Aktualna sytuacja i trend rozwoju wysokonapięciowych wyłączników SF6

Wysokie-napięciowe wyłaczniki obwodowe, znane również jako wysokie-napięciowe przełączniki, mają wystarczające możliwości przerwania i gaszenia łuku. Mogą nie tylko przerywać i zamykać prąd bezobciążeniowy i obciążeniowy w obwodach wysokiego napięcia, ale także, w przypadku awarii w systemie, współpracować z urządzeniami ochronnymi i automatycznymi, aby szybko przerwać prąd uszkodzeniowy, zmniejszając zakres awarii i zapobiegając rozszerzeniu się wypadku. Jest to bardzo istotne dla zapewnienia bezpiecznej pracy systemu elektroenergetycznego.

Wysokie-napięciowe wyłaczniki obwodowe ewoluowały przez olejowe wyłaczniki obwodowe, sprężone powietrze, próżniowe wyłaczniki obwodowe i wyłaczniki SF₆. Spośród nich, pierwsze dwa typy stopniowo zostały wycofane, a wyłaczniki SF₆ są bardziej powszechnie stosowane niż dwa ostatnie. Wyłaczniki SF₆ były szeroko stosowane na początku lat 70. XX wieku. Używają one sześciokrotnego fluoru siarkowego jako środka do gaszenia łuku. Ten typ wyłacznika ma dużą zdolność przerwania. W warunkach swobodnego przerwania jego zdolność przerwania jest około 10 razy wyższa niż innych wyłaczników. Odgrywa kluczową rolę w stabilnej i bezpiecznej pracy systemu elektroenergetycznym i ma również duże znaczenie pod względem ekonomicznym i społecznym.

1. Właściwości wyłaczników SF₆

Wyłaczniki SF₆ to urządzenia przełącznikowe bez oleju, które używają gazu SF₆ zarówno jako izolatora, jak i środka do gaszenia łuku. Ich właściwości izolacyjne i charakterystyki gaszenia łuku są znacznie wyższe niż olejowych wyłaczników. Wyłaczniki sześciokrotnego fluoru siarkowego mają następujące cechy:

• Mocna zdolność gaszenia łuku, wysoka siła dielektryczna i wysoka wartość wytrzymałości na napięcie pojedynczego rozerwania. W rezultacie, przy tym samym poziomie znamionowego napięcia, wymagana liczba szeregowych rozerwań jest mniejsza, co poprawia ekonomiczne parametry produktu.

• Długa elektryczna żywotność. Może ciągle przerwać pełną moc 50kA 19 razy, a kumulatywny prąd przerwania może osiągnąć 4200kA. Okres konserwacji jest długi, a urządzenie jest odpowiednie do częstych operacji.

• Dobra zdolność przerwania. Dzięki elektronegatywności gazu SF₆, ma silną zdolność do adsorpcji wolnych elektronów. Łuk utworzony w SF₆ sprzyja tworzeniu struktury "słupa łuku" (jądro łuku i obudowa łuku). Rozprzestrzenianie jonizowanego plazmy jest ograniczone, umożliwiając efektywne rekonstrukcje jonów. Prąd przerwania jest duży, dochodzi do 80-100kA, a nawet 200kA. Czas gaszenia łuku jest krótki, zwykle 5-15ms. Jednocześnie, zdolność przerwania dla odwrotnej fazy, bliskich obszarów uszkodzeń, nieużywanych długich linii i warunków bez obciążenia transformatora jest również dobra.

• Wysoka izolacyjna wydajność. Siła izolacyjna SF₆ jest około 5-10 razy większa niż powietrza.

• Gaz SF₆ jest bezbarwny, bezwonny, nietoksyczny, niepalny i bardzo stabilny, który trudno reaguje z innymi substancjami. Ponadto, gdy wyłacznik jest otwarty, wzrost ciśnienia spowodowany ogrzewaniem łuku jest bardzo mały, zapewniając niezawodną pracę i zapobiegając wypadkom eksplozji.

2. Rozwój wysokonapięciowych wyłaczników SF₆
2.1 Dwucisnieniowe wyłaczniki SF₆

Wewnątrz wyłacznika ustawione są dwa systemy gazu SF₆ (system o wysokim ciśnieniu i system o niskim ciśnieniu). Tylko podczas procesu otwierania, komora o wysokim ciśnieniu przepływa do komory o niskim ciśnieniu za pomocą sterowania zaworem dmuchawym, tworząc strumień gazu o wysokim ciśnieniu. Po zakończeniu przerwania, zawór dmuchawowy jest zamknięty. Zasada komory gaszenia łuku polega na tym, że kompresor gazu i rury są połączone między komorą o wysokim ciśnieniu a komorą o niskim ciśnieniu. Gdy ciśnienie gazu w komorze o wysokim ciśnieniu maleje lub ciśnienie gazu w komorze o niskim ciśnieniu wzrasta do pewnego limitu, kompresor gazu rozpoczyna pompowanie gazu SF₆ z komory o niskim ciśnieniu do komory o wysokim ciśnieniu, tworząc automatyczny zamknięty układ gazowy.

2.2 Jednocisnieniowe wyłaczniki SF₆

Jednocisnieniowa struktura jest prosta i może przystosować się do szerokiego zakresu temperatur otoczenia. Typ kompresji gazu również przeszedł proces rozwoju: pod względem dmuchania łuku, pierwszy generacyjny typ jednocisnieniowy ma strukturę jednodmuchową, z małym prądem przerwania (zwykle 31,5kA) i niskim napięciem rozerwania (zwykle 170kV). Drugi generacyjny typ jednocisnieniowy ma strukturę dwudmuchową, z prądem przerwania zwiększonym do (40-50kA), a napięcie rozerwania nadal jest niskie. Ogólnie, produkty 252kV mają dwa rozerwania. Trzeci generacyjny typ jednocisnieniowy ma strukturę dwudmuchową uzupełnioną efektem termicznego rozszerzania (hybrydowe gaszenie łuku). Prąd przerwania jest duży, zwiększony do 63kA, a napięcie rozerwania jest wysokie. Jedno rozerwanie może osiągnąć 252kV, 363kV, 420kV, a nawet 550kV.

Rozwój typu jednocisnieniowego, z perspektywy komory gaszenia łuku, przyjął mniejszy tłok kompresji gazu. Zalety wynikające z redukcji tłoka w komorze gaszenia łuku są następujące:

• Zmniejsza się masa całego systemu ruchomego podczas procesu przerwania produktu.

• Zmniejsza się mocy działania produktu.

• Buforowanie produktu staje się łatwiejsze, a życie mechaniczne jest długie.

2.3 Samoenergetyczne wyłaczniki SF₆

Samoenergetyczne wyłaczniki SF₆ mają dwa zasady gaszenia łuku: zasada termicznego rozszerzania i zasada rotacji łuku. Obecnie, większość samoenergetycznych wyłaczników korzysta z zasady termicznego rozszerzania. Zasada samoenergetyczna polega na wykorzystaniu energii łuku do nagrzewania gazu SF₆ w komorze rozszerzającej, budując ciśnienie, tworząc strumień gazu i gasząc łuk. Jednak, podczas przerwania małych prądów, ze względu na małą energię łuku, wymagany jest mały tłok do skompresowania gazu, tworząc pomocnicze dmuchanie. Ze względu na znaczne zmniejszenie mocy działania, można użyć mechanizmu działania sprężynowego o prostszej strukturze. Typ termicznego rozszerzania obecnie rozwija się do drugiej generacji. Produkty pierwszej generacji osiągają efekt zmniejszenia mocy działania poprzez zmniejszenie energii kompresji gazu potrzebnej do gaszenia łuku. Średnica tłoka kompresji gazu jest zaprojektowana według przerwania 30% maksymalnego prądu uszkodzeniowego, a masa ruchoma jest również mała, co zmniejsza moc działania. Produkty drugiej generacji dalej poprawiają efekt termicznego rozszerzania i zdolność przerwania, nie tylko poprawiając przerwanie prądu pojemnościowego, ale też dalej zmniejszając moc działania.

2.4 Inteligentne wyłaczniki SF₆

Inną cechą nowoczesnych wysokonapięciowych wyłaczników jest ich inteligencja, ewoluująca z tradycyjnych systemów elektromechanicznych w nowoczesne inteligentne systemy oparte na komputerach. Obecnie, zawartość online detekcji wysokonapięciowych wyłaczników obejmuje:

• Gaz SF6;

• System mechanizmu działania;

• Uwolnienie;

• Obwody sterujące i pomocnicze;

• Łańcuch przesyłania mocy.

Przez te pomiary, więcej niż 90% usterek można wykryć. Detekcja online może zmienić regularne konserwacje wyłaczników na konserwację w czasie rzeczywistym, opartą na stanie.

3. Wyłaczniki SF₆ typu porcelanowej słupki i typu zbiornikowego oraz ich zastosowania

Chiny po raz pierwszy zastosowały wyłaczniki SF₆ w 1970 roku, gdy Zarząd Elektryczny Północno-Wschodniej Chin zaimportował trzy wyłaczniki SF₆ typu H-912 220kV o podwójnym ciśnieniu, produkowane przez Siemens, i zainstalował je w głównym podstacji HuShitai w Szanghaju. Nadal działają dobrze dzisiaj.

Wysokonapięciowe wyłaczniki sześciokrotnego fluoru siarkowego dzielą się na typ porcelanowej słupki i typ zbiornikowy według swojej struktury. Porównując oba, każdy ma swoje własne cechy:

• Oba, typ porcelanowej słupki i typ zbiornikowy wysokonapięciowych wyłaczników SF₆, mogą spełnić wymagania wysokiego napięcia i dużej pojemności. Komora gaszenia łuku typu porcelanowej słupki jest zamontowana na nośniku izolacyjnym. Poprzez połączenie komór gaszenia łuku w szeregu i montaż na nośniku izolacyjnym na odpowiedniej wysokości, można uzyskać dowolną wartość znamionowego napięcia. Nośnik izolacyjny jest najczęściej porcelanową słupką, a pojawiły się również nośniki organiczne kompozytowe. Komora gaszenia łuku typu zbiornikowego jest zamontowana w metalowym zbiorniku połączonym z potencjałem ziemi. Pod wysokim napięciem, kilka komór gaszenia łuku musi być połączonych w szeregu i zamontowanych w tym samym zbiorniku dla każdej fazy.

• Montaż transformatorów prądowych. W kwestii montażu transformatorów prądowych, wyłaczniki typu porcelanowej słupki są w niekorzystnej sytuacji. Ponieważ komora gaszenia łuku typu porcelanowej słupki jest zamontowana wewnątrz izolatora i na szczycie nośnika izolacyjnego, transformator prądowy musi być osobno zamontowany na własnym nośniku izolacyjnym. Jednak transformator prądowy typu bushing może być zamontowany na bushingu wyłacznika typu zbiornikowego. W niektórych scenariuszach zastosowania, wyłacznik nie musi być wyposażony w transformator prądowy, szczególnie gdy jest używany jako przełącznik do przełączania banków kondensatorów i reaktorów szeregowych. Tutaj, cena typu porcelanowej słupki wynosi tylko 60% ceny wyłacznika typu zbiornikowego, a dzięki użyciu wielu rozerwań, lepiej radzi sobie z ponownym uderzeniem.

• Zdolność wytrzymywania zewnętrznego napięcia. Z perspektywy wytrzymałości na zewnętrzne napięcie, wiele szeregowych komór gaszenia łuku wyłacznika typu porcelanowej słupki może spełnić dowolną wartość znamionowego napięcia, ale jego zdolność izolacji zewnętrznej jest ograniczona długością samej komory gaszenia łuku. Dla wyłacznika typu zbiornikowego, jeśli można opracować niezbędne zdolności wytrzymywania, aby zmniejszyć liczbę rozerwań, można wyprodukować izolujący bushing. Stąd, wyłacznik typu zbiornikowy może osiągnąć pojedyncze rozerwanie 550kV/63kA i podwójne rozerwanie 1100kV/50kA.

• Zużycie gazu SF₆. W kwestii zużycia gazu SP6, typ porcelanowej słupki jest lepszy niż typ zbiornikowy. Zużycie gazu wyłacznika typu zbiornikowego jest znacznie większe niż typu porcelanowej słupki.

• Przystosowanie do środowiska. Z perspektywy przystosowania do środowiska, duże objętościowe wyłaczniki typu zbiornikowego pokazują swoje zalety. Można zainstalować ogrzewacz w wyłaczniku typu zbiornikowego, podczas gdy nie można go zainstalować w typie porcelanowej słupki.

• Odporność na trzęsienia ziemi. Z perspektywy odporności na trzęsienia ziemi, wyłacznik typu zbiornikowy jest znacznie lepszy niż typ porcelanowej słupki. Ponieważ wyłacznik typu porcelanowej słupki ma wysoki środek ciężkości, jego odporność na trzęsienia ziemi jest słaba.

• Porównanie cen. W kwestii ceny, dla tej samej pojemności, wyłacznik typu porcelanowej słupki jest lepszy niż typ zbiornikowy. Zwykle, cena wyłacznika typu zbiornikowego jest około 20% wyższa niż cena wyłacznika typu porcelanowej słupki z zewnętrznym transformatorem prądowym (takim jak transformator SF₆).

4. Sprawy, na które należy zwrócić uwagę podczas eksploatacji i konserwacji wyłaczników SF₆

Aby ścisłe kontrolować przecieki gazu i zapobiegać nawilżeniu i wilgotności, technologia obróbki i wymagania materiałowe są znacznie wyższe niż w przypadku zwykłych urządzeń wysokiego napięcia. W tym samym czasie, wymagany jest specjalny system gazu SF₆, w tym zawór o dobrych właściwościach szczelności, sprzęt do wykrywania przecieków, urządzenie do odzyskiwania gazu i monitorowanie ciśnienia. Ponadto, ze względu na duże zużycie metali, zwiększa się złożoność produkcji.

Czysty gaz SF₆ jest bezbarwny, bezwonny, nietoksyczny i niepalny. Jednak, w procesie syntezy sześciokrotnego fluoru siarkowego, powstają również niskofluorowe związki siarki, które są toksyczne. W wyłaczniku, gaz zostanie rozłożony pod wysoką temperaturą łuku poprzez dysocjację i jonizację, tworząc highly toksyczne gazy. Dlatego w wyłaczniku jest zainstalowany adsorber, a w nim umieszczony jest aktywowany aluminium, aby wchłaniać te toksyczne gazy.

Mimo to, należy zwracać szczególną uwagę na zapobieganie zatruciu podczas konserwacji. Dlatego przed rozpoczęciem pracy gaz musi być starannie wyeksportowany i wydobyty. Jeśli wciąż czuć się będzie nieprzyjemny zapach, należy nosić maskę gazową i rękawice gumowe. Ponadto, produkty rozkładu łuku zawierają również niektóre fluorki metali, które są rozproszone w wyłaczniku w formie proszku. Chociaż te proszki nie są highly toksycznymi substancjami, należy wziąć pod uwagę, aby zapobiec ich wdychaniu podczas czyszczenia.

5. Podsumowanie

Z ciągłym wzrostem napięcia systemu elektroenergetycznego, zarówno typ porcelanowej słupki, jak i typ zbiornikowy wyłaczników SF₆, stale ewoluują z postępem technologicznym. W szczególności, w ostatnich latach, zasada gaszenia łuku samoenergetycznego została opracowana i zastosowana, czyli wysokie ciśnienie jest używane do formowania strumienia gazu do gaszenia łuku. Liczba rozerwań jest zmniejszona, a zużycie materiałów jest zmniejszone.

Ze względu na stosunkowo wysoką cenę i wysokie wymagania dotyczące zastosowania, zarządzania i eksploatacji gazu SF₆, nie jest on powszechnie stosowany w napięciu średnim (35kV, 10kV). Ogólnie, wysokonapięciowe wyłaczniki SF₆ mają szerokie perspektywy zastosowania, a badania, rozwój i modernizacja produktów przyniosą znaczne korzyści ekonomiczne i społeczne.