Trenutno stanje i trendovi razvoja visokonaponskih prekidača s heksafluoridom sičice

Visokonaponi prekidaci, također poznati kao visokonaponski prekidači, imaju dovoljnu sposobnost prekida i ugašanja luka. Ne samo da mogu prekinuti i zatvoriti prazni i opterećeni strujni tokovi visokih napona, već, kada se dogodi greška u sistemu, mogu sarađivati s zaštitnim i automatskim uređajima kako bi brzo prekinuli strujni tok greške, smanjili opseg isključivanja struje i spriječili proširenje nesreće. To je izuzetno važno za osiguranje sigurnog rada električnog sustava.

Visokonaponski prekidaci su se razvijali kroz naftne prekidace, kompresni zračni prekidace, vakuumski prekidace i SF₆ prekidace. Od njih, prva dva tipa su postepeno bili fazonirani, a SF₆ prekidaci su šire primjenjivani u usporedbi s posljednjim dvama. SF₆ prekidaci su bili široko prihvaćeni u ranom periodu 1970-ih. Koriste šesterfluorid siroviha kao sredstvo za ugašanje luka. Ovaj tip prekidaca ima veliku sposobnost prekida. Pod uvjetima slobodnog prekida, njegova sposobnost prekida je približno 10 puta veća od ostalih prekidaca. Igra ključnu ulogu u stabilnom i sigurnom radu električnog sustava, te je također izuzetno značajan u smislu ekonomskih i društvenih koristi.

1. Performanse SF₆ prekidaca

SF₆ prekidaci su beznaftni prekidački uređaji koji koriste SF₆ plin kao sredstvo za izolaciju i ugašanje luka. Njihove izolacijske performanse i karakteristike ugašanja luka su značajno veće od naftnih prekidaca. Prekidaci sa šesterfluoridom siroviha imaju sljedeće karakteristike:

• Jaka sposobnost ugašanja luka, visoka dielektrična čvrstoća i visoka vrijednost otpornosti na napadne napone jedinice prekida. Tako, pod istim nivoima nominalnog napona, broj serija prekida potrebnih za serijski prekid je manji, što poboljšava ekonomsku performansu proizvoda.

• Duga električna životnost. Može neprekidno prekinuti pun kapacitet od 50kA 19 puta, a kumulativni prekidni strujni tok može doseći 4200kA. Vrijeme održavanja je dugo, a pogodan je za često korištenje.

• Dobra performansa prekida. Zbog elektronegativnosti SF₆ plina, ima jaku sposobnost apsorbiranja slobodnih elektrona. Luk nastao u SF₆ je povoljan za formiranje "strukture luka" (jezgra i omota luka). Difuzija joniziranog plazma je ograničena, što omogućuje efikasnu rekompleksiju jona. Struja prekida je velika, dosegući 80-100kA, a čak i 200kA. Vrijeme ugašanja luka je kratko, obično 5-15ms. U isto vrijeme, performanse prekida za obrnuti prekid, bliske zonske greške, prazne duge linije i transformator bez opterećenja su također dobre.

• Visoka izolacijska performansa. Izolacijska čvrstoća SF₆ je približno 5-10 puta veća od zraka.

• SF₆ plin je bezbojan, bezmirisan, neotrovit, negoriv i vrlo stabilan plin koji nije lako reagira s drugim tvarima. Također, kada je prekidac otvoren, pritisak uzrokovan zagrijavanjem luka je izuzetno mali, što osigurava pouzdan rad i sprječava eksplozivne nesreće.

2. Razvoj visokonaponskih SF₆ prekidaca
2.1 Dvostruki pritiski SF₆ prekidaci

Unutar prekidaca su postavljeni dva SF₆ plinska sustava (visoki pritisak i niski pritisak). Samo tijekom procesa otvaranja, visoki pritiski prostor protječe u niski pritiski prostor putem kontrolnog ventilatora kako bi se formirao visoki pritiski plinski tok. Nakon završetka prekida, ventilator se zatvara. Principe komore za ugašanje luka temelji se na tome da su između visokog i niskog pritiska postavljeni plinski kompresor i cijevi. Kada pritisak plina u visokom pritisku padne ili kada pritisak plina u niskom pritisku poraste do određene granice, plinski kompresor započinje pumpiranje SF₆ plina iz niskog pritiska u visoki pritisk, formirajući automatizirani zatvoreni plinski sustav.

2.2 Jedinični pritiski SF₆ prekidaci

Jedinična struktura je jednostavna i može se prilagoditi širokom rasponu okolišnih temperatura. Tip kompresije plina je također prošao razvojni proces: u pogledu puštanja luka, prvi generacije jediničnog pritiska ima jednostavnu strukturu puštanja, s malom prekidnom strujom (obično 31.5kA) i niskim napadnim naponima (obično 170kV). Druga generacija jediničnog pritiska ima dvostruku strukturu puštanja, s povećanom prekidnom strujom (40-50kA), ali još uvijek niskim napadnim naponima. Obično, proizvodi od 252kV imaju dva prekida. Treća generacija jediničnog pritiska ima dvostruku strukturu puštanja dopunjenju termalnim efektom (hibridno ugašanje luka). Prekidna struja je velika, povećana na 63kA, a napadni naponi su visoki. Jedan prekid može doseći 252kV, 363kV, 420kV, a čak i 550kV.

Razvoj jediničnog pritiska, s perspektive komore za ugašanje luka, usvaja manji plinski kompresorski piston. Prednosti koje donosi smanjenje pistona u komori za ugašanje luka su sljedeće:

• Smanjuje se masa cijelog pokretne sustave tijekom prekida proizvoda.

• Smanjuje se operativna snaga proizvoda.

• Poboljšava se amortizacija proizvoda, a mehanički život je dug.

2.3 Samoenergetski SF₆ prekidaci

Samoenergetski SF₆ prekidaci imaju dva principa ugašanja luka: termalni ekspanzivni princip i princip rotacije luka. Trenutno, većina samoenergetskih prekidaca koristi termalni ekspanzivni princip. Princip samoenergetskog rada temelji se na tome da se lukova energija koristi za zagrijavanje SF₆ plina u komori za ekspanziju, stvaranje pritiska, formiranje plinskog toka i ugašanje luka. Međutim, tijekom prekida malih struja, zbog male lukove energije, potreban je mali piston za kompresiju plina kako bi se formirao pomoćni plinski tok. Zbog značajnog smanjenja operativne snage, može se koristiti proizvod s jednostavnim mješićnim mehanizmom. Termalni ekspanzivni tip se razvio do druge generacije. Prvi generacije proizvodi postižu učinak smanjenja operativne snage smanjenjem potrebne energije za kompresiju plina za ugašanje luka. Prečnik kompresorskog pistona dizajniran je prema prekidu 30% maksimalne greške struje, a masa pokreta je također mala, što smanjuje operativnu snagu. Druga generacija proizvoda dalje poboljšava termalni ekspanzivni učinak i performanse prekida, ne samo poboljšavajući prekid kapacitivne struje, već i dalje smanjuju operativnu snagu.

2.4 Pametni SF₆ prekidaci

Još jedna karakteristika modernih visokonaponskih prekidaca je njihova inteligencija, evoluirajući od tradicionalnih elektromehaničkih sustava u moderne inteligentne sustave s računalnim centrom. Trenutno, sadržaj online detekcije visokonaponskih prekidaca uključuje sljedeće:

• SF6 plin;

• Sustav radnih mehanizama;

• Otpuštanje;

• Kontrolne i pomoćne sklopove;

• Lanac prijenosa snage.

Putem ovih detekcija, više od 90% grešaka može biti otkriveno. Online detekcija može promijeniti redovito održavanje prekidaca u stvarno-vremensko stanje održavanja.

3. Porcelanski stupničasti i rezervoarski tipovi SF₆ prekidaca i njihova primjena

Kina je prvi put primijenila SF₆ prekidace 1970. godine kada je uprava električne energije sjeveroistočne regije uvezla tri H-912 tipa 220KV dvostrukog pritiska porcelanskih stupničastih SF₆ prekidaca proizvedenih od strane Siemensa iz inozemstva i instalirala ih u glavnoj podstanici HuShitai u Šenjangu. Još uvijek dobro funkcioniraju danas.

Visokonaponski šesterfluorid siroviha prekidaci dijele se na porcelanske stupničaste i rezervoarski tipove prema svojoj strukturi. Poređenjujući dva, svaki ima svoje karakteristike:

• Oba porcelanski stupničasti i rezervoarski visokonaponski SF₆ prekidaci mogu zadovoljiti zahtjeve visokog napona i velikih kapaciteta. Komora za ugašanje luka porcelanskog stupničastog tipa je instalirana na izolacijskoj podprti. Spajanjem komora za ugašanje luka u seriju i instaliranjem na izolacijsku podporu na odgovarajućoj visini, može se dobiti bilo koji nominalni napon. Izolacijska podpora je uglavnom porcelanski stup, a pojavljuju se i organski kompozitni stupovi. Komora za ugašanje luka rezervoarskog tipa je instalirana u metaličkom rezervoaru spojenom s zemljom. Pod visokim naponom, potrebno je spajati više komora za ugašanje luka u seriju i instalirati ih u istom rezervoaru za svaku fazu.

• Instalacija pretobransformatora. U pogledu instalacije pretobransformatora, porcelanski stupničasti prekidaci su u nedostatku. Budući da je komora za ugašanje luka porcelanskog stupničastog tipa instalirana unutar izolatora i na vrhu izolacijske podpore, pretobransformator mora biti posebno instaliran na svojoj izolacijskoj podpori. Međutim, tubni pretobransformator može biti instaliran na tubu rezervoarskog prekidaca. U nekim scenarijima primjene, prekidac ne treba biti opremljen pretobransformatorom, posebno kada se koristi kao prekidač za prebacivanje kondenzatorskih baterija i paralelnih reaktora. Ovdje, cijena porcelanskog stupničastog tipa iznosi samo 60% cijene rezervoarskog prekidaca, a zbog korištenja više prekida, bolje može podnijeti ponovno zapaljenje.

• Vanjska izdržljivost na napadne napone. S perspektive vanjske izdržljivosti na napadne napone, više serija komora za ugašanje luka porcelanskog stupničastog prekidaca može zadovoljiti bilo koji nominalni napon, ali njegova vanjska izolacijska izdržljivost ograničena je duljinom same komore za ugašanje luka. Za rezervoarski prekidac, ako se razvije potrebna izdržljivost za smanjenje broja prekida, može se proizvesti izolacijska tuba. Stoga, rezervoarski prekidac može postići jedan prekid od 550kV/63kA i dva prekida od 1100kV/50kA.

• Potrošnja SF₆ plina. U pogledu potrošnje SP6 plina, porcelanski stupničasti tip je superiorniji od rezervoarskog. Potrošnja plina rezervoarskog prekidaca znatno je veća od porcelanskog stupničastog.

• Prilagodljivost okolišu. S perspektive prilagodljivosti okolišu, veliki volumen rezervoarskog prekidaca pokazuje svoje prednosti. U rezervoarskom prekidacu može se instalirati grijanje, dok se to ne može učiniti u porcelanskom stupničastom.

• Izdržljivost na potrese. S perspektive izdržljivosti na potrese, rezervoarski prekidac je daleko bolji od porcelanskog stupničastog. Budući da porcelanski stupničasti prekidac ima visoku težišnu visinu, njegova izdržljivost na potrese je loša.

• Usporedba cijena. U pogledu cijena, za isti kapacitet, porcelanski stupničasti prekidac je bolji od rezervoarskog. Općenito, cijena rezervoarskog prekidaca iznosi oko 20% više od porcelanskog stupničastog prekidaca s vanjskim pretobransformatorom (poput SF₆ transformatora).

4. Pitanja koja treba voditi računa tijekom rada i održavanja SF₆ prekidaca

Radi stroge kontrole curenja plina i sprečavanja vlage i vlagoće da prodru u kutiju, proces obrade i zahtjevi za materijalima mnogo su viši od onih za općenite visokonaponske uređaje. U isto vrijeme, potreban je posebni SF₆ plinski sustav, uključujući ventil s dobrim zatvaranjem, opremu za otkrivanje curenja, uređaj za povrat plina i nadzor pritiska. Također, zbog velike potrošnje metala, složenost proizvodnje se povećava.

Čisti SF₆ plin je bezbojan, bezmirisan, neotrovit i negoriv. Međutim, tijekom sinteze šesterfluorida siroviha, proizvedeni su i niskofluoridni spojevi siroviha, koji su otroviti. U prekidacu, plin će se dekomponirati pod visokom temperaturom luka kroz disocijaciju i jonizaciju, proizvodeći visoko otrovite plinove. Stoga, u prekidacu je instaliran adsorber, a u njega se stavlja aktivni alumin za apsorbiranje tih otrovnih plinova.

Iako je tako, posebna pažnja treba biti posvećena sprečavanju otrovljenja tijekom održavanja. Stoga, plin mora biti iscrpljen i ispušten prije rada. Ako se i dalje osjeti neprijatan miris, treba nositi masku za plin i gumenke. Također, proizvodi dekompozicije luka također sadrže neke metalne fluorida, koji su raspoređeni u prekidacu u prahu. Iako ti prahovi nisu visoko otrovite tvari, trebaju se uzeti predvidi kako bi se spriječilo da se uhvate tijekom čišćenja.

5. Zaključak

S neprestanim porastom napona u električnom sustavu, bilo da se radi o porcelanskom stupničastom ili rezervoarskom tipu SF₆ prekidaca, oni se neprestano razvijaju s tehnološkim napretkom. Posebno, u posljednje godine, razvijen je i primijenjen princip samoenergetske ugašenja luka, odnosno visoki pritisak se koristi za formiranje plinskog puha za ugašanje luka. Broj prekida se smanjuje, a potrošnja materijala se smanjuje.

Zbog relativno visoke cijene i visokih zahtjeva za primjenom, upravljanjem i radom s SF₆ plinom, on nije široko primjenjen u srednjem naponu (35kV, 10kV). Općenito, visokonaponski SF₆ prekidaci imaju širok spektar primjene, a istraživanje, razvoj i nadogradnja proizvoda donijet će značajne ekonomske i društvene koristi.