Высоковольтные выключатели относятся к важному электроэнергетическому оборудованию, используемому в сетях передачи электроэнергии для изолирования сбойного участка от работоспособной части электрической сети. Тем самым обеспечивается безопасная работа электрической системы. В настоящей статье анализируются достоинства и недостатки этих двух типов выключателей, и необходимость в гибридной модели.
Гибридный выключатель
(конкретный пример)
Харшита Сети, Шивани Ашра, Сукрити Лал
Резюме
Высоковольтные выключатели относятся к важному электрическому оборудованию, используемому в сетях передачи электроэнергии для изолирования сбойного участка от работоспособной части электрической сети. Тем самым обеспечивается безопасная работа электрической системы. В зависимости от номинальной мощности линии электропередачи, широко применяются вакуумные и элегазовые выключатели. В настоящей работе анализируются достоинства и недостатки этих двух типов выключателей, и необходимость в гибридной модели.
Ключевые слова - вакуумный выключатель, элегазовый выключатель, гибридная модель
I. ВВЕДЕНИЕ
Основной целью настоящей статьи является изучение проводимых исследований в области высоковольтной аппаратуры. Статья выявляет различие между вакуумным и элегазовым прерывателями, акцентируя необходимость в гибридном выключателе. Высоковольтный выключатель (прерыватель) представляет собой электрический выключатель, разработанный для прерывания электрического тока в отказавшей части сети при обнаружения коротких замыканий. Это - автоматический выключатель, который реагирует на короткое замыкание через активацию блока ретрансляции, встроенного в линию электропередачи. Блок релейной защиты обнаруживает короткое замыкание, и посылает быстрый сигнал в схему выключателя, инициируя процесс прерывания тока. Когда подвижные контакты начинают разделяться, площадь их касания уменьшается, увеличивая плотность тока, в результате чего возникает электрическая дуга.
Возникшую дугу необходимо погасить в целях сохранения дальнейшей работоспособности выключателя. Элегазовые выключатели растягивают дугу и используют диэлектрическую прочность гексафторида серы (SF6) для гашения дуги. В вакуумных прерывателях (дугогасительных камерах) электрические контакты находятся в вакууме. Один из этих контактов фиксирован, а второй - движется. При обнаружении короткого замыкания, движущиеся контакты отводятся от фиксированных контактов, создавая минимальную электрическую дугу. И вакуумные выключатели, и элегазовые выключатели имеют свои преимущества и свои недостатки. Преимущества элегазовых прерывателей и характеристики вакуумных прерывателей позволяют построить модель гибридного выключателя. Такой выключатель состоит из последовательно соединенных элегазового и вакуумного выключателей.
II. СРАВНЕНИЕ ЭЛЕГАЗОВЫХ И ВАКУУМНЫХ
ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ
Благодаря значительной диэлектрической прочности и большой теплопроводности газа SF6, элегазовые выключатели используются для обеспечения защиты при высоких напряжениях. С другой стороны, вакуумные выключатели используются для средних напряжений (5-38 кВ). Использующее SF6 электрическое оборудование компактно, оно требует меньшего пространства для установки. Но при этом SF6 относится к парниковым газам, и представляет собой угрозу окружающей среде, поскольку при высоких температурах этот газ весьма токсичен. В противоположность этому, вакуумные выключатели не наносят вреда окружающей среде. Для их создания используются перерабатываемые материалы, такие как стеклянные контейнеры и металлические компоненты. Они имеют долгий срок эксплуатации, компактные размеры, и небольшой вес. Однако они имеют невысокие изоляционные характеристики длинного вакуумного разрыва. Из-за высокой стоимости вакуумных выключателей, элегазовые выключатели распространены гораздо больше.
Элегазовые выключатели требуют для своей работы больше энергии, так как им необходимо сжимать газ. Вакуумные выключатели потребляют меньше энергии, поскольку они перемещают незначительную массу контактов с небольшой скоростью на очень короткое расстояние. Количество операций короткого замыкания у элегазовых выключателей лежит в диапазоне от 10 до 50, в то время как у вакуумных выключателей этот диапазон ограничен величинами 30 и 100.
В случае элегазовых выключателей прерываются высокочастотные переходные токи небольшой величины. В случае вакуумных выключателей очень быстрая деионизация обеспечивает прерывание любых токов, независимо от их величины. Трудовые затраты на обслуживание элегазовых выключателей высоки, в то время, как материальные затраты незначительны. Для вакуумных выключателей все обстоит как раз наоборот.
III. НЕОБХОДИМОСТЬ В ГИБРИДНОМ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕ
Проводящиеся исследования в области высоковольтной аппаратуры, сконцентрированы на моделировании гибридных выключателей, которые в будущем могут вытеснить элегазовые выключатели. Вакуумные прерыватели обладают способностью восстанавливать диэлектрическую прочность прерывающего зазора в момент нулевого тока. В случае вакуумной дуги восстановление диэлектрической прочности происходит быстрее всего. На рисунке 1 проведено сравнение скорости восстановления диэлектрической прочности элегазового и вакуумного прерывателя. Зазор составляет 6.35 мм, разрываемый ток 1600 А, давление испарения 180 А.
Скорость роста напряжения вакуумного восстановления равна 20кВ/мкс, что выше, чем у SF6. Этот тип выключателя обладает следующими недостатками:
[1] Произвольные нарушения диэлектрика между открытыми контактами выключателя, могут происходить при условии непрерывного роста напряжения, что может привести к подаче напряжения в систему, которая должна бгыть изолирована.
[2] Стыковые контакты выключателей, могут отскакивать или замыкаться. После нескольких операций замыкания и размыкания, происходящих в электрической цепи, производимое напряжение может превысить уровень изоляции системы и оборудования.
[3] Вакуумные прерыватели имеют тенденцию обрывать ток, когда он достигает нулевого значения во время прерывания цепи. В результате этого обрывания порождаются высокие напряжения, сравнимые с напряжением системы, но не превышающие уровень изоляции.
[4] Прерывающий зазор в элегазовом выключателе, обладает высокой способностью восстанавливать диэлектрические свойства, вместе с температурным восстановлением и высокой диэлектрической прочностью при непрерывном росте напряжения. Это свойство способствует предотвращению случайных нарушений зазора за счет изолирования вакуумного выключателя от системы. Элегазовые выключатели имеют скользящие контакты лепесткового и штыкового типа. Дуговое сопротивление SF6 выше дугового сопротивления вакуума. Поэтому в гибридной модели элегазовый выключатель принимает на себя основное падение напряжения, и работает совместно с вакуумным выключателем, для полного прерывания тока. Эти контакты обеспечивают цепь без каких либо скачков, и поэтому не будут происходить множественные включения напряжения в системе.
Гибридный выключатель обладает следующими преимуществами над элегазовыми и вакуумными выключателями:
[1] Выключатель этого типа способен отключать короткие замыкания линии при высоком напряжении.
[2] Не требуется большая сила при его коммутациях, и снижается размер и стоимость выключателя.
[3] Доступны различные стандарты этой конструкции, которые могут использоваться как для отдельно стоящих выключателей, так и для компактных выключателей в составе комплектных подстанций.
[4] Он обладает отличной способностью справляться с быстро растущим восстанавливающимся напряжением (TRV).
[5] Может быть сформирован базовый модуль прерывателя для напряжений 145 кВ и выше.
Рис.1 Сравнение скорости восстановления диэлектрической прочности вакуумного и элегазового выключателей [7]
IV. ПРЕРЫВАНИЕ ТОКА В ГИБРИДНОЙ МОДЕЛИ
По сравнению с элегазовым выключателем, минимальное время существования дуги в вакуумном выключателе меньше на несколько миллисекунд. Следовательно, предпочтительнее размыкать в первую очередь элегазовый прерыватель, а затем, через несколько миллисекунд размыкать вакуумный выключатель. Поскольку оба прерывателя соединены вместе, то ток может быть прерван каждым из них.
4.1 Прерывание сначала выполняется вакуумным прерывателем
В этом случае, ток сначала прерывается вакуумным прерывателем. Такой режим работы наблюдается при очень больших токах. Вакуумный выключатель вначале передает начальный пик восстановления напряжения, а следующий пик приходит в элегазовый выключатель, как показано на рисунке 2.
Рис. 2 Восстановление порогового напряжения в двух выключателях
Как видно из рисунка 3, дуга в вакууме исчезает при нулевом токе, в то время как дуга в SF6 продолжает действовать в течение следующих 5 микросекунд, а затем после нулевого тока 8 А, ток дугового разряда переходит в вакуумный выключатель.
Рис.3 Область нулевого тока, вакуумный выключатель прерывает первым
Когда ток дугового разряда в вакуумном выключателе спадает до нуля, только тогда ток разряда в SF6 вынужденно сбрасывается в нуль. Благодаря этому, напряжение дуги и ток не пересекают одновременно нуль, и напряжение дуги вначале имеет противоположную полярность.
4.2 Одновременное прерывание вакуумным и элегазовым прерывателем
В этом случае ток одновременно прерывается и вакуумным и элегазовым прерывателем. Такой режим работы обычно наблюдается в условиях, когда ток меньше максимального тока. Здесь производительность элегазового выключателя намеренно снижается, но ее вполне достаточно, чтобы выполнить всю работу без вакуумного выключателя. Ток дуги в SF6 значительно меньше, чем в вакуумном выключателе, так что элегазовый прерыватель останавливает поток заряда вакуумной дуги. Заряд дуги в вакууме оказывается блокированным. Это предотвращает возникновение восстанавливающегося напряжения (TRV) в вакуумном выключателе до исчезновения всех зарядов. Следовательно, все восстанавливающееся напряжение обеспечивается элегазовым прерывателем. Описанная выше операция видна на рисунке 4 ниже.
Рис.4 Одновременное прерывание элегаза и вакуума
Производительность гибридного выключателя в первом случае лучше, чем во втором.
V. КОНСТРУКЦИЯ ГИБРИДНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ
Недавно были проведены исследования по разработке операционного механизма гибридного выключателя, обладающего хорошим управлением и низкой степенью дисперсии. Вначале специалисты приняли такой операционный механизм, которые соединяет два прерывателя при помощи соединительного стержня или пружины. Этот механизм имел слабые возможности управления и низкую степень дисперсии. На рисунке 5 изображен гибридный выключатель, основанный на оптоволоконном управлении, соединяющим вакуумный и элегазовый выключатели.
В этой схеме используется устройство управления синхронизированным координатным действием, которое синхронизирует координатные движения обоих прерывателей до микросекунд. Верхняя шина клеммы вакуумного выключателя соединяется с входной шиной, а нижний клеммный блок соединяется с верхней клеммой шины элегазового выключателя. Нижняя клемма шины элегазового выключателя соединяется в выходной шиной. Рабочий привод элегазового выключателя и устройство синхронизации находятся под низким потенциалом. Устройство синхронизации гибридного выключателя получает управляющий сигнал системы и выполняет операцию синхронизации для работы вакуумного и элегазового выключателя соответственно.
Рис 5. Структурное представление гибридного выключателя
VI. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные испытания показали, что начальный пик восстанавливающегося напряжения падает в вакуумном прерывателе, а последующие более высокие пики принимает элегазовый прерыватель. При таком подходе, и элегазовый прерыватель, и вакуумный прерыватель помогают друг другу. Способность вакуумного прерывателя выдерживать резкий рост восстанавливающегося напряжения снижает давление газа SF6 в элегазовом прерывателе. Поэтому можно прийти к выводу, что способность прерывания тока гибридного выключателя выше, чем у элегазового выключателя. В будущем, гибридный выключатель может стать заметной альтернативной элегазовому выключателю в приложениях с высокими напряжениями.
ССЫЛКИ
[1] R.P.P. Smeets, V. Kerteszl, D. Dufoumet, D. Penache2, M. Schlaug, “Взаимодействие дуги в вакууме с дугой в SF6 в гибридном выключателя в течение отключений больших токов”, XXIInd Международный симпозиум по разрядам и электрической изоляции в вакууме -2006
[2] Liao Minfu, Cheng Xian, Duan Xiongying и Zou jiyan, “Исследование динамической модели дуги для гибридного выключателя высокого напряжения использующего вакуумную и элегазовую дугогасительные камеры" XXIV-ый Международный симпозиум по разрядам и электрической изоляции в вакууме - Брауншвейг - 2010
[3] A. Iturregi, E. Torres, I. Zamora, O. Abarrategui, “Высоковольтные выключатели: SF6 против вакуума,” Международная конференция по возобновляемым источникам энергии и качеству электроэнергии (ICREPQ’09)
[4] Cheng Xian, Liao Minfu, Duan Xiongying, Zou jiyan, “Исследование отключающих характеристик гибридного высоковольтного выключателя” XXIV-ый Международный симпозиум по разрядам и электрической изоляции в вакууме - Брауншвейг - 2010
[5] Патент США , Патент № 4087664 , дата подачи заявки: 29 августа 1975, дата выпуска: 2 мая 1978.
