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

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
 

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.

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.

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.

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).

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

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.

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