Поточна ситуація та тенденції розвитку високовольтних вимикачів SF6

Високонапівні преривачі, також відомі як високонапівні вмикани-вимикани, мають достатню здатність переривання та гасіння дуги. Вони можуть не лише переривати та узгоджувати безнавантажені та навантажені струми високонапівних колін, але й, при виникненні аварії в системі, співпрацювати з пристроями захисту та автоматичними пристроями для швидкого переривання аварійного струму, зменшуючи обсяг відключення електроенергії та запобігаючи поширенню аварії. Це має велике значення для забезпечення безпечного функціонування електроенергетичної системи.

Високонапівні преривачі розвивалися через нафтові преривачі, преривачі зі стислим повітрям, вакуумні преривачі та преривачі SF₆. Серед них, перші два типи були поступово виведені з експлуатації, а преривачі SF₆ є більш поширеними порівняно з двома останніми. Преривачі SF₆ широко прийнято впроваджувати на початку 1970-х років. Вони використовують гексафторид сірки як середовище для гасіння дуги. Цей тип преривача має велику здатність переривання. У вільному режимі переривання його здатність переривання приблизно в 10 разів вища, ніж у інших преривачів. Він відіграє ключову роль у стабільному та безпечному функціонуванні електроенергетичної системи, а також має велике значення з точки зору економічної та соціальної користі.

1. Характеристики преривачів SF₆

Преривачі SF₆ — це безнафтове комутаційне обладнання, яке використовує газ SF₆ як ізоляційне та дугогасне середовище. Їхні ізоляційні характеристики та характеристики гасіння дуги значно вищі, ніж у нафтових преривачів. Преривачі гексафториду сірки мають наступні характеристики:

• Сильна здатність до гасіння дуги, висока диелектрична міцність та високе значення напруги відсікання одного контакту. В результаті, при однаковому номінальному напруги, кількість потрібних послідовних контактів зменшується, покращуючи економічну ефективність продукту.

• Довгий електричний термін служби. Вони можуть постійно переривати струм 50кА 19 разів, а сумарний струм переривання може досягати 4200кА. Період обслуговування довгий, і вони підходять для частого використання.

• Добра здатність до переривання. Завдяки електронегативності газу SF₆, він має сильну здатність до поглинання вільних електронів. Дуга, сформована в SF₆, сприяє формуванню "структури дугового стовпа" (середина дуги та оболонка дуги). Поширення іонізованої плазми обмежено, що дозволяє ефективну рекомбінацію іонів. Струм переривання великій, досягає 80-100кА, а то й 200кА. Час гасіння дуги короткий, зазвичай 5-15 мс. Одночасно, характеристики переривання для протифазного переривання, аварій близько до зони, безнавантажених довгих ліній та безнавантажених трансформаторів також добре.

• Висока ізоляційна характеристика. Ізоляційна міцність SF₆ приблизно в 5-10 разів вища, ніж у повітря.

• Газ SF₆ безбарвний, беззапахний, нетоксичний, невгорючий і дуже стабільний, що не легко взаємодіє з іншими речовинами. Крім того, при відкритті преривача, зростання тиску, спричинене нагріванням дуги, дуже мале, що гарантує надійне функціонування та запобігає вибухам.

2. Розвиток високонапівних преривачів SF₆
2.1 Двотискові преривачі SF₆

Усередині преривача встановлені дві системи газу SF₆ (високотискова система та низькотискова система). Лише під час процесу відкриття, газ з високотискової камери перетікає до низькотискової камери через контроль клапана подування, формуючи високотисковий потік газу. Після завершення переривання, клапан подування закривається. Принцип роботи камери гасіння дуги полягає в тому, що компресор газу та трубопроводи з'єднують високотискову камеру з низькотисковою. Коли тиск газу в високотисковій камері знижується або тиск газу в низькотисковій камері зростає до певного межі, компресор починає насосувати газ SF₆ з низькотискової камери до високотискової, формуючи автоматичну замкнену систему газу.

2.2 Однотискові преривачі SF₆

Однотискова конструкція проста та може адаптуватися до широкого діапазону температур оточуючого середовища. Тип газового стиснення також пройшов процес розвитку: щодо подування дуги, перший покоління однотискових преривачів має конструкцію з одним подуванням, з малим струмом переривання (зазвичай 31,5кА) та низьким напругою відсікання (зазвичай 170кВ). Друге покоління однотискових преривачів має конструкцію з подвійним подуванням, зі струмом переривання, збільшеним до (40-50кА), а напруга відсікання все ще низька. Зазвичай, продукти 252кВ мають подвійні контакти. Третє покоління однотискових преривачів має конструкцію з подвійним подуванням, доповнену тепловим розширенням (гібридне гасіння дуги). Струм переривання великий, збільшений до 63кА, а напруга відсікання висока. Один контакт може досягати 252кВ, 363кВ, 420кВ, а то й 550кВ.

Розвиток однотискового типу, з точки зору камери гасіння дуги, передбачає використання меншого поршня газового стиснення. Переваги, які приносять зменшення поршня в камері гасіння дуги, наступні:

• Зменшується маса всієї рухомої системи під час процесу переривання продукту.

• Зменшується енергія роботи продукту.

• Буферування продукту стає легшим, а механічний термін служби довгий.

2.3 Самоенергетичні преривачі SF₆

Самоенергетичні преривачі SF₆ мають два принципи гасіння дуги: принцип теплового розширення та принцип обертання дуги. На даний момент, більшість самоенергетичних преривачів використовують принцип теплового розширення. Самоенергетичний принцип полягає в тому, що використовується енергія дуги для нагріву газу SF₆ в камері розширення, створення тиску, формування потоку газу та гасіння дуги. Однак, при перериванні малих струмів, через малу енергію дуги, потрібен невеликий поршень для стиснення газу, щоб створити допоміжне подування. Значне зменшення енергії роботи дозволяє використовувати пружинний механізм з простішою конструкцією. Тепловий тип тепер розвинулося до другого покоління. Перший продукт покоління досягає ефекту зменшення енергії роботи шляхом зменшення енергії стиснення газу, необхідної для гасіння дуги. Діаметр поршня стиснення газу проектується згідно з перериванням 30% максимальної аварійної струми, а маса руху також невелика, що зменшує енергію роботи. Продукти другого покоління ще більше покращують ефект теплового розширення та характеристики переривання, не лише покращуючи переривання конденсаторного струму, але й ще більше зменшуючи енергію роботи.

2.4 Інтелектуальні преривачі SF₆

Іншим характеристикам сучасних високонапівних преривачів є їх інтелектуальність, що розвивається від традиційних електромеханічних систем до сучасних інтелектуальних систем, централізованих навколо комп'ютерів. На даний момент, онлайн-детекція високонапівних преривачів включає наступне:

• газ SF₆;

• система приводу;

• розряд;

• контрольні та допоміжні контури;

• ланцюг передачі енергії.

За допомогою цих детекцій можна виявити більше 90% вад. Онлайн-детекція може змінити регулярне технічне обслуговування преривачів на реальній часовій основі.

3. Преривачі SF₆ типу фарфорових стовпів та резервуарного типу та їх застосування

У 1970 році Китай вперше застосував преривачі SF₆, коли Адміністрація електроенергетики Північного Сходу імпортувала три преривачі H-912 типу 220кВ двотискового типу фарфорових стовпів, вироблені Siemens, з-за кордону, та встановила їх на головній підстанці HuShitai в Шеньяні. Вони досі працюють добре.

Високонапівні преривачі гексафториду сірки розподіляються на тип фарфорових стовпів та резервуарний тип залежно від їх конструкції. При порівнянні обох, кожен має свої особливості:

• Як преривачі типу фарфорових стовпів, так і резервуарного типу можуть задовольняти вимоги до високої напруги та великої потужності. Камера гасіння дуги типу фарфорових стовпів встановлюється на ізоляційній опорі. Через послідовне з'єднання камер гасіння дуги та встановлення їх на ізоляційній опорі на відповідній висоті, можна отримати будь-яке значення номінальної напруги. Ізоляційна опора зазвичай є фарфоровим стовпом, а також появилися органічні композитні опори. Камера гасіння дуги резервуарного типу встановлюється в металевому резервуарі, з'єднаному з потенціалом землі. При високій напрузі, кілька камер гасіння дуги повинні бути з'єднані послідовно та встановлені в одному резервуарі для кожного фази.

• Встановлення трансформаторів струму. Щодо встановлення трансформаторів струму, преривачі типу фарфорових стовпів знаходяться в невигідній позиції. Оскільки камера гасіння дуги типу фарфорових стовпів встановлена всередині ізолятора та на вершині ізоляційної опори, трансформатор струму повинен бути окремо встановлений на своїй ізоляційній опорі. Однак, трансформатор струму типу гільза може бути встановлений на гільзі резервуарного типу преривача. У деяких сценаріях застосування, преривач не потребує трансформатора струму, особливо коли використовується як вмикач-вимикач для комутації банок конденсаторів та паралельних реакторів. Тут, ціна типу фарфорових стовпів становить лише 60% від ціни резервуарного типу преривача, і завдяки використанню кількох контактів, він краще здійснює переривання повторних ударів.

• Зовнішня витривалість на напругу. З точки зору зовнішньої витривалості на напругу, кілька послідовних камер гасіння дуги типу фарфорових стовпів можуть задовольняти будь-яке значення номінальної напруги, але їхня зовнішня ізоляційна витривалість обмежена довжиною камери гасіння дуги. Для резервуарного типу преривача, якщо можна розробити необхідну витривалість для зменшення кількості контактів, можна виготовити ізоляційну гільзу. Тому, резервуарний тип преривача може досягнути одного контакту 550кВ/63кА та двох контактів 1100кВ/50кА.

• Споживання газу SF₆. Щодо споживання газу SP6, тип фарфорових стовпів переважає над резервуарним типом. Споживання газу резервуарного типу преривача набагато вище, ніж у типу фарфорових стовпів.

• Екологічна адаптивність. З точки зору екологічної адаптивності, великорозмірний резервуарний тип преривача показує свої переваги. У резервуарному типі преривача можна встановити нагрівач, тоді як у типу фарфорових стовпів це неможливо.

• Сейсмостійкість. З точки зору сейсмостійкості, резервуарний тип преривача набагато кращий, ніж тип фарфорових стовпів. Оскільки тип фарфорових стовпів має високий центр ваги, його сейсмостійкість низька.

• Порівняння цін. Щодо ціни, для однакової потужності, тип фарфорових стовпів кращий, ніж резервуарний тип. Зазвичай, ціна резервуарного типу преривача на 20% вища, ніж типу фарфорових стовпів з зовнішнім трансформатором струму (наприклад, трансформатор SF₆).

4. Важливі питання під час експлуатації та обслуговування преривачів SF₆

Для строгого контролю витоку газу та запобігання вторгненню вологи та вологості в коробку, технологічні процеси та вимоги до матеріалів набагато вищі, ніж у загальних високонапівних електроприладів. Окрім того, потрібна спеціальна система газу SF₆, включаючи клапан з хорошими герметичними властивостями, обладнання для виявлення витоку, пристрій для повернення газу та моніторинг тиску. Крім того, через велике споживання металу, складність виробництва збільшується.

Чистий газ SF₆ безбарвний, беззапахний, нетоксичний та невгорючий. Однак, під час синтезу гексафториду сірки, також утворюються низькофторовані сполуки сірки, які є токсичними. У преривачі, газ розкладається на високій температурі дуги через дисоціацію та іонізацію, утворюючи сильно токсичні гази. Тому, у преривачі встановлюється абсорбер, а в ньому розміщується активований алюміній для поглинання цих токсичних газів.

Навіть так, особлива увага повинна приділятися запобіганню отруєння під час обслуговування. Тому, газ повинен бути відкачаний та виведений чисто перед роботою. Якщо продовжує відчуватися неприємний запах, слід носити газозахисну маску та резинові рукавички. Крім того, продукти розкладу дуги також містять деякі металеві фториди, які розсіяно розташовані в преривачі у вигляді пилу. Хоча ці пилу не є сильно токсичними речовинами, все ж треба приймати заходи, щоб запобігти їх вдиханню під час очистки.

5. Висновки

З постійним збільшенням напруги електроенергетичної системи, незалежно від того, чи це тип фарфорових стовпів, чи резервуарний тип преривачів SF₆, вони постійно розвиваються разом з технічним прогресом. Особливо в останні роки, був розроблений та застосований принцип самоенергетичного гасіння дуги, тобто використовується високий тиск для створення газового подування, щоб погасити дугу. Кількість контактів зменшується, а споживання матеріалів знижується.

Завдяки своїй відносно високій вартості та високим вимогам до застосування, управління та експлуатації газу SF₆, він не широко застосовується в середньонапівних системах (35кВ, 10кВ). Загалом, високонапівні преривачі SF₆ мають широкі перспективи застосування, а науково-технічні дослідження, розробка та модернізація продуктів принесуть значні економічні та соціальні вигоди.