De huidige situatie en ontwikkelingstrend van hoogspannings-SF6 schakelaars

Hoogspanningskoppelingsafbreekkers, ook bekend als hoogspanningsafbreekkers, hebben voldoende onderbrekings- en booguitdovingscapaciteiten. Ze kunnen niet alleen de lege stroom en belastingstroom van hoogspanningscircuits afbreken en sluiten, maar ook, wanneer er een storing in het systeem optreedt, samenwerken met beschermingsapparatuur en automatische apparatuur om de storingstroom snel te doorbreken, waardoor de uitvalbereik wordt verminderd en de uitbreiding van het ongeval wordt voorkomen. Dit is van groot belang voor de veilige werking van het elektriciteitsnet.

Hoogspanningsafbreekkers zijn geëvolueerd van olieafbreekkers, samengedrukte luchtafbreekkers, vacuümafbreekkers tot SF₆-afbreekkers. Van deze soorten zijn de eerste twee geleidelijk afgeschaft, en SF₆-afbreekkers worden meer toegepast dan de laatste twee. SF₆-afbreekkers werden in het begin van de jaren zeventig breed ingezet. Ze gebruiken hexafluoride als booguitdovingsmedium. Deze soort afbreekker heeft een grote onderbrekingscapaciteit. Onder vrije onderbrekingsomstandigheden is de onderbrekingscapaciteit ongeveer 10 keer hoger dan die van andere afbreekkers. Het speelt een cruciale rol bij de stabiele en veilige werking van het elektriciteitsnet en is ook van groot economisch en maatschappelijk belang.

1. Prestaties van SF₆-afbreekkers

SF₆-afbreekkers zijn olievrije schakelapparatuur die SF₆-gas gebruikt als zowel isolatiemiddel als booguitdovingsmiddel. Hun isolatieprestaties en booguitdovingskenmerken zijn aanzienlijk hoger dan die van olieafbreekkers. Sulfurhexafluoride-afbreekkers hebben de volgende kenmerken:

• Sterke booguitdovingscapaciteit, hoge diëlektrische sterkte en hoge spanningwaarde van de eenheidsscheur. Hierdoor is, bij dezelfde nominale spanning, het aantal benodigde serieverbonden scheuren gereduceerd, wat de economische prestaties van het product verbetert.

• Lange elektrische levensduur. Het kan continu 19 keer op volle capaciteit van 50kA onderbreken, en de cumulatieve onderbrekingsstroom kan 4200kA bereiken. De onderhoudscyclus is lang, en het is geschikt voor frequente bediening.

• Goede onderbrekingsprestaties. Door de elektro-negativiteit van SF₆-gas heeft het een sterke capaciteit om vrije elektronen te absorberen. De boog die in SF₆ wordt gevormd bevordert de vorming van de "boogkolomstructuur" (boogkern en boogschede). De diffusie van geïoniseerde plasma's wordt beperkt, waardoor effectieve ionhergroepering mogelijk is. De onderbrekingsstroom is groot, varieert van 80-100kA tot zelfs 200kA. De booguitdovingsduur is kort, meestal 5-15ms. Tegelijkertijd zijn de onderbrekingsprestaties voor tegengestelde faseonderbreking, nabijheidsstoringen, geladen lange lijnen en transformator-onbelaste toestanden ook goed.

• Hoge isolatieprestaties. De isolatiesterkte van SF₆ is ongeveer 5-10 keer die van lucht.

• SF₆-gas is kleurloos, geurloos, niet-giftig, niet-brandbaar en een zeer stabiel gas dat moeilijk reageert met andere stoffen. Bovendien, wanneer de afbreekker wordt geopend, is de druktoename veroorzaakt door de boogverhitting extreem klein, waardoor betrouwbare werking wordt gewaarborgd en explosie-ongevallen worden voorkomen.

2. Ontwikkeling van hoogspannings-SF₆-afbreekkers
2.1 Dubbeledruk SF₆-afbreekkers

Er zijn twee SF₆-gassystemen (hoogdruk systeem en lagedruk systeem) binnen de afbreekker ingesteld. Alleen tijdens het openen stroomt de hoogdruk kamer naar de lagedruk kamer via de controle van de blazerklep om een hoogdruk gasstroom te vormen. Na het voltooien van de onderbreking wordt de blazerklep gesloten. Het principe van de booguitdovingskamer is dat een gaskompressor en leidingen tussen de hoogdruk kamer en de lagedruk kamer zijn aangesloten. Wanneer de gasdruk in de hoogdruk kamer afneemt of de gasdruk in de lagedruk kamer stijgt tot een bepaald maximum, start de gaskompressor om het SF₆-gas in de lagedruk kamer naar de hoogdruk kamer te pompen, waardoor een automatisch gesloten gascircuitsysteem wordt gevormd.

2.2 Eendruk SF₆-afbreekkers

De eendrukstructuur is eenvoudig en kan zich aanpassen aan een breed scala aan omgevingstemperaturen. De gascompressietype heeft ook een ontwikkelingsproces doorgemaakt: in termen van boogblazen, heeft de eerste generatie eendruktype een enkele blazestructuur, met een kleine onderbrekingsstroom (meestal 31.5kA) en een lage scheurvoltage (meestal 170kV). De tweede generatie eendruktype heeft een dubbele blazestructuur, met de onderbrekingsstroom verhoogd tot (40-50kA), en de scheurvoltage is nog steeds laag. Meestal hebben 252kV-producten dubbele scheuren. Het derde generatie eendruktype heeft een dubbele blazestructuur aangevuld met een thermische uitzettingswerking (hybride booguitdoving). De onderbrekingsstroom is groot, verhoogd tot 63kA, en de scheurvoltage is hoog. Een enkele scheur kan 252kV, 363kV, 420kV en zelfs 550kV bereiken.

De ontwikkeling van het eendruktype, gezien vanuit de booguitdovingskamer, heeft een kleinere gascompressieklep gebruikt. De voordelen van de vermindering van de klep in de booguitdovingskamer zijn als volgt:

• Het gewicht van het hele bewegingssysteem tijdens het onderbrekingsproces van het product is gereduceerd.

• De werkingkracht van het product is gereduceerd.

• Het dempen van het product wordt gemakkelijker, en de mechanische levensduur is lang.

2.3 Zelfenergie SF₆-afbreekkers

Zelfenergie SF₆-afbreekkers hebben twee booguitdovingsprincipes: het thermische uitzettingsprincipe en het boogrotatieprincipe. Momenteel maken de overgrote meerderheid van zelfenergieafbreekkers gebruik van het thermische uitzettingsprincipe. Het zelfenergieprincipe is om de boogenergie te gebruiken om het SF₆-gas in de uitzettingskamer te verhitten, druk op te bouwen, een gasstroom te vormen en de boog uit te doven. Bij het onderbreken van kleine stromen, echter, vanwege de kleine boogenergie, is een kleine klep vereist om het gas te comprimeren om een hulpblazende werking te creëren. Vanwege de aanzienlijke reductie in werkingkracht, kan een veerverwerkingsmechanisme met een eenvoudige structuur worden gebruikt. Het thermische uitzettingstype is nu ontwikkeld tot de tweede generatie. De eerste generatie producten bereiken het effect van verminderde werkingkracht door de nodige gascompressieenergie voor booguitdoving te verlagen. De diameter van de gascompressieklep is ontworpen volgens de onderbreking van 30% van de maximale foutstroom, en het bewegingsgewicht is ook klein, wat de werkingkracht verlaagt. De tweede generatie producten verbeteren de thermische uitzettingswerking en de onderbrekingsprestaties verder, niet alleen de onderbreking van capacitaire stroom, maar ook de werkingkracht verder verlagen.

2.4 Slimme SF₆-afbreekkers

Een ander kenmerk van moderne hoogspanningsafbreekkers is hun intelligentie, evoluerend van traditionele elektromechanische systemen naar moderne intelligente systemen met computers als centrum. Momenteel zijn de inhoud van online detectie van hoogspanningsafbreekkers als volgt:

• SF₆-gas;

• Werkingmechanismesysteem;

• Loslaten;

• Controle- en hulpstromen;

• Krachttransmissieketen.

Door deze detecties kunnen meer dan 90% van de fouten worden ontdekt. Online detectie kan de regelmatige onderhoudsactiviteiten van afbreekkers veranderen in real-time conditiegericht onderhoud.

3. Porceleinen paaltypen en tanktypen SF₆-afbreekkers en hun toepassingen

China introduceerde SF₆-afbreekkers voor het eerst in 1970 toen de Noordoostelijke Elektriciteitsadministratie drie H-912 type 220KV dubbeledruk porceleinen paal SF₆-afbreekkers, geproduceerd door Siemens, importeerde en installeerde in de HuShitai primaire substation in Shenyang. Ze functioneren nog steeds goed vandaag de dag.

Hoogspanningssulfurhexafluoride-afbreekkers worden verdeeld in porceleinen paaltypen en tanktypen volgens hun structuur. Bij vergelijking van de twee hebben ze elk hun eigen kenmerken:

• Zowel porceleinen paaltypen als tanktypen hoogspannings-SF₆-afbreekkers kunnen voldoen aan de eisen van hoge spanning en grote capaciteit. De booguitdovingskamer van het porceleinen paaltype is geïnstalleerd op de isolerende ondersteuning. Door de booguitdovingskamers in serie te verbinden en op een passende hoogte op de isolerende ondersteuning te installeren, kan elke nominale spanningwaarde worden verkregen. De isolerende ondersteuning is meestal een porceleinen paal, en organische composieten ondersteuningen zijn ook verschenen. De booguitdovingskamer van het tanktype is geïnstalleerd in een metalen tank die verbonden is met de grondpotentiaal. Onder hoge spanning moeten meerdere booguitdovingskamers in serie worden verbonden en in dezelfde tank worden geïnstalleerd voor elke fase.

• Installatie van stroomtransformatoren. In termen van de installatie van stroomtransformatoren, hebben porceleinen paalafbreekkers een nadeel. Omdat de booguitdovingskamer van het porceleinen paaltype binnen de isolator en boven op de isolerende ondersteuning is geïnstalleerd, moet de stroomtransformator apart worden geïnstalleerd op zijn eigen isolerende ondersteuning. Echter, de bushing-type stroomtransformator kan op de bushing van de tankafbreekker worden geïnstalleerd. In sommige toepassingsscenario's hoeft de afbreekker niet te worden uitgerust met een stroomtransformator, vooral wanneer hij wordt gebruikt als schakelaar voor de schakeling van condensatorbanken en parallelreactors. Hier is de prijs van het porceleinen paaltype slechts 60% van die van de tankafbreekker, en door het gebruik van meerdere scheuren kan het beter herhaalde inslag weerstaan.

• Externe spanningbestendigheid. Vanuit het perspectief van externe spanningbestendigheid, kunnen meerdere series booguitdovingskamers van de porceleinen paalafbreekker voldoen aan elke nominale spanningwaarde, maar de externe isolatiebestendigheid wordt beperkt door de lengte van de booguitdovingskamer zelf. Voor de tankafbreekker, zolang de nodige bestendigheid voor het verminderen van het aantal scheuren kan worden ontwikkeld, kan een isolerende bushing worden gemaakt. Daarom kan de tankafbreekker een enkele scheur van 550kV/63kA en een dubbele scheur van 1100kV/50kA bereiken.

• Verbruik van SF₆-gas. In termen van het verbruik van SF₆-gas, is het porceleinen paaltype superieur aan het tanktype. Het gasverbruik van de tankafbreekker is veel hoger dan dat van het porceleinen paaltype.

• Milieuadaptabiliteit. Vanuit het perspectief van milieuadaptabiliteit, toont de grote-volume tankafbreekker zijn voordelen. Een verwarming kan in de tankafbreekker worden geïnstalleerd, terwijl dit niet kan in het porceleinen paaltype.

• Aardbevastheid. Vanuit het perspectief van aardbevastheid, is de tankafbreekker verreweg beter dan het porceleinen paaltype. Omdat de porceleinen paalafbreekker een hoge zwaartepunt heeft, is zijn aardbevastheid slecht.

• Prijsvergelijking. In termen van prijs, voor dezelfde capaciteit, is de porceleinen paalafbreekker beter dan het tanktype. Over het algemeen is de prijs van de tankafbreekker ongeveer 20% hoger dan die van de porceleinen paalafbreekker met een externe stroomtransformator (zoals een SF₆-transformator).

4. Aandachtspunten tijdens de bedrijfsvoering en onderhoud van SF₆-afbreekkers

Om de gaslekkage streng te controleren en vocht en vochtigheid te voorkomen dat deze de doos binnendringt, zijn de verwerkings technologie en materiaaleisen veel hoger dan die van algemene hoogspanningsapparatuur. Tegelijkertijd is een speciaal SF₆-gassysteem vereist, inclusief een klep met goede dichtheid, lekdetectieapparatuur, een gasrecuperatieapparaat en drukbewaking. Bovendien, vanwege het grote metaalverbruik, neemt de productiecomplexiteit toe.

Puur SF₆-gas is kleurloos, geurloos, niet-giftig en niet-brandbaar. Echter, bij de synthese van sulfurhexafluoride worden ook lage fluoriden van zwavel geproduceerd, die giftig zijn. In de afbreekker zal het gas onder de hoge temperatuur van de boog door dissociatie en ionisatie worden gedecomposeerd, waardoor zeer giftige gassen worden geproduceerd. Daarom is er een absorbeerder in de afbreekker geïnstalleerd, waarin actief aluminium wordt geplaatst om deze giftige gassen op te nemen.

Ondanks dit moet bij het onderhoud speciale aandacht worden besteed aan het voorkomen van vergiftiging. Daarom moet het gas voor het werk proper worden weggezogen en geloosd. Als er nog steeds een onaangename geur wordt geroken, moeten een gasmasker en rubberen handschoenen worden gedragen. Bovendien bevatten de boogdecompositieproducten ook enkele metalen fluoride, die in poedervorm in de afbreekker zijn verspreid. Hoewel deze poeders geen zeer giftige stoffen zijn, moeten voorzorgsmaatregelen worden genomen om te voorkomen dat ze worden ingeademd tijdens het schoonmaken.

5. Conclusie

Met de continue toename van de spanning van het elektriciteitsnet, of het nu gaat om het porceleinen paaltype of het tanktype van SF₆-afbreekkers, evolueren ze voortdurend met technologische vooruitgang. Vooral in recente jaren, is het zelfenergie booguitdovingsprincipe ontwikkeld en toegepast, namelijk dat hoge druk wordt gebruikt om een gasblazende werking te vormen om de boog uit te doven. Het aantal scheuren wordt gereduceerd, en het materiaalverbruik wordt verlaagd.

Vanwege de relatief hoge prijs en hoge eisen voor de toepassing, beheer en bedrijfsvoering van SF₆-gas, wordt het niet wijdverspreid toegepast in middenspanning (35kV, 10kV). In het algemeen hebben hoogspannings SF₆-afbreekkers een brede toepassingsperspectief, en de technologische onderzoek, ontwikkeling en upgraden van producten zullen aanzienlijke economische en maatschappelijke voordelen opleveren.