Поиск и решения в области новых возобновляемых и экологически чистых источников энергии, требуют, чтобы передача и распределение этой энергии совершалась наиболее безопасным и эффективным способом. Выключатели высокого напряжения, предназначенные для работы в электрической сети при нормальных условиях, а также для отключений при нарушениях в ее работе, уже более 100 лет играют важную роль в энергетических системах. Однако, исследование, развитие и совершенствование конструкций выключателей не остановилось, и по прежнему актуально.

Данная статья ставит своей целью сделать обзор различных типов высоковольтных выключателей и сравнение между собой наиболее часто используемых из них - вакуумных и элегазовых. Какой из этих типов выключателей имеет наибольшие перспективы применяться в экологически дружественных электрических сетях будущего?

Введение

Высоковольтный выключатель - коммутационное устройство, которое способно замкнуть или разомкнуть электрическую цепь за долю секунды, при чем, как в обычных условиях, так и при коротких замыканиях.

Процесс прерывания тока в высоковольтном выключателе начинается тогда, когда контакты начинают размыкаться. Как следствие, площадь контакта уменьшается, а плотность тока становится больше, энергия вызывает испарение металла и появление дуги. Несмотря на физическое разделение контактов, возникновение дуги делает возможным протекание тока (рис. 1). Прерывание тока будет достигнуто при разрыве дуги.

Рисунок 1. Структура электрической дуги.

По способу гашения дуги высоковольтные выключатели делятся на следующие типы:

  1. Электромагнитные выключатели
  2. Воздушные выключатели
  3. Масляные выключатели
  4. Элегазовые (SF6) выключатели
  5. Вакуумные выключатели

Масляные выключатели, в связи с своей способностью отключать большие токи, были первыми. Но их пожароопасность и высокая стоимость обслуживания вынуждали к поиску новых идей. Появившиеся электромагнитные и воздушные выключатели не получили большого распространения, вследствие некоторых своих недостатков, в т.ч. больших габаритов. В середине прошлого века были разработаны элегазовые и вакуумные выключатели. Элегазовые выключатели начали быстро заменять масляные и воздушные выключатели в сетях 110 кВ и выше, т. к. элегаз имеет высокую электрическую прочность и высокую теплопроводность. Вакуумные выключатели, наоборот, получили распространения в сетях среднего напряжения - от 6 до 35 кВ.

Хотя достаточно много масляных и воздушных выключателей все еще находятся в работе, элегазовые выключатели, безусловно, являются наиболее распространенными высоковольтными выключателями в мире. Но, они также имеют свои ограничения и недостатки. Вакуумная коммутационная техника, широко используемая для средних уровней напряжения (6-35 кВ), возникла как альтернатива для высокого напряжения из-за своей экологической чистоты. Последние исследования в области гашения дуги в вакууме привели к развитию различным прототипам вакуумных выключателей для высших уровней напряжения.

Элегазовые выключатели

В элегазовых выключателях, при отключении, поток газа отводит тепло из дуги и позволяет добиться ее исчезновения при прохождении тока через нуль. Поток деионизированного элегаза между контактами восстанавливает диэлектрическую прочность промежутка, препятствуя повторному зажиганию дуги. Необходимость дутья определяет сложность управляющего механизма и его стоимость. Новые разработки в сфере гашения электрической дуги в элегазе направлены на сокращение или ликвидацию этого дополнительного фактора стоимости.

Дуга возникшая в вакууме гаснет при первом прохождении тока через нуль, пару металла оседают на стенках дугогасительной камеры в течение микросекунд, как следствие в вакуумных выключателях диэлектрическая прочность восстанавливается очень быстро. На рисунке показаны внутренние компоненты типичной вакуумной дугогасительной камеры.

Вакуумные выключатели нашли широкое применение в электрических сетях от 6 до 35 кВ.

Применение вакуумных выключателей на напряжения от 110 кВ и выше

Особенности формы дуги в вакууме при высоких напряжениях затрудняет ее гашение при переходе через нуль. Другая проблема связана с нелинейной зависимостью напряжения пробоя от междуполюсного расстояния. Как одно из решений - несколько соединенных последовательно разрывов.

Рисунок 2. Две последовательно включенные дугогасительные камеры (слева) и одна с большим междуполюсным расстоянием (справа).

Другим аспектом, который необходимо принять во внимание, является оплавление и эрозия контактов, чем выше напряжение, тем выше их эрозия и оплавление. Материал рабочей поверхности контактов вакуумного выключателя - существенный фактор в этом вопросе. В результате исследований различных типов комбинаций материалов для вакуумных электродов, были выделены Cu, Cu-Bi и Cu-Cr, бескислородный медный сплав хрома, но Cu-Cr, кажется, лучший до сих пор (рис. 3). В этом сплаве, хром распределен в меди в виде мелких зерен. Этот материал сочетает в себе хорошие дугогасительные характеристики с небольшим риском приваривания контактов.

Рисунок 3. Напряжение пробоя Cu-Cr и Cu-Bi между контактами в зависимости от расстояния.

Предсерийные модели вакуумного высоковольтного выключателя (VCB), разработанные для производства работы под высоким напряжением

В данной главе представлены предсерийные модели вакуумных высоковольтных выключателей, или дугогасительных камер, разработанных различными компаниями и исследовательскими центрами.

В 1979 году в Японии был представлен к выпуску высоковольтный выключатель напряжением 168 кВ/31,5кА, как показано на рисунке 4. Представленный выключатель работал с двойным разрывом цепи, и даже при высоком пробивном напряжении, он был слишком дорогостоящим и громоздким.

Рисунок 4. Вакуумный высоковольтный выключатель с двойным разрывом цепи напряжением 168кВ/31.5кА

Рисунок 5. Вакуумный высоковольтный выключатель с одинарным разрывом цепи 145кВ/40кА/2кА

В 2002 году в Японии был разработан еще один вакуумный высоковольтный выключатель компанией AE Power System Corporation, которая внесла улучшения во внешний вид предыдущего выключателя (Рисунок 5). Номинальное напряжение данного выключателя составляет 145кВ, с 40кА током короткого замыкания и номинальным током в 2кА. Использованный с этой целью прерыватель представлен в виде отдельного вакуумного прерывателя с одинарным разрывом (Рисунок 6), где используются медь-хромные защитные электроды осевой напряженности магнитного поля. Деятельность компании привела к достижениям в вопросе магнетического осевого распределения напряженности электрического поля на структуру электродов, снижения эрозии электродов и анализа температурных значений, а простая конструкция и низкие цены стали более привлекательными.

Рисунок 6. Вакуумная высоковольтная дугогасительная камера напряжением 145 кВ, длиной 700мм и диаметром 200мм

В 1989 году, группа исследователей из Китая представила на рассмотрение вакуумный высоковольтный выключатель с двойным разрывом цепи напряжением 126кВ/3 l,5кА/l,25кА. Этот высоковольтный выключатель был создан при использовании двух вакуумных прерывателей напряжением 72.5кВ, объединенных в серию с двойным разрывом цепи. Зазор между разомкнутыми контактами составлял 40мм в длину для каждого прерывателя, был применен тип осевого напряжения электрического поля и наружная элегазовая изоляция. Выключатель был всего лишь 2650мм в высоту (Рисунок 7).

Рисунок 7. Вакуумный высоковольтный выключатель с двойным разрывом цепи напряжением 126кВ/31,5кА/l,25кА (высотой 2650мм)

В 2003 году был создан вакуумный высоковольтный выключатель с одинарным разрывом цепи напряжением 126кВ/40кА/2кА (Рисунок 8 и 9). Прерыватель был диаметром в 100мм, а необходимый зазор между разомкнутыми контактами составлял 60мм. Зазор был больше, чем в предыдущих моделях, но, на самом деле, понадобился всего лишь один разрыв. Были использованы электроды осевого напряжения магнитного поля.

Рисунок 8. Вакуумный высоковольтный выключатель с одинарным разрывом цепи напряжением 126кВ/40кА/2кА

Рисунок 9. Вакуумные дугогасительные камеры напряжением 252кВ, 126кВ и 12кВ

И, наконец, в 2006 году была создана первая предсерийная модель вакуумного высоковольтного выключателя напряжением 252кВ/40кА A (Рисунок 14). Этот выключатель является прототипом выключателя с ординарным разрывом цепи с электродами осевого напряжения магнитного диаметром 140мм, с зазором длиной 80мм.

В данной главе идет сравнение между элегазовым и вакуумным высоковольтными выключателями на основании различных факторов, как, к примеру, электрическая прочность диэлектрика и факторы окружающей среды.

В нормальных условиях элегаз является инертным газом без запаха, невоспламеняющийся, нержавеющий и не токсичный. Тем не менее, при температуре выше 1000°C, элегаз разлагается на составляющие газы, включая газ S2F 10, который очень токсичен. К счастью, продукты распада внезапно воссоединяются после погасания дуги (при снижении температуры).

В соответствии с электрической прочностью, элегаз обладает лучшими свойствами, чем вакуум (Рисунок 10). Поэтому элегаз используется в качестве изоляционного материала и дугогасительной среды. Использование элегаза позволяет делать электрооборудование более компактного размера и предоставляет больше пространства для его устройства. Это и лежит в основе того, почему приблизительно 50% общего объема элегаза является диэлектриком в таких электрических приборах, как высоковольтный переключатель.

Можно предположить, что элегаз стал прекрасной дугогасительной средой для высоковольтного выключателя, если бы он не был так опасен для окружающей среды. Элегаз является одним из опасных нагретых газов на планете, как было установлено на 3-й Сессии Конференции Участников ООН Рамочной Конвенции о климатических изменениях. Тот факт, что элегаз представляет собой особую угрозу для мирового сообщества, основан на его стабильном молекулярном составе, так как этот газ неразрушим уже в течение 3200 лет.

В Таблице 1 приведено сравнение между отдельными газами в отношении их жизнеспособности и потенциальной угрозы для всей планеты.

ТАБЛИЦА 1. Потенциал Глобального Потепления.

Газ

Жизнеспособность в годах

Потенциал Глобального Потепления

CO2

50 - 200

1

CF4

50.000

6.300

C2F6

10.000

12.500

SF6

3.200

24.900

C6F14

3.200

6.800

Для сравнения уточним, что дугогасительной средой в вакуумных высоковольтных выключателях выступает вакуум, он не представляет угрозы для окружающей среды. На самом деле, это обычный стеклянный контейнер и металлические компоненты, то есть вторсырье.

Вакуум имеет свои недостатки и преимущества, которые отличаются от недостатков и преимуществ элегаза. Одним из выдающихся преимуществ вакуумного высоковольтного выключателя является легкость в создании оборудования и небольшое количество компонентов, приблизительно, на 50% меньше, чем в элегазовом высоковольтном выключателе, что приводит к увеличению срока службы, с очень высоким числом рабочих циклов. Кроме того, небольшое количество компонентов и простота конструкции обеспечивают компактный размер и небольшой вес для вакуумного высоковольтного выключателя, и, соответственно, легкое техобслуживание и инспекция.

Еще одним из преимуществ высоковольтного вакуумного выключателя является высокое диэлектрическое сопротивление после нулевого значения тока.

И, наконец, как уже отмечалось ранее, вакуумный выключатель не представляет угрозы для окружающей среды, как в случае с элегазовым выключателем. В случае с вакуумным выключателем нет риска взрыва или пожара, как с масляным высоковольтным выключателем.

Тем не менее, одним из важнейших недостатков является стоимость. Элегазовый высоковольтный выключатель стоит дешевле, что говорит не в пользу конкурентоспособности вакуумного высоковольтного выключателя. Необходимо провести многие исследования с целью снижения затрат на вакуумный высоковольтный выключатель, чтобы они стали экономической альтернативой элегазовой технологии.

Заключение

Постоянные требования к сети электропередач увеличивают их производительность, надежность и устойчивость. Таким образом, важно продолжать развивать технологию новых выключателей, более надежных, производительных, недорогостоящих, не представляющих угрозу для окружающей среды и людей.

Вакуум – это среда с выдающимися свойствами в отношении объема, количества компонентов, простота, контроль тока короткого замыкания или стабилизация электрической прочности. Сегодня в распределительной сети высокого напряжения будет широко распространено оборудование, не использующее элегаз в качестве рабочего компонента. Тем не менее, необходимо внести изменения в дизайн и материалы, используемые для обеспечения соответствующей работы вакуумного высоковольтного выключателя на высоком напряжении.

Литература:

  1. А. Итурреги, Е. Торрес, 1. Замора, О. Абарратегуи
  2. Р. Д. Гарсон, Высоковольтные выключатели. Марсель Деккер, Inc 2002 года.
  3. С.L. Wadhwa, Cистемs электроснабжения. John Wiley & Sons, Inc 1991 года.
  4. T.E. Браун, Отключение цепей. Теория и методы. Марсель Деккер, Inc, 1984.
  5. C.H. Flurscheim, Силовые выключатели, теория и конструкции. Петр Перегрин Ltd, 1982.
  6. J.H. Brunke, "Высоковольтные выключатели: прошлое, настоящее и будущее". Электра N ° 208. Июня 2003 года.
  7. А. Гринвуд, Вакуумное коммутационное оборудования. Институт электротехники. 1997 год.
  8. Н. Saitoh, Х. Итикава, А. Nishijma, Ю. Мацуи, М. Сакаки, М. Хонма, Х. Окубо, "Исследования и разработка вакуумных выкключателей 145 кВ/40 кА с одной дугогасительной камерой" T IEEE / D конференции , Иокогама, pl462-1468, 2002.
  9. С. Yanabu, Т. Цуцуми, К. Yokokura, Е. Канеко "Последние технические разработки высоковольтных и высокомощных вакуумных выключателей". Vol.17 № 5. Октябрь 1989 года, стр. 717-723.
  10. З. Лиу, J. Wang, С. Xiu, З. Ванг, "Развитие высоковольтных вакуумных выключателей в Китае". IEEE. Vol.35 № 4, август 2007, стр. 856-865.
  11. Н. Шеллекенс, Г. Gaudart, "Компактные высоковольтныевакуумные выключателя, Технико-экономическое обоснование", IEEE, Vol.14 № 3, июнь 2007, стр. 613-619.
  12. М. М. Хомма Сакаки, Е. Канеко, С. Yanabu, "История вакуумных выключателей и последние события в Японии". IEEE. Vol.13, № 1. Февраля 2006 года, стр. 85-92.
  13. R.B Shores, В.Е. Филлипс, "Вакуумные выключатели высокого напряжения" IEEE. Vol.94, № 5, сентябрь-октябрь 1975 года, стр. 1821-1830.

Источник: forca.ru