Текущая ситуация и тенденции развития высоковольтных выключателей SF6

Высоковольтные выключатели, также известные как высоковольтные переключатели, обладают достаточной способностью к прерыванию и гашению дуги. Они не только могут отключать и включать холостые и нагрузочные токи высоковольтных цепей, но и при возникновении аварии в системе могут совместно с защитными и автоматическими устройствами быстро отключить аварийный ток, сокращая зону отключения электроэнергии и предотвращая расширение аварии. Это имеет большое значение для обеспечения безопасной работы энергетической системы.

Высоковольтные выключатели прошли эволюцию от масляных выключателей, сжатого воздуха, вакуумных выключателей до выключателей SF₆. Из них первые два типа постепенно вышли из употребления, а выключатели SF₆ применяются чаще, чем последние два. Выключатели SF₆ были широко внедрены в начале 1970-х годов. Они используют шестифтористый серы (SF₆) как средство гашения дуги. Этот тип выключателя имеет большую прерывную способность. В условиях свободного прерывания его прерывная способность примерно в 10 раз выше, чем у других выключателей. Он играет важную роль в стабильной и безопасной работе энергетической системы, а также имеет большое значение с точки зрения экономических и социальных выгод.

1. Характеристики выключателей SF₆

Выключатели SF₆ - это бесмасляное коммутационное оборудование, которое использует газ SF₆ в качестве изоляционного и дугогасящего средства. Их изоляционные характеристики и способности к гашению дуги значительно выше, чем у масляных выключателей. Выключатели на основе шестифтористой серы имеют следующие характеристики:

• Сильная способность к гашению дуги, высокая диэлектрическая прочность и высокое напряжение выдержки единичного разрыва. В результате, при одинаковом номинальном напряжении, требуется меньше последовательных разрывов, что повышает экономическую эффективность продукта.

• Длительный электрический срок службы. Может непрерывно прерывать полную мощность 50кА 19 раз, а суммарный прерываемый ток может достигать 4200кА. Цикл обслуживания длительный, и он подходит для частых операций.

• Хорошая прерывная способность. Благодаря электроотрицательности газа SF₆, он имеет сильную способность к поглощению свободных электронов. Дуга, образованная в SF₆, способствует формированию "структурной колонны дуги" (сердцевина и оболочка дуги). Распространение ионизированного плазмы ограничивается, что позволяет эффективному рекомбинации ионов. Прерываемый ток велик, достигает 80-100кА, а иногда и 200кА. Время гашения дуги короткое, обычно 5-15 мс. Одновременно, прерывная способность при обратном прерывании, близкорасположенных авариях, длинных не нагруженных линиях и безнагрузочных условиях трансформатора также хороша.

• Высокие изоляционные характеристики. Диэлектрическая прочность SF₆ примерно в 5-10 раз выше, чем у воздуха.

• Газ SF₆ бесцветен, без запаха, нетоксичен, негорюч и очень стабилен, не склонен к реакциям с другими веществами. Кроме того, при открытии выключателя давление, вызванное нагревом дуги, увеличивается крайне мало, что обеспечивает надежную работу и предотвращает взрывы.

2. Развитие высоковольтных выключателей SF₆
2.1 Двухдавленческие выключатели SF₆

Внутри выключателя установлены две системы газа SF₆ (высокодавленческая система и низкодавленческая система). Только во время процесса открытия, через управление клапаном продувки, газ из высокодавленческой камеры поступает в низкодавленческую камеру, формируя поток высокого давления. После завершения прерывания клапан продувки закрывается. Принцип работы дугогасящей камеры состоит в том, что между высокодавленческой и низкодавленческой камерами установлен компрессор газа и трубопроводы. Когда давление газа в высокодавленческой камере уменьшается или давление газа в низкодавленческой камере возрастает до определенного предела, компрессор начинает перекачивать газ SF₆ из низкодавленческой камеры в высокодавленческую, образуя автоматическую замкнутую газовую систему.

2.2 Однодавленческие выключатели SF₆

Однодавленческая конструкция проста и может адаптироваться к широкому диапазону температур окружающей среды. Тип сжатия газа также прошел процесс развития: с точки зрения продувки дуги, первый поколения однодавленческого типа имеет однопроходную структуру, с малым прерывным током (обычно 31,5 кА) и низким напряжением на разрыве (обычно 170 кВ). Второе поколение однодавленческого типа имеет двухпроходную структуру, с увеличенным прерывным током до (40-50 кА), а напряжение на разрыве все еще низкое. Обычно продукты 252 кВ имеют два разрыва. Третье поколение однодавленческого типа имеет двухпроходную структуру, дополненную тепловым расширением (гибридное гашение дуги). Прерывной ток большой, увеличен до 63 кА, а напряжение на разрыве высокое. Один разрыв может достигать 252 кВ, 363 кВ, 420 кВ и даже 550 кВ.

Развитие однодавленческого типа, с точки зрения дугогасящей камеры, предусматривало использование меньшего поршня сжатия газа. Преимущества, связанные с уменьшением поршня в дугогасящей камере, следующие:

• Масса всей движущейся системы во время процесса прерывания продукта уменьшается.

• Энергия управления продуктом снижается.

• Буферизация продукта становится легче, а механический ресурс долгий.

2.3 Самоэнергетические выключатели SF₆

Самоэнергетические выключатели SF₆ имеют два принципа гашения дуги: принцип теплового расширения и принцип вращения дуги. В настоящее время большинство самоэнергетических выключателей используют принцип теплового расширения. Принцип самоэнергии заключается в использовании энергии дуги для нагрева газа SF₆ в камере расширения, создания давления, формирования газового потока и гашения дуги. Однако при прерывании малых токов, из-за малой энергии дуги, необходим маленький поршень для сжатия газа, чтобы создать вспомогательную продувку. Благодаря значительному снижению энергии управления, можно использовать механизм привода с пружиной простой конструкции. Тепловое расширение теперь развилось до второго поколения. Первое поколение продуктов достигает эффекта снижения энергии управления путем уменьшения энергии, необходимой для сжатия газа для гашения дуги. Диаметр поршня сжатия газа спроектирован с учетом прерывания 30% максимального аварийного тока, а масса движения также мала, что снижает энергию управления. Второе поколение продуктов еще больше улучшает тепловое расширение и характеристики прерывания, не только улучшая прерывание емкостного тока, но и еще больше снижая энергию управления.

2.4 Интеллектуальные выключатели SF₆

Еще одной характеристикой современных высоковольтных выключателей является их интеллектуальность, переход от традиционных электромеханических систем к современным интеллектуальным системам, центрированным вокруг компьютеров. В настоящее время онлайн-диагностика высоковольтных выключателей включает следующее:

• Газ SF₆;

• Система механизма управления;

• Освобождение;

• Контрольные и вспомогательные цепи;

• Цепь передачи энергии.

С помощью этих диагностик можно обнаружить более 90% неисправностей. Онлайн-диагностика позволяет изменить регулярное техническое обслуживание выключателей на реальное обслуживание по состоянию.

3. Фарфоровые столбчатые и баковые выключатели SF₆ и их применение

Китай впервые применил выключатели SF₆ в 1970 году, когда Северо-Восточное управление электроэнергетики импортировало три выключателя H-912 типа 220 кВ с двойным давлением фарфоровых столбчатых выключателей SF₆, произведенные Siemens за рубежом, и установило их на первой подстанции HuShitai в Шэньяне. Они до сих пор работают хорошо.

Высоковольтные выключатели шестифтористой серы делятся на фарфоровые столбчатые и баковые по своей конструкции. При сравнении двух типов, каждый имеет свои особенности:

• Оба типа, фарфоровые столбчатые и баковые высоковольтные выключатели SF₆, могут удовлетворять требованиям высокого напряжения и большой мощности. Дугогасящая камера фарфорового столбчатого типа установлена на изолирующем опоре. Соединяя дугогасящие камеры в последовательность и устанавливая их на изолирующем опоре на соответствующей высоте, можно получить любое номинальное напряжение. Изолирующая опора обычно представляет собой фарфоровый столб, хотя также появились органические композитные опоры. Дугогасящая камера бакового типа установлена в металлическом баке, соединенном с заземленным потенциалом. При высоком напряжении необходимо соединять несколько дугогасящих камер в последовательность и устанавливать их в одном баке для каждой фазы.

• Установка трансформаторов тока. В отношении установки трансформаторов тока, выключатели фарфорового столбчатого типа находятся в невыгодном положении. Поскольку дугогасящая камера фарфорового столбчатого типа установлена внутри изолятора и на вершине изолирующего опоры, трансформатор тока должен быть установлен отдельно на своем собственном изолирующем опоре. Однако трансформатор тока в виде втулки может быть установлен на втулке бакового выключателя. В некоторых случаях применения выключатель не нуждается в трансформаторе тока, особенно когда используется как переключатель для переключения конденсаторных банков и параллельных реакторов. Здесь цена фарфорового столбчатого типа составляет всего 60% от цены бакового выключателя, и благодаря использованию нескольких разрывов он лучше справляется с повторными ударами.

• Внешняя способность к выдерживанию напряжения. С точки зрения внешней способности к выдерживанию напряжения, несколько последовательных дугогасящих камер фарфорового столбчатого выключателя могут удовлетворять любому номинальному значению напряжения, но его внешняя изоляционная способность ограничена длиной самой дугогасящей камеры. Для бакового выключателя, если можно разработать необходимую способность к выдерживанию напряжения для уменьшения числа разрывов, можно изготовить изолирующую втулку. Поэтому баковый выключатель может достичь одного разрыва 550 кВ/63 кА и двух разрывов 1100 кВ/50 кА.

• Потребление газа SF₆. В отношении потребления газа SF₆, фарфоровый столбчатый тип превосходит баковый. Потребление газа баковым выключателем значительно выше, чем у фарфорового столбчатого.

• Приспособляемость к окружающей среде. С точки зрения приспособляемости к окружающей среде, большие объемные баковые выключатели показывают свои преимущества. В баковом выключателе можно установить нагреватель, тогда как в фарфоровом столбчатом нельзя.

• Сейсмостойкость. С точки зрения сейсмостойкости, баковый выключатель значительно превосходит фарфоровый столбчатый. Поскольку фарфоровый столбчатый выключатель имеет высокий центр тяжести, его сейсмостойкость низкая.

• Сравнение цен. В отношении цены, для одинаковой мощности, фарфоровый столбчатый выключатель лучше, чем баковый. Обычно цена бакового выключателя на 20% выше, чем у фарфорового столбчатого выключателя с внешним трансформатором тока (например, SF₆ трансформатор).

4. Вопросы, которые следует учитывать при эксплуатации и обслуживании выключателей SF₆

Для строгого контроля утечки газа и предотвращения попадания влаги и сырости в корпус, технология обработки и требования к материалам гораздо выше, чем у обычных высоковольтных электроприборов. Одновременно требуется специальная система газа SF₆, включающая клапан с хорошей герметичностью, оборудование для обнаружения утечек, устройство для сбора газа и мониторинг давления. Кроме того, из-за большого потребления металла, сложность производства увеличивается.

Чистый газ SF₆ бесцветен, без запаха, нетоксичен и негорюч. Однако при синтезе шестифтористой серы также образуются низкофторированные соединения серы, которые токсичны. В выключателе газ будет разлагаться под воздействием высокой температуры дуги, образуя высоко токсичные газы. Поэтому в выключателе установлен абсорбер, в который помещен активированный алюминий для поглощения этих токсичных газов.

Несмотря на это, при обслуживании следует уделять особое внимание предотвращению отравления. Поэтому перед началом работы газ должен быть полностью откачан и удален. Если после этого все равно ощущается неприятный запах, следует надеть противогаз и резиновые перчатки. Кроме того, продукты разложения дуги также содержат некоторые металлические фториды, которые рассеиваются в выключателе в виде порошка. Хотя эти порошки не являются сильно токсичными веществами, следует принять меры предосторожности, чтобы предотвратить их вдыхание при очистке.

5. Заключение

С постоянным увеличением напряжения энергетической системы, будь то фарфоровые столбчатые или баковые выключатели SF₆, они постоянно развиваются с прогрессом технологии. В частности, в последние годы был разработан и применен принцип самоэнергетического гашения дуги, то есть используется высокое давление для формирования газового потока, чтобы погасить дугу. Количество разрывов уменьшено, а расход материалов снижен.

Из-за относительно высокой стоимости и высоких требований к применению, управлению и эксплуатации газа SF₆, он не широко применяется в среднем напряжении (35 кВ, 10 кВ). В целом, высоковольтные выключатели SF₆ имеют широкие перспективы применения, и научно-технические исследования, разработка и модернизация продуктов принесут значительные экономические и социальные выгоды.