Поиск по сайту
Начало >> Статьи >> Перспективы применения вакуумных выключателей 110–220кВ

Перспективы применения вакуумных выключателей 110–220кВ

А. Назарычев, главный инженер ООО «Контакт T&D», зав. кафедрой Ивановского энергетического университета, проректор по научной работе ПЭИПК, д.т.н., профессор; А. Суровов, директор ООО «Контакт T&D»; В. Чайка, главный конструктор ОАО «НПП «Контакт»; А. Таджибаев, ректор Петербургского энергетического института повышения квалификации (ПЭИПК), д.т.н., профессор

Техническое перевооружение распределительного электросетевого комплекса является основой модернизации экономики регионов России. Разработанная в Холдинге МРСК Программа реновации электросетевого комплекса на период с 2011 по 2020 г., в качестве первоочередных задач ставит снижение износа оборудования до 46—48%, потерь электроэнергии — до 6,1%, а также двукратное снижение количества технологических нарушений.

 Воздушные и масляные выключатели

 Важнейшим оборудованием распределительных сетей являются коммутационные аппараты, от работы которых зависит надежность всех подстанций, линий электропередачи и распределительных устройств во всех режимах эксплуатации.

 Выключатели высокого напряжения являются основными коммутационными аппаратами в электрических установках и служат для отключения и включения цепей в любых режимах: номинальном длительном, при перегрузках, коротких замыканиях (КЗ), холостом ходе, несинхронной работе. Наиболее тяжелой и ответственной операцией является отключение токов КЗ и включение на существующее короткое замыкание. Общее количество высоковольтных выключателей напряжением 110—750 кВ, находящихся в эксплуатации, составляет около 30 тысяч. По классам напряжения они распределены так, как показано в табл. 1.

Табл. 1. Распределение общего количества парка высоковольтных выключателей по классам напряжения 110—750 кВ

Номинальное
напряжение,
кВ

Общее количество выключателей, шт.

Количество выклю­чателей от общего числа, %

110

24 150

80,5

220

4560

15,2

330

360

1,2

500

900

3

750

25

0,1

Из табл. 1 видно, что наибольшее количество выключателей — 95,7% эксплуатируется в классе напряжения 110—220 кВ.

 Достаточно длительное время в энергосистемах в этих классах напряжения применялись масляные баковые, маломасляные колонковые и воздушные выключатели различных типов. Сегодня число выключателей, отработавших  нормативный срок службы, составляет 40% от общего количества выключателей, находящихся в эксплуатации, в том числе отработали свой нормативный ресурс 90% баковых масляных выключателей типа МКП-110 и 40% выключателей типа У-110, 30% воздушных выключателей ВВН-110, 40% воздушных выключателей ВВН-220. За последние годы заметно выросло количество повреждений отечественных выключателей. Основными причинами являются:
• износ основных сборочных узлов выключателей;
• несовершенство конструкции, находящихся в эксплуатации аппаратов;
• несоответствие климатическим условиям эксплуатации;
• дефекты, обусловленные низким качеством ремонта и применяемых при ремонте материалов;
• дефекты изготовления;
• нарушения нормативных и директивных документов по срокам ремонта и режимам эксплуатации;
• установка в цепях шунтирующих реакторов и конденсаторных батарей, для коммутации которых выключатели не предназначены;
• установка в цепях, где токи КЗ и восстанавливающее напряжение превышают нормированные параметры выключателя.

 Положения Технической политики в распределительном  сетевом комплексе предъявляют к современным выключателям высокого напряжения следующие достаточно высокие требования:
• надежное отключение любых токов (включая токи КЗ);
• быстрота операций, т.е. наименьшее время отключения и включения;
• пригодность для быстродействующего автоматического повторного включения, т.е. быстрое включение выключателя сразу же после отключения;
• возможность пофазного (пополюсного) управления для выключателей 110 кВ и выше;
• наличие коммутационного и механического ресурса, обеспечивающего межремонтный период эксплуатации не менее 15—20 лет;
• минимальное количество операций технического обслуживания в процессе эксплуатации;
• максимальное уменьшение массогабаритных показателей;
• сокращение эксплуатационных расходов;
• взрыво- и пожаробезопасность.

 Эти требования трудновыполнимы при традиционных методах гашения дуги в масле или воздухе. Возможности дальнейшего существенного совершенствования выключателей с традиционными способами гашения дуги практически исчерпаны.

Вакуумные и элегазовые выключатели

 Выполнение повышенных требований к выключателям возможно при использовании в распределительных устройствах  подстанций современных элегазовых и вакуумных выключателей (ВВ). В настоящее время выключатели с вакуумными и элегазовыми дугогасящими устройствами (ДУ) вытесняют масляные, электромагнитные и воздушные выключатели. Дело в том, что ДУ вакуумных и элегазовых выключателей не требуют ремонта по крайней мере в течение 20 лет, в то время как в масляных выключателях масло при отключениях загрязняется частицами свободного углерода и, кроме того, изоляционные свойства масла снижаются из-за попадания в него влаги и воздуха. Это приводит к необходимости смены масла не реже 1 раза в 4 года. Дугогасящие устройства воздушных выключателей примерно в эти же сроки требуют очистки. Кроме того, у изношенных воздушных выключателей имеются утечки сжатого воздуха из ДУ, что исключает возможность нормального оперирования.  Дугогасящие устройства вакуумных и элегазовых выключателей заключены в герметичные оболочки, и их внутренняя изоляция не подвергается воздействию внешней среды. Электрическая дуга при отключениях в вакууме или в элегазе также практически не снижает свойств дугогасящей и изолирующей среды.

 Нормативными документами ФСК ЕЭС и Холдинга МРСК закреплено решение о преимущественном применении при строительстве, реконструкции, техническом перевооружении  и замене оборудования подстанций напряжением 330—750 кВ элегазовых выключателей, а на подстанциях напряжением 6, 10, 20, 35 кВ — вакуумных выключателей. В классе напряжения 110—220 кВ сегодня на вновь вводимых в эксплуатацию подстанциях, как правило, в отсутствии каких-либо альтернативных вариантов предлагается применять элегазовые выключатели, которые при всех своих достоинствах имеют и ряд следующих проблемных моментов.

 Физические особенности применения в высоковольтных  выключателях элегаза (гексафторида серы — SF6) в качестве изолирующей и дугогасящей среды подразумевают необходимость поддержания в ДУ повышенного давления (1,5—2,5 атм.) для обеспечения требуемого уровня коммутационной  способности и электрической прочности межконтактного промежутка.  В процессе длительной эксплуатации  выключателя возможны утечки элегаза. При этом давление в дугогасящей камере снижается. В вакуумных выключателях современные  технологии изготовления вакуумных  дугогасительных камер (ВДК) доведены до уровня, который гарантирует  необходимый вакуум на протяжении  всего срока службы ВДК — 25—40 лет.

 Давление в ДУ элегазовых выключателей может также снижаться при значительных колебаниях температуры  окружающей среды. В случае падения давления ниже заданных пределов критической величины, которая определяется индивидуально для различных типов ДУ, существует опасность пробоя элегазового промежутка  или отказа выключателя в момент выполнения коммутации. Для предотвращения такого рода отказов необходимы наличие в элегазовом выключателе контроля рабочего давления в дугогасящей камере с помощью  манометра и своевременная подкачка элегаза до заданных пределов.  Кроме того, при интеграции элегазовых выключателей в систему цифровой подстанции стоимость организации передачи информации о давлении элегаза сопоставима со стоимостью самого выключателя. Вакуумный же выключатель может эксплуатироваться в диапазоне изменения  температур от +50о до -60°С, при этом датчик контроля состояния вакуума устанавливать в ВДК не требуется.

 Например, известен случай блокировки цепей управления 59 элегазовых баковых выключателей 110—500 кВ производства ряда европейских компаний при температуре окружающего воздуха -41°С в Тюменской области в 2006 году из-за несовершенства конструкции,  недостаточной мощности, низкой надежности обогревающих устройств баков и недостатков системы  контроля давления (плотности) элегаза. Поэтому при выборе выключателей для регионов с холодным климатом предпочтение следует отдавать либо выключателям, заполненным газовой смесью, не требующей подогрева,  либо необходимы: установка дополнительной теплоизоляции баков, дополнительный обогрев импульсных газовых трубок, увеличение мощности подогревателей. Все это усложняет и удорожает конструкцию элегазовых выключателей и увеличивает расход  электроэнергии на собственные нужды, а значит, делает элегазовые выключатели энергонеэффективными. Следует также отметить и относительно высокую стоимость производства, очистки и утилизации элегаза.

 Несмотря на доказанную практикой  эксплуатации безвредность элегазовых выключателей при нормальных режимах работы, тем не менее, экологические проблемы остро возникают при ремонте и утилизации отработавших нормативный ресурс выключателей. Дело в том, что некоторые  продукты разложения элегаза весьма токсичны и могут наносить вред человеку и окружающей среде. В табл. 2 приведена степень опасности продуктов разложения элегаза.

Табл. 2. Степень опасности продуктов разложения элегаза SF6
 

Продукты
разло­жения
элегаза

Степень
токсич­
ности

Запах

Степень содержания в аппарате

Срок жизни после выброса в атмоcферу

Опасность для здоровья человека

CF4

нет

средняя

неизвестен

нет

(HF)2

средняя

резкий

низкая

неизвестен

низкая

S02

средняя

едкий

средняя

неизвестен

(запах)

 

высокая

едкий

высокая

минуты

высокая

SiF4

высокая

резкий

средняя

минуты

(первые

WF6

высокая

резкий

средняя

минуты

минуты после выброса)

SOF2

высокая

про­
тухшие
яйца

средняя

от минут до часов

относительно
высокая

CuF2, AiF3

средняя

едкий

высокая

при вдыхании
и попадании на кожу

S2F10

очень
высокая

неиз­
вестен

очень низкая

часы

низкая

Анализируя табл. 2, можно сделать вывод о том, что наиболее опасным в экологическом отношении является попадание в окружающую среду как самого элегаза, так и продуктов его разложения, в составе которых имеются  токсичные вещества. Так как экологические требования сегодня выходят на первый план, законодательство  России и стран-участниц Монреальского протокола запрещают выброс в атмосферу фторосодержащих веществ, к которым относится и элегаз. Поэтому для обеспечения безопасности и выполнения современных  экологических требований, повышения качества и культуры эксплуатации при внедрении элегазового оборудования необходимо оснащение предприятий распределительного электросетевого комплекса современными  газотехнологическими аппаратами,  а также оборудованием для очистки элегаза и утилизации продуктов его разложения, что потребует серьезных финансовых затрат.

 В соглашении (Пакт о климатических изменениях), подписанном большинством стран мира в японском городе Киото в 1997 г., имеется прямое упоминание относительно SF6, как о потенциально опасном газе, обладающем  тепличным (парниковым) эффектом, и участникам соглашения предписывается воздерживаться от его применения. Поэтому во многих странах были предприняты попытки, направленные на разработку высоковольтных ВДК, которые заменили бы действующие сегодня повсеместно элегазовые выключатели.

 Вакуумные выключатели идеальны с экологической точки зрения, обладают  высокой надежностью, имеют больший коммутационный ресурс и могут работать при температурах до -60°С.

 В классе напряжений 6—35 кВ вакуумные выключатели давно потеснили  позиции элегазовых и успешно эксплуатируются более 15 лет. При модернизации и новом строительстве ЗРУ 6—10 кВ на подстанциях ФСК ЕЭС и Холдинга МРСК иные типы выключателей  помимо вакуумных, совсем не рассматриваются. Единственное исключение — ЗРУ-6 кВ некоторых АЭС и ТЭЦ, где из-за сложившихся стереотипов о возможных перенапряжениях при работе вакуумных выключателей, все еще рассматривается установка элегазовых выключателей, причем как правило, импортного производства — Schneider Electric, АВВ, Areva.

 Разработка вакуумных выключателей 110—220 кВ неоднократно обсуждалась в докладах и материалах Международного симпозиума по разряду  и электрической изоляции в вакууме (ISDEIV — International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum), что, несомненно, указывает на интерес разработчиков и производителей  вакуумной коммутационной техники к высоким классам напряжения. На основе материалов симпозиума  можно говорить о следующих тенденциях исследования и развития вакуумной коммутационной техники на высокие классы напряжения:
• снижение габаритов вакуумных выключателей возможно за счет оптимизации по электрической прочности контактной системы ВДК и повышения плотности отключаемых токов на единицу площади контактов;
• на основе новейших результатов исследований электрической прочности  в вакууме создание конструкций  выключателей и ВДК на большие классы напряжений (конструирование одноразрывных камер на большие напряжения) и конструктивных решений по многоразрывным камерам и многокамерным выключателям;
• решение проблемы обеспечения восстановления электрической прочности в ВДК после погашения дуги. Эрозионные процессы и термический разогрев контактов значительно ограничивают скорость и уровень восстановления электрической прочности ВДК. Современный уровень знаний позволил разработать ВДК на напряжение до 145 кВ, что позволяет создать одно- и двухразрывные вакуумные выключатели 110 кВ и двухразрывные вакуумные выключатели 220 кВ;
• продолжаются работы по оптимизации  материалов контактов и конструкции ВДК.

Вакуумные дугогасительные камеры

 История развития ВДК на высокие классы напряжения насчитывает в мире уже немало лет. Такие страны, как Россия, Германия, Франция, Великобритания, США, Китай, активно проводят исследования по созданию вакуумных выключателей на высокие напряжения и большие отключаемые токи. Фирмой «Сименс» разработаны вакуумные генераторные выключатели  с номинальными токами отключения  до 80 кА. Задача пропускания больших номинальных токов в этих аппаратах решается путем параллельного  соединения нескольких вакуумных дугогасительных камер в каждом полюсе.

 Наиболее существенные результаты были получены в Японии, что связано с растущим потреблением энергии в этой стране, а также с аспектами национальной безопасности. В итоге последние достижения: на внутреннем рынке Японии появились ВДК на напряжение 126 кВ, 145 кВ (рис. 1, длина 700 мм, диаметр 200 мм, контакты Cu-Cr, с аксиальным магнитным полем) и даже фарфоровая сдвоенная ВДК на напряжение 168 кВ.

 В энергосистемах Японии на протяжении нескольких лет успешно эксплуатируются двух- и одноразрывные вакуумные выключатели на базе ВДК на напряжение 126—168 кВ, на номинальные токи до 2000 А и номинальный  ток отключения до 40 кА. На рис. 2, 3 представлены примеры таких вакуумных выключателей.

Вакуумная дугогасительная камера на 145 кВ японской компании АЕ Power System Corporation

Рис. 1. Вакуумная дугогасительная камера на 145 кВ японской компании АЕ Power System Corporation

Двухразрывный вакуумный выключатель VCB 168 кВ/31,5 КА/2000А

Рис. 2. Двухразрывный вакуумный выключатель VCB 168 кВ/31,5 КА/2000А

Рис. 3. Одноразрывный вакуумный выключатель VCB 145 кВ/40 КА/2000А

Рис. 3. Одноразрывный вакуумный выключатель VCB 145 кВ/40 КА/2000А

В настоящее время в Японии одним из главных направлений стало применение ВДК не только в диапазоне  средних значений напряжения, но также и в высоковольтных распределительных устройствах подстанций, что обусловлено такими уникальными свойствами ВДК, как высокая отключающая  способность, долговечность, безопасность и экономичность.

 Также в Японии прослеживается тенденция совмещения высокоскоростных ВДК с технологией сверхпроводимости.  Ведутся активно исследования  по проблеме применения сверхпроводящих материалов в конструкциях ВДК. Выяснилось, что такое нововведение подошло бы для устройств ограничения тока в мощных энергетических системах. Целый ряд лабораторных исследований проводится  с целью установления принципов работы таких устройств, в которых ограничитель тока подключался бы к элементу с высокотемпературной сверхпроводимостью параллельно цепи мощного источника энергии. Когда сверхпроводящий элемент начинает гасить ток в результате перегрузки, ВДК легко размыкает цепь и направляет весь ток в ограничитель тока, что приводит к сохранности сверхпроводящего материала и сокращению его размеров.

 Россия, в части разработки и внедрения  вакуумных выключателей на напряжение 110—220 кВ идет в ногу со своими японскими коллегами и значительно опережает европейских ученых и инженеров. В 2008 г. ФГУП ВЭИ (г. Москва) успешно провел испытания опытных образцов российских ВДК типов КДВ-60-31,5/2000 и КДВ-126-40/3150, рассчитанных соответственно на напряжение 60 и 126 кВ переменного тока частотой 50 Гц, предназначенных для комплектации двухразрывных и одноразрывных вакуумных выключателей 110—220 кВ.

 Камера КДВА-60-31,5/2000 представлена на рис. 4., рассчитана на номинальное напряжение 60 кВ, 50 Гц и предназначена для двухразрывного вакуумного выключателя на напряжение 110 кВ (наибольшее рабочее напряжение 126 кВ), номинальный ток отключения 31,5 кА, номинальный ток 2000 А.

Вакуумная дугогасительная камера КДВА-60

Рис. 4. Вакуумная дугогасительная камера типа КДВА-60-31,5/2000

Камеру следующего поколения — КДВ-126-40/3150, представленную на рис. 5, предполагается использовать для комплектации одноразрывного вакуумного выключателя на напряжение 110 кВ, 50 Гц, на номинальный ток 3150 А, и номинальный ток отключения 40 кА. Кроме того, в перспективе на ее основе может быть создан двухразрывный вакуумный выключатель на напряжение 220 кВ.

Вакуумный выключатель двухразрывный типа ВБП-110III

Рис. 5. Вакуумная дугогасительная камера типа КДВ-126-40/3150

Первый российский вакуумный выключатель на напряжение 110 кВ начали разрабатывать в 2007 г. в г. Саратове на ОАО «НПП «Контакт». Технические требования на коммутационный аппарат были согласованы с ФСК ЕЭС. В 2009 г. на предприятии был изготовлен опытный образец двухразрывного вакуумного выключателя на базе камер КДВА-60-31,5/2000 с пружинно-магнитным приводом (рис. 6).

Вакуумный выключатель  ВБП-110III

Рис 6. Вакуумный выключатель двухразрывный типа ВБП-110III-31,5/2000 УХЛ 1

В этом же году начались полномасштабные испытания выключателя в лабораториях самого завода, ФГУП ВЭИ и НИЦ ВВА. Параллельно шел диалог со специалистами-эксплуатационниками, появлялись рекомендации, вносились изменения в конструкцию выключателя.

 В 2010 г. на основании положительных результатов испытаний был получен сертификат на первый российский вакуумный выключатель 110 кВ и началось серийное производство ВБП-110кВ.

 Небольшой период времени, затраченный ОАО «НПП «Контакт» на разработку и постановку на производство ВБП-110 кВ, объясняется использованием в конструкции выключателя технических решений и узлов, серийно производимых для вакуумных выключателей серии ВБПС-35кВ. К ним относится пружинно-магнитный привод (для ВБП-110 кВ привод был усилен, изменены настройки), полюса выключателя,  механические узлы тяг и валов. Параметры выключателя ВБП-110 приведены в табл. 3.

Табл. 3 Основные параметры выключателя ВБП-110III-31,5/2000 УХЛ 1

Номинальное напряжение, кВ

126

Номинальный ток, А

2000

Номинальный ток отключения, кА

31,5

Ток электродинамической стойкости, кА

80

Ток термической стойкости, кА

31,5

Собственное время включения, мс

85

Собственное время отключения, мс

30

Тип провода

пружинный

Ресурс по механической стойкости

10 000

Ресурс по коммутационной стойкости

10 000

Ресурс по коммутационной стойкости при номинальном токе отключения

25 циклов ВО

Категория размещения и климатическое исполнение

УХЛ 1

До конца 2010 г., по согласованию с Холдингом МРСК первые серийные ВБП-110 кВ будут смонтированы на подстанциях филиалов Холдинга МРСК — МРСК Центра и Приволжья, Северо-Запада, Сибири, Волги, Северного Кавказа.

 В 2009—2010 гг. на базе камеры КДВ-126-40/3150 разработан одноразрывный вакуумный выключатель на напряжение 110 кВ, 50 Гц, номинальный ток 3150 А и номинальный ток отключения 40 кА. Выключатель имеет классическую для колонковых выключателей компоновку.  Внешний вид выключателя типа ВБП-110III-40/3150 УХЛ1 приведен  на рис. 7. Серийное производство  такого выключателя планируется  начать уже в 2011 г. Как и в двухразрывном выключателе, в ВБП-110III-40/3150 УХЛ1 предполагается  использование ранее разработанных и проверенных в условиях эксплуатации (на выключателях класса 35 кВ и на первых ВБП-110 кВ) узлов и конструктивных решений.

Рис. 7. Внешний вид одноразрывного вакуумного выключателя типа ВБП-110III-40/3150 УХЛ1, разработанного ОАО «НПП «Контакт»

ВБП-110III-40

Преимуществами выключателей ВБП-110III-31, 5/2000 и 40/3150 УХЛ1 являются:
• экологическая безопасность;
• возможность ручного включения и отключения;
• большой коммутационный и механический ресурс;
• устойчивая работа в сложных климатических условиях;
• механизм свободного расцепления  привода, позволяющий отключать выключатель в любой момент независимо от положения механизма;
• пожаро- и взрывобезопасность;
• малые габариты и вес.

 Для распределительного электросетевого комплекса России при выборе элегазовых или вакуумных выключателей  решающее значение могут иметь ремонтно-эксплуатационные расходы за весь нормативный период эксплуатации. Проведенные расчеты  показали, что ремонтно-эксплуатационные расходы элегазовых выключателей значительно выше (до 100—300 раз), чем у вакуумных.

 Уникальные разработки российских  ученых и инженеров двухразрывного и одноразрывного вакуумного  выключателей позволят не только создать реальную альтернативу  элегазовым выключателям, но и быть основой программы замены масляных выключателей и пар отделитель-короткозамыкатель (ОД-КЗ) 110 кВ, а в будущем и 220 кВ. Кроме того, применение инновационных видов вакуумных выключателей высокого напряжения позволит развивать и совершенствовать  распределительные устройства 110—220 кВ для создания новых блочно-модульных схемных решений, обеспечивающих:
• экологическую безопасность оборудования;
• высокую степень надежности и безопасности эксплуатации;
• повышение уровня заводской готовности и укрупнение блочности поставки;
• максимальное уменьшение массо-габаритных показателей;
• сокращение эксплуатационных расходов и обеспечение удобства выполнения технического обслуживания и ремонта;
• развитие необслуживаемых дистанционно  управляемых цифровых подстанций;
• создание закрытых распредустройств КРУ и ЗРУ-110 кВ с воздушной и комбинированной изоляцией, без использования элегаза.

 Применение вакуумных выключателей 110—220 кВ особенно актуально при использовании в комплектной подстанции необслуживаемых, не содержащих масла и элегаза трансформаторов  тока и напряжения. Такие трансформаторы — с оптическими  датчиками — широко используются  в Северной Америке и Канаде, где вопрос экологической безопасности оборудования стоит на первом месте. Оптические трансформаторы тока и напряжения легко интегрируются в системы цифровой подстанции, т.к. имеют на выходе цифровые сигналы.

 В следующих статьях мы рассмотрим  идеологию построения современных  блочных подстанций 110 и 220 кВ с применением самых современных  электрических аппаратов и конструктивных решений, в том числе и описанных в данной статье вакуумных  выключателей 110—220 кВ и оптических трансформаторов тока и напряжения.

Источник: ruscable.ru

 
« Перенапряжения при коммутации шунтирующих реакторов 500кВ элегазовыми выключателями   Перспективы развития ваккумных выключателей »
Карта сайта + все метки | Контакты
© Электроэнергетика При перепечатке и цитировании активная гиперссылка на сайт обязательна.