Den nuværende situation og udviklingstendens for højspændings SF6 brydere

Højspændingsbrydere, også kendt som højspændingsskridtlister, har tilstrækkelig afbrydelses- og bueudslukningskapacitet. De kan ikke kun afbryde og lukke den tomme strøm og belastningsstrømmen i højspændingskredsløb, men kan også hurtigt afbryde fejlstrømmen sammen med beskyttelses- og automatiske enheder, når der opstår en fejl i systemet, hvilket reducerer strømafbrydningens omfang og forhindrer udviklingen af ulykker. Dette er af stor betydning for at sikre sikkert drift af kraftsystemet.

Højspændingsbrydere har udviklet sig gennem oliebrydere, komprimeret luftbrydere, vakuum-brydere og SF₆-brydere. Af disse to første typer er blevet gradvist faset ud, og SF₆-brydere anvendes mere end de sidste to. SF₆-brydere blev bredt anvendt i begyndelsen af 1970'erne. De bruger svovlhexafluorid som buedempende medium. Denne type bryder har en stor afbrydelseskapacitet. Under fri afbrydelse er dens afbrydelseskapacitet omtrent 10 gange højere end andre brydere. Den spiller en vigtig rolle i stabil og sikker drift af kraftsystemet og er også af stor betydning i økonomisk og social henseende.

1. Ydeevne af SF₆-brydere

SF₆-brydere er oliefrie skiftudstyr, der bruger SF₆-gas både som isolerings- og buedempende medium. Deres isolationsydeevne og buedempende egenskaber er markant højere end oliebrydere. Svovlhexafluorid-brydere har følgende karakteristika:

• Stærk buedempningskapacitet, høj dielektrisk styrke og høj tilsyneladende spænding på enhedsfraktur. Derved er antallet af serieforbindelser nødvendige under samme nominelle spændingsniveau reduceret, hvilket forbedrer produktets økonomiske ydeevne.

• Lang elektrisk levetid. Den kan kontinuerligt afbryde ved fuld kapacitet på 50kA 19 gange, og den akkumulerede afbrydelsesstrøm kan nå 4200kA. Vedligeholdelsescyklussen er lang, og det passer til hyppig drift.

• God afbrydelseskapacitet. På grund af SF₆-gassens elektronegativitet har det en stærk evne til at absorbere fri elektroner. Bue dannet i SF₆ er gunstigt for dannelse af "buekolonne-struktur" (buekerne og bueomhulning). Diffusion af ioniseret plasma er begrænset, hvilket gør effektiv ion genforening mulig. Afbrydelsesstrømmen er stor, op til 80-100kA, og endda 200kA. Buedempningstiden er kort, normalt 5-15ms. Samtidig er afbrydelseskapaciteten for omvendt faseafbrydelse, nærzonsfejl, tomme lange linjer og transformer uden belastning også god.

• Høj isolationskapacitet. Isolationsstyrken af SF₆ er ca. 5-10 gange så høj som luftens.

• SF₆-gas er farve-, lugt- og giftfri, ikke brandbar, og en meget stabil gas, der ikke let reagerer med andre stoffer. Desuden er trykstigningen, der skyldes buens opvarmning, når bryderen åbnes, ekstremt lille, hvilket sikrer pålidelig drift og forhindrer eksplosionsulykker.

2. Udvikling af højspændings SF₆-brydere
2.1 Dubbeltryk SF₆-brydere

Der er indstillet to SF₆-gassystemer (højtrykssystem og lavtrykssystem) indeni bryderen. Kun under åbningsprocessen flyder højtrykskammeret til lavtrykskammeret via styring af blæsventilen for at danne et højtryksluftstrøm. Efter afbrydelsen er gennemført, lukkes blæsventilen. Princippet for bueudslukningskammeret er, at en gaskompresor og rør forbinder højtrykskammeret og lavtrykskammeret. Når gastypestrykket i højtrykskammeret falder, eller gastypestrykket i lavtrykskammeret stiger til et bestemt grænse, starter gaskompresoren med at pumpe SF₆-gassen fra lavtrykskammeret til højtrykskammeret, danner et automatisk lukket gassystem.

2.2 Enkeltryk SF₆-brydere

Den enkeltryksstruktur er simpel og kan tilpasse sig et bredt temperaturinterval. Gaskomprimeringstypen har også gennemgået en udviklingsproces: i forhold til buedrivning, har den første generation enkeltrykstype en enkeltblæsstruktur, med en lille afbrydelsesstrøm (normalt 31.5kA) og en lav frakturspænding (normalt 170kV). Den anden generation enkeltrykstype har en dobbeltblæsstruktur, med afbrydelsesstrømmen øget til (40-50kA), og frakturspændingen er stadig lav. Generelt har 252kV produkter dobbelt frakturport. Den tredje generation enkeltrykstype har en dobbeltblæsstruktur suppleret med en termisk udvidelseseffekt (hybridbueudslukning). Afbrydelsesstrømmen er stor, øget til 63kA, og frakturspændingen er høj. En enkelt frakturport kan nå 252kV, 363kV, 420kV, og endda 550kV.

Udviklingen af enkeltrykstype, set fra bueudslukningskammerets perspektiv, har anvendt en mindre gaskomprimeringspiston. Fordelene ved reduktionen af pistonen i bueudslukningskammeret er som følger:

• Massen af hele bevaegelsessystemet under produktets afbrydelsesproces er reduceret.

• Driftsstrømmen for produktet er reduceret.

• Produktets demping bliver lettere, og mekanisk levetid er lang.

2.3 Selvenergi SF₆-brydere

Selvenergi SF₆-brydere har to bueudslukningsprincipper: termisk udvidelsesprincip og buerotationprincip. I øjeblikket anvender de fleste selvenergibrydere termisk udvidelsesprincip. Selvenergiprincipperne er at bruge bueenergien til at varme SF₆-gassen i udvidelseskammeret, bygge tryk, danne luftstrøm, og udslukke bue. Men når der afbrydes små strømme, på grund af den lille bueenergi, kræves en lille piston til at komprimere gassen for at danne en hjælpeblæsning. På grund af den betydelige reduktion i driftsstrøm, kan en springdrivende mekanisme med en enkel struktur anvendes. Termisk udvidelsestype er nu udviklet til den anden generation. Første generationsprodukter opnår effekten af at reducere driftsstrømmen ved at reducere den gaskomprimeringsenergi, der er nødvendig for bueudslukning. Diameteren på gaskomprimeringspiston er designet efter afbrydelsen af 30% af maksimal fejlstrøm, og bevægelsesmassen er også lille, hvilket reducerer driftsstrømmen. Anden generationsprodukter forbedrer yderligere termisk udvidelseseffekt og afbrydelseskapacitet, ikke bare forbedrer afbrydelsen af kapacitive strømme, men også reducerer yderligere driftsstrømmen.

2.4 Intelligente SF₆-brydere

En anden karakteristik af moderne højspændingsbrydere er deres intelligens, der udvikler sig fra traditionelle elektromekaniske systemer til moderne intelligente systemer, der er centreret omkring computere. I øjeblikket er online-detectionsindholdet for højspændingsbrydere som følger:

• SF6-gas;

• Driftmekanismesystem;

• Frigivelse;

• Kontrol- og hjælpecirkuit;

• Energioverførselskæde.

Gennem disse detections kan mere end 90% af fejl opdages. Online-detection kan ændre regelmæssigt vedligehold af brydere til realtid baseret vedligehold.

3. Porcelænsstolpe-type og tank-type SF₆-brydere og deres anvendelser

Kina anvendte først SF₆-brydere i 1970, da Nordøst Eladministration importerede tre H-912 type 220KV dubbeltryk porcelænsstolpe-type SF₆-brydere produceret af Siemens fra udlandet og installerede dem i HuShitai primære understation i Shenyang. De fungerer stadig godt i dag.

Højspænding svovlhexafluorid brydere er inddelt i porcelænsstolpe-type og tank-type ifølge deres struktur. Når man sammenligner de to, har de hver deres egne karakteristika:

• Både porcelænsstolpe-type og tank-type højspændings SF₆-brydere kan opfylde kravene til høj spænding og stor kapacitet. Bueudslukningskammeret for porcelænsstolpe-typen er installeret på isolerende støtte. Ved at forbinde bueudslukningskamre i serie og installere dem på isolerende støtte på passende højde, kan ethvert nominelt spændingsværdi opnås. Isolerende støtten er mest ofte en porcelænsstolpe, og organiske komposit støtter er også opstået. Bueudslukningskammeret for tanktypen er installeret i en metaltank forbundet med jordpotentialet. Under høj spænding skal flere bueudslukningskamre være forbundet i serie og installeret i samme tank for hver fase.

• Installation af strømtransformatorer. I forhold til installation af strømtransformatorer, er porcelænsstolpe-type brydere ugunstigt stillet. Fordi bueudslukningskammeret for porcelænsstolpe-typen er installeret inde i isolatoren og på top af isolerende støtte, skal strømtransformatoren være separat installeret på sin egen isolerende støtte. Men busktype strømtransformator kan være installeret på busken af tanktype bryder. I nogle anvendelsesscenarier behøver bryderen ikke at være udstyret med en strømtransformator, især når den bruges som en skridtliste til at skifte kondensatorbanker og parallelreaktorer. Her er prisen for porcelænsstolpe-typen kun 60% af prisen for tanktype bryder, og på grund af brug af flere frakturpor, kan den bedre modstå genstart.

• Ydre overlevelseskapacitet. Set fra synsvinklen af ydre overlevelseskapacitet, kan flere serieforbundne bueudslukningskamre for porcelænsstolpe-type brydere opfylde ethvert nominelt spændingsværdi, men dens ydre isolationskapacitet er begrænset af længden af bueudslukningskammeret selv. For tanktype bryder, hvis den nødvendige overlevelseskapacitet for at reducere antallet af frakturpor kan udvikles, kan en isolerende buske produceres. Således kan tanktype bryder opnå en enkelt frakturport på 550kV/63kA og en dobbelt frakturport på 1100kV/50kA.

• Forbrug af SF₆-gas. I forhold til forbrug af SF₆-gas, er porcelænsstolpe-typen bedre end tanktypen. Gasforbruget for tanktype bryder er meget højere end for porcelænsstolpe-typen.

• Miljøtilpasning. Set fra synsvinklen af miljøtilpasning, viser store volumen tanktype bryder sine fordele. En varmespiral kan være installeret i tanktype bryder, mens den ikke kan være installeret i porcelænsstolpe-typen.

• Jordskælvstabilitet. Set fra synsvinklen af jordskælvstabilitet, er tanktype bryder langt bedre end porcelænsstolpe-typen. Fordi porcelænsstolpe-type bryder har en høj tyngdepunkt, er dens jordskælvstabilitet dårlig.

• Pris sammenligning. I forhold til pris, for samme kapacitet, er porcelænsstolpe-type bryder bedre end tanktypen. Generelt er prisen for tanktype bryder omtrent 20% højere end for porcelænsstolpe-type bryder med eksterne strømtransformator (som SF₆-transformator).

4. Spørgsmål, der skal bemærkes under drift og vedligeholdelse af SF₆-brydere

For at strengt kontrollere gaslekkage og forhindre fugt og fuktighed i at invadere kassen, er behandlingsmetoden og materialekravene meget højere end for almindelige højspændingsapparater. Samtidig kræves et specielt SF₆-gassystem, herunder en ventil med god tætningskapacitet, leckagedetektionsudstyr, et gasgenopbevaringsanlæg og trykovervågning. Desuden, på grund af det store forbrug af metal, er produktionens kompleksitet øget.

Rent SF₆-gas er farve-, lugt- og giftfri, og ikke brandbar. Dog produceres lave fluorider af svovl også under syntesen af svovlhexafluorid, som er giftige. I bryderen vil gassen blive dekomponeret under buens høje temperatur gennem dissociation og ionisering, genererer højgiftige gasser. Derfor er der installeret en absorber i bryderen, og aktiveret aluminium er placeret i den for at absorbere disse giftige gasser.

Selvom, skal der særligt bemærkes for at forhindre forgiftning under vedligeholdelse. Derfor skal gasen være udviet og udledt rent før arbejdet. Hvis en ubehagelig lugt stadig kan mærkes, skal en gasskærm og gummihansker bæres. Desuden indeholder buedecomposition-produkter også nogle metalfluorider, der er fordelt i bryderen i pulverform. Selvom disse pulver ikke er højgiftige stoffer, bør der stadig tages forsigtighed for at forhindre dem i at indåndes under rengøring.

5. Konklusion

Med den konstante stigning i spændingen i kraftsystemet, uanset om det er porcelænsstolpe-typen eller tanktypen af SF₆-brydere, udvikler de sig konstant med teknologisk fremskridt. Især i de seneste år, er selvenergi bueudslukningsprincip udviklet og anvendt, det vil sige, højt tryk anvendes til at danne en gasblæsning for at udslukke bue. Antallet af frakturpor er reduceret, og forbruget af materialer er mindsket.

På grund af dets relativt høje pris og høje krav til anvendelse, ledelse og drift af SF₆-gas, anvendes det ikke bredt i mellemspænding (35kV, 10kV). Generelt har højspændings SF₆-brydere en bred anvendelsesmulighed, og teknologisk forskning, udvikling og opgradering af produkter vil bringe betydelige økonomiske og sociale fordele.