pod kątem ich integralności.

Po upływie 3-4 lat po remoncie kapitalnym wykonuje się średni (SR). Obejmuje on cały zakres prac TR oraz dodatkowo pomiary rezystancji przejściowej biegunów i sprawdzenie parametrów mechanicznych i prędkościowych.

W przypadku stwierdzenia niezgodności kontrolowanych charakterystyk z danymi tabelarycznymi, wyłącznik rozbiera się, wykonuje regulację oraz pełny zestaw prób wysokonapięciowych.

Podczas naprawy nadzwyczajnej w zasadzie stara się pozostawić poprzednią regulację bez zmian. Z tego powodu wyłącznik rozbiera się w minimalnym zakresie. Okresowość remontu kapitalnego wynosi od 6 do 8 lat. W jego zakresie wykonuje się oględziny ogólne, zdejmuje się cylindry z ramy, odłącza się szyny, naprawia się napęd, urządzenia gaszące łuk, styki pomocnicze.

Następnie wykonuje się regulację, malowanie, podłącza się szyny, przeprowadza się próby. Na wszystkie prace sporządza się dokumentację.

Oprócz wyłączników olejowych w sieciach wysokiego napięcia stosuje się również inne urządzenia odłączające. Na przykład wyłączniki SF6 i próżniowe. Na naszej stronie znajdują się inne artykuły, w których szczegółowo omówiono charakterystyki i budowę tych typów wyłączników oraz specyfikę ich użytkowania:

• Wyłącznik próżniowy: budowa i zasada działania + niuanse wyboru i podłączenia
• Wyłączniki SF6: kryteria wyboru i zasady podłączenia

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Budowa, rodzaje, przeznaczenie i eksploatacja MW:

Szczegółowy przegląd WMP-10:

Wszystkim podstawowym wymaganiom stawianym wyłącznikom pracującym w warunkach wysokiego napięcia odpowiadają również wyłączniki olejowe. Większość z nich jest bezpieczna i niezawodna w działaniu, zapewnia szybkie wyłączanie, jest prosta w montażu. Mimo to producenci dążą do zapewnienia jeszcze większej zgodności z wymaganiami stawianymi MW.

Posiada Pan/Pani wiedzę na temat wyłączników olejowych i chciałby/chciałaby Pan/Pani uzupełnić przedstawiony materiał o przydatne informacje? Może zauważył/zauważyła Pan/Pani niezgodność lub błąd? Albo ma Pan/Pani pytania na ten temat? Proszę napisać nam o tym pod artykułem – będziemy wdzięczni.