История элегазовых выключателей

С тех пор, как они появились 40 лет назад, высоковольтные выключатели значительно изменились –  было разработано несколько принципов отключения тока, что постепенно способствовало большому снижению энергии необходимой для отключения. Эти выключатели подходят для установки, как в помещении, так и на открытом воздухе. Наружные выключатели выполняются в виде стоек, помещённых в керамический изолятор, устанавливаемый на опоре.

Отключение тока в высоковольтных выключателях достигается разъединением  двух контактов в определённой среде, такой как, например, SF6 (элегаз), имеющей отличные диэлектрические свойства и способность к гашению электрической дуги. После разъединения контактов ток проходит через дугу и прерывается, когда эта дуга охлаждается  струёй газа достаточной интенсивности.  

Струя  газа, воздействующая на дугу, должна быть способна охладить её так быстро, что температура между контактами снижается от 20 000 К до менее, чем 2 000 К, через несколько сотен микросекунд. Таким образом, становится возможным противостоять переходному восстанавливающемуся напряжению, которое возникает между контактами после прерывания тока. В современных высоковольтных выключателях используется элегаз или  гексафторид серы (при расчетном напряжении выше 52 кВ).  

В 80е годы прошлого столетия давление, необходимое, чтобы гасить дугу, создавалось газом, нагреваемым при помощи  той же самой дуги. В наши дни, чтобы привести в действие высоковольтные выключатели до 750 кВ, используются пружинные механизмы малой энергии.

Немного истории

Первые патенты на использование элегаза, как прерывающей среды, были зарегистрированы в 1938 году Виталием Гроссе (AEG) и независимо от него позже в США, в июне 1951 года,  Лингалом, Броуном и Штормом (компания «Вестингауз»). Первое применение S56  для прерывания электрического тока датируется 1953 годом.  Были разработаны высоковольтные переключатели нагрузки с напряжением от 15 до 161 кВ и с разрывной мощностью  600 Ампер. Первый высоковольтный автоматический выключатель тока, сконструированный компанией «Вестингауз» в 1956 году, мог прерывать ток силой в 5 кА под напряжением 115 кВ, но у него было 6 камер прерывания, расположенных на опоре поочерёдно. В 1957 году в элегазовых выключателях  был представлен  метод компрессии, где относительное перемещения поршня и цилиндра, соединённого с движущей частью, используется для создания давления достаточного для гашения дуги через форсунку, сделанную из изолирующего материала (рис 1). При использовании этого метода давление в основном поднимается за счёт сжатия газа.  Первый высоковольтный элегазовый выключатель  с высокой способностью к отключению больших токов  был разработан Вестингаузом в 1959 году. Баковый выключатель мог прерывать ток силой  41.8 кА под напряжением  138 кВ (10,000 МВ·A) и 37.6 кA под напряжением  230 кВ (15,000 MВ·A). Его эффективность была уже значительной, но три камеры на одну опору и источник высокого давления, необходимый для гашения (1.35 MPa), были ограничениями, которых следовало избежать в дальнейших разработках. Замечательные свойства элегаза привели к быстрому распространению этого метода.  В 70е годы прошлого века он стал использоваться в разработке элегазовых выключателей с высокой прерывающей способностью. Область их применения была ограничена напряжением до 750 киловольт.
Получение в 1983 г первой дугогасительной камеры с одиночным разрывом при напряжении 220 кВ, а также от 400 кВ до 500 кВ  и для 750 кВ, соответственно с 2, 3 и 4 камерами на полюс, привело к преобладанию элегазовых выключателей во всех сферах  высокого напряжения.

Успешное применение элегазовых  автоматических выключателей может объяснено несколькими их характеристиками:
- простота дугогасительной камеры, которая не нуждается во вспомогательных камерах;
- автономия, обеспечиваемая методом компрессии;
- возможность получить наивысшую производительность при прерывании тока до 63 кА со сниженным числом камер прерывания;
- короткое время выключения – от 2 до 5 циклов;
- высокая сопротивляемость воздействиям электрического тока, что позволяет использовать приспособление без восстановления в течение 25 лет;
- возможность компактных решений газоизолированных  распределительных устройств или гибридных распределительных устройств;
- применение интегрированных промежуточных реле или синхронизированных операций уменьшения коммутационного перенапряжения;
- надёжность при сравнительно невысокой стоимости;
- пониженный уровень шума .

Уменьшение количества дугогасительных камер на полюс  привело к значительному  упрощению элегазовых выключателей, к тому же ещё и уменьшив число требующихся составных частей и уплотнений. Всё это было позднее подтверждено в обозрении CIGRE (Международного Совета по большим энергетическим системам).

Эволюция энергии отключения

За 30 лет  энергия необходимая выключателю на отключение была снижена в 5 -7 раз. Это хорошо подтверждает тот факт, что за эти годы достигнуты большие успехи в области развития методов отключения  тока при помощи высоковольтных элегазовых выключателей.

Перспективы метода

В ближайшем будущем представленные технологии отключения смогут быть применены при отключении токов от 63 кА до 80кА в некоторых сетях с возрастающей выработкой энергии.  

В наши дни элегазовые выключатели автодутья или выключатели термического гашения применяются по всему миру. Они использовались в высоковольтном оборудовании концерна АВВ  в течение 25 лет, а позже – и концерном  Areva, с уровнем напряжения 66 кВ*.

Испытания при высокой мощности

Отключающая способность токов короткого замыкания в высоковольтных элегазовых выключателях такова, что она не может быть произведена единственным источником, способным вырабатывать достаточную мощность.  В специальной схеме используется генератор, который обеспечивает ток короткого замыкания для прерывания основного тока, а затем  подводится восстанавливающееся  напряжение от источника через вводы элегазового выключателя. Испытания обычно проводятся при однофазном токе, но иногда может быть использовано и три фазы.

Проблемы, связанные с элегазовыми выключателями

С элегазовыми выключателями связывают следующие проблемы:

Гексафторид серы является газом, вызывающим «парниковый эффект»

SF6 являет собой наибольшую угрозу  из тех веществ, воздействие которых на окружающую среду оценила Межправительственная Комиссия по контролю за изменением климата,  как газ, способный привести к парниковому эффекту. Его способствование глобальному потеплению  в  23 900 больше, чем у CO2. Согласно Киотскому протоколу SF6 классифицирован как газ ограниченного применения.

Токсичные газы низшего порядка

Когда электрическая дуга создаётся в  среде с небольшим количеством  SF6, образуются газы низшего порядка. Некоторые из этих побочных продуктов токсичны и могут вызвать болезненное раздражение глаз и дыхательной системы. 

Замещение кислорода

SF6 тяжелее воздуха, поэтому необходимо соблюдать осторожность при входе в низко расположенные замкнутые помещения, в которых может скопиться этот газ, во избежание риска реакции замещения кислорода.

* Новые технологии дугогашения и привода для  повышения отключающей способности и надежности  высоковольтных выключателей, СИГРЭ сессия 1998 года.