4.2. Применение технологии отключения в вакууме в сетях низкого напряжения
Технология отключения в вакууме, широко используемая в сетях среднего напряжения (СН) для обеспечения работы выключателей и контакторов, может таким же образом применяться и в сетях низкого напряжения (НН). Однако этот метод мало используется при таком уровне напряжения. В действительности, с одной стороны, с технологией отключения в вакууме конкурирует метод отключения в воздухе, который является более простым, более экономичным и лучше адаптированным, и, с другой стороны, недостатки отключения в вакууме, отмеченные при использовании технологии по среднему напряжению, больше проявляются при использовании по низкому напряжению.
Основной недостаток отключения в вакууме в сетях низкого напряжения при использовании выключателя обусловлен низким напряжением дуги, которое не может достичь или превысить напряжение сети, как в случае использования выключателя по методу отключения в воздухе; таким образом, отключение в вакууме не может ограничить ток повреждения до величины значительно меньше ожидаемого тока короткого замыкания. Это ограничивающее действие особенно полезно, так как позволяет избежать интенсивных электродинамических усилий, которые создавались бы ожидаемым током короткого замыкания, часто имеющим большую силу в сетях НН (до 100 кА и больше). Это ограничивающее действие также облегчает естественный выбор выключателей, так как чем больше выражено это действие, чем меньше номинал выключателя. Кроме того, недостатки вакуумных выключателей, уже указанные для среднего напряжения, связанные с использованием торцевых контактов (большое усилие сжатия и большое переходное сопротивление контактов) сильнее проявляются в сетях низкого напряжения, в которых по цепи может проходить большой ток короткого замыкания (неограниченный ток), и для которых требуется использовать выключатели большего номинала, чем для сетей среднего напряжения. Наконец, из-за высокой отключающей способности, необходимой для использования по низкому напряжению, вакуумные выключатели должны иметь значительно больший размер, чем устройства отключения в воздухе с меньшими номинальными характеристиками. В силу этих различных причин использование вакуумных выключателей в сетях низкого напряжения ограничивается узкой областью применения в соответствии со следующими характеристиками:
- отключающая способность: 75 кА;
- номинальный ток: 800 - 2500 А.
В связи с этим, несмотря на то, что отключение в вакууме не является менее затратной технологией по сравнению с отключением в воздухе, она представляет интерес в силу следующих причин:
- герметичное отключение, без каких-либо выбросов в окружающую среду;
- возможность использования в загрязненной атмосфере;
- более высокая электрическая износостойкость. Что касается применения контакторов в сетях низкого напряжения, то недостатки вакуумных выключателей, указанные выше, больше не учитываются. Основные факторы, тормозящие развитие этой технологии в данной области, следующие:
- прежде всего разница в затратах в пользу обычного метода отключения в воздухе;
- затем особенности вакуума, связанные с перенапряжением, возникающим при отключении, которые уже были представлены в разделе 3.
Таким образом, в области низкого напряжения технология отключения в вакууме не может реально конкурировать с методом отключения в воздухе, за исключением особых случаев, когда герметичное отключение дает значительное преимущество.
4.3. Применение технологии отключения в вакууме в сетях высокого напряжения
В области высокого напряжения технология отключения в вакууме может рассматриваться только применительно к автоматическим выключателям: предпринимались различные попытки такого использования, но до настоящего времени особого успеха не имели. В действительности, представляется, что характеристики отключения в вакууме не позволяют технологии отключения в вакууме на деле конкурировать с методом отключения в элегазе в сетях высокого напряжения. Первой трудностью, которую нужно преодолеть, является изготовление вакуумных выключателей, рассчитанных на достаточно высокое единичное напряжение. Если сейчас уже налажено широкое производство вакуумных выключателей, обеспечивающих отключение при напряжении 36 кВ, то для отключения при 52 кВ часто требуется использовать два последовательно соединенных выключателя. На сегодняшний день максимальный уровень напряжения, на который рассчитан и имеется в продаже автоматический выключатель с одним прерывателем на каждый полюс, составляет 72,5 кВ.
Выключатели, предназначенные для использования при напряжении 123-145 кВ, на настоящий момент, еще не прошли стадию изделий-образцов, в то время как в продаже имеются дугогасительные камеры SF6, рассчитанные на единичное напряжение до 420 кВ. Решение, предполагающее последовательно соединить большое количество выключателей для достижения высокого напряжения, помимо проблем технического характера (распределение напряжения, обеспечение надежности и т.д.), не может заметно конкурировать с точки зрения экономичности с методом отключения в элегазе. Основным препятствием к использованию вакуумного выключателя при высоком единичном напряжении является «потолок» диэлектрической характеристики при высоком напряжении, составляющий примерно 500 кВ (см. рис. 4), что соответствует уровню стойкости к грозовому импульсу, который должен обеспечиваться для устройств, рассчитанных на 123-145 кВ. В настоящее время подобное техническое решение не рассматривается.
Кроме того, в случае использования вакуума при высоком единичном напряжении возникает проблема рентгеновского излучения, которое может создаваться выключателями при рабочем напряжении порядка сотни киловольт. Здесь речь идет об уровне напряжения, подаваемого на выключатели сетей среднего напряжения, для приведения их в соответствие с требованиями стандартов; эта операция выполняется в бронированных камерах, чтобы защитить операторов от действия рентгеновского излучения. Что касается выключателей, имеющих диэлектрические характеристики, адаптированные для высокого напряжения, и которые уже приведены в соответствие с требованиями стандартов, то уровень излучения (в отключенном положении) должен был бы оставаться допустимым, но поскольку в процессе эксплуатации выключателей возможно возникновение частичного несоответствия требованиям, этот недостаток не может быть полностью устранен. Таким образом, в силу физических ограничений технология отключения в вакууме может конкурировать с методом SF6 только при наиболее низких уровнях напряжения области ВН и в случае неблагоприятных экономических условий. Для совершенно особых видов применения можно использовать в сочетании технологию отключения в вакууме и в элегазе, как, например, для автоматического выключателя постоянного тока на 250 кВ, в котором применяется вакуумный выключатель, соединенный последовательно с дугогасительной камерой SF6. Это решение объединяет качества вакуума - отключение при больших значениях характеристики di/dt и начальной скорости нарастания напряжения TVR, и свойства элегаза - обеспечение стойкости в конце процесса повышения TVR. Что касается современных видов применения выключателей в сетях высокого напряжения, нельзя с уверенностью сказать, что решение комбинированного использования технологий может экономически конкурировать с вариантом применения только SF6, даже если в техническом отношении подобное комбинирование является привлекательным, позволяя соединять свойства и качества каждой из технологии отключения.
