Съществуващото състояние и тенденцията за развитие на високонапрегнатите SF6 прекъсвачи

Високонапреговите прекъсвачи, също известни като високонапрегови ключове, разполагат с достатъчна способност за прекъсване и изгасване на дъга. Те не само могат да прекъсват и затварят безнагласната и нагласната тока на високонапреговите вериги, но и при събитие на дефект в системата, да съдействат с защитни устройства и автоматични устройства, за да бързо прекъснат дефектната тока, намалявайки обхвата на прекъсването на електроенергията и предотвратявайки разширяването на инцидента. Това е от голямо значение за гарантиране на безопасната работа на електроенергийната система.

Високонапреговите прекъсвачи са се развивали през маслени прекъсвачи, компресорни прекъсвачи, вакуумни прекъсвачи и SF₆ прекъсвачи. От тях първите два типа са били постепенно фазирани, а SF₆ прекъсвачите са по-широко приложени в сравнение с последните два. SF₆ прекъсвачите бяха широко приети в началото на 1970-те години. Те използват шестофлуороантимон като средство за изгасване на дъга. Този тип прекъсвач има голяма способност за прекъсване. Под свободни условия за прекъсване, неговата способност за прекъсване е приблизително 10 пъти по-голяма от тази на други прекъсвачи. Той играе важна роля в стабилната и безопасна работа на електроенергийната система и е също така от голямо значение в отношение на икономическите и социални ползи.

1. Производителност на SF₆ прекъсвачите

SF₆ прекъсвачите са безмаслени комутационни устройства, които използват SF₆ газ като изолираща и дъгоизгасваща среда. Ихолационните характеристики и дъгоизгасващите свойства са значително по-високи от тези на маслените прекъсвачи. Прекъсвачите с шестофлуороантимон имат следните характеристики:

• Силна способност за изгасване на дъга, висока диелектрична сила и висока стойност на напрежението на единичния пречуп. В резултат, при еднакво номинално напрежение, броят на необходимите портове за сериозна пречуп се намалява, подобрявайки икономическата производителност на продукта.

• Дълг живот на електрическата част. Може да прекъсва непрекъснато на пълна мощност от 50kA за 19 пъти, а кумулативната прекъсната тока може да достигне 4200kA. Цикълът на поддръжка е дълъг и е подходящ за често използване.

• Добра способност за прекъсване. Благодарение на електронегативността на SF₆ газа, той има силна способност за абсорбиране на свободни електрони. Дъгата, образувана в SF₆, е благоприятна за формирането на "структурата на дъгата" (ядро и обвивка на дъгата). Дифузията на ионизираната плазма е ограничена, позволявайки ефективно реобъединение на ионите. Прекъснатата тока е голяма, достига до 80-100kA, дори 200kA. Времето за изгасване на дъга е кратко, обикновено 5-15ms. В същото време, производителността за прекъсване на обратна фаза, близки дефекти, празни дълги линии и преобразуватели без нагласна тока също е добра.

• Висока изолационна производителност. Изолационната сила на SF₆ е приблизително 5-10 пъти по-голяма от тази на въздуха.

• SF₆ газът е безцветен, безмиров, нетоксичен, негорещ и много стабилен газ, който трудно реагира с други вещества. Освен това, когато прекъсвачът е отворен, увеличението на налягането, причинено от загряването на дъгата, е изключително малко, осигурявайки надеждна работа и предотвратявайки експлозивни инциденти.

2. Развитие на високонапреговите SF₆ прекъсвачи
2.1 Двуналягански SF₆ прекъсвачи

В прекъсвача са установени две SF₆ газови системи (система с високо налягане и система с ниско налягане). Само по време на процеса на отваряне, камерата с високо налягане протича към камерата с ниско налягане чрез контрол на клапан за дунаване, за да се създаде поток от газ с високо налягане. След завършване на прекъсването, клапанът за дунаване се затваря. Принципът на дъгоизгасващата камера е, че между камерата с високо налягане и камерата с ниско налягане са свързани компресор за газ и тръби. Когато налягането на газа в камерата с високо налягане намалее или налягането на газа в камерата с ниско налягане се увеличи до определен лимит, компресорът започва да качва SF₆ газа от камерата с ниско налягане в камерата с високо налягане, формирайки автоматична затворена газова система.

2.2 Единналягански SF₆ прекъсвачи

Единналяганската конструкция е проста и може да се адаптира към широк диапазон от температури на околната среда. Газовият компресорен тип също е минал през процес на развитие: в отношение на дунаването на дъга, първото поколение единналягански тип има еднопосочна конструкция, с малка прекъсната тока (обикновено 31.5kA) и ниско напрежение на пречуп (обикновено 170kV). Второто поколение единналягански тип има двупосочна конструкция, с прекъсната тока увеличена до (40-50kA), а напрежението на пречуп все още е ниско. Обикновено, продуктите с 252kV имат двоен пречуп. Третото поколение единналягански тип има двупосочна конструкция, допълнена с термично разширение (хипридно дъгоизгасване). Прекъснатата тока е голяма, увеличена до 63kA, а напрежението на пречуп е високо. Единичен пречуп може да достигне 252kV, 363kV, 420kV, дори 550kV.

Развитието на единналяганския тип, от гледна точка на дъгоизгасващата камера, е използвало по-малък газов компресорен пистон. Предимствата, доведени от намалението на пистона в дъгоизгасващата камера, са следните:

• Масата на цялата движуща се система по време на процеса на прекъсване на продукта е намалена.

• Експлоатационната мощ на продукта е намалена.

• Амортизацията на продукта става по-лесна, а механичният живот е дълъг.

2.3 Автономни SF₆ прекъсвачи

Автономните SF₆ прекъсвачи имат два принципа за дъгоизгасване: принципът на термичното разширение и принципът на ротацията на дъгата. В момента повечето автономни прекъсвачи използват принципа на термичното разширение. Принципът на автономията е да използва енергията на дъгата за загряване на SF₆ газа в камерата за разширяване, за да се създаде налягане, формира газов поток и изгасва дъгата. Но при прекъсване на малки токове, поради малката енергия на дъгата, е необходим малък пистон за компресиране на газа, за да се създаде допълнително дунаване. Благодарение на значителното намаление на експлоатационната мощ, може да се използва пружинен механизъм с проста конструкция. Типът с термично разширяване вече се е развило до второто поколение. Първото поколение продукти постигат ефекта на намаление на експлоатационната мощ, като намаляват енергията, необходима за компресиране на газа за дъгоизгасване. Диаметърът на пистона за компресиране на газа е проектиран в съответствие с прекъсването на 30% от максималния дефектен ток, а масата на движението също е малка, което намалява експлоатационната мощ. Продуктите от второто поколение допълнително подобряват термичното разширяване и производителността за прекъсване, не само подобрявайки прекъсването на капацитивния ток, но и още по-значително намалявайки експлоатационната мощ.

2.4 Интелигентни SF₆ прекъсвачи

Друга характеристика на модерните високонапрегови прекъсвачи е техната интелигентност, развиващи се от традиционни електромеханични системи към модерни интелигентни системи, центрирани около компютрите. В момента онлайн проверката на високонапреговите прекъсвачи включва следните аспекти:

• SF6 газ;

• Система за управление;

• Освобождаване;

• Контролни и вспомогателни вериги;

• Цеп за передаване на мощност.

Чрез тези проверки, повече от 90% от дефектите могат да бъдат открити. Онлайн проверката може да промени регулярната поддръжка на прекъсвачите към реално-временна поддръжка, основана на състоянието.

3. Фарфорови стълбови и резервоарни SF₆ прекъсвачи и техното приложение

Китай първо използва SF₆ прекъсвачи през 1970, когато Администрацията за електроенергията на Източния северен район внесе три H-912 тип 220KV двуналягански фарфорови стълбови SF₆ прекъсвача, произведени от Siemens, и ги инсталира в основната подстанция ХуШитай в Шенян. Те все още работят добре днес.

Високонапреговите прекъсвачи с шестофлуороантимон се делят на фарфорови стълбови и резервоарни, според техната конструкция. При сравнение на двете, те имат свои собствени характеристики:

• И фарфоровите стълбови, и резервоарните високонапрегови SF₆ прекъсвачи могат да удовлетворят изискванията за високо напрежение и голяма мощност. Дъгоизгасващата камера на фарфоровия стълбов прекъсвач е инсталирана на изолираща опора. Чрез серийно свързване на дъгоизгасващите камери и инсталиране на изолираща опора на подходяща височина, може да се получи всяка номинална стойност на напрежението. Изолиращата опора най-често е фарфоров стълб, а органични композитни опори също са появили се. Дъгоизгасващата камера на резервоарния прекъсвач е инсталирана в метален резервоар, свързан с потенциала на земята. При високо напрежение, многобройни дъгоизгасващи камери трябва да бъдат свързани в серия и инсталирани в същия резервоар за всяка фаза.

• Инсталиране на трансформатори на тока. В отношение на инсталирането на трансформатори на тока, фарфоровите стълбови прекъсвачи са в невыгодна позиция. Тъй като дъгоизгасващата камера на фарфоровия стълбов прекъсвач е инсталирана вътре в изолатора и върху изолиращата опора, трансформаторът на тока трябва да бъде инсталиран отделно на собствената си изолираща опора. Но трансформаторът на тока от тип бушинг може да бъде инсталиран на бушинга на резервоарния прекъсвач. В някои приложения, прекъсвачът не трябва да бъде оборудван с трансформатор на тока, особено когато се използва като ключ за свързване на кондензаторни банки и паралелни реактори. Тук, цената на фарфоровия стълбов прекъсвач е само 60% от цената на резервоарния прекъсвач, и благодарение на многобройните пречупи, може да посрещне по-добре повторни удари.

• Външна устойчивост на напрежението. От гледна точка на външната устойчивост на напрежението, многобройните серийни дъгоизгасващи камери на фарфоровия стълбов прекъсвач могат да удовлетворят всяка номинална стойност на напрежението, но неговата външна изолационна устойчивост е ограничена от дължината на самата дъгоизгасваща камера. За резервоарния прекъсвач, стига да се разработи необходимата устойчивост за намаляване на броя на пречупите, може да се произведе изолационен бушинг. Следователно, резервоарният прекъсвач може да постигне единичен пречуп от 550kV/63kA и двоен пречуп от 1100kV/50kA.

• Потребление на SF₆ газ. От гледна точка на потреблението на SF₆ газ, фарфоровият стълбов прекъсвач е по-предимен от резервоарния. Потреблението на газ от резервоарния прекъсвач е много по-голямо от това на фарфоровия стълбов прекъсвач.

• Екологична адаптивност. От гледна точка на екологичната адаптивност, резервоарният прекъсвач с голям обем показва своите предимства. В резервоарния прекъсвач може да бъде инсталиран нагревател, докато това не може да се направи в фарфоровия стълбов прекъсвач.

• Устойчивост към сейсмични удари. От гледна точка на устойчивостта към сейсмични удари, резервоарният прекъсвач е далеч по-добър от фарфоровия стълбов. Тъй като фарфоровият стълбов прекъсвач има висок център на тежест, неговата устойчивост към сейсмични удари е слаба.

• Сравнение на цените. От гледна точка на цените, за еднаква мощност, фарфоровият стълбов прекъсвач е по-добър от резервоарния. Обикновено, цената на резервоарния прекъсвач е около 20% по-висока от тази на фарфоровия стълбов прекъсвач с външен трансформатор на тока (като SF₆ трансформатор).

4. Въпроси, които трябва да се вземат предвид по време на експлоатацията и поддръжката на SF₆ прекъсвачите

За да се контролира строго изтичането на газ и да се предотврати влизането на влага и влажност в кутията, технологията за обработка и изискванията към материали са много по-високи от тези на обикновените високонапрегови електроуреди. В същото време, е необходим специален SF₆ газов систем, включващ клапан с добра герметичност, устройство за откриване на изтичания, устройство за рекуперация на газ и мониторинг на налягането. Освен това, поради големия брой метал, сложността на производството се увеличава.

Чистият SF₆ газ е безцветен, безмиров, нетоксичен и негорещ. Но при синтеза на шестофлуороантимон, се получават и нискофлуорни съединения на сярата, които са токсични. В прекъсвача, газът се разпада при високата температура на дъгата чрез диссоциация и ионизация, произвеждайки високотоксични газове. Затова, в прекъсвача е инсталиран абсорбер, в който е поставен активиран алуминий, за да абсорбира тези токсични газове.

Въпреки това, особено внимание трябва да се обърне на предотвратяването на отровяване по време на поддръжка. Затова, газът трябва да бъде евакуиран и изчистен преди работа. Ако все още се усеща неприятен мирис, трябва да се използва газова маска и гумени ръкавици. Освен това, продуктите от декомпозицията на дъгата също съдържат някои метални флуориди, които са разпръснати в прекъсвача в форма на прах. Въпреки че тези прахове не са високотоксични вещества, все пак трябва да се вземат предпазни мерки, за да се предотврати вдишването им по време на почистване.

5. Заключение

С непрекъснатото увеличаване на напрежението на електроенергийната система, независимо дали е фарфоров стълбов или резервоарен SF₆ прекъсвач, те постоянно се развиват с прогреса на технологията. Особено в последните години, принципът на автономното дъгоизгасване е развит и приложен, тоест, се използва високо налягане, за да се създаде газов поток, за да изгаси дъгата. Броят на пречупите е намален, а потреблението на материали е намалено.

Поради относително високата цена и високите изисквания за приложение, управление и експлоатация на SF₆ газ, той не е широко приложим в средното напрежение (35kV, 10kV). В общо, високонапреговите SF₆ прекъсвачи имат широка перспектива за приложение, и научните изследвания, разработката и модернизацията на продуктите ще донесат значителни икономически и социални ползи.