Вакуумные и элегазовые выключатели переменного и постоянного тока

 
 
 
 
 
Р. Н. Шульга 
 
 
 
 
 
 
ВАКУУМНЫЕ И ЭЛЕГАЗОВЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ  
ПЕРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО ТОКА 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024
1 

УДК 621.311 
ББК 31.26 
Ш95 
 
 
 
 
Рецензенты: 
д. т. н., ученый секретарь Департамента НТС и НТИ АО «НТЦ ФСК ЕЭС», 
проф., член СИГРЭ Хренников А. Ю.; 
к. т. н., зав. каф. ТЭВН, доц. НИУ МЭИ Хренов С. И. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Шульга, Р. Н. 
Ш95   
Вакуумные и элегазовые выключатели переменного и постоянного 
тока : учебное пособие / Р. Н. Шульга. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 220 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-2070-9 
 
Рассмотрены переходные процессы генераторных, конденсаторных, гибридных 
выключателей переменного тока в коммутационных и аварийных режимах.  Приведены 
результаты моделирования, управляемой и синхронной коммутации. Описана методика коммутационных испытаний и испытательные стенды указанных выключателей. 
Выполнены исследования приводов с использованием полупроводниковых приборов. 
Сравниваются схемотехника и испытательные стенды выключателей постоянного тока.  
Для студентов и специалистов направления подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» по курсу «Специальные вопросы электрической части электроустановок». 
 
УДК 621.311 
ББК 31.26 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-2070-9 
© Шульга Р. Н., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
2 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 
................................................................................. 8 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 9 
Раздел 1. РАСЧЕТЫ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ  
В ВЫКЛЮЧАТЕЛЯХ ............................................................................................... 11 
1.1. Стандарты и коммутационные испытания генераторных выключателей ... 11 
1.1.1. Анализ существующих стандартов ГВ ....................................................... 12 
1.1.2. Возможные варианты выполнения КИ ....................................................... 17 
Список используемой литературы .......................................................................... 21 
Контрольные вопросы 
............................................................................................... 22 
Темы докладов и рефератов ..................................................................................... 22 
1.2. Токи включения и токи КЗ силовых трансформаторов и синхронных 
генераторов ................................................................................................................ 23 
1.2.1. Силовые трансформаторы. Исходные положения 
..................................... 23 
1.2.2. Режимы включения СТ ................................................................................. 25 
1.2.3. Режимы КЗ для СТ ........................................................................................ 27 
1.2.4. Влияние ошиновки 
........................................................................................ 30 
1.2.5. Синхронные генераторы. Режимы КЗ для СГ 
............................................ 31 
1.2.6. Режимы ВК для СГ 
........................................................................................ 34 
Список используемой литературы .......................................................................... 35 
Контрольные вопросы 
............................................................................................... 36 
Темы докладов и рефератов ..................................................................................... 36 
1.3. Отключение тока в элегазовых и вакуумных выключателях ........................ 37 
1.3.1. Введение 
......................................................................................................... 40 
1.3.2. Испытательные схемы .................................................................................. 40 
1.3.3. Явления при подходе тока к нулю в элегазовых выключателях 
.............. 41 
1.3.4. Явления при подходе тока к нулю в вакуумных выключателях 
.............. 43 
1.3.5. Переходное восстанавливающееся напряжение (ПВН, TRV) 
.................. 45 
Список используемой литературы .......................................................................... 46 
Контрольные вопросы 
............................................................................................... 47 
Темы докладов и рефератов ..................................................................................... 47 
1.4. Моделирование и расчет токов КЗ генераторных выключателей ................ 48 
1.4.1. Описание модели 
........................................................................................... 48 
1.4.2. Описание расчетной методики .................................................................... 49 
1.4.3. Расчеты и моделирование токов трехфазного КЗ (ТКЗ) ........................... 51 
1.4.4. Блок мощностью 1200 МВт 
.......................................................................... 51 
1.4.5. Блок мощностью 200 МВт 
............................................................................ 52 
1.4.6. Результаты расчетов включения СГ на ТКЗ на модели ............................ 53 
1.4.7. Токи несимметричных КЗ при разряде со стороны СГ 
............................. 53 
1.4.8. Режимы включения на трехфазное КЗ на зажимах генератора  
и разряд сети ............................................................................................................ 54 
1.4.9. Режимы ТКЗ на зажимах СГ при разряде со стороны сети ...................... 55 
Список используемой литературы .......................................................................... 57 
3 

Контрольные вопросы 
............................................................................................... 57 
Темы докладов и рефератов ..................................................................................... 57 
1.5. Перенапряжения и токи включения конденсаторных батарей  
и способы их ограничения 
........................................................................................ 58 
1.5.1. Качественные соотношения для однофазной сети .................................... 59 
1.5.2. Анализ соотношений в трехфазной сети .................................................... 62 
1.5.3. Моделирование КБ со схемами соединения звезда и треугольник ......... 63 
1.5.4. Способы снижения бросков тока и напряжения при неуправляемой 
коммутации .............................................................................................................. 67 
1.5.5. Управляемая коммутация с использованием вакуумной  
дугогасительной камеры и вакуумного управляемого разрядника ................... 68 
1.5.6. Управляемая коммутация с использованием вакуумной  
дугогасительной камеры и тиристорного (фототиристорного) ключа 
.............. 69 
Список используемой литературы .......................................................................... 71 
Контрольные вопросы 
............................................................................................... 71 
Темы докладов и рефератов ..................................................................................... 72 
1.6. Управляемая коммутация конденсаторных батарей ...................................... 73 
1.6.1. Моделирование КБ со схемами соединения звезда и треугольник ......... 74 
1.6.2. Контроллеры для управляемой коммутации БК 
........................................ 76 
1.6.3. Совершенствование управляемой коммутации путем разработки 
комбинированных выключателей 
.......................................................................... 78 
1.6.4. Управляемая коммутация с использованием вакуумной  
дугогасительной камеры и вакуумного управляемого разрядника ................... 79 
1.6.5. Управляемая коммутация с использованием вакуумной  
дугогасительной камеры и тиристорного (фототиристорного) ключа 
.............. 79 
Список использованной литературы 
....................................................................... 80 
Контрольные вопросы 
............................................................................................... 80 
Темы докладов и рефератов ..................................................................................... 81 
1.7. Синхронная коммутация выключателей 
.......................................................... 82 
1.7.1. Синхронная (управляемая) коммутация БК с использованием  
ВДК и РВУ ............................................................................................................... 82 
1.7.2. Cинхронная (управляемая) коммутация применительно к ГВ 
................. 85 
1.7.3. Вакуумный генераторный выключатель (ВБГ-20) .................................... 87 
1.7.4. Гибридный генераторный выключатель ГГВ с тиристорным 
коммутатором ТК .................................................................................................... 89 
1.7.5. Гибридный генераторный выключатель ГГВ с вакуумным  
коммутатором РВУ ................................................................................................. 90 
Список использованной литературы 
....................................................................... 92 
Контрольные вопросы 
............................................................................................... 93 
Темы докладов и рефератов ..................................................................................... 94 
РАЗДЕЛ 2. ИСПЫТАНИЯ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ .................................................... 95 
2.1. Коммутационные испытания генераторных выключателей 
.......................... 95 
2.1.1. Постановка задачи 
......................................................................................... 95 
2.1.2. Существующая база КИ [7] 
.......................................................................... 96 
4 

2.1.3. Возможные варианты выполнения КИ ..................................................... 101 
2.1.4. Технические требования к ГВ и стенду КИ ............................................. 105 
Список использованной литературы 
..................................................................... 106 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 107 
Темы докладов и рефератов ................................................................................... 107 
2.2. Гибридный генераторный выключатель и испытательный стенд .............. 108 
2.2.1. Постановка задачи 
....................................................................................... 108 
2.2.2. Состояние проблемы 
................................................................................... 108 
2.2.3. Исследования и элементная база для разработки ГГВ 
............................ 110 
2.2.4. Гибридный генераторный выключатель ГГВ с тиристорным 
коммутатором ........................................................................................................ 113 
2.2.5. Гибридный генераторный выключатель ГГВ с вакуумным  
коммутатором ........................................................................................................ 115 
2.2.6. Испытательный стенд ................................................................................. 116 
Список использованной литературы 
..................................................................... 119 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 119 
Темы докладов и рефератов ................................................................................... 120 
2.3. Генераторные выключатели для АЭС 
............................................................ 121 
2.3.1. Постановка задачи 
....................................................................................... 121 
2.3.2. Разработка гибридного ГВ ......................................................................... 122 
2.3.3. Математическое моделирование и макетирование ГГВ ......................... 124 
2.3.4. Генераторное распределительное устройство ГРУ ................................. 129 
2.3.5. Основные качественные соотношения для оценки  
коммутационной способности ГВ ....................................................................... 131 
Список использованной литературы 
..................................................................... 133 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 134 
Темы докладов и рефератов ................................................................................... 134 
2.4. Процессы при коммутации в гибридных генераторных  
выключателях .......................................................................................................... 135 
2.4.1. Исходные положения 
.................................................................................. 135 
2.4.2. Главные контакты ....................................................................................... 136 
2.4.3. Втычные контакты (насадки и розетки W-Cu) [13] 
................................. 140 
2.4.4. Параметры ГК для ГГВ 
............................................................................... 142 
2.4.5. Параметры ВВ ............................................................................................. 143 
2.4.6. Реализация главных контактов в ГГВ на основе опыта  
предшествующих разработок 
............................................................................... 146 
Список используемой литературы ........................................................................ 147 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 148 
Темы докладов и рефератов ................................................................................... 149 
2.5. Приводы вакуумных и элегазовых выключателей ....................................... 150 
2.5.1. Общие положения ....................................................................................... 150 
2.5.2. Управление сетевыми и генераторными выключателями  
(соответственно СВ и ГВ) .................................................................................... 152 
2.5.3. Пружинный привод вакуумного выключателя (ВВ) ............................... 153 
5 

2.5.4. Автоматический взвод пружины включения ........................................... 153 
2.5.5. Гидравлический привод (ГП) элегазового выключателя (ЭВ) 
............... 155 
2.5.6. Схема и работа ГП 
....................................................................................... 157 
2.5.7. Расчет гидравлического привода генераторного  
ЭВ 160 кА 24 кВ [12, 13] 
....................................................................................... 159 
2.5.8. Расчет начального режима разгона гидропривода .................................. 160 
2.5.9. Расчет торможения гидропривода 
............................................................. 161 
Приложение к разделу 2.5.9 ................................................................................... 165 
Список использованной литературы 
..................................................................... 166 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 167 
Темы докладов и рефератов ................................................................................... 167 
2.6. Выключатели постоянного тока для многоподстанционных сетей 
постоянного тока ..................................................................................................... 168 
2.6.1. История вопроса .......................................................................................... 168 
2.6.2. Современное состояние вопроса и постановка задачи ........................... 168 
2.6.3. Формирование требований к РЗА и DC выключателям ......................... 169 
2.6.4. Схемотехника DC выключателей .............................................................. 170 
2.6.5. Данные по отключающей способности DC выключателей [2] .............. 172 
2.6.6. Возможности применения DC выключателей ......................................... 173 
2.6.7. Отечественные DC выключатели .............................................................. 175 
Список использованной литературы 
..................................................................... 177 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 178 
Темы докладов и рефератов ................................................................................... 178 
2.7. Моделирование и испытательные схемы выключателей  
постоянного тока для многоподстанционных сетей постоянного тока ............ 179 
2.7.1. Постановка задачи 
....................................................................................... 179 
2.7.2. Моделирование DC выключателей ........................................................... 180 
2.7.3. Испытательные схемы DC выключателей 
................................................ 182 
Список использованной литературы 
..................................................................... 185 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 185 
Темы докладов и рефератов ................................................................................... 186 
2.8. Новые технологии и комплексы электрооборудования переменного  
и постоянного тока .................................................................................................. 187 
2.8.1. Защитно-коммутационные аппараты и устройства 
................................. 188 
2.8.2. Отечественные DC выключатели .............................................................. 192 
2.8.3. Серийные AC выключатели переменного тока среднего  
напряжения СН 
...................................................................................................... 194 
2.8.4. Схемотехника DC выключателей .............................................................. 196 
2.8.5. Отечественные полупроводниковые приборы для преобразователей  
тока и напряжения 
................................................................................................. 197 
Список использованной литературы 
..................................................................... 198 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 199 
Темы докладов и рефератов ................................................................................... 199 
2.9. Синтетическая схема испытаний генераторного выключателя .................. 200 
6 

2.9.1. Постановка задачи 
....................................................................................... 200 
2.9.2. Схема прямых испытаний ГВ .................................................................... 201 
2.9.3. Синтетическая схема испытаний ГВ 
......................................................... 202 
2.9.4. Технические требования к ГВ и стенду ССИ 
........................................... 205 
2.9.5. Оценка объема и затрат на конденсаторы для ГИТ 
................................. 208 
2.9.6. Оценка объема и затрат на конденсаторы ГИН ....................................... 212 
Список использованной литературы 
..................................................................... 213 
Контрольные вопросы 
............................................................................................. 214 
Темы докладов и рефератов ................................................................................... 214 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 215 
 
7 

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 
 
АС – переменный ток 
АУКРМ – автоматическое устройство компенсации реактивной мощности 
АЭС – атомная электростанция 
ВВ – вакуумный выключатель 
ВДК – вакуумная дугогасительная камера 
ВЭИ – Всероссийский электротехнический институт 
ВБГ – вакуумный генераторный выключатель 
ВК – включение 
ВПТ – вставка постоянного тока 
ВЧ – высокая частота 
ГВ – генераторный выключатель 
ГГВ – гибридный генераторный выключатель 
ГИН – генератор импульсных напряжений 
ГИТ – генератор импульсных токов 
ГК – главный контакт 
ГП – гидравлический привод 
ГОЭЛРО – Государственная электрификация России 
DC – постоянный ток 
ЕЭС – Единая энергетическая система 
ПП – пружинный привод 
ППТ – передача постоянного тока 
МСПТ – многоподстанционная сеть постоянного тока 
КБ (БК) – конденсаторная батарея 
КЗ – короткое замыкание 
КВПУ – комплектное высоковольтное преобразовательное устройство 
КРУЭ – комплектное распределительное устройство элегазовое 
КАЭ – комплектный аппарат элегазовый 
КИ – коммутационное испытание 
КЛ – кабельная линия 
КУК – контроллер управляемой коммутации 
КЭО – комплекс электрооборудования 
РВУ – разрядник вакуумный управляемый 
СВ – сетевой выключатель 
СТ – силовой трансформатор 
СГ – синхронный генератор 
ССИ – синтетическая схема испытаний 
СТК – статический тиристорный компенсатор 
СТАТКОМ – статический компенсатор 
ПВН – переходное восстанавливающееся напряжение 
ТГУ – Томский политехнический университет 
ТУПК – тиристорное устройство продольной компенсации 
ТК – тиристорный коммутатор 
ТКЗ – трехфазное короткое замыкание 
ЭВ – элегазовый выключатель 
УГ – ударный генератор 
УЗИП – устройство защиты от импульсных перенапряжений 
8 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Учебное пособие предназначено для изучения курса «Специальные вопросы 
электрической части электроустановок» и дипломного проектирования выключателей переменного и постоянного тока. Пособие состоит из двух разделов. В 
первом разделе анализируются переходные процессы в выключателях, а второй 
раздел посвящен вопросам испытания выключателей. Вопросы, связанные с расчетами сетевых выключателей (СВ), достаточно освещены в литературе и учебных пособиях. Вопросы расчетов и испытаний генераторных выключателей 
(ГВ), так же как и особенности режимов работы и применения СВ для коммутации конденсаторных батарей (КБ), а также силовых трансформаторов (СТ) с учетом оставшихся значений заряда и насыщения недостаточно освещены и существенно зависят от многих факторов. 
За последние годы масляные и воздушные выключатели полностью вытесняются вакуумными и элегазовыми выключателями (соответственно ВВ и ЭВ). 
ВВ достаточно просты, надежны и дешевы и выполняются на напряжения до 
110–145 кВ с разрывной мощностью до 3 ГВА. ЭВ более сложны и дороги и выполняются на напряжения до 500 кВ и разрывную мощность более 3 МВА.  
В перспективе ожидается замена элегаза воздухом или смесью газов для улучшения экологических последствий применения элегаза. 
Недостаточная проработанность вопросов заставляет первый раздел посвятить анализу стандартов и коммутационных испытаний ГВ. В следующих разделах излагается методики расчетов режимов включения и КЗ синхронных генераторов (СГ) и СТ. 
ВВ и ЭВ должны осуществлять гашение дуги при отключении тока, и эти 
процессы носят сложный характер, который происходит при подходе тока к 
нулю. Восстанавливающееся переходное напряжение (ПВН) на контактах выключателя не должно превысить электрическую прочность расходящихся контактов. Для ГВ эти условия довольно трудно выполнить из-за высокой скорости 
ПВН, которая на порядок превышает аналогичное значение относительно СВ 
благодаря коротким токопроводам от СГ и СТ. 
Методика расчета ГВ при однофазных и трехфазных КЗ предусматривает 
как выполнение приближенных качественных расчетов, так и моделирование с 
учетом характеристик СГ и СТ, что требует существенного усложнения расчетных моделей. 
Перенапряжения и токи включения конденсаторных батарей зачастую столь 
значительны, что заставляют применять СВ на класс напряжения выше, нежели 
класс рабочего напряжения электрической установки. Рассмотрены способы расчета воздействий на оборудование КБ и СВ в однофазных и трехфазных схемах, 
а также способы снижения воздействий за счет управляемой коммутации и 
схемы ее реализации.  
Во втором разделе приведены материалы по испытаниям выключателей. 
Для ГВ эти испытания характеризуются весьма значительными токами, которые 
на порядок превышают токи СВ. Коммутационные испытания (КИ) выполняются как в прямых схемах с использованием ударных генераторов (УГ), так и в 
9 

синтетических схемах испытаний (ССИ). ССИ проще в реализации, но позволяет 
проводить испытания в однофазном режиме. Прямая схема сложнее в реализации, но выполняет испытания в трехфазном режиме. 
Рассмотрено применение при испытаниях как вакуумных дугогасительных 
камер (ВДК), так и тиристорных коммутаторов (ТК). Высокая стоимость ТК на 
большие токи заставляет использовать вместо них вакуумные управляемые разрядники (РВУ) с электронным управлением. 
Трудности реализации ГВ на высокие токи отключения заставляют разрабатывать гибридные генераторные выключатели (ГГВ), анализу процессов которых посвящен отдельный раздел. Коммутационные режимы ГГВ достаточно 
сложны, но позволяют реализовать выключатели для АЭС большой мощности (с 
блоками мощностью свыше 1000 МВт). Рассмотрены переходные процессы в 
ГГВ, а также реализация приводов вакуумных и элегазовых выключателей. 
Наиболее проблемными являются выключатели постоянного тока для передач и сетей постоянного тока. Их реализации посвящены многочисленные публикации, а схемотехника приведена в разделах 2.6 и 2.7. Последние два раздела 
описывают технологии изготовления выключателей различных типов и синтетические схемы испытаний выключателей различной разрывной мощности. 
Пособие написано в канун 100-летия плана ГОЭЛРО и 100-летия ВЭИ, который благодаря многолетнему сотрудничеству с НИУ МЭИ разработал и ввел 
в эксплуатацию многочисленные комплексы электрооборудования вплоть до 
напряжений 1150 кВ и обеспечил надежную работу ЕЭС России. 
Учебное пособие предназначено для изучения курса «Специальные вопросы 
электрической части электроустановок» и дипломного проектирования выключателей переменного и постоянного тока. При написании и оформлении указанного пособия неоценимую помощь оказали Смирнова Т. С. и Иванова Н. С., которым авторы приносят искреннюю благодарность. 
Для удобства пользования ссылки на литературу приведены в конце каждого раздела. Нумерация рисунков и таблиц сквозная. 
 
 
10