2.3.1 Принципы работы и конструкции элегазовых выключателей
В элегазе при атмосферном давлении может быть погашена дуга с током в 100 раз превышающим ток, отключаемый в воздухе при тех же условиях. Исключительная способность элегаза гасить дугу объясняется сильным сродством его с электронами. Молекулы газа улавливают электроны дугового столба и образуют относительно неподвижные отрицательные ионы. Потеря электронов делает дугу неустойчивой, и она легко гаснет. В струе элегаза, т.е. при газовом дутье, поглощение электронов из дугового столба происходит еще более интенсивно.
Возможны следующие исполнения ДУ с элегазом:
Рис. 2.6. Схема автопневматического ДУ элегазового выключателя:
а - положение «включено»; б- начальная фаза процесса отключения; в - конечная фаза процесса отключения; г- положение «отключено»
- с автопневматическим дутьем (необходимый для дутья перепад давления создается за счёт энергии привода);
- с охлаждением дуги элегазом при её движении, вызванном взаимодействием тока с магнитным полем;
- с гашением дуги за счёт перетекания газа из резервуара с высоким давлением (выключатели с двойным давлением).
В настоящее время широко применяется первый способ.
В элегазовых выключателях ДУ помещено в герметизированный заземленный бак с проходными изоляторами и встроенными изоляторами тока. Бак заполнен элегазом при давлении 0,2...0,6 МПа. При использовании ДУ с автопневматическим дутьём газ SF6 в процессе отключения сжимается поршневым устройством и направляется в зону дуги. Таким образом, элегазовый выключатель представляет собой замкнутую систему (без выброса газа наружу). Он во многом схож с баковым масляным выключателем, однако в нём отсутствуют горючие материалы и масса его значительно меньше массы масляного выключателя.
Принципиальная схема ДУ конструкции ВЭИ приведена на рис. 2.6 [2].
Поршень 1 и полый контакт 2 неподвижны. Цилиндр 3 с соплом 4 из фторопласта и розеточным контактом 5 перемещаются по горизонтальной оси с помощью пневматического привода (последний на рисунке не показан). Рисунок 2.6, а соответствует положению «включено», контакты 2 и 5 замкнуты. В процессе отключения (рис. 2.6, б) цилиндр 3 перемещается приводом вправо. При этом газ в полости А сжимается, контакты размыкаются, и между ними образуется дуга. При выходе вспомогательного электрода 6 из внутренней полости контакта 2 газ начинает вытекать через эту полость.
Если отключаемый ток мал (порядка нескольких десятков ампер), поток газа через внутреннюю полость контакта 2 достаточен для гашения дуги при относительно небольшой её длине в течение приблизительно
10 мс. При отключении тока короткого замыкания (рис. 2.6, в) гашение дуги происходит при выходе контакта 2 из сопла 4, когда вследствие увеличивающегося давления газа в полости А создаётся сильный поток газа сквозь столб дуги. При включении цилиндр с соплом и розеточным контактом перемещается влево.
Исследования показали, что более эффективным является ДУ аналогичной конструкции, но с двусторонним дутьём. Последний вариант конструкции реализован в силовом выключателе 3AP1FG для номинального напряжения 110 кВ производства АО «Сименс» [5].
Рассмотрим кратко процесс дугогашения в указанном выключателе (рис. 2.7).
В процессе отключения сначала размыкается главный контакт (рис. 2.7, б), состоящий из контактных пальцев 1и цилиндра 8. Дугогасящие контакты, состоящие из неподвижного и подвижного контакта (2/3) находятся в замкнутом положении, благодаря чему ток, подлежащий коммутации, пока не прерывается. 
Символ | Значение | Символ | Значение |
1 | контактный палец | 5 | поршень |
2 | неподвижный контакт | 6 | обратный |
3 | подвижный дугогасительный контакт | 7 | группа клапанов |
4 | сопло | 8 | цилиндр |
Рис. 2.7. Схематическое представление процесса отключения:
а — коммутационное положение «ВКЛ»; б — отключение - главный контакт разомкнут; в — отключение — главный контакт замкнут; г — коммутационное положение «ВЫКЛ»
Затем размыкаются дугогасительные контакты (рис. 2.7, в), возникает электрическая дуга. Одновременно цилиндр 8 начинает движение вниз и сжимает находящийся между поршнем 5 и группой клапанов 7дугогасительный газ. При этом элегаз через обратный клапан 6, а также через зазор между подвижным контактом 3 и дугогасительным соплом протекает в направлении, противоположном движению контактного цилиндра и гасит электрическую дугу.
При большом токе короткого замыкания нагревается дугогасящий элегаз вокруг штыря 2 вследствие энергии электрической дуги и направляется под высоким давлением в нагревающий цилиндр 8. На участке перехода тока через нуль газ течёт из нагревающего цилиндра обратно и гасит электрическую дугу. Обратный клапан 6 в нагревающем цилиндре 8 препятствует в этом процессе тому, чтобы в компрессорную камеру проникло высокое давление между поршнями 5 и группой клапанов 7
2.3.2 Коммутационное оборудование среднего и высокого напряжения
Как было отмечено ранее, производители коммутационного оборудования используют уникальные диэлектрические свойства элегаза при проектировании оборудования.
Главное назначение SF6 — применение в коммутационном оборудовании среднего и высокого напряжения.
В области высокого напряжения SF6 скоро станет во всем мире единственной технологией, используемой для КРУЭ.
Старые технологии с применением масла или сжатого воздуха исчезают вследствие многочисленных преимуществ SF6.
В области среднего напряжения, где необходимо компактное коммутационное оборудование, SF6 является единственным решением.
Однако для отдельных компонентов технология SF6 делит рынок с воздушными выключателями нагрузки — разъединителями, но доля рынка технологий с использованием воздуха быстро уменьшается в пользу SF6 и вакуумных выключателей. Вакуумные и элегазовые выключатели являются современными решениями и будут продолжать развиваться вследствие снижающегося влияния технологий с применением масла.
Чтобы полностью охватить возможные варианты применения элегаза, необходимо упомянуть трансформаторы с элегазовой изоляцией, главным образом популярные в Японии, и газовые изолированные кабели высокого напряжения 0 для которых используется технология0 очень похожая на технологию для КРУЭ высокого напряжения.
2.3.3 Потребление элегаза и количество коммутационной аппаратуры
Во всем мире потребление SF6 разделено между коммутационным оборудованием и неэлектрическими приборами: МЭК оценивает полное ежегодное потребление в 5000.8000 т, разделённых на две более или менее равные части между этими двумя способами применения.
Чтобы понять относительную пропорцию SF6 в области среднего и высокого напряжения, полезно оценить мировой парк установленного элегазового оборудования и количество оборудования, ежегодно вводимого в эксплуатацию (табл. 2.3).
Из таблицы хорошо видно, что применение SF6 является преобладающим в оборудовании высокого напряжения: 90 % от общего объёма элегазового коммутационного оборудования предназначено для высокого напряжения и только 10 % - для среднего напряжения.
2.3 Объём рынков элегазового оборудования среднего и высокого напряжения
| SF6 | Полное установленное количество | Ежегодный | ||
количество | масса SF6, т | количество | масса SF6, т | ||
Коммутационное оборудование СН | |||||
RМ6/выключатели нагрузки- разъединителей | 0,6 | 3 000 0 00 | 1850 | 240000 RM6 + 70000 выключателей | 140 |
КРУЭ | 6 | 50 000 | 300 | 7000 | 42 |
Выключатели | 0,3 | 500 000 | 150 | 40000 | 17 |
Всего | - | - | 2000. | - | 200 |
Коммутационное оборудование ВН | |||||
КРУЭ | 500 | 20 000 | 10 000 | 3000 | 1500 |
Выключатели | 50 | 100 000 | 5000 | 8000 | 400 |
Газоизолированные кабели |
| 30 000 м | 1000 | 3000 м | 100 |
Всего | - | - | 20 000 | - | 2000 |
В коммутационном оборудовании среднего напряжения потребление SF6 касается главным образом выключателей нагрузки - разъединителей и КРУЭ; часть, относящаяся к выключателям среднего напряжения, пренебрежимо мала.
2.3.4 Опыт ЕБЕ: 20 лет применения элегаза в РУ среднего напряжения
«Электриситэ де Франс» (EDF) — вероятно, единственная компания, работающая с электрическими выключателями, имеющая 30-летний опыт работы с элегазовыми выключателями и выключателями нагрузки — разъединителями среднего напряжения, с парком оборудования, установленным компанией Merlin Gerin, включающем в себя более 20 000 выключателей и 200 000 выключателей нагрузки (модульного типа) на 1995 г.
EDF недавно выполнила полную проверку части самой старой аппаратуры с наибольшим количеством операций: испытания на короткое замыкание, диэлектрические испытания, испытания на нагрев, измерения герметичности и механической прочности, измерения контактного износа и газовый анализ. Цель проверки состояла в оценке вероятного оставшегося срока службы оборудования.
Измерения контактного износа показали максимальное значение, равное 25 %.
Газовый анализ использовался для оценки потенциальной токсичности в двух различных случаях: при обычной утечке и аварийном внезапном выбросе вследствие повреждения. Проверка показала:
- в случае обычной утечки концентрация побочных продуктов в коммутационном оборудовании чрезвычайно низкая (примерно в 10 000 раз ниже TLV);
- во втором случае, который происходит исключительно редко, концентрация побочных продуктов остаётся намного ниже любого опасного уровня.
Одним из главных выводов проверки является то, что в реальных производственных условиях предполагаемый срок службы элегазового оборудования составляет не мене 30 лет.
Элегазовое коммутационное оборудование полностью отвечает требованиям потребителей в плане компактности, надёжности, сокращения времени обслуживания, безопасности персонала, срока службы. Снижение механической энергии (что приводит к более высокой надёжности) для отключения выключателя может быть достигнуто применением новых способов гашения дуги, например, вращение и дутьё дуги. Давление при заполнении будет снижаться, способствуя оптимальной безопасности персонала.
Что касается обслуживания, можно предвидеть диагностические возможности, позволяющие контролировать в режиме реального времени состояние оборудования и представлять информацию пользователю о необходимости обслуживания.
Что касается герметичности, вероятное развитие коммутационного оборудования высокого напряжения можно ожидать при более низкой интенсивности утечки, например, 0,1...0,5 % в год. Ведутся работы по повторному использованию SF6, включая определение чистоты SF6, используемого в силовом оборудовании. Таким образом, рассматривается применение SF6 в закрытом цикле, что поможет минимизировать его выброс в атмосферу.
Следует отметить основные достоинства и недостатки элегазовых выключателей:
- высокая износостойкость при коммутации номинальных токов и номинальных токов отключения. Срок службы современных элегазовых выключателей без проведения ремонта составляет 10.20 лет и более (в этом промежутке проводятся только профилактические испытания и инструментальный контроль);
- резкое снижение эксплуатационных затрат по сравнению с маломасляными выключателями. Обслуживание элегазовых выключателей сводится к смазке механизма и привода, проверке износа контактов по меткам или путем замеров 1 раз в 5 лет или через 5 — 10 тысяч циклов;
- полная взрыво- и пожаробезопасность и возможность работы в агрессивных средах (ограничение только по материалам, применяемым в конструкции привода);
- широкий диапазон температур окружающей среды, в которой возможна работа элегазового выключателя (выключатели специального исполнения могут работать при температурах ниже -50 °С без устройств подогрева);
- чистота, удобство обслуживания, обусловленные отсутствием выброса масла, газов при отключении токов короткого замыкания;
- отсутствие загрязнения окружающей среды;
- быстрое гашение дуги в элегазе;
- высокая химическая стабильность элегаза.
Недостатки элегазовых выключателей определить практически невозможно, единственное отрицательное свойство — возможность отравления людей обслуживающего персонала самим элегазом при условии попадания в легкие достаточного количества этого газа. Хотя сам по себе элегаз инертен, но его отравляющее действие связано с тем, что, попадая в легкие, он заполняет их и не вытесняется воздухом (масса элегаза больше массы воздуха). Данное опасение на сегодня не актуально, так как количество газа в единице оборудования очень мало.
