Trenutna situacija i trendovi razvoja visokonaponskih prekidača sa SF6 gasom

Visokonaponski prekidači, takođe poznati kao visokonaponski prekidači, poseduju dovoljnu sposobnost prekidanja i gasenja luke. Oni ne samo da mogu prekinuti i zatvoriti prazan tok i tok opterećenja visokonaponskih krugova, već kada se u sistemu desi greška, mogu saraditi sa zaštitnim uređajima i automatskim uređajima kako bi brzo prekinuli grešku tok, smanjivši područje isključivanja struje i sprečili proširenje nesreće. Ovo je od velike važnosti za osiguranje bezbednog rada sistema snabdevanja električnom energijom.

Visokonaponski prekidači su se razvijali kroz naftne prekidače, kompresovane vazdušne prekidače, vakuum prekidače i SF₆ prekidače. Među njima, prve dve vrste su postepeno izbacene, a SF₆ prekidači su šire primenjeni u poređenju sa poslednjih dve. SF₆ prekidači su bili široko prihvaćeni u ranim 1970-ima. Koriste šestični fluorid siroviha kao medij za gasenje luke. Ovaj tip prekidača ima veliku sposobnost prekidanja. Pod slobodnim uslovima prekidanja, njegova sposobnost prekidanja je približno 10 puta veća nego kod drugih prekidača. Igraju ključnu ulogu u stabilnom i bezbednom radu sistema snabdevanja električnom energijom, a imaju i veliku ekonomsku i društvenu važnost.

1. Performanse SF₆ prekidača

SF₆ prekidači su beznaftni prekidači koji koriste SF₆ gas kao izolacioni i lukogasni medij. Njihove izolacione performanse i karakteristike gasenja luke su značajno veće nego kod naftnih prekidača. Šestični fluorid siroviha prekidači imaju sledeće karakteristike:

• Jaka sposobnost gasenja luke, visoka dielektrična čvrstoća i visoka vrednost otpornosti na napona pojedinačnog prekida. Kao rezultat, pod istim nivoom nominalnog napona, broj serija prekida potrebnih je smanjen, unapređujući ekonomsku efikasnost proizvoda.

• Dugačak električni život. Može kontinuirano prekinuti na punoj kapacitetu od 50kA 19 puta, a akumulativni prekidni tok može dostići 4200kA. Ciklus održavanja je dug, a pogodan je za često korišćenje.

• Dobra performansa prekidanja. Zbog elektronegativnosti SF₆ gasa, ima jaku sposobnost apsorpcije slobodnih elektrona. Luka formirana u SF₆ je povoljna za formiranje "strukture luke" (jezgra i omotača luke). Difuzija ionizovanog plazme je ograničena, omogućavajući efektivnu rekompleksiju jonova. Prekidni tok je veliki, dostiže 80-100kA, a čak i 200kA. Vreme gasenja luke je kratko, obično 5-15ms. U isto vreme, performansa prekidanja za obrnut fazi, bliske zone greške, prazne duge linije i transformator bez opterećenja je takođe dobra.

• Visoka izolaciona performansa. Izolaciona čvrstoća SF₆ je približno 5-10 puta veća od one vazduha.

• SF₆ gas je bezbojan, bezmirisan, netoksican, nerastopljen i vrlo stabilan gas koji teško reaguje sa drugim tvarima. Takođe, kada je prekidač otvoren, pritisak uzrokovan zagrijavanjem luke je ekstremno mali, što osigurava pouzdano funkcionisanje i sprečava eksplozivne nesreće.

2. Razvoj visokonaponskih SF₆ prekidača
2.1 Dvostrukopritisni SF₆ prekidači

Unutar prekidača su postavljeni dva sistema SF₆ gasa (visokopritisni sistem i niskopritisni sistem). Samo tokom procesa otvaranja, visokopritisna komora protiče ka niskopritisnoj komori kroz kontrolu ventilatora za puštanje kako bi se formirao visokopritisni gasni tok. Nakon završetka prekidanja, ventilator za puštanje se zatvara. Principe komore za gasenje luke je da se kompresor gasa i cevi spajaju između visokopritisne i niskopritisne komore. Kada pritisak gasa u visokopritisnoj komori opada ili pritisak gasa u niskopritisnoj komori poraste do određene granice, kompresor gasa započinje puštanje SF₆ gasa iz niskopritisne komore u visokopritisnu, formirajući automatizovani zatvoreni ciklus gasnog sistema.

2.2 Jednopritisni SF₆ prekidači

Jednopritisna struktura je jednostavna i može se prilagoditi širokom spektru okruženjskih temperatura. Tip kompresije gasa je prošao i kroz razvojni proces: u pogledu puštanja luke, prvogeneracijski jednopritisni tip ima jednostruko puštenje, sa malim prekidnim tokom (obično 31.5kA) i niskim napunom prekida (obično 170kV). Drugogeneracijski jednopritisni tip ima dvostruko puštenje, sa prekidnim tokom povećanim na (40-50kA), a napun prekida je još uvek nizak. Obično, 252kV proizvodi imaju dvostruki prekid. Trećegeneracijski jednopritisni tip ima dvostruko puštenje dopunjeno toplinskim ekspanzivnim efektom (hibridno gasenje luke). Prekidni tok je veliki, povećan na 63kA, a napun prekida je visok. Jedan prekid može dostići 252kV, 363kV, 420kV, a čak i 550kV.

Razvoj jednopritisnog tipa, gledano iz perspektive komore za gasenje luke, je adoptirao manji kompresorski piston. Prednosti koje donosi smanjenje pistona u komori za gasenje luke su sledeće:

• Masa celog pokretnog sistema tokom procesa prekidanja proizvoda je smanjena.

• Radna snaga proizvoda je smanjena.

• Amortizacija proizvoda postaje lakša, a mehanički život je dug.

2.3 Samoenergetski SF₆ prekidači

Samoenergetski SF₆ prekidači imaju dva principa gasenja luke: toplinsko ekspanzivni princip i princip rotacije luke. Trenutno, većina samoenergetskih prekidača koristi toplinski ekspanzivni princip. Samoenergetski princip je da se koristi energija luke da zagrije SF₆ gas u ekspanzionoj komori, stvori pritisak, formira gasni tok i ugasi luku. Međutim, kada se prekinu male tokove, zbog male energije luke, potreban je mali piston da komprimuje gas kako bi formirao pomoćno puštanje. Zbog značajnog smanjenja radne snage, može se koristiti prosta mehanička struktura sa oprugom. Toplinski ekspanzivni tip se sada razvio do druge generacije. Prvogeneracijski proizvodi ostvaruju efekat smanjenja radne snage smanjivanjem energije potrebne za kompresiju gasa za gasenje luke. Prečnik kompresorskog pistona je dizajniran prema prekidu 30% maksimalnog greškog tok, a masa pokreta je takođe mala, što smanjuje radnu snagu. Drugogeneracijski proizvodi dalje poboljšavaju toplinski ekspanzivni efekt i performanse prekidanja, ne samo poboljšavaju prekidanje kapacitivnog toka, već i dalje smanjuju radnu snagu.

2.4 Inteligentni SF₆ prekidači

Još jedna karakteristika modernih visokonaponskih prekidača jeste njihova inteligencija, evolucija od tradicionalnih elektromehaničkih sistema do modernih inteligentnih sistema sa računarima u centru. Trenutno, sadržaj online detekcije visokonaponskih prekidača je sledeći:

• SF6 gas;

• Sistem operativne mehanizacije;

• Otpust;

• Kontrolne i pomoćne šeme;

• Lanac prenosa snage.

Kroz ove detekcije, može se otkriti više od 90% grešaka. Online detekcija može promeniti redovni servis prekidača u realno-vremensko stanje baziran održavanje.

3. Porcelanski stupovi i tank tip SF₆ prekidači i njihova primena

Kina je prvi put primenila SF₆ prekidače 1970. godine kada je Severnoistočna uprava električne energije uvezla tri H-912 tipa 220KV dvostrukopritisna porcelanska stupna SF₆ prekidača proizvedena od strane Siemens-a iz inozemstva i instalirala ih u glavnu transformatornu stanicu HuShitai u Šenjangu. Još uvek dobro funkcionišu danas.

Visokonaponski šestični fluorid siroviha prekidači su podeljeni na porcelanski stup i tank tip prema svojoj strukturi. Poređenjem ta dva, svaki ima svoje karakteristike:

• Oba tipa, porcelanski stup i tank tip visokonaponskih SF₆ prekidača, mogu zadovoljiti zahteve za visokim naponom i velikom kapacitetom. Komora za gasenje luke porcelanskog stupnog tipa je instalirana na izolacionom nosaču. Spajanjem komora za gasenje luke u seriju i instaliranjem na izolacionom nosaču na odgovarajućoj visini, može se dobiti bilo koji nominalni nivo napona. Izolacioni nosač je uglavnom porcelanski stup, a pojavile su se i organske kompozitne nosače. Komora za gasenje luke tank tipa je instalirana u metalni tank spojen na potencijal zemlje. Pod visokim naponom, potrebno je spajanje više komora za gasenje luke u seriju i instaliranje u istom tanku za svaku fazu.

• Instalacija transformatora struje. U pogledu instalacije transformatora struje, porcelanski stupni prekidači su u nedostatku. Budući da je komora za gasenje luke porcelanskog stupnog tipa instalirana unutar izolatora i na vrhu izolacionog nosača, transformator struje mora biti posebno instaliran na svojem izolacionom nosaču. Međutim, transformator struje tipa bushing može biti instaliran na bushingu tank tipa prekidača. U nekim scenarijima primene, prekidač ne mora biti opremljen transformatorom struje, posebno kada se koristi kao prekidač za prebacivanje kondenzatorskih banaka i paralelnih reaktora. Ovdje, cena porcelanskog stupnog tipa je samo 60% cene tank tipa prekidača, a zbog korišćenja više prekida, može bolje izdržati ponovno udaranje.

• Izolaciona izdržljivost vanjskih napona. Sa aspekta izolacione izdržljivosti vanjskog naponskog napada, više serija komora za gasenje luke porcelanskog stupnog prekidača može zadovoljiti bilo koji nominalni nivo napona, ali njegova vanjska izolaciona izdržljivost ograničena je dužinom same komore za gasenje luke. Za tank tip prekidača, dok se razvije potrebna izdržljivost za smanjenje broja prekida, može se izraditi izolacioni bushing. Stoga, tank tip prekidača može dostići jedan prekid od 550kV/63kA i dva prekida od 1100kV/50kA.

• Potrošnja SF₆ gasa. U pogledu potrošnje SP6 gasa, porcelanski stupni tip je superiorniji u odnosu na tank tip. Potrošnja gasa tank tipa prekidača je mnogo veća nego kod porcelanskog stupnog tipa.

• Prilagodljivost okruženju. Sa aspekta prilagodljivosti okruženju, veliki volumen tank tipa prekidača pokazuje svoje prednosti. Grejač može biti instaliran u tank tipu prekidača, dok se ne može instalirati u porcelanskom stupnom tipu.

• Izdržljivost na seizmu. Sa aspekta izdržljivosti na seizmu, tank tip prekidača je mnogo bolji od porcelanskog stupnog tipa. Budući da porcelanski stupni prekidač ima visok centar težišta, njegova seizmootpornost je loša.

• Uporedba cena. U pogledu cene, za isti kapacitet, porcelanski stupni prekidač je bolji od tank tipa. Obično, cena tank tipa prekidača je oko 20% veća od cene porcelanskog stupnog prekidača sa vanjskim transformatorom struje (poput SF₆ transformatora).

4. Pitanja koja treba imati na umu tokom rada i održavanja SF₆ prekidača

Da bi se strogo kontroliralo isijevanje gasa i sprečilo invaziju vlage i vlagoce, tehnički procesi i materijalni zahtevi su mnogo viši nego za obične visokonaponske električne uređaje. Istovremeno, potreban je specifični SF₆ gasni sistem, uključujući ventil sa dobrom zatvorenoscu, opremu za otkrivanje propusta, uređaj za povraćaj gasa i nadzor pritiska. Takođe, zbog velike potrošnje metala, složenost proizvodnje se povećava.

Čisti SF₆ gas je bezbojan, bezmirisan, netoksican i nerastopljen. Međutim, u sintezi šestičnog fluorida siroviha, proizvode se i niske fluorične spojeve siroviha, koji su toksični. U prekidaču, gas će se dekomponovati pod visokom temperaturom luke kroz disocijaciju i ionizaciju, generišući visoko toksične gasove. Zbog toga, u prekidaču je instaliran adsorber, a u njega se stavlja aktivni aluminijum kako bi apsorbirao ove toksične gasove.

Čak i tako, posebna pažnja treba da se posveti sprečavanju otrovanja tokom održavanja. Zbog toga, gas mora biti ispušten i ispražnjen pre početka rada. Ako se i dalje čuje neprijatan miris, treba nositi masku za gas i gume rukavice. Takođe, proizvodi dekompozicije luke takođe sadrže neke metalne fluori, koji su rasuti u prekidaču u obliku praha. Iako ovi prahovi nisu visoko toksične tvari, ipak treba uzeti predostrožne mere da se spreči njihov udisanje tokom čišćenja.

5. Zaključak

Sa stalnim porastom napona sistema snabdevanja električnom energijom, bilo da je u pitanju porcelanski stupni ili tank tip SF₆ prekidača, oni se stalno evoluiraju sa tehnološkim napretkom. Posebno, u poslednjih nekoliko godina, razvijen i primenjen je princip samoodrživog gasenja luke, tj. visoki pritisak se koristi za formiranje gasnog puštanja kako bi se ugasio luka. Broj prekida se smanjuje, a potrošnja materijala se smanjuje.

Zbog relativno visoke cene i visokih zahteva za primenu, upravljanje i rad sa SF₆ gasom, on nije široko primenjen u srednjem naponu (35kV, 10kV). Opšte, visokonaponski SF₆ prekidači imaju širok spektar primene, a istraživanje, razvoj i nadogradnja proizvoda će doneti značajne ekonomske i društvene benefitse.