В голову Томасу Эдисону после того, как он включил свою первую лампу накаливания, сразу после это могла прийти мысль о том, а как теперь выключить ее. Эта задача и сегодня представляет собой большое и центральное место во всем, что мы делаем с электрическими системами.
В голову Томасу Эдисону после того, как он включил свою первую лампу накаливания, сразу после это могла прийти мысль о том, а как теперь выключить ее. Эта задача и сегодня представляет собой большое и центральное место во всем, что мы делаем с электрическими системами. Основная концепция довольно легка для понимания - для того, чтобы нагрузка функционировала так, как это было задумано, на нее подается электрический ток. Теперь мы хотим отключить эту нагрузку, и, следовательно, прекратить поток электрического тока. В случае низких напряжений и токов, для этих целей вполне достаточно применения ручных выключателей. Но даже на этих низких уровнях большинство из нас знает о возможности искрения, когда выключатель "залипает" (медленно разрывает или замыкает цепь). Такое искрение, или ионизация воздуха, между отделяющимися друг от друга контактами, является основным критерием, учитываемым при конструировании выключателей.
По упрощенному описанию, выключателем является любое устройство, которое включено в электрическую цепь, и должно успешно прерывать поток электрического тока при возникновении необходимости. Под это определение попадают все виды выключателей, контакторов и прерывателей тока.
Первые выключатели
Первый пример технологии выключателей был не так давно освещен в осеннем выпуске 1999 года журнала "N.E.T.A World Magazine". Старинный выключатель 1898 года реализовал множество теорий, которые все еще используются сегодня для применения в работе выключателей с гашением дуги в воздухе. В то давнее время основное внимание уделялось следующему:
- Контакты гашения дуги. Эти контакты (угольные), работающие параллельно с основными контактами, проводящими ток, замыкаются первыми и размыкаются последними. Их применение позволяет основным контактам оставаться относительно неподверженными искрению (обгоранию).
- Основные контакты: Высказывалось замечание относительно гибкости и адаптивности поверхности контактов, что позволяет обеспечить плотное соединение контактов. Такое соединение является ключевым для низкого сопротивления контактов и малой величины активных потерь. Также приводится упоминание о меди, являющейся более предпочтительными материалом для контактов, чем латунь или железо. Несмотря на развитие технологии материалов, сегодня медь все еще остается предпочтительным выбором с точки зрения эффективности затрат для многих применений контактов.
- Запорные фиксаторы: Как упоминалось ранее, эта функция со временем изменилась незначительно. В тексте упоминается особое внимание, уделяемое механизму фиксации, обеспечивающему применение относительно небольшой силы, чтобы активировать выключатель, вызывая разрыв цепи. В качестве важного фактора подчеркивается "резкий и быстрый разрыв", за которым следует "ускоренное движение".
- Защита обеспечивается электромагнитной катушкой с изменяемым сердечником. Это очень напоминает мгновенные цели реле переменного тока, и реле переключения. Чем меньше железа используется в сердечнике, тем выше уровень срабатывания, и, следовательно, тем больше ток, с которым может работать выключатель. Выпуск запорных фиксаторов рекламировался, как требующих использования "очень слабого соленоида".
- Для завершения действия, обеспечивался демпфер, который позволял избежать физического напряжения в приводе выключателя по завершению цикла размыкания. Я подозреваю, что этот демпфер принимал форму резиновой или фетровой прокладки.
Данная методология разрывания цепи со многими теоретическими и технологическими обновлениями, все еще применяется и сегодня. Самым важным шагом к увеличению возможностей по работе с током, явилось появление самоочищающихся контактов. Движение контактов относительно друг друга, когда они замыкаются или размыкаются, обеспечивает чистящее действие. Тем самым, удаляются возможные загрязнения и дефекты поверхностей контактов. Это обычно осуществляется путем качания подвижного контакта относительно стационарного. Перед тем, как мы обратимся к следующему важному шагу развития выключателей, нам необходимо обсудить более распространенные, и в чем-то стандартизованные классификации выключателей. Именно эти классификации, которые нам необходимо расширить по мере роста систем, как в размере, так и в возможностях, остаются сегодняшним двигателем развития новых технологий.
Величина напряжения: Номинальное рабочее напряжение между фазами.
Величина тока: Максимальный непрерывный рабочий ток (безопасной считается конструкция, использующая 80% этой величины).
Величина тока короткого замыкания выключателя: Максимальный уровень тока, который выключатель может безопасно прервать.
Величина тока короткого замыкания включения: Максимальный уровень тока, при котором выключатель может безопасно замкнуть контакты и зафиксировать их.
Выключатели с гашением дуги в воздухе имеют ряд присущих им проблем, ограничивающих их применение во всех случаях, на всех уровнях напряжения. Дуга гасится интенсивно, и выключатель должен быть вентилируемым. При использовании металлических кожухов вентиляция требует больших размеров. Во многих случаях это требует наличия безопасной внешней вентиляции. Конечно, вентиляция не очень критична при использовании таких выключателей вне помещений, но их конструкция не очень соответствует воздействию природных условий. Во-вторых, для того, чтобы дуга была погашена, контакты должны отодвигаться друг от друга на достаточное расстояние. Это расстояние прямо пропорционально напряжению системы и величине прерываемого тока.
Масляные выключатели
В начале 1990-х годов в качестве изолирующего материала часто использовалось минеральное масло. Вероятно, такой выбор был обусловлен технологиями того времени. Изучались теоретические преимущества других изолирующих сред, но масло оказалось победителем по экономическим причинам. К моему удивлению, и, наверное, к удивлению и других специалистов, оно широко использовалось при более низких напряжениях - напряжение переменного тока между фазами в пределах 2.4 кВ встречалось довольно часто. Такой выбор, вероятно, был обусловлен не технологическими требованиями, а другими соображениями, поскольку требованиями задачи на момент установки, определенно, соответствовали спецификации выключателей с воздушным гашением дуги. Я уверен, что маркетинговая политика также сыграла определенную роль, как это происходит и сегодня.
Помещение контактов выключателя в минеральное масло значительно уменьшает расстояние между контактами, требуемое для гашения дуги. Любой человек, проводящий диэлектрическое тестирование масла ASTMD877 (как с маслом в чашке, так и без него), легко понимает диэлектрическое различие между маслом и воздухом. Конечно, это очевидно. Преимущества от уменьшения механических приводов выключателя, герметизированные контакты, охлаждающие свойства и возможность анализа масла, все это, помимо всего прочего способствовало появлению этой технологии во множестве сервисных приложений, которые мы можем видеть и сегодня.
Благодаря высоким диэлектрическим свойствам масла, контакты гасят дугу на более коротком расстоянии, когда расходятся, находясь под нагрузкой или в условиях короткого замыкания. Это не очень большие изменения в практической теории по сравнению с классическим устройством 1898 года, которое обсуждалось выше (не считая перехода к более высоким напряжениям). Энергия дуги поглощается, и охлаждение осуществляется в относительно плотной среде масла, выводя тепло в атмосферу через радиаторы. Остаточный уголь и газы обычно находятся в подвешенном состоянии в масле, и со временем распределяются по всему объему масла в корпусе.
Ключом к успешной работе масляного выключателя является качество и рабочее состояние контактов, и, что еще более важно, состояние самого масла. Зачастую успешное прерывание тока замыкания большой величины будет требовать очистки масла (фильтрации), или, в крайних случаях, полной его замены. Многие из нас сталкивались с результатами неправильного применения или плохого обслуживания масляных выключателей в условиях коротких замыканий. Первичные контакты обгорают до состояния очень высокого сопротивления контактов, а масло выглядит, как черная грязь, или имеет заметные угольные "клочки", подвешенные в чистом масле.
Появление масляных выключателей с минимальным объемом масла, сняло некоторые из проблем, присущих громоздким масляным выключателям, и обеспечило компактный пакет в металлическом корпусе для применения в сетях переменного тока с напряжением до 38 кВ.
Но оно не устраняет некоторые из основных проблем, связанных с использованием среды, которая загрязняется каждый раз, когда появляется искрение.
Воздушные выключатели
Следующая разработка предназначалось, и все еще применяется, в первую очередь, для высоких напряжений, от 380 кВ до 800 кВ. Преимущества обдувания сильной струей воздуха, вместо погружения оборудования в масло, многочисленны и постоянно улучшаются с момента первого использования этой технологии в 1940-х годах. Первым преимуществом стало устранение масла, и связанных с ним вопросов обслуживания и опасности возгорания. Использование сухого сжатого воздуха для гашения дуги приводит к более чистым операциям, с меньшим временем срабатывания, и более короткими периодами обслуживания. Это продвинуло использование таких выключателей к напряжению 800 кВ с током 40 кА, а для специальных приложений - и с током в 80 кА. Для этой технологии время операции вполне ожидаемо состоит их двух циклов.
Дуга гасится в герметичной камере. Когда контакты расходятся, в камеру вдувается поток воздуха под высоким давлением, служащий, как для охлаждения, так и для гашения дуги. Повторный пробой минимизируется разделением контактов. Для высоких напряжений дуга разделяется в два этапа, или в цепочке камер.
Элегазовые выключатели
Следующим, или скорее, параллельным шагом развития технологии выключателей стали элегазовые выключатели. Эти выключатели используют свойство гашения электрической дуги, присущее гексафториду серы. Впервые они получили широкое применение в конце 1960-х, и в начале 1970-х годов, хотя эксперименты с ними велись с конца Второй Мировой Войны.
Данная дугогасящая среда требует постоянного контроля плотности газа, выполняемого замерами давления с учетом температуры. Такой контроль обычно активирует контакты, чтобы возбудить и обеспечить управление следующим образом:
- Удовлетворительное давление - Нормальная работа
- Низкое давление - Разрыв цепи при нагрузке
- Отсутствие давления - Блокировка цепи.
При всех этих преимуществах кажется сложным понять нежелание в широком применении этой технологии. Чтобы еще более усилить это утверждение, следует отметить, что элегаз (SF6) биологически инертен, и работа с ним не требует дополнительных мер безопасности по сравнению с любым газом, содержащимся в атмосфере. Это все верно при нормальных условиях работы.
Высвобождения SF6 и его побочных продуктов в атмосферу, как правило, не происходит. Используемое оборудование обычно имеет предохранительный клапан давления, для стравливания излишков газа в атмосферу, если превышается максимальное операционное давление. Этот клапан действует аналогично предохранительному клапану излишнего давления в оборудовании, использующем масло. Но в случае катастрофического короткого замыкания или воспламенения, газ может перейти в состояние плазмы, и гашение дуги не происходит. В этом случае, плазма и побочные продукты выбрасываются наружу, когда их не удается удержать. Когда этот выброс объединяется с атмосферой, то смесь становится весьма коррозийной, и может снизить содержание кислорода. Поэтому персоналу в таких случаях настоятельно рекомендуется немедленно покинуть место аварии, в которое направляется квалифицированный персонал с соответствующим оборудованием.
Как можно видеть из изложенного, преимущества элегазовых выключателей сопровождаются и присущими им недостатками. Крайне важно убедиться, что свойства газа SF6 поддерживаются постоянно. Способность прерывать короткие замыкания в 64 кА до уровня в 750 кВ обеспечивает основу для расширения использования, и продолжающегося развитие этих выключателей. Для напряжений в 35 кВ можно применять металлические корпуса, но от использования таких выключателей в помещении часто отказываются, из-за вопросов, связанных с выбросом SF6. Существуют детекторы газа, способные обнаружить концентрацию SF6 в атмосфере, уже при величине в два процента объема.
Вакуумные выключатели
Появившаяся позже технология стала краеугольным камнем в конструкции выключателей. Она почти мгновенно заменила масляные выключатели и выключатели с гашением дуги в воздухе для большинства не очень важных применений. Кроме того, она стала причиной огромного роста рынка обновлений, с которыми всем нам пришлось иметь дело.
Преимущество вакуумных выключателей заключается в том простом факте, что электрическая дуга не может существовать в вакууме. Ведь в вакууме не может происходить ионизация, поддерживающая дугу. Это явление было известно довольно давно, но практическое применение его для прерывания больших электрических токов не было возможным до начала 1970-х годов. Прорыв произошел с появлением высококачественной керамики и необычных материалов, позволяющих прерывать ток с переходом через нуль.
Ранние конструкции вакуумных выключателей имели ограничения по допустимой нагрузке и величине прерываемого тока. Первое важное их применение было связано с управлением двигателями среднего напряжения. Во многих случаях, для учета роста напряжении рекомендовалось и предлагалось применение разрядников и стабилизаторов скачков. Такое увеличение напряжения превалирует при отключениях индуктивных и емкостных нагрузок, из-за отношения положения фаз между током и напряжением (т.е., нулевой ток при максимальном напряжении).
Развитие технологии вакуумных выключателей значительно улучшилось с момента ее появления. Благодаря относительно небольшому расстоянию размыкания контактов, которое она требует, рабочие механизмы достаточно компактные. Кроме того, сами контакты находятся в герметичной оболочке, и то, что они практически не требуют обслуживания в течение 10 000 операций при полной нагрузке, считается нормальным (28 лет, если выключатель срабатывает раз в день). В результате почти 100 процентов таких выключателей, применяемых для сетей переменного тока в 35 кВ, имеют металлические кожухи. Размер нового оборудования для среднего напряжения, использующего эту технологию, действительно, поражает. Современный дизайн вакуумных выключателей обеспечивает спецификации, значительно превышающие выключатели с контактами в воздухе или в масле почти по всем рассматриваемым областям. Единственный вопрос, который может вызвать обеспокоенность - это сохранение вакуума. При нарушении вакуума, контакты не смогут прервать даже ток номинальной величины. По имеющейся у меня информации, помимо рутинных проверок (работает ли выключатель), не создано никаких систем онлайнового мониторинга для решения этой проблемы.
Развитие данной технологии, вероятно, пойдет в направлении приложений высокого напряжения, чему будет способствовать упрощение ее работы и предполагаемая большая длительность эксплуатации. В настоящее время такие выключатели ограничены 38 кВ, за исключением специальных применений. Кроме того, помимо упомянутой целостности вакуума, высказываются соображения и о наличии рентгеновского излучения.
В будущем, развитие в данной области будет включать более широкое использование твердотельных устройств. Мы уже наблюдаем применение таких выключателей для движения и мягкого старта в сетях переменного тока с напряжением 5 кВ, а в специальных приложениях 25 кВ. Существует технология для выключателей с более высоким напряжением и токами, но в отрасли пока имеет место нежелание использовать полупроводники в качестве средств изоляции. К новым приложениям относятся точки привязки электростанций постоянного тока, линии передачи постоянного тока с низкими потерями, компенсаторы статических зарядов, выключатели с высокой скоростью коммутации, и другие. В будущем применение выкатных, высоковольтных твердотельных выключателей неизбежно. Основным препятствием является величина прерываемого тока короткого замыкания.
Выключатель, со всеми его улучшениями и новинками, остается, по своей сути, автоматическим выключателем. Поэтому, критерий для наших полевых испытаний, оценивающих условия его работы, достаточно прост. Мы должны иметь возможность измерить и гарантировать хорошую проводимость, когда выключатель замыкает цепь. Нам необходимо гарантия адекватной изоляции линии от нагрузки, когда цепь разомкнута выключателем. И все это время напряжения фаз должны быть изолированы друг от друга, и от заземления. Само собой разумеется, что выключатель должен работать механически - другими словами замыкание и размыкание цепи не должно сопровождаться беспокойством по поводу надежности. Другой тип необходимых испытаний связан больше с природой функционирования каждого конкретного типа выключателя и приложения. Техник с проводником и подходящим тестером изоляции способен оценить основное состояние любого выключателя.
Правильная и безопасная работа выключателей является критичной для функционирования систем передачи и распределения электроэнергии. Крайне важно, чтобы это оборудование подвергалось рутиной и специальной проверке и обслуживанию. Многократные сбои выключателя во время неполадок в системе являются первым доказательством его плохого состояния. Это может, и зачастую реально приводит к катастрофическим повреждениями, и отказам в предоставлении электроэнергии.
С момента свое появления, выключатель стал важным компонентом управляемых систем распределения электроэнергии. Большинство инцидентов, в которые оказывается вовлечен персонал таких систем, происходит тогда, когда это устройство непреднамеренно остается в закрытом состоянии, случайно замыкается, или его электрическое состояние неверно понимается. Как часто мы слышим "Я думал, что он выключен" или "все выключатели открыты". Пропущенный выключатель, плохо изолированный, или ошибочно замкнутый, - все это вызывает катастрофические события, появление которых мы стремимся предотвратить.
