Současná situace a vývojové trendy v oblasti vysokonapěťových spínacích přerušovačů SF6

Vysokonapěťové vypínače, také známé jako vysokonapěťové spínací přístroje, mají dostatečnou schopnost přerušovat proud a udušovat oblouk. Nejenže mohou odpojit a zapojit bezzávodní i zátěžový proud vysokonapěťových obvodů, ale také při výskytu poruchy v systému spolupracují s ochrannými a automatickými zařízeními k rychlému přerušení poruchového proudu, čímž snižují rozsah výpadku proudu a brání dalšímu šíření nehody. To je velmi důležité pro zajištění bezpečného provozu elektrizačního systému.

Vysokonapěťové vypínače se vyvíjely od olejových vypínačů, stlačenovzduchových vypínačů, vakuumových vypínačů až po SF₆ vypínače. Z tohoto seznamu první dvě kategorie byly postupně vyřazeny, a SF₆ vypínače jsou více používány než poslední dvě. SF₆ vypínače byly široce používány již v raných 70. letech 20. století. Používají síxfluorid síry jako prostředek pro udušení oblouku. Tento typ vypínače má velkou přerušovací kapacitu. Za podmínek volného přerušení je jeho přerušovací kapacita přibližně 10krát vyšší než u ostatních vypínačů. Hraje klíčovou roli ve stabilním a bezpečném provozu elektrizačního systému a má také velký význam z hlediska ekonomických a společenských přínosů.

1. Vlastnosti SF₆ vypínačů

SF₆ vypínače jsou přepínačová zařízení bez oleje, které používají plyn SF₆ jako izolační a obloukovodušící médium. Jejich izolační vlastnosti a charakteristiky udušení oblouku jsou výrazně vyšší než u olejových vypínačů. Síxfluorid síry vypínače mají následující vlastnosti:

• Silná schopnost udušení oblouku, vysoká dielektrická pevnost a vysoká hodnota výdrži jednotlivého přerušovacího úseku. Díky tomu je počet sériově zapojených přerušovacích úseků potřebných pro stejnou nominální napěťovou hladinu snížen, což zlepšuje ekonomické vlastnosti produktu.

• Dlouhý elektrický život. Může kontinuálně přerušovat plnou kapacitu 50kA 19krát, a kumulativní přerušený proud může dosáhnout 4200kA. Cyklus údržby je dlouhý a je vhodný pro časté provozování.

• Dobré přerušovací vlastnosti. Díky elektrofilním vlastnostem plynu SF₆ má silnou schopnost adsorbovat volné elektrony. Oblouk vytvořený v SF₆ je výhodný pro vytvoření "struktury obloukového sloupce" (jádro a plášť oblouku). Rozprostření ionizovaného plazmatu je omezeno, což umožňuje efektivní rekombinaci iontů. Přerušený proud je velký, dosahuje 80-100kA a dokonce 200kA. Čas udušení oblouku je krátký, obvykle 5-15ms. Současně jsou dobré i přerušovací vlastnosti pro opačnou fázi, blízké poruchy, nezatěžované dlouhé vedení a transformátory bez zátěže.

• Vysoké izolační vlastnosti. Izolační pevnost SF₆ je přibližně 5-10krát vyšší než vzduchu.

• Plyn SF₆ je bezbarvý, bezzápachový, netoxický, není hořlavý a je velmi stabilní, tedy obtížně reaguje s jinými látkami. Kromě toho, když je vypínač otevřen, zvýšení tlaku způsobené ohřevem oblouku je extrémně malé, což zajišťuje spolehlivý provoz a prevenci exploze.

2. Vývoj vysokonapěťových SF₆ vypínačů
2.1 Dvoudavkové SF₆ vypínače

Uvnitř vypínače jsou nastaveny dva systémy plynu SF₆ (vysokotlaký systém a nízkotlaký systém). Pouze během procesu otevírání, při řízení ventilu, proudí plyn z vysokotlaké komory do nízkotlaké komory, vytvářející vysokotlaký proud plynu. Po dokončení přerušení je ventil uzavřen. Princip udušení oblouku spočívá v tom, že mezi vysokotlakou a nízkotlakou komorou jsou spojeny plynový kompresor a potrubí. Pokud klesne tlak plynu v vysokotlaké komoře nebo pokud se tlak plynu v nízkotlaké komoře zvýší na určitou hranici, spustí se plynový kompresor, který pumpuje plyn SF₆ z nízkotlaké komory do vysokotlaké, vytvářející tak automatický uzavřený plynový systém.

2.2 Jednodavkové SF₆ vypínače

Jednodavková struktura je jednoduchá a může se přizpůsobit širokému rozsahu teplot okolí. Typ plynové komprese prošel také vývojem: z hlediska větrání oblouku první generace jednodavkového typu má jednovětrací strukturu s malým přerušovacím proudem (obvykle 31,5kA) a nízkou napěťovou hladinou přerušovacího úseku (obvykle 170kV). Druhá generace jednodavkového typu má dvouvětrací strukturu s přerušovacím proudem zvýšeným na (40-50kA), přičemž napěťová hladina přerušovacího úseku zůstává nízká. Obecně mají produkty 252kV dva přerušovací úseky. Třetí generace jednodavkového typu má dvouvětrací strukturu doplněnou tepelným rozpínáním (hybridní udušení oblouku). Přerušovací proud je velký, zvýšený na 63kA, a napěťová hladina přerušovacího úseku je vysoká. Jeden přerušovací úsek může dosahovat 252kV, 363kV, 420kV a dokonce 550kV.

Vývoj jednodavkového typu z hlediska udušení oblouku vedl k použití menšího plynového kompresoru. Výhody snížení plynového kompresoru v udušení oblouku jsou následující:

• Hmotnost celého pohyblivého systému během přerušovacího procesu produktu je snížena.

• Provozní výkon produktu je snížen.

• Amortizace produktu je snadnější a mechanický život je dlouhý.

2.3 Samoodporové SF₆ vypínače

Samoodporové SF₆ vypínače mají dva principy udušení oblouku: princip tepelného rozpínání a princip otáčení oblouku. V současné době využívá většina samoodporových vypínačů princip tepelného rozpínání. Princip samoodporu spočívá v tom, že energie oblouku ohřívá plyn SF₆ v rozpínací komoře, vytváří tlak, vytváří proud plynu a udušuje oblouk. Nicméně, při přerušování malých proudů, kvůli malé energii oblouku, je nutný malý píst pro stlačení plynu a vytvoření pomocného větrání. Díky výraznému snížení provozního výkonu lze použít jednoduchou pružinovou pohonnou jednotku. Tepelně rozpínací typ se v současné době vyvíjí do druhé generace. První generace produktů dosáhla snížení provozního výkonu snížením energie stlačení plynu potřebného pro udušení oblouku. Průměr pístu pro stlačení plynu je navržen podle přerušení 30% maximálního poruchového proudu a hmotnost pohybu je také malá, což snižuje provozní výkon. Druhá generace produktů dále zlepšila tepelné rozpínání a přerušovací vlastnosti, nejen zlepšila přerušování kapacitního proudu, ale také dále snížila provozní výkon.

2.4 Chytré SF₆ vypínače

Další charakteristikou moderních vysokonapěťových vypínačů je jejich inteligence, evoluce od tradičních elektromechanických systémů k moderním inteligentním systémům zaměřeným na počítače. V současné době obsahují online detekce vysokonapěťových vypínačů následující prvky:

• Plyn SF6;

• Systém pohonné jednotky;

• Spouštěcí mechanismus;

• Ovládací a pomocné obvody;

• Přenosový řetězec.

Tyto detekce umožňují objevit více než 90% vad. Online detekce může změnit pravidelnou údržbu vypínačů na skutečně stavovou údržbu v reálném čase.

3. Porcelánové sloupkové a nádržové SF₆ vypínače a jejich aplikace

V Číně byly poprvé použity SF₆ vypínače v roce 1970, kdy Správa severovýchodní elektrárny dovážela tři vypínače typu H-912 220KV dvoudavkové porcelánové sloupkové SF₆ vypínače vyrobené Siemens zahraničně a nainstalovala je v hlavní podstanici HuShitai v Šen-jangu. Stále fungují dobře dodnes.

Vysokonapěťové vypínače s hexafluoridem síry jsou dle své konstrukce rozděleny na porcelánové sloupkové a nádržové typy. Při srovnávání obou typů každý má své vlastnosti:

• Oba typy, porcelánové sloupkové a nádržové vysokonapěťové SF₆ vypínače, mohou splňovat požadavky na vysoké napětí a velkou kapacitu. Udušicí komora porcelánového sloupkového typu je nainstalována na izolačném podložku. Spojením udušicích komor v sérii a instalací na izolačném podložku na vhodné výšce lze získat jakoukoli nominální napěťovou hodnotu. Izolačný podložek je obvykle porcelánový sloup, ale objevily se i organické kompozitní podložky. Udušicí komora nádržového typu je nainstalována v kovové nádrži spojené s potenciálem země. Pod vysokým napětím je potřeba několik udušicích komor spojit v sérii a nainstalovat je ve stejné nádrži pro každou fázi.

• Instalace proudových transformátorů. Pokud jde o instalaci proudových transformátorů, porcelánové sloupkové vypínače jsou v nevýhodě. Protože udušicí komora porcelánového sloupkového typu je nainstalována uvnitř izolátoru a na vrcholu izolačného podložku, musí být proudový transformátor nainstalován samostatně na svém vlastním izolačném podložku. Avšak v nádržovém typu vypínače může být proudový transformátor nainstalován na nádržovém vývodu. V některých aplikacích není třeba vypínač vybavit proudovým transformátorem, zejména když se používá jako spínač pro přepínání kondenzátorových bank a paralelních odporníků. Zde je cena porcelánového sloupkového typu pouze 60 % ceny nádržového vypínače, a díky použití více přerušovacích úseků lépe snáší znovuzapnutí.

• Externí výdrž proti napětí. Z hlediska externí výdrže proti napětí mohou několik sériově spojených udušicích komor porcelánového sloupkového vypínače splňovat jakoukoli nominální napěťovou hodnotu, ale jejich externí izolační výdrž je omezena délkou samotné udušicí komory. Pro nádržový vypínač, pokud lze vyvinout nezbytnou výdrž pro snížení počtu přerušovacích úseků, lze vyrobit izolační nádrž. Proto může nádržový vypínač dosáhnout jednoho přerušovacího úseku 550kV/63kA a dvojice přerušovacích úseků 1100kV/50kA.

• Spotřeba plynu SF₆. Z hlediska spotřeby plynu SF₆ je porcelánový sloupkový typ lepší než nádržový. Spotřeba plynu u nádržového vypínače je mnohem vyšší než u porcelánového sloupkového typu.

• Přizpůsobivost k prostředí. Z hlediska adaptability k prostředí ukazuje své výhody nádržový vypínač s velkou objemovou kapacitou. Do nádržového vypínače lze nainstalovat topnou jednotku, zatímco to není možné u porcelánového sloupkového typu.

• Odolnost proti otřesům. Z hlediska odolnosti proti otřesům je nádržový vypínač mnohem lepší než porcelánový sloupkový typ. Protože porcelánový sloupkový vypínač má vysoký těžiště, jeho odolnost proti otřesům je nízká.

• Porovnání cen. Z hlediska ceny je pro stejnou kapacitu porcelánový sloupkový vypínač lepší než nádržový. Obecně je cena nádržového vypínače přibližně 20 % vyšší než cena porcelánového sloupkového vypínače s externím proudovým transformátorem (např. SF₆ transformátor).

4. Poznámky k provozu a údržbě SF₆ vypínačů

Aby bylo možné přísně kontrolovat unikání plynu a zabránit proniknutí vlhkosti do nádrže, jsou technologie zpracování a požadavky na materiály mnohem vyšší než u běžných vysokonapěťových elektrických zařízení. Současně je potřeba speciálního systému plynu SF₆, včetně ventilu s dobrými těsnícími vlastnostmi, detekčního zařízení, zařízení pro recyklaci plynu a monitoringu tlaku. Kromě toho, vzhledem k velké spotřebě kovu, je zvýšena složitost výroby.

Čistý plyn SF₆ je bezbarvý, bezzápachový, netoxický a není hořlavý. Nicméně, při syntéze hexafluoridu síry se také vytváří nízkofluorované sloučeniny síry, které jsou toxické. V vypínači se plyn rozkládá vysokou teplotou oblouku disociací a ionizací, vytvářející velmi toxické plyny. Proto je v vypínači nainstalován adsorber s aktivním hliníkem, který absorbuje tyto toxické plyny.

I přesto je třeba během údržby dbát na prevenci otravy. Proto je třeba před prací úplně evakuovat a vyčistit plyn. Pokud je stále cítit nepříjemný zápach, je třeba nosit plynovou masku a gumové rukavice. Kromě toho obsahují dekompoziční produkty oblouku i některé kovové fluorida, které jsou rozptylovány v vypínači v práškové formě. Ačkoli tyto prášky nejsou velmi toxické látky, je třeba při čištění bránit jejich vdechnutí.

5. Závěr

S neustálým nárůstem napětí elektrizačního systému, ať už jde o porcelánové sloupkové nebo nádržové typy SF₆ vypínačů, tyto zařízení se neustále vyvíjejí s technologickým pokrokem. Zejména v posledních letech byl vyvinut a použit princip samoodporového udušení oblouku, tj. vytvoření větrání plynu vysokým tlakem k udušení oblouku. Počet přerušovacích úseků je snížen a spotřeba materiálů je snížena.

Vzhledem k relativně vysoké ceně a vysokým požadavkům na použití, správu a provoz plynu SF₆, není široce používán v středním napětí (35kV, 10kV). Obecně mají vysokonapěťové SF₆ vypínače široké možnosti aplikace a technologický výzkum, vývoj a upgrade produktů přinesou významné ekonomické a společenské přínosy.