Kõrghalvaste SF6 lülitiandurite praegune olukord ja arengusuund

Kõrgpingevahetid, mida nimetatakse ka kõrgete pinge tasemete vahetisseadmeteks, omavad piisavat lõigamis- ja plasmasüütuse ärahoidmise võimet. Nad suudavad mitte ainult lõikada ja sulgeda kõrgete pingete voogusid nii tühi- kui ka laadiga, vaid ka kiiresti lõigada süsteemi veategevust toetudes kaitse- ja automaatseadmetega, vähendades seeläbi elektritöötoa ulatust ja takistades õnnetuse laienemist. See on oluline samm elektrisüsteemi ohutu töötamise tagamisel. Kõrgpingevahetid on arenenud nafta, tiheda õhku, vakuumi ja SF₆ vahetisseadmetest. Esimesed kaks tüüpi on järk-järgult välja jäetud, ja SF₆ vahetisseadmed on levinumat kasutuses kui viimased kaks. SF₆ vahetisseadmed sai laialdaselt kasutusele 1970. aastate alguses. Nad kasutavad südalammutivana plasmasüütuseks heksafluooride sulfurit (SF₆). Selliste vahetisseadmete lõigamisvõime on ligikaudu 10 korda suurem kui muude vahetisseadmete, vabalt lõigamisel. See on oluline rollis elektrisüsteemi stabiilses ja ohutusel töötamisel, ning tal on ka majanduslik ja sotsiaalne tähtsus.

SF₆ vahetisseadmed on naftata vahetussüsteemid, mis kasutavad SF₆ gaasi nii eraldus- kui ka plasmasüütuseks. Nende eraldusomadused ja plasmasüütuse omadused on oluliselt paremad kui naftaseadmete. Heksafluooride sulfuriga vahetisseadmed omavad järgmisi iseloomujooni:

• Tugev plasmasüütuse ärahoidmise võime, suur dielektriline tugevus ja üksiku katkepunktiga suur alluvuspinge. Seetõttu on sama mõõdiklassi korral vajalik vähem sarivõtetega katkepunktid, parandades seeläbi toote majanduslikku efektiivsust.

• Pikk elektriline elu. Võimalik on lõigada 50kA täispõhiline võimsus 19 korda, ja kumulatiivne lõigamisvoog saab ulatuda 4200kA-ni. Hoolduse tsükkel on pikk, ja see sobib sagedaste operatsioonidega.

• Hea lõigamisvõime. Tõttu SF₆ gaasi elektronegatiivsusest, see omab tugevat vaba elektroni imetamise võimet. Plasmasüütus, mis tekib SF₆-ga, soodustab "plasmasüütuse põhikera" (plasmasüütuse tuum ja -kere) moodustumist. Ioniseeritud plasmaplastide levikut piiratakse, võimaldades tõhusat ionite uuestiühendamist. Lõigamisvoog on suur, saavutades 80-100kA, ja isegi 200kA. Plasmasüütuse äraväärtamine on lühike, tavaliselt 5-15ms. Samuti on hea lõigamisvõime vastastikuse lõigamise, lähedaste veategevuste, tühib pikad jooned ja transformatoore tühib tingimustes.

• Suur eraldusvõime. SF₆ eraldusvõime on umbes 5-10 korda suurem kui õhu.

• SF₆ gaas on värvitu, meelitu, mitte-uuring ja mitte-lõkke, väga stabiilne gaas, mis ei reageeri lihtsalt teiste ainetega. Lisaks, kui vahetisseade avaneb, on plasmasüütuse soojenduse poolt tekitatud rõhunõrk väga väike, tagades seeläbi usaldusväärse töö ja ärahoides plahvatuse.

2. Kõrgpinge SF₆ vahetisseadmete areng
2.1 Topelt-rõhuga SF₆ vahetisseadmed

Vahetisseadmes on seatud kaks SF₆ gaasi süsteemi (kõrge rõhu ja madala rõhu süsteemid). Ainus avanemise protsessi ajal, kõrge rõhu komber jookseb madala rõhu komberi, kontrollides puhatava vaeva, et luua kõrge rõhu gaaspuhatus. Pärast lõigamise lõpetamist sulgeb puhatav vaev. Plasmasüütusekamberi printsiip on, et gaasi kompresor ja torud on ühendatud kõrge rõhu ja madala rõhu kambrite vahel. Kui kõrge rõhu kambri gaasi rõhk väheneb või madala rõhu kambri gaasi rõhk tõuseb kindla piiri, siis käivitub gaasi kompresor, et pompida SF₆ gaasi madala rõhu kambrit kõrge rõhu kambri, loodetuna automatiseeritud kinnise gaasisüsteem.

2.2 Ühe-rõhuga SF₆ vahetisseadmed

Ühe-rõhuline struktuur on lihtne ja sobib laiale temperatuuriulatusele. Gaasi kompreessoorni on läbinud arenguprotsess: plasmasüütuse puhatamisel, esimesel põlvkonnal on üks puhatav struktuur, väike lõigamisvoog (tavaliselt 31.5kA) ja madal katkepunkt (tavaliselt 170kV). Teisel põlvkonnal on topelt puhatav struktuur, lõigamisvoog on tõusnud (40-50kA), katkepunkt on endiselt madal. Tavaliselt 252kV tooted on topelt katkepunktiga. Kolmandal põlvkonnal on topelt puhatav struktuur lisatud soojenemise laiendamise efektiga (ühendatud plasmasüütuse). Lõigamisvoog on suur, tõusnud 63kA, ja katkepunkt on kõrge. Üks katkepunkt võib ulatuda 252kV, 363kV, 420kV, ja isegi 550kV.

Ühe-rõhulise arengust, plasmasüütusekamberi perspektiivist, on kasutatud väiksemat gaasi kompreessoor pistooni. Pistooni vähenemine plasmasüütusekambres toob järgmised eelised:

• Toote mass kogu liikumissüsteemis lõigamise protsessi ajal on vähendatud.

• Toote töövõime on vähendatud.

• Toote dempeering on lihtsam, ja mehaaniline elu on pikk.

2.3 Endenergia SF₆ vahetisseadmed

Endenergia SF₆ vahetisseadmed omavad kahte plasmasüütuse printsiipi: soojenemise laiendamise printsiibi ja plasmasüütuse keerlemise printsiibi. Praegu kasutatakse enamik endenergia vahetisseadmest soojenemise laiendamise printsiibi. Endenergia printsiib on kasutada plasmasüütuse energiat, et soojendada SF₆ gaasi laiendamiskambri, luues rõhu, formides gaaspuhatus, ja ärahoides plasmasüütuse. Kuid väikeste voogude lõigamisel, tõttu väikese plasmasüütuse energia, on vaja väikset pistooni, et kompreseed gaasi, et luua abipuhatus. Tõttu olulist töövõimu vähendamist, võib kasutada lihtsa struktuuriga kehakindla hoolduse seadme. Soojenemise laiendamise tüüp on arenenud teiseks põlvkonnaks. Esimesel põlvkonnal toodetes on saavutatud töövõimu vähendamise efekt, vähendades plasmasüütuseks vajalikku gaasi kompreessoori energiat. Gaasi kompreessoori pistooni läbimõõt on disainitud vastavalt maksimaalse veategevuse 30% lõigamiseks, ja liikumise mass on väike, mis vähendab töövõimu. Teisel põlvkonnal on edasi parandatud soojenemise laiendamise efekt ja lõigamisvõime, parandades mitte ainult kapatsiivse voogu lõigamist, vaid ka edasi vähendades töövõimu.

2.4 Intelligentsed SF₆ vahetisseadmed

Muu modernsete kõrgpinge vahetisseadmete karakteristik on nende intelligentsus, evolueerides traditsioonilistest elektromehaanilistest süsteemidest kaasaegsesse arvutikeskse inteligentsesse süsteemi. Praegu kõrgpinge vahetisseadmete online detektsioon sisaldab järgmist:

• SF6 gaas;

• Tööseadme süsteem;

• Väljastamine;

• Juhtimine ja abisüsteemid;

• Energiaedastus ahel.

Nende detektsioonide kaudu saab tuvastada rohkem kui 90% vigu. Online detektsioon võimaldab muuta regulaarseid hooldustöid reaalajas seisundipõhiseks hoolduseks.

3. Porcelainpostide ja tankide SF₆ vahetisseadmed ja nende rakendused

Hiina kasutas esmakordselt SF₆ vahetisseadmeid 1970. aastal, kui Põhja-Kesk-Hiina Elektri amet importeeris kolm H-912 tüüpi 220KV topelt-rõhuga porcelainpostide SF₆ vahetisseadmeid, mille tegi Siemens, ja paigutas need Shenyangi HuShitai peasesse. Nad töötavad ikka veel hästi täna.

Kõrgpinge heksafluooride sulfuriga vahetisseadmed on jagatud porcelainpostide ja tankide vahetisseadmeteks nende struktuuri järgi. Kui neid võrrelda, siis mõlemad omavad oma unikaalseid iseloomujooni:

• Mõlemad, porcelainpostide ja tankide kõrgpinge SF₆ vahetisseadmed, saavad rahuldada kõrge pingega ja suure mahtuga nõuded. Porcelainpostide plasmasüütusekamber on paigutatud eraldusseadmele. Sidudes plasmasüütusekambreed sarivõtetega ja paigutades need sobiva kõrgusele, saab igat mõõdiklassi. Eraldusseade on enamusjuhul porcelainpost, ja orgaanilised kombinatsioonseadmed on samuti ilmnenud. Tankide plasmasüütusekamber on paigutatud metalltanki, mis on ühendatud maapinge poole. Kõrge pingega on vaja siduda mitu plasmasüütusekambrit sarivõtetega ja paigutada need samasse tanki iga faasi jaoks.

• Voolusuundite seadme paigutamine. Voolusuundite seadme paigutamisel on porcelainpostide vahetisseadmed ebasoodses olukorras. Tõttu porcelainpostide plasmasüütusekamber on paigutatud eraldusseadmes ja eraldusseadme kõrgusel, peab voolusuundite seade olema eraldi paigutatud oma eraldusseadmel. Kuid bushing tüüpi voolusuundite seade saab paigutada tankide vahetisseadme bushingile. Mõnes rakendustes ei pea vahetisseade olema varustatud voolusuundite seadmega, eriti kui seda kasutatakse kondensaatoride gruppide ja paralleelsed reaktorite lülites. Siin on porcelainpostide hind ainult 60% tankide vahetisseadme hinnast, ja mitme katkepunktiga saab paremini vastu võtta uuesti lülitamist.

• Väline alluvusvõime. Väline alluvusvõime perspektiivist, mitme sarivõtetega porcelainpostide vahetisseadmed saavad rahuldada igat mõõdiklassi, kuid selle väline eraldusalluvusvõime on piiratud plasmasüütusekambri pikkusega. Tankide vahetisseadme puhul, kui saab arendada vajalikku alluvusvõimet, et vähendada katkepunktide arvu, saab valmistada eraldus-bushingi. Seetõttu saab tankide vahetisseade saavutada ühe katkepunktiga 550kV/63kA ja topelt katkepunktiga 1100kV/50kA.

• SF₆ gaasi tarbimine. SF₆ gaasi tarbimisel on porcelainpostide vahetisseadmed paremad kui tankide. Tankide vahetisseadme gaasi tarbimine on palju suurem kui porcelainpostide.

• Ympäristösopeutuvuus. Ympäristösopeutuvuuden kannalta, iso tilavuinen tankityyppi vahetin osoittaa etujaanetuksi. Tankityyppi vahetiniin voidaan asentaa lämmitys, kun taas porcelainpostityyppiin sitä ei voi asentaa.

• Maanjäristystäkyky. Maanjäristystäkyvyyden kannalta, tankityyppi vahetin on paljon parempi kuin porcelainpostityyppi. Koska porcelainpostityyppi vahetin painopiste on korkealla, sen maanjäristystäkyvyys on huono.

• Hinta vertailu. Hinnoissa, samassa kapasiteettisessa, porcelainpostityyppi vahetin on parempi kuin tankityyppi. Yleensä, tankityyppi vahetin hinta on noin 20% korkeampi kuin porcelainpostityyppi vahetin ulkoisella virtasensorilla (kuten SF₆ virtasensorilla).

4. Asi, mida tuleb huomioida SF₆ vahetisseadmete toiminnassa ja ylläpidossa

Jotta voidaan tiukasti hallita kaasun vuotoa ja estää kosteus ja kostea ilma astuma laatikoon, prosessointitekniikan ja materiaalivaatimukset ovat paljon korkeammat kuin yleisten korkean jännitteen sähkövaruste. Samalla tarvitaan erityinen SF₆ kaasu systeemi, mukaan lukien hyvin suljettu venttiili, vuodon tunnistuslaitteet, kaasu kierrätyslaitteet ja paineen seuranta. Lisäksi, koska metallin kulutus on suuri, valmistuksen monimutkaisuus on kasvanut.

Puhta SF₆ kaasu on värvätön, maitonton, myrkytön ja sytytmätön. Kuitenkin, hexafluoridi sidosessa syntyy myös alifluoridy, jotka ovat myrkyllisiä. Vahetimessä kaasu hajoaa plasman korkean lämpötilan kautta, synnyttäen erittäin myrkyllisiä kaasuja. Siksi vahetimessä on asennettu imevä laite, johon on asetettu aktivoitu alumiini imeväksi nämä myrkylliset kaasut.

Siltakin, erityistä huomiota on kiinnitettävä myrkytyksen estämiseen ylläpitotöissä. Siksi kaasu on tyhjennettävä ja puhdistettava ennen työskentelyä. Jos epämiellyttävä haju havaitaan, on käytettävä kaasumaski ja kumihansikoita. Lisäksi plasman hajoamisen tuotteet sisältävät myös joitakin metallifluorideja, jotka on hajautettu vahetin jauheena. Vaikka nämä jauheet eivät ole erityisen myrkyllisiä, on otettava varotoimenpiteitä niiden hengityksellä tapahtuvan inhalaation estämiseksi puhdistuksen aikana.

5. Johtopäätös

Sähköverkon jännitteen jatkuvan kasvun myötä, sekä porcelainpostityypilliset että tankityypilliset SF₆ vahetinit kehittyvät teknologian edistymisen mukana. Erityisesti viime vuosina on kehitetty ja sovellettu itseenergiaperiaatetta, jossa korkea rööhi muodostetaan kaasupuhalluksena plasman sammustamiseksi. Katkopistemäärä on vähentynyt, ja materiaalin kulutus on pienentynyt.

Sen suuren hintansa ja korkeiden vaatimusten vuoksi SF₆ kaasun käyttöön, hallintaan ja toimintaan, se ei ole laajasti sovellettavissa keskipaineisiin (35kV, 10kV) järjestelmiin. Yleisesti ottaen, kovapaineiset SF₆ vahetinit tarjoavat laajan sovellusmahdollisuuden, ja tuotteiden teknologian tutkimus, kehitys ja päivitykset tuovat merkittäviä taloudellisia ja yhteiskunnallisia hyötyjä.