Trenutno stanje in razvojna trenda visokonapetostnih preklopnikov SF6

Visokonapetostni preklopniki, tudi visokonapetostni preklopi, imajo zadostno zmogljivost za prekinjanje in ugasanje loka. Ne le da lahko prekinejo in zapuste prazno in obteženo tokovno vodilo visokonapetostnih vezij, ampak tudi, ko se v sistemu zgodi napaka, sodelujejo z varnostnimi napravami in avtomatskimi napravami, da hitro prekinejo napako toka, zmanjšajo obseg odrezovanja struje in preprečijo širjenje nesreče. To je zelo pomembno za zagotavljanje varne delovanje električnega sistema.

Visokonapetostni preklopniki so se razvijali skozi naftne preklopne naprave, stisnega zraka preklopnike, vakuumne preklopnike in SF₆ preklopnike. Med njimi sta prva dva tipa postopoma izginila, SF₆ preklopniki pa so bolj pogosto uporabljeni kot zadnja dva. SF₆ preklopniki so bili široko sprejeti v začetku 1970-ih. Uporabljajo šestfluorid svibine kot medij za ugasanje loka. Ta vrsta preklopnika ima veliko zmogljivost za prekinjanje. V prostih pogoji prekinjanja je njegova zmogljivost za prekinjanje približno 10-krat večja kot pri drugih preklopnikih. Igrajo ključno vlogo pri stabilnem in varnem delovanju električnega sistema in so tudi zelo pomembni v gospodarskem in družbenem smislu.

1. Zmožnosti SF₆ Preklopnikov

SF₆ preklopniki so breznaftni preklapljalni aparat, ki uporablja SF₆ plin kot izolacijski in ugasevalni medij. Njihove izolacijske zmožnosti in lastnosti za ugasanje loka so znatno višje od naftnih preklopnikov. Šestfluorid svibine preklopniki imajo naslednje značilnosti:

• Močna zmogljivost za ugasanje loka, visoka dielektrična trdota in visoka vrednost prelomne napetosti enote. Torej, pri isti ravni predpisane napetosti, je potrebno manj serij prelomnih portov, kar izboljša ekonomsko zmogljivost izdelka.

• Dolg električni življenjski čas. Lahko neprekinjeno prekine celotno zmogljivost 50 kA 19-krat, skupni prekinjeni tok lahko doseže 4200 kA. Obdobje vzdrževanja je dolgo in je primeren za pogosto delovanje.

• Dobra zmogljivost za prekinjanje. Zaradi elektronegativnosti SF₆ plina ima močno zmogljivost za adsorpcijo prostih elektronov. Lok, ki se oblikuje v SF₆, omogoča oblikovanje "strukture lokovega stolpa" (lokovega jedra in lokovega plasta). Rast ioniziranega plazma je omejena, omogoča učinkovito rekompleksijo ionov. Tok prekinjenja je velik, doseže 80-100 kA, celo 200 kA. Čas ugasanja loka je kratki, običajno 5-15 ms. Hkrati je dobra zmogljivost za prekinjanje obrnjene faze, blizu okoliških napak, praznih dolgih črt in transformatorjev brez optage.

• Visoke izolacijske zmožnosti. Izolacijska trdota SF₆ je približno 5-10-krat višja od zraka.

• SF₆ plin je brezbarven, brezvon, netoksičen, nevaren in zelo stabilen plin, ki se težko reagira z drugimi snovmi. Poleg tega, ko je preklopnik odprt, je pritisk, povzročen segrevanjem loka, zelo majhen, kar zagotavlja zanesljivo delovanje in preprečuje eksplozije.

2. Razvoj Visokonapetostnih SF₆ Preklopnikov
2.1 Dvo-napetostni SF₆ Preklopniki

V preklopniku je nastavljenih dva SF₆ plinska sistema (visokonapetostni sistem in nizkonapetostni sistem). Le med postopkom odpiranja visokonapetostna komora pretoka v nizkonapetostno komoro preko nadzorne ventile, da se ustvari visokonapetostni plinski tok. Po zaključku prekinjanja se ventili zaprejo. Načelo ugasevalne komore je, da je med visokonapetostno in nizkonapetostno komoro povezan plinski stisnilnik in cevi. Ko pritisk v visokonapetostni komori pada ali pritisk v nizkonapetostni komori raste do določenega mejnega vrednosti, se plinski stisnilnik začne stisniti SF₆ plin iz nizkonapetostne komore v visokonapetostno komoro, formirajo samodejni zaprti plinski sistem.

2.2 Enonapetostni SF₆ Preklopniki

Enonapetostna struktura je preprosta in se lahko prilagaja širokemu obsegu temperatur okolja. Stisnitev plina je prešla tudi proces razvoja: glede na dmih loka, prva generacija enonapetostnega tipa ima eno-dmih strukturo, z majhnim prekinjenim tokom (običajno 31,5 kA) in nizko prelomno napetost (običajno 170 kV). Druga generacija enonapetostnega tipa ima dvodmih strukturo, prekinjeni tok se poveča na (40-50 kA), prelomna napetost pa ostane nizka. Običajno 252 kV proizvodi imajo dva preloma. Tretja generacija enonapetostnega tipa ima dvodmih strukturo, dopolnjeno s termalnim razširjenjem (hibridno ugasevanje loka). Prekinjeni tok je velik, povečan na 63 kA, prelomna napetost pa je visoka. En prelom lahko doseže 252 kV, 363 kV, 420 kV, celo 550 kV.

Razvoj enonapetostnega tipa, glede na ugasevalno komoro, je uporabil manjši plinski stisnilni piston. Prednosti, ki jih prinaša zmanjšanje pistona v ugasevalni komori, so naslednje:

• Masa celotnega premikalnega sistema med postopkom prekinjanja izdelka je zmanjšana.

• Delovna moč izdelka je zmanjšana.

• Amortizacija izdelka postane lažja, mehanski življenjski čas je dolg.

2.3 Samozarobni SF₆ Preklopniki

Samozarobni SF₆ preklopniki imata dva principa za ugasanje loka: termalno razširjenje in rotacijo loka. Trenutno večina samozarobnih preklopnikov uporablja princip termalnega razširjenja. Princip samozarobe je uporaba energije loka za segrevanje SF₆ plina v razširilni komori, gradnja pritiska, oblikovanje plinskega toka in ugasanje loka. Vendar, pri prekinjanju majhnih tokov, zaradi male energije loka, je potreben majhen piston za stisniti plin in oblikovati pomočni dmih. Zaradi značajne zmanjšave delovne moči se lahko uporabi presnovski delovalni mehanizem s preprosto strukturo. Termalno razširjena vrsta se je razvila do druge generacije. Prva generacija izdelkov doseže učinek zmanjševanja delovne moči z zmanjševanjem energije, ki je potrebna za stisnjenje plina za ugasanje loka. Premer stisnilnega pistona je osnovan na prekinjanju 30% največjega napakega toka, masa gibanja pa je tudi mala, kar zmanjša delovno moč. Druga generacija izdelkov še naprej izboljša termalni učinek in zmogljivost za prekinjanje, ne le izboljša zmogljivost za prekinjanje kapacitivnega toka, ampak tudi dodatno zmanjša delovno moč.

2.4 Pametni SF₆ Preklopniki

Druga značilnost sodobnih visokonapetostnih preklopnikov je inteligentnost, ki se je razvila iz tradicionalnih elektromehanskih sistemov v sodobne inteligentne sisteme, ki so osredotočeni na računalnike. Trenutno so online meritve visokonapetostnih preklopnikov naslednje:

• SF6 plin;

• Sistem delovalnih mehanizmov;

• Odpust;

• Kontrolne in pomočne vezije;

• Prenosni verig.

Skozi te meritve je mogoče odkriti več kot 90 % napak. Online meritve lahko spremenijo redno vzdrževanje preklopnikov v realno stanje merjenja.

3. Porcelanski Steber Tip in Tank Tip SF₆ Preklopniki ter Njihova Uporaba

Kitajska je prvič uporabila SF₆ preklopnike leta 1970, ko je Severovzhodna uprava električne energije uvozila tri H-912 tip 220 kV dvo-napetostne porcelanske steber tip SF₆ preklopnike, proizvedene od Siemens, in jih namestila v glavni podstanici HuShitai v Šenjang. Do danes delujejo dobro.

Visokonapetostni šestfluorid svibine preklopniki so razdeljeni na porcelanski steber tip in tank tip glede na njihovo strukturo. Pri primerjavi obeh, imata vsaki svoje značilnosti:

• Oba, porcelanski steber tip in tank tip visokonapetostnih SF₆ preklopnikov, lahko izpolnita zahteve za visoko napetost in veliko zmogljivost. Ugasevalna komora porcelanske steber tipa je nameščena na izolacijski nosilec. S serijskim povezovanjem ugasevalnih komor in namestitvijo na izolacijskem nosilcu na ustrezno višini, se lahko dobi katero koli predpisano vrednost napetosti. Izolacijski nosilec je večinoma porcelanski steber, pojavili so se tudi organski kompozitni nosilci. Ugasevalna komora tank tipa je nameščena v metalni rezervoari, povezan z talnim potencialom. Pod visokonapetostjo mora biti več ugasevalnih komor povezanih v serijo in nameščenih v isti rezervoar za vsako fazo.

• Namestitev tokometrov. Glede na namestitev tokometrov, so porcelanski steber tip preklopniki v slabšem položaju. Ker je ugasevalna komora porcelanske steber tipa nameščena znotraj izolatorja in na vrhu izolacijskega nosilca, mora biti tokometer posebej nameščen na svojem izolacijskem nosilcu. Vendar pa se lahko guščev tip tokometra namesti na guščev tip tank tip preklopnika. V nekaterih uporabnih scenarijih preklopnik ne potrebuje tokometra, posebno, kadar se uporablja kot preklopnik za preklapljanje kondenzatorskih bank in shunt reaktorjev. Tukaj je cena porcelanske steber tipa le 60% cene tank tipa preklopnika, in zaradi uporabe več prelomov, lahko bolje prenaša ponovne udare.

• Zunanja zmogljivost za prenašanje napetosti. Glede na zunanjo zmogljivost za prenašanje napetosti, več serij ugasevalnih komor porcelanske steber tipa preklopnika lahko izpolnijo katero koli predpisano vrednost napetosti, vendar je njegova zunanja izolacijska zmogljivost omejena z dolžino same ugasevalne komore. Za tank tip preklopnika, če se razvije potrebna zmogljivost za zmanjšanje števila prelomov, se lahko izdelajo izolacijski guščev tip. Zato lahko tank tip preklopnik doseže en prelom 550 kV/63 kA in dva preloma 1100 kV/50 kA.

• Poraba SF₆ plina. Glede na porabo SF₆ plina, je porcelanski steber tip boljši od tank tipa. Poraba plina tank tipa preklopnika je veliko večja od porcelanske steber tipa.

• Prilagodljivost okolju. Glede na prilagodljivost okolju, pokazuje prednosti tank tipa preklopnika z velikim rezervoarijem. V tank tipu preklopnika se lahko namesti grelec, v porcelanskem steber tipu pa se ne more.

• Trupnost. Glede na trupnost, je tank tip preklopnika daleč boljši od porcelanske steber tipa. Ker ima porcelanski steber tip preklopnika visok center teže, je njegova trupnost slaba.

• Cenovno primerjava. Glede na ceno, je za isto zmogljivost porcelanski steber tip preklopnika boljši od tank tipa. Običajno je cena tank tipa preklopnika približno 20% višja od porcelanske steber tipa preklopnika s zunanjo tokometrijo (kot SF₆ tokometer).

4. Vprašanja, ki Jih Je Treba Upoštevati Med Delovanjem In Vzdrževanjem SF₆ Preklopnikov

Za strogi nadzor iztekanja plina in preprečevanje vlage in vlagnosti, da bi vstopile v okvir, so zahtevi za obrabo in materiali mnogo višji od tistih običajnih visokonapetostnih električnih naprav. Hkrati je potreben poseben SF₆ plinski sistem, vključno z ventilom z dobri zategljivostjo, opremo za iskanje iztekanja, napravo za vračanje plina in opremo za spremljanje pritiska. Poleg tega, zaradi velike porabe kovin, se poveča kompleksnost izdelave.

Čisti SF₆ plin je brezbarven, brezvon, netoksičen in nevaren. Vendar pa se pri sintezi šestfluorida svibine tudi proizvedejo nizefluorni spoji svibine, ki so toksični. V preklopniku bo plin pri visoki temperaturi loka razpadel skozi disociacijo in jonizacijo, s tem se ustvarijo visoko toksični plini. Zato je v preklopniku nameščen absorbent, v katerega se postavi aktivirani aluminij za absorpcijo teh toksičnih plinov.

Tudi tako, je treba posebno pozornost posvetiti preprečevanju otrovljenja med vzdrževanjem. Zato je pred delom potrebno čisto izpuščanje in izplavljanje plina. Če se še vedno čuti neprijeten vonj, je treba nositi masko in gumaste rokavice. Poleg tega, dekompozicioni produkti loka vsebujejo tudi nekatere metalične fluore, ki so razpršeni v preklopniku v prahu. Čeprav ta prah ni visoko toksična snov, je treba še vedno paziti, da se ga ne vdihne med čiščenje.

5. Zaključek

S kontinuiranim naraščanjem napetosti v električnem sistemu, ali gre za porcelanski steber tip ali tank tip SF₆ preklopnikov, se stalno razvijajo s tehnološkim napredkom. Zlasti v zadnjih letih, je bil razvit in uporabljen princip samozarobnega ugasevanja loka, to je, visok pritisk, ki se uporablja za oblikovanje plinskega dmihu za ugasanje loka. Število prelomov se zmanjša, poraba materialov pa se zmanjša.

Zaradi relativno visoke cene in visokih zahtev za uporabo, upravljanje in delovanje SF₆ plina, ni široko uporabljen v srednji napetosti (35 kV, 10 kV). Splošno gledano, visokonapetostni SF₆ preklopniki imajo širok spekter uporabe, razvoj, raziskave in nadgradnje izdelkov bodo prinesle značilne gospodarske in družbene koristi.