Porównanie wyłączników obwodów wysokiego napięcia: LTB vs DTB vs GIS

Podstawowe znaczenie wysokiego napięcia wyłącznika polega na tym, że w normalnych warunkach służy do otwierania (przerywania, rozłączania) i zamykania (łączenia, ponownego łączenia) obwodów, linii odchylających lub określonych obciążeń – takich jak te podłączone do transformatorów lub banków kondensatorów. W przypadku awarii w systemie elektroenergetycznym relacje ochronne aktywują wyłącznik, aby przerwać prąd obciążenia lub prąd zwarciowy, zapewniając bezpieczne działanie systemu elektroenergetycznego. 

Wyłącznik wysokiego napięcia to rodzaj urządzenia przełączającego wysokiego napięcia – często również nazywanego „przełącznikiem wysokiego napięcia” – i jest jednym z kluczowych elementów wyposażenia w stacji przekształtniczej. Jednak ze względu na surowe wymagania bezpieczeństwa w stacjach wysokiego napięcia, personel zazwyczaj nie może wejść do stacji, aby zbliżyć się lub fizycznie dotknąć tych urządzeń. W codziennym życiu zazwyczaj widzimy tylko linie przesyłowe wysokiego napięcia z daleka i rzadko mamy okazję obserwować lub dotykać takich przełączników.

Więc, jak wygląda faktycznie wysoki napięcia wyłącznik? Dzisiaj krótko omówimy typowe klasyfikacje i struktury wyłączników. W przeciwieństwie do przełączników niskiego napięcia, które spotykamy w codziennym życiu i które zwykle używają powietrza jako środka gaszącego łuk, wyłączniki wysokiego napięcia wymagają ekstremalnie wysokiej wydajności w zakresie izolacji i gaszenia łuku, co oznacza, że potrzebują specjalnych środków gaszących łuk, aby zapewnić bezpieczeństwo elektryczne, integralność izolacji i skuteczne gaszenie łuku. (Aby uzyskać więcej szczegółów dotyczących środków izolujących, proszę odnieść się do naszych nadchodzących artykułów.)

Istnieją dwie główne metody klasyfikacji wyłączników wysokiego napięcia:

1. Klasyfikacja według środka gaszącego łuk:

(1) Wyłączniki olejowe: Podzielone dalej na typy z dużą ilością oleju i z małą ilością oleju. W obu przypadkach kontakty otwierają i zamykają się w oleju, korzystając z oleju transformatorowego jako środka gaszącego łuk. Ze względu na ograniczoną wydajność, te typy zostały w większości wycofane.

(2) Wyłączniki SF₆ lub ekologiczne gazy: Używają siarkowegohexafluorku (SF₆) lub innych gazów przyjaznych środowisku zarówno jako środka izolującego, jak i gaszącego łuk.

(3) Wyłączniki próżniowe: Kontakty otwierają i zamykają się w próżni, gdzie gaszenie łuku następuje w warunkach próżniowych.

(4) Wyłączniki z materiałem stałym: Wykorzystują stałe materiały gaszące łuk, które rozkładają się pod wpływem wysokiej temperatury łuku, produkując gaz, który gasi łuk.

(5) Wyłączniki sprężonego powietrza: Używają wysokociśnieniowego sprężonego powietrza, aby wypchnąć łuk.

(6) Wyłączniki magnetyczne: Używają pola magnetycznego w powietrzu, aby skierować łuk do kanału łuku, gdzie zostaje on rozciągnięty, ochłodzony i zgaszony.

Obecnie wyłączniki wysokiego napięcia głównie używają gazów, takich jak SF₆ lub alternatywy ekologiczne, zarówno jako środek izolujący, jak i gaszący łuk. W zakresie średniego napięcia dominują wyłączniki próżniowe. Technologia próżniowa została nawet rozszerzona na poziom napięcia 66 kV i 110 kV, gdzie wyłączniki próżniowe zostały już opracowane i wdrożone.

2. Klasyfikacja według miejsca instalacji:

Typ zamknięty i typ otwarty.

Dodatkowo, w oparciu o metodę izolacji względem ziemi, wyłączniki wysokiego napięcia można podzielić na trzy typy konstrukcyjne:

1) Wyłącznik z izolowanym zbiornikiem (LTB):
Także zwany LTB. Z definicji, to wyłącznik, w którym komora przerywająca znajduje się w obudowie izolowanej od ziemi. Konstrukcyjnie charakteryzuje się projektem izolatora postowego. Przerywacz znajduje się pod wysokim potencjałem, zamknięty w izolatorze porcelanowym lub kompozytowym, i izolowany od ziemi poprzez izolatory nośne.

Główne zalety: Możliwość osiągnięcia wyższych napięć przez połączenie wielu jednostek przerywających w szeregu i zwiększenie wysokości izolatorów nośnych. Jest również stosunkowo tanie.

Urządzenia oparte na LTB tworzą aparaturę rozdzielczą izolowaną powietrzem (AIS), a stacje przekształtnicze zbudowane z AIS są znane jako stacje AIS. Ofiarują one niskie koszty inwestycyjne i proste utrzymanie, ale wymagają dużej powierzchni gruntu i częstej konserwacji. Są one odpowiednie dla obszarów wiejskich lub górskich, gdzie jest dużo przestrzeni, warunki środowiskowe są sprzyjające, a budżety są ograniczone.

2) Wyłącznik z ziemnym zbiornikiem (DTB):
Także skrócone jako DTB. Definiowany jako wyłącznik, w którym komora przerywająca jest zamknięta w metalowej obudowie ziemnej. Ścieżka przewodząca jest prowadzona przez bushingi.

Kluczową różnicą między LTB a DTB jest ziemienie: w DTB, zbiornik jest pod potencjałem ziemi.

Zalety obejmują możliwość bezpośredniego montażu transformatory prądowe (CTs) na bushingach, kompaktową strukturę, znacznie mniejszą powierzchnię niż LTB, lepszą odporność na warunki środowiskowe (odpowiednie dla surowych warunków) i niższy środek ciężkości – co powoduje lepszą wytrzymałość sejsmiczną. Główną wadą jest wyższy koszt.

Aparatura rozdzielcza oparta na DTB jest znana jako hybrydowa aparatura rozdzielcza gazowo-izolowana (HGIS), a powstała stacja przekształtnicza nazywana jest stacją HGIS.

3) Całkowicie zamknięta kombinowana struktura – Metalowa Gazowo-Izolowana Aparatura Rozdzielcza, powszechnie nazywana GIS (Gas-Insulated Switchgear) w aplikacjach wysokiego napięcia. Ten termin ogólne obejmuje takie urządzenia. Sam element wyłącznika może również być określany jako GCB (Gas-Insulated Circuit Breaker).

Podobnie jak w przypadku DTB, w którym komora przerywająca jest zamknięta, GIS różni się tym, że integruje nie tylko wyłącznik, ale także inne niezbędne elementy stacji przekształtniczej – w tym rozłączniki, przełączniki ziemne, transformatory pomiarowe, zabezpieczenia przeciwprzecięgowe i szyny – wszystkie zamknięte w metalowej obudowie ziemnej wypełnionej sprężonym SF₆ (lub alternatywnym gazem izolującym). Połączenia z zewnętrznymi liniami przewieszonymi są dokonywane poprzez bushingi lub dedykowane komory gazowe.

Stacje przekształtnicze zbudowane w ten sposób są znane jako stacje GIS (lub Gas-Insulated Substations zgodnie ze standardami IEEE). GIS jest idealny dla obszarów miejskich, gdzie grunt jest drogi, lub dla kluczowych obiektów, takich jak duże elektrownie wodne lub jądrowe, które wymagają najwyższej niezawodności.

Teraz powinny być jasne różnice między typami wyłączników wysokiego napięcia – LTB, DTB, GCB – oraz odpowiadającymi im konfiguracjami stacji przekształtniczych – AIS, HGIS, GIS.