Отключение электрического тока в вакууме - Применение технологии отключения в вакууме в сетях среднего напряжения

4.1. Применение технологии отключения в вакууме в сетях среднего напряжения

1. Сети среднего напряжения используются, в основном, для распределения электрической энергии и представляют собой область применения между передачей энергии на большие расстояния, которая осуществляется по сетям высокого напряжения (ВН), и применением в сетях низкого напряжения (НН). Более низкие уровни напряжения области СН также используются для питания электроприемников очень большой единичной мощности области НН. Для сетей среднего напряжения основными типами используемой коммутационной аппаратуры являются выключатели нагрузки, разъединители, выключатели и контакторы (см. рис. 25).

Выключатели нагрузки представляют собой простые и относительно экономичные устройства, предназначенные для нормальной эксплуатации электрических сетей; они управляются по команде оператора и обеспечивают включение или отключение тока в каком-либо звене энергосистемы. Они способны отключать как нормальный ток в цепи, в которую они включены, так и установившийся ток повреждения в результате короткого замыкания, произошедшего ниже выключателей нагрузки относительно источника электроэнергии. Выключатели нагрузки общего применения, предназначенные для распределительных сетей СН, в которых частота коммутационных операций низкая, конструкционно имеют достаточно ограниченную электрическую и механическую износостойкость, обычно:

1. сто отключений при In;
2. тысяча механических переключений.

Для особых видов применения некоторые типы выключателей нагрузки должны выдерживать более серьезные нагрузки, например:

1. выключатели нагрузки для дуговых электропечей часто работают при больших значениях тока;
2. выключатели нагрузки для конденсаторных батарей довольно часто срабатывают и должны выдерживать ток включения (высокой частоты и большой амплитуды).

Рис. 25 : Стандартные определения основных типов коммутационных устройств
Разъединители не являются, собственно говоря, отключающим устройствами, поскольку срабатывают без нагрузки (тем не менее, они должны обеспечивать отключение емкостного тока нулевой последовательности разомкнутых цепей). Разъединители используются, чтобы изолировать цепь от остальной сети и обеспечить безопасный доступ к этой отключенной цепи. Для этого разъединители должны обладать высокой электрической прочностью между контактами и конструктивно соответствовать требованиям обеспечения защиты от перехода через изоляционное расстояние даже в случае перенапряжения сети. Несмотря на выполнение этих требований безопасность лиц, работающих с оборудованием, обеспечивается полностью только тогда, когда звено сети, изолированное с помощью разъединителей, также имеет должное заземление. Разъединители часто используются вместе с выключателями, которые не производят секционирование энергосистемы, в основном, с автоматическими выключателями и контакторами. Выключатели нагрузки, напротив, чаще всего могут также выполнять разделение сети.
Автоматические выключатели являются устройствами защиты, которые защищают сеть путем автоматического отделения поврежденных участков сети; они способны отключать максимальный ток короткого замыкания, который может возникнуть в месте, где они установлены. Таким образом, автоматические выключатели являются высокоэффективными коммутационными аппаратами, которые срабатывают по команде оператора или управляются каким-либо автоматическим устройством защиты в случае обнаружения повреждения. Эти выключатели должны иметь высокую надежность, так как от их хорошей работы зависит безопасность и эксплуатационная готовность сети.
Требуемая электрическая и механическая износостойкость автоматических выключателей больше, чем эта же характеристика для выключателей нагрузки, обычно составляет:

1. 10 - 100 отключений тока короткого замыкания;
2. 2000 - 10000 механических переключений и отключений при In.

Контакторы являются органами управления электроприемников, работающих в прерывистом режиме, в частности, электрических двигателей. Они представляют собой коммутационные аппараты с высокой коммутационной способностью, которые должны обеспечивать отключение тока перегрузки, превышающего номинальный ток (например, ток пуска двигателя или блокировки ротора), но не больше тока короткого замыкания, который отключается соответствующим устройством защиты (автоматический выключатель или предохранитель). Высокая механическая и электрическая износостойкость контакторов обычно определяется сотнями тысяч коммутационных операций. Диаграмма, представленная на рисунке 26, иллюстрирует положение в соответствии с характеристиками четырех типов коммутационных аппаратов, описание которых дано выше. Одним из преимуществ технологии отключения в вакууме является обеспечение высокой отключающей способности и электрической износостойкости: именно в связи с этим данный метод прежде всего используется в автоматических выключателях и контакторах.
Применение автоматических выключателей в сетях среднего напряжения
Выключатель должен иметь высокую отключающую способность. Поэтому в вакуумных выключателях для данного вида применения используется технология создания радиального или аксиального поля. Оба метода позволяют обеспечить максимальную требуемую отключающую способность для среднего напряжения (до 63 кА); выбор между этими двумя технологиями зависит от их соответствующих преимуществ (см. рис. 13). Так же как и в элегазе, в среде вакуума, для данного вида применения, обеспечивается герметичное отключение, без каких-либо выбросов в окружающую среду, и технология предусматривает работу оборудования без технического обслуживания и высокую электрическую износостойкость.

Рис. 26 : Положение соответствующих четырех типов коммутационных аппаратов в зависимости от тока отключения и количества выполняемых коммутационных операций
Очень быстрое восстановление электрической прочности вакуума может являться преимуществом по сравнению с элегазом в особых видах применения, для которых скорость повышения напряжения TVR больше, чем
предусмотрено стандартами МЭК 56 и ANSI С37-06 (например, в случае использования автоматического выключателя, подсоединенного непосредственно к вторичной обмотке трансформатора большой мощности). В подобных случаях, которые бывают не часто, так как нормированное напряжение TVR охватывает подавляющее большинство видов применения, вакуумные выключатели реже подвергаются выходу из строя, чем выключатели SF6. Поскольку отключение в вакууме происходит без подвода энергии извне, вакуумным выключателям требуется меньше энергии для работы, чем выключателям SF6 с автосжатием. Что касается выключателей SF6 с вращающейся дугой или с автокомпрессионным методом гашения дуги, то в этом типе устройств, промежуток меньше. Однако это преимущество нивелируется недостатком, присущим вакуумным выключателям, в которых используются только торцевые контакты. В действительности, для этих контактов требуется более высокое усилие сжатия контактов, чтобы предотвратить отталкивание и сваривание контактов при включении в случае повреждения: требуемое усилие сжатия контактов для каждого полюса составляет порядка 2000 Н для выключателя на 25 кА и 6000 Н для выключателя на 50 кА. Это требование позволяет увеличить энергию управления включением и усилить конструкцию полюсов, которые должны выдерживать постоянные нагрузки в замкнутом положении.
В то же время, несмотря на высокое усилие сжатия, использование торцевых контактов, изготовленных из CuCr, не позволяет добиться такого же слабого переходного сопротивления контактов, как в случае использования многопозиционных посеребренных контактов: таким образом, вакуумные выключатели имеют недостаток по сравнению с выключателями SF6, выражающийся в более интенсивном рассеянии тепла при больших значениях номинального тока (2500 А и более). Контакты вакуумного выключателя, защищенные от окисления, могут испытывать неограниченный нагрев в отличие от контактов других выключателей, но тепло, создаваемое выключателем должно отводиться в окружающую среду при соблюдении допустимых температурных пределов на соединениях и контактах; именно поэтому вакуумные выключатели большого номинала характеризуются тем, что имеют соединения и радиаторы особо большого размера. Независимо от их окружения, вакуумные выключатели также имеют ограничения по нагреву, не из-за материала, из которого они изготовлены, или технологии их изготовления (высокотемпературная пайка), но в силу свойств газа проникать через металлические стенки (например, в сильфоне), которые начинают активно проявляться, что касается атмосферного водорода при температуре выше 200-250 °С.
Следует сделать вывод, что технология отключения в вакууме хорошо подходит для применения в выключателях общего назначения в сетях среднего напряжения и отвечает всем обычным требованиям и характеристикам по напряжению, номинальному току и отключающей способности. Для специальных видов применения, например для управления индуктивной или емкостной нагрузкой должны приниматься особые меры предосторожности или лучше использовать другие технологии.

Применение контакторов в сетях среднего напряжения

В данном случае речь идет о применении, особенно хорошо адаптированном к технологии отключения в вакууме, который, кроме того, занимает доминирующую позицию на этом направлении. В действительности, отключаемый ток находится в диапазоне, где токи легко прерываются дугой в вакууме в режиме рассеивания, с использованием контактов простой конфигурации и изготовленных из материалов, имеющих небольшой износ, то есть обладающих прекрасной электрической износостойкостью. Усилие сжатия контактов может быть слабым, поскольку номинальный ток небольшой, и ток повреждения ограничивается соответствующими предохранителями, кроме того, материал контактов имеет очень слабую свариваемость и, следовательно, обладает определенной способность к отталкиванию. Напряжение питания двигателей среднего напряжения, значения которого находятся в нижней части диапазона СН (обычно 7,2 кВ), позволяет устанавливать небольшой ход контактов (порядка 4 мм) и использовать компактные контакторы с большой механической износостойкостью, которые особенно хорошо подходят для устройств с электромагнитным управлением.
Все эти преимущества обуславливают успешное применение технологии отключения в вакууме при использовании контакторов в сетях среднего напряжения. Однако, не следует забывать о риске возникновения перенапряжений при отключении индуктивных цепей (двигатель в фазе пуска, вакуумный трансформатор), что свойственно отключению в вакууме, и учитывать необходимость использования соответствующей защиты (см. раздел 3). Эта проблема, общая для всех типов вакуумных выключателей, требует особого внимания при обеспечении управления двигателями, которые являются электроприемниками, чувствительными к перенапряжениям.
Применение выключателей нагрузки и разъединителей в сетях среднего напряжения
Технология отключения в вакууме, которая позволяет использовать автоматические выключатели и контакторы в сетях среднего напряжения, является также методикой, которая может применяться для обеспечения более простых требований, а именно, в выключателях нагрузки. Однако применение этой технологии в таком направлении имело ограниченный успех. В действительности, выйти на невысокие рабочие характеристики, в целом, можно, используя более экономичный метод отключения в воздухе или в элегазе. И, прежде всего, функция прерывателя часто связана с функцией разъединителя, которая успешно обеспечивается с помощью технологии отключения в воздухе или элегазе, но не в вакууме. Поэтому соединение вакуумного выключателя с обычным разъединителем делает это решение неконкурентноспособным.
Невозможность обеспечить секционирование с помощью вакуумного выключателя объясняется нарушением соответствия напряжения установленным нормам в результате ухудшения состояния поверхности контактов под действием механических и электрических операций. Это нарушение не позволяет гарантировать электрическую прочность, которой без особых трудностей удалось добиться при приведении в соответствие с нормами по напряжению нового выключателя. Кроме того, невозможность постоянно контролировать целостность диэлектрической среды в вакуумном выключателе также является фактором, тормозящим его использование в качестве разъединителя.
В случае использования выключателя нагрузки включение на короткое замыкание оказывает неблагоприятное воздействие прежде всего на электрическую прочность между контактами, поскольку за этим включением не следует отключение, способное эродировать шероховатости, образовавшиеся в результате разрыва сварного соединения контактов при предварительном зажигании.
Чтобы избежать значительного снижения электрической прочности в случае последовательных включений при коротком замыкании, контакты выключателя нагрузки изготавливаются из материалов с очень слабой свариваемостью, таких как WCu, взамен CuCr, используемого для производства автоматических выключателей.
Для особых видов применения, требующих обеспечения большой электрической износостойкости оборудования (например, выключатели нагрузки для дуговых печей), отключение в вакууме является самой успешной технологией и широко используется, даже когда проблемы с возникновением перенапряжений, свойственных вакууму, в некоторых случаях вынуждают применять технологию SF6 несмотря на более низкие показатели износостойкости. Другим особым видом применения является выключатель нагрузки для конденсаторных батарей, функции которого могут обеспечиваться стандартным выключателем SF6, но для которого, при использовании вакуумной технологии, требуется специальный корпус. В действительности, электрический заряд конденсатора создает особо высокое восстанавливающееся напряжение на выводах выключателя. Поэтому электрическая прочность после отключения корпуса вакуумного устройства не является надежной, из-за возможности пробоя под действием частиц, генерируемых во время отключения (см. раздел 2).
Что касается параллельно соединенных конденсаторных батарей, включаемых отдельно, то риск повторного зажигания возрастает в силу действия тока большой частоты, создаваемого разрядом соседних конденсаторов на включенный конденсатор: этот ток включения определяет необходимость использования контактного материала с низкой свариваемостью, например, WCu, что несовместимо с применением вакуумного выключателя. Кроме того, чтобы избежать возможного прерывания высокочастотного тока включения во время фазы предварительного зажигания, из-за чего создается перенапряжение, оказывающее вредное действие на конденсаторные батареи, необходимо учитывать следующее: присоединение импульсных дросселей уменьшает частоту тока включения, увеличение скорости включения сокращает продолжительность предварительного зажигания. Выводы: технология отключения в вакууме может использоваться для управления емкостными нагрузками, но другие методы и, в частности, методика SF6 представляются более адаптированными к данному виду применения.