Тенденции и направления развития коммутационной аппаратуры высокого напряжения в ближайшие 10-20 лет определились окончательно. Анализ состояния развития коммутационной аппаратуры и смежных областей техники показывает, что в ближайшие 10-20 лет трудно рассчитывать на появление к широкое распространение конкурентоспособных аппаратов с использованием принципиально новых сред для дугогашения и изоляции. Параметры полупроводниковых приборов и характеристики сверхпроводящих материалов таковы, что в ближайшее время трудно ожидать серьезной конкуренции традиционным современным аппаратам высокого напряжения со стороны полупроводниковых выключателей и аппаратов с использованием сверхпроводящих материалов.
Следовательно, в ближайшие годы на мировом рынке будет доминировать вакуумная и элегазовая коммутационная аппаратура.
Корпорацией «Росэнерго» предусмотрена разработка элегазовых выключателей на все классы напряжений, комплектных распределительных устройств с элегазовой изоляцией на напряжение 110-500 кВ, комплектных распределительных устройств с вакуумными выключателями на напряжение 10-35 кВ.
Из всей номенклатуры элегазовых аппаратов открытым остается вопрос разработки и производства элегазовых выключателей 6- 10 кВ на большие номинальные токи (2000-3150 А) и токи отключения (31,5-40 кА), предназначенных в основном для собственных нужд электростанций взамен электромагнитным и маломасляным.
На средине классы напряжений (10-24 кВ) одновременно с элегазовыми выключателями предусматриваются разработка и серийное производство вакуумных выключателей нового поколения. Использование вакуумных дугогасительных камер резко повышает коммутационной и механический ресурс выключателей, позволяет их эксплуатировать без проведения среднего и внеочередных ремонтов в течение всего срока службы выключателей. Сочетание с простым по конструкции приводом делает вакуумные выключатели наиболее надежными из всех типов коммутационных аппаратов.
Дальнейшее развитие коммутационной аппаратуры в первую очередь направлено на удовлетворение требований потребителей, на повышение экономичности аппаратуры, снижение эксплуатационных расходов, повышение ее надежности и срока службы.
Среди путей, которыми решаются перечисленные задачи, можно отметить следующие:
повышение надежности оборудования, применение электронных и микропроцессорных устройств для управления и диагностики;
улучшение технико-экономических характеристик за счет снижения материалоемкости изделий и трудоемкости производства, уменьшения габаритов, создания аппаратуры новых поколений, применение выключателей с контролируемым моментом включения и отключения (аппаратов с синхронной коммутацией) для оптимизации защиты сети от перенапряжений и перегрузок, а также для снижения воздействия на оборудование;
решение вопросов электромагнитной совместимости;
продление срока службы находящихся в эксплуатации выключателей за счет совершенствования их обслуживания и проведения их модернизации с введением новых конструктивных элементов. Проводится модернизация маломасляных выключателей 110 и 220 кВ серии ВМТ; сначала устраняются дефекты конструкции, выявленные в период эксплуатации, затем проводятся работы по совершенствованию конструкции выключателей. При модернизации воздушных выключателей основное внимание уделяется повышению качества резинотехнических деталей и уплотнений. Кроме того, разработана исключающая выпадение росы внутри выключателей при нормальных условиях эксплуатации установка сушки и очистки сжатого воздуха с применением прогрессивной короткоцикловой безнагревательной адсорбции.
В последние десятилетия во всем мире уделяется большое внимание вопросам надежности коммутационной аппаратуры, поиску путей ее повышения. За это время значительно вырос ресурс выключателей, заметно снизилось число крупных повреждений выключателей во время эксплуатации. Это объясняется несколькими причинами - использованием более совершенных видов аппаратов вместо устаревших (элегазовых вместо воздушных, вакуумных вместо маломасляных и др.), усилением контроля за всеми операциями в процессе изготовления аппаратов на заводе, применением специальных устройств для диагностики и мониторинга во время эксплуатации.
Существующие системы диагностики дают возможность прогнозировать изменение изоляционных, коммутационных и других характеристик аппаратов в процессе эксплуатации. Однако с применением все более сложных диагностических систем, с одной стороны, увеличивается объем получаемой информации о выключателе в процессе эксплуатации, с другой - увеличивается стоимость выключателя и введение дополнительных элементов может стать дополнительным источником отказов. Кроме того, эффективность диагностической системы определяется тем, насколько оперативно анализируется дополнительно получаемая информация и насколько адекватны ситуации решения, которые принимаются по результатам анализа информации.
Более 40 % отказов выключателей связано с неисправностью привода. При этом чем больше требуемая энергия привода, тем больше его повреждаемость. Поэтому широкое распространение получают выключатели с малой энергией привода, например, для средних напряжений вакуумные и элегазовые выключатели, работающие на принципе автогенерации давления за счет нагрева газа дугой.
С точки зрения зарубежного потребителя, приводные механизмы современного выключателя должны отвечать следующим требованиям:
аккумулятор энергии управляющего механизма должен запасать энергию для осуществления необходимой последовательности операций; желательна приспособляемость к обеспечению сложных циклов операций;
необходима быстрая перезарядка аккумулятора после выполнения стандартной последовательности операций, например, при частых коммутациях линий, испытаниях защиты, работ по обслуживанию и малых времен заряда из разряженного состояния;
аккумулятор энергии каждого выключателя заряжается от электрического источника установки. Для снижения эксплуатационных расходов необходимая для перезарядки приводов выключателей энергия должна быть ограничена;
время отключения выключателя составляет три, а для более высоких номинальных параметров - два полупериода; необходимы малые времена действия в циклах включено-отключено;
разновременность полюсов должна быть меньше 5 мс; время действия и разновременность включения полюсов должны быть в большей степени независимы от внешних воздействий, фактической мощности управляющего механизма и времени между коммутационными операциями;
соединения между механизмами и оперативной тягой, вспомогательным выключателем и индикатором положения выключателя должны быть жесткими; масло в электрогидравлических приводных механизмах можно считать таким соединением; контакты не должны приходить в движение, если запасенная в приводе энергия недостаточна;
потребляемая мощность вспомогательных цепей должна быть ограничена, чтобы сохранять емкость батареи и сечение проводников в экономических пределах даже в случае аварии в шкафу управления, иметь низкий уровень шума;
длительная работоспособность (10 лет) и небольшие расходы на обслуживание.
Выдвинутым требованиям для элегазовых автокомпрессионных выключателей полностью соответствуют электрогидравлические приводные механизмы, в значительной степени пружинные механизмы и пневмоприводы.
Новейшие электрогидравлические приводы имеют следующие характеристики: автономную систему управления; единый
конструктивный узел привода; простые взаимозаменяемые модули, устройства демпфирования, объединенные в приводном цилиндре Приводы удовлетворяют различным требованиям по энергиям, необходимым для обеспечения коммутаций, оборудованы контролирующими средствами, способны выполнять сложные циклы операций.
Пружинные приводные механизмы имеют следующие характеристики: отдельные пружины для операций включения и отключения; зарядку отключающей пружины через криволинейный диск; демпфирование движущихся масс посредством дополнительных приспособлений; защелкивание системы в положениях «включено» и «отключено», отсутствует необходимость контроля за аккумулятором энергии.
В последнее время во Всесоюзном электротехническом институте (ВЭИ) проведены исследования и испытания электромагнитного привода с простой кинематикой без механизма свободного расцепления для выключателей 10-35 кВ и токи отключения 20 кА и выше. Необходимые условия такой конструкции гарантированный рабочий зазор во включенном положении электромагнита, шихтованный магнитопровод из двух типов материалов с разными индукциями насыщения и в слабых магнитных полях, шунтирующая катушку диоднорезисторная цепь, электронный ключ управления.
В ВЭИ ведутся разработки пневмоприводов для генераторных выключателей в пофазном исполнении. При включении на КЗ предусмотрен форсированный сброс воздуха из полости силового цилиндра. Электромагниты управления пневмоклапаном на включение и отключение работают от транзисторной схемы, с электронной и силовой блокировкой сигналов включения при наличии сигнала отключения.
Совершенствование характеристик коммутационной аппаратуры с целью уменьшения ее габаритов и материалоемкости, создание аппаратов новых поколений - одна из основных задач, к которой периодически возвращаются все фирмы, работающие в этой области.
С целью уменьшения габаритов и материалоемкости все фирмы проводят работы по увеличению эффективности дугогашения аппаратов, повышению напряжения на 1 разрыв, созданию КРУЭ в одной оболочке на все большие напряжения. Например, фирмой Hitachi проведены успешные испытания одноразрывного элегазового бакового выключателя на 550 кВ. Напряжение на разрыв вакуумных выключателей той же фирмы доведено до 84 кВ.
Однако следует заметить, что непрерывное повышение упомянутых характеристик может привести не к повышению экономичности аппаратов, а к снижению. Исходя из мирового опыта, например, для колонкового элегазового выключателя оптимальные решения получаются при напряжении на один разрыв 250000 кВ. Также не дает положительного результата увеличение напряжения на разрыв в вакууме выше 35 кВ при создании вакуумных выключателей на высокие (выше 110 кВ) напряжения.
К выключателям с контролируемым моментом включения и отключения в последние годы проявляется большой интерес.
Синхронизированные выключатели.
Синхронизированным называется выключатель, контакты которого размыкаются в строго определенный момент времени с опережением момента перехода отключаемого тока через нуль.
Гашение дуги в этом случае значительно облегчается, так как количество энергии, выделяющейся в дуге, намного уменьшается. В синхронизированном выключателе необходимо очень точно подать импульс на размыкание контактов за 1-2 мс до перехода тока через нуль и создать очень большую скорость движения контактов, чтобы к моменту нулевого значения тока и погасания дуги расстояние между контактами было достаточным для обеспечения необходимой электрической прочности промежутка и исключения возможности повторного зажигания дуги. Полное время отключения синхронизированного выключателя не превышает одного периода. Точность подачи импульса на отключение решается синхронизирующим устройством, а большая скорость движения контактов - специальным приводом.
Синхронизирующие устройства могут работать на различных принципах, но они достаточно сложны и требуют точнейших полупроводниковых приборов и другой новейшей техники.
Синхронизированные сверхбыстродействующие выключатели обеспечат ряд преимуществ, повышение динамической устойчивости работы систем при КЗ, так как отключение обеспечивается до первого перехода тока через нуль, увеличение срока службы контактов выключателя, так как нм не приходится отключать больших токов, большую отключающую способность.
За рубежом уже установлено и эксплуатируется более 500 таких выключателей (вакуумных и элегазовых). Аппараты с контролируемой фазой момента коммутации дают возможность снизить воздействия на оборудование, решить задачу оптимизации защиты сети от перенапряжений Для эффективного решения этих задач привод выключателя должен иметь очень стабильные характеристики, должны быть сведены к минимуму разбросы времени включения и отключения. Поэтому в ВЭИ проводятся работы по созданию быстродействующего вакуумного аппарата, включение которого может осуществляться путем пробоя промежутка (т.е. около 1 мкс) в любой заданный момент времени с очень высокой точностью. При этом аппарат имеет также контактную систему, которая после пробоя обеспечивает металлический контакт после завершения процесса выключения, а также способна гасить сильноточную дугу в процессе отключения.
В 1998 г. на сессии СИГРЭ обсуждались два направления: новые и альтернативные аппараты высокого и среднего напряжения, рабочие характеристики силовых выключателей и их стандартизация.
В первом направлении выделены вопросы разработок и эксплуатационного опыта: управляемая коммутация, возможности улучшения отключающей способности, усовершенствование дугогасящих и приводных механизмов, комбинированное и специальное использование коммутационных аппаратов, принципы применения альтернативных средств коммутации.
По второму направлению отмечены основные проблемы эксплуатации: коммутация конденсаторных батарей и фильтров, испытания на долговечность; основы определения предельных сроков использования аппарата; оценка работоспособности выключателей с большим сроком службы, влияние длинных промежутков времени между коммутациями; ухудшение характеристик выключателей при различных воздействиях; ограничения, определяемые существующими стандартами. Работы в указанном направлении продолжаются.
Из материалов книги: В.Я. Васильева, Т.Л. Дробиков, ВЛ. Лагутин - Эксплуатация электрооборудования электрических станций и подстанций.
