Високовольтні вимикачі: елегаз проти вакууму

Пошук і рішення в області нових поновлюваних і екологічно чистих джерел енергії, вимагають, щоб передача і розподіл цієї енергії відбувалася найбільш безпечним і ефективним способом. Вимикачі високої напруги, призначені для роботи в електричній мережі при нормальних умовах, а також для відключень при порушеннях в її роботі, вже більше 100 років грають важливу роль в енергетичних системах. Однак, дослідження, розвиток і вдосконалення конструкцій вимикачів не зупинилася, і як і раніше актуально.

Дана стаття ставить собі за мету зробити огляд різних типів високовольтних вимикачів і порівняння між собою найбільш часто використовуваних з них - вакуумних і елегазових. Який з цих типів вимикачів має найбільші перспективи застосовуватися в екологічно дружніх електричних мережах майбутнього?

Вступ

Високовольтний вимикач - комутаційний пристрій, який здатний замкнути або розімкнути електричний ланцюг за частку секунди, при чому, як в звичайних умовах, так і при коротких замиканнях.

Процес переривання струму в високовольтному вимикачі починається тоді, коли контакти починають розмикатися. Як наслідок, площа контакту зменшується, а щільність струму стає більше, енергія викликає випаровування металу і появу дуги. Незважаючи на фізичний поділ контактів, виникнення дуги робить можливим протікання струму (рис. 1). Переривання струму буде досягнуто при розриві дуги.

Малюнок 1. Структура електричної дуги.

За способом гасіння дуги високовольтні вимикачі діляться на наступні типи:

1. електромагнітні вимикачі
2. повітряні вимикачі
3. масляні вимикачі
4. Елегазові (SF6) вимикачі
5. вакуумні вимикачі

Масляні вимикачі, в зв'язку з своєю здатністю відключати великі струми, були першими. Але їх пожежонебезпека і висока вартість обслуговування змушували до пошуку нових ідей. З'явилися електромагнітні і повітряні вимикачі не набули великого поширення, внаслідок деяких своїх недоліків, в т.ч. великих габаритів. В середині минулого століття були розроблені елегазові та вакуумні вимикачі. Елегазові вимикачі почали швидко замінювати масляні і повітряні вимикачі в мережах 110 кВ і вище, т. К. Елегаз має високу електричну міцність і високу теплопровідність. Вакуумні вимикачі, навпаки, набули поширення в мережах середньої напруги - від 6 до 35 кВ.

Хоча досить багато масляних і повітряних вимикачів все ще знаходяться в роботі, елегазові вимикачі, безумовно, є найбільш поширеними високовольтними вимикачами в світі. Але, вони також мають свої обмеження і недоліки. Вакуумна комутаційна техніка, широко використовувана для середніх рівнів напруги (6-35 кВ), виникла як альтернатива для високої напруги через свою екологічної чистоти. Останні дослідження в області гасіння дуги в вакуумі привели до розвитку різних прототипам вакуумних вимикачів для вищих рівнів напруги.

елегазові вимикачі

У елегазових вимикачах, при відключенні, потік газу відводить тепло з дуги і дозволяє домогтися її зникнення при проходженні струму через нуль. Потік деионизирован елегазу між контактами відновлює діелектричну міцність проміжку, перешкоджаючи повторній запалювання дуги. Необхідність дуття визначає складність керуючого механізму і його вартість. Нові розробки в сфері гасіння електричної дуги в елегазі спрямовані на скорочення або ліквідацію цього додаткового фактора вартості.

Дуга виникла в вакуумі гасне при першому проходженні струму через нуль, пару металу осідають на стінках дугогасильні камери протягом мікросекунд, як наслідок в вакуумних вимикачах діелектрична міцність відновлюється дуже швидко. На малюнку показані внутрішні компоненти типової вакуумної дугогасильні камери.

Вакуумні вимикачі знайшли широке застосування в електричних мережах від 6 до 35 кВ.

Застосування вакуумних вимикачів на напруги від 110 кВ і вище

Особливості форми дуги в вакуумі при високих напругах ускладнює її гасіння при переході через нуль. Інша проблема пов'язана з нелінійної залежністю напруги пробою від междуполюсного відстані. Як одне з рішень - кілька з'єднаних послідовно розривів.

Малюнок 2. Дві послідовно включені дугогасительниє камери (зліва) і одна з великим междуполюсного відстанню (праворуч).

Іншим аспектом, який необхідно взяти до уваги, є оплавлення і ерозія контактів, чим вище напруга, тим вище їх ерозія і оплавлення. Матеріал робочої поверхні контактів вакуумного вимикача - суттєвий фактор у цьому питанні. В результаті досліджень різних типів комбінацій матеріалів для вакуумних електродів, були виділені Cu, Cu-Bi і Cu-Cr, безкисневому мідний сплав хрому, але Cu-Cr, здається, кращий досі (рис. 3). У цьому сплаві, хром розподілений в міді у вигляді дрібних зерен. Цей матеріал поєднує в собі хороші дугогасительниє характеристики з невеликим ризиком приварювання контактів.

Малюнок 3. Напруга пробою Cu-Cr і Cu-Bi між контактами в залежності від відстані.

Передсерійні моделі вакуумного високовольтного вимикача (VCB), розроблені для виробництва роботи під високою напругою

У цьому розділі представлені передсерійні моделі вакуумних високовольтних вимикачів, або дугогасильних камер, розроблених різними компаніями і дослідницькими центрами.

У 1979 році в Японії був представлений до випуску високовольтний вимикач напругою 168 кВ / 31,5кА, як показано на малюнку 4. Представлений вимикач працював з подвійним розривом ланцюга, і навіть при високому пробивном напрузі, він був занадто дорогим і громіздким.

Малюнок 4. Вакуумний високовольтний вимикач з подвійним розривом ланцюга напругою 168кВ / 31.5кА

Малюнок 5. Вакуумний високовольтний вимикач з одинарним розривом ланцюга 145кВ / 40ка / 2кА

У 2002 році в Японії був розроблений ще один вакуумний високовольтний вимикач компанією AE Power System Corporation, яка внесла поліпшення в зовнішній вигляд попереднього вимикача (Малюнок 5). Номінальна напруга даного вимикача складає 145кВ, з 40ка струмом короткого замикання і номінальним струмом в 2кА. Використаний з цією метою переривник представлений у вигляді окремого вакуумного переривника з одинарним розривом (Малюнок 6), де використовуються мідь-хромние захисні електроди осьової напруженості магнітного поля. Діяльність компанії привела до досягнень в питанні магнетичного осьового розподілу напруженості електричного поля на структуру електродів, зниження ерозії електродів і аналізу температурних значень, а проста конструкція і низькі ціни стали більш привабливими.

Малюнок 6. Вакуумна високовольтна дугогасильні камери напругою 145 кВ, довжиною 700мм і діаметром 200мм

У 1989 році, група дослідників з Китаю представила на розгляд вакуумний високовольтний вимикач з подвійним розривом ланцюга напругою 126кВ / 3 l, 5кА / l, 25кА. Цей високовольтний вимикач був створений при використанні двох вакуумних переривників напругою 72.5кВ, об'єднаних в серію з подвійним розривом ланцюга. Зазор між контактами становив 40мм в довжину для кожного переривника, був застосований тип осьового напруги електричного поля і зовнішня елегазові ізоляція. Вимикач був всього лише 2650мм у висоту (Малюнок 7).

Малюнок 7. Вакуумний високовольтний вимикач з подвійним розривом ланцюга напругою 126кВ / 31,5кА / l, 25кА (висотою 2650мм)

У 2003 році був створений вакуумний високовольтний вимикач з одинарним розривом ланцюга напругою 126кВ / 40ка / 2кА (Малюнок 8 і 9). Переривник був діаметром в 100 мм, а необхідний зазор між контактами становив 60мм. Зазор був більше, ніж в попередніх моделях, але, насправді, знадобився всього лише один розрив. Були використані електроди осьового напруги магнітного поля.

Малюнок 8. Вакуумний високовольтний вимикач з одинарним розривом ланцюга напругою 126кВ / 40ка / 2кА

Малюнок 9. Вакуумні дугогасительниє камери напругою 252кВ, 126кВ і 12кВ

І, нарешті, в 2006 році була створена перша передсерійна модель вакуумного високовольтного вимикача напругою 252кВ / 40ка A (Малюнок 14). Цей вимикач є прототипом вимикача з ординарним розривом ланцюга з електродами осьового напруги магнітного діаметром 140мм, з зазором довжиною 80мм.

У цьому розділі йде порівняння між елегазовим і вакуумним високовольтними вимикачами на підставі різних факторів, як, наприклад, електрична міцність діелектрика і фактори навколишнього середовища.

У нормальних умовах елегаз є інертним газом без запаху, незаймистий, нержавіючий і не токсичний. Проте, при температурі понад 1000 ° C, елегаз розкладається на складові гази, включаючи газ S2F 10, який дуже токсичний. На щастя, продукти розпаду раптово возз'єднуються після згасання дуги (при зниженні температури).

Відповідно до електричної міцністю, елегаз має кращі властивості, ніж вакуум (Малюнок 10). Тому елегаз використовується в якості ізоляційного матеріалу і дугогасительной середовища. Використання елегазу дозволяє робити електрообладнання більш компактного розміру і надає більше простору для його пристрою. Це і лежить в основі того, чому приблизно 50% загального обсягу елегазу є діелектриком в таких електричних приладах, як високовольтний перемикач.

Можна припустити, що елегаз став прекрасною дугогасительной середовищем для високовольтного вимикача, якби він не був такий небезпечний для навколишнього середовища. Елегаз є одним з небезпечних нагрітих газів на планеті, як було встановлено на 3-й Сесії Конференції Учасників ООН Рамкової Конвенції про кліматичні зміни. Той факт, що елегаз є особливу загрозу для світової спільноти, заснований на його стабільному молекулярному складі, так як цей газ непорушний вже протягом 3200 років.

У Таблиці 1 наведено порівняння між окремими газами щодо їх життєздатності і потенційної загрози для всієї планети.

ТАБЛИЦЯ 1. Потенціал Глобального Потепління.

газ

Життєздатність в роках

Потенціал Глобального Потепління

CO2

50 - 200

1

CF4

50.000

6.300

C2F6

10.000

12.500

SF6

3.200

24.900

C6F14

3.200

6.800

Для порівняння уточнимо, що дугогасительной середовищем в вакуумних високовольтних вимикачах виступає вакуум, він не становить загрози для навколишнього середовища. Насправді, це звичайний скляний контейнер і металів, тобто вторсировина.

Вакуум має свої недоліки і переваги, які відрізняються від недоліків і переваг елегазу. Одним з видатних переваг вакуумного високовольтного вимикача є легкість у створенні обладнання і невелика кількість компонентів, приблизно, на 50% менше, ніж в елегазові високовольтному вимикачі, що призводить до збільшення терміну служби, з дуже високим числом робочих циклів. Крім того, невелика кількість компонентів і простота конструкції забезпечують компактний розмір і невелика вага для вакуумного високовольтного вимикача, і, відповідно, легке техобслуговування і інспекція.

Ще одним з переваг високовольтного вакуумного вимикача є висока діелектричне опір після нульового значення струму.

І, нарешті, як уже зазначалося раніше, вакуумний вимикач не становить загрози для навколишнього середовища, як у випадку з елегазовим вимикачем. У випадку з вакуумним вимикачем немає ризику вибуху або пожежі, як з масляним високовольтним вимикачем.

Проте, одним з найважливіших недоліків є вартість. Елегазовий високовольтний вимикач коштує дешевше, що говорить не на користь конкурентоспроможності вакуумного високовольтного вимикача. Необхідно провести багато досліджень з метою зниження витрат на вакуумний високовольтний вимикач, щоб вони стали економічної альтернативою елегазової технології.

висновок

Постійні вимоги до мережі електропередач збільшують їх продуктивність, надійність і стійкість. Таким чином, важливо продовжувати розвивати технологію нових вимикачів, більш надійних, продуктивних, недорогих, які не становлять загрозу для навколишнього середовища і людей.

Вакуум - це середовище з видатними властивостями щодо обсягу, кількості компонентів, простота, контроль струму короткого замикання або стабілізація електричної міцності. Сьогодні в розподільній мережі високої напруги буде широко поширене обладнання, що не використовує елегаз в якості робочого компонента. Проте, необхідно внести зміни в дизайн і матеріали, що використовуються для забезпечення відповідної роботи вакуумного високовольтного вимикача на високій напрузі.

література:

1. А. Ітуррегі, Е. Торрес, 1. Замора, О. Абарратегуі
2. Р. Д. Гарсон, Високовольтні вимикачі. Марсель Деккер, Inc 2002 року.
3. С.L. Wadhwa, Cістемs електропостачання. John Wiley & Sons, Inc 1991 року.
4. TE Браун, Вимкнення кіл. Теорія і методи. Марсель Деккер, Inc, 1984.
5. CH Flurscheim, Силові вимикачі, теорія і конструкції. Петро Перегрин Ltd, 1982.
6. JH Brunke, "Високовольтні вимикачі: минуле, сьогодення і майбутнє". Електра N ° 208. Июня 2003 року.
7. А. Грінвуд, Вакуумне комутаційне обладнання. Інститут електротехніки. 1997 год.
8. Н. Saitoh, Х. Ітікава, А. Nishijma, Ю. Мацуї, М. Сакакі, М. Хонма, Х. Окубо, "Дослідження і розробка вакуумних викключателей 145 кВ / 40 кА з одного дугогасительной камерою" T IEEE / D конференції, Йокогама, pl462-1468, 2002.
9. С. Yanabu, Т. Цуцумі, К. Yokokura, Е. Канеко "Останні технічні розробки високовольтних і надпотужних вакуумних вимикачів". Vol.17 № 5. Жовтень 1989 року, стор. 717-723.
10. З. Ліу, J. Wang, С. Xiu, З. Ванг, "Розвиток високовольтних вакуумних вимикачів в Китаї". IEEE. Vol.35 № 4, серпень 2007, стор. 856-865.
11. Н. Шеллекенс, Г. Gaudart, "Компактні високовольтниевакуумние вимикача, Техніко-економічне обґрунтування", IEEE, Vol.14 № 3, червень 2007, стор. 613-619.
12. М. М. Хомма Сакакі, Е. Канеко, С. Yanabu, "Історія вакуумних вимикачів і останні події в Японії". IEEE. Vol.13, № 1. Февраля 2006 року, стор. 85-92.
13. RB Shores, В.Є. Філліпс, "Вакуумні вимикачі високої напруги" IEEE. Vol.94, № 5, вересень-жовтень 1975 року народження, стор. 1821-1830.

джерело: forca.ru