С начала 80-х годов прошедшего века произошел качественный скачок в технологии высоковольтных коммутационных аппаратов: на смену масляным и воздушным пришли выключатели с использованием в качестве изоляционной и дугогасительной среды вакуума или газообразной шестифтористой серы – элегаза.
Что касается выключателей высокого, сверхвысокого и ультравысокого напряжения (110-1150 кВ), то элегазовые выключатели в технически развитых странах практически вытеснили все другие типы аппаратов.
Следует отметить, что существуют две крупные проблемы развития коммутационной аппаратуры высокого напряжения – создание новых более совершенных конструкций и определение судьбы находящихся длительное время в эксплуатации (и часто устаревших) аппаратов. Решением этих проблем определяется современное состояние мирового и отечественного коммутационного оборудования.
Интенсивное внедрение вакуумной и элегазовой аппаратуры обусловлено тем, что пока не найдено способов эффективного дугогашения, способных конкурировать с дугогашением в элегазе или вакууме. Не получено и новых видов диэлектриков, по электроизоляционным, дугогасительным и эксплуатационным свойствам превосходящих элегаз или вакуум.
Основные достоинства элегазового оборудования определяются уникальными физико-химическими свойствами элегаза. При правильной эксплуатации элегаз не стареет и не требует такого тщательного ухода за собой, как масло.
Элегазовому оборудованию также присущи: компактность; большие межревизионные сроки, вплоть до отсутствия эксплуатационного обслуживания в течение всего срока службы; широкий диапазон номинальных напряжений (6-1150 кВ); пожаробезопасность и повышенная безопасность обслуживания.
Вакуумные аппараты характеризуются максимальными значениями электрической прочности промежутков (до 15 мм), максимальной скоростью восстановления электрической прочности при отключении токов, минимальными массой подвижных частей и энергией привода, минимальными габаритами и массой аппарата в целом, максимальным ресурсом. Вакуумные выключатели применимы лишь на напряжения до 35 кВ включительно. Это объясняется малым ходом контактов вакуумных выключателей из-за наличия сильфона. Если применять вакуумные выключатели на напряжение выше 35 кВ, то необходимо соединять последовательно несколько камер.
Ведущие зарубежные фирмы практически полностью перешли на выпуск комплектных распределительных устройств с элегазовой изоляцией (КРУЭ) и элегазовых выключателей для открытых распределительных устройств на классы напряжения 110 кВ и выше, а также вакуумных выключателей на напряжение 6-35 кВ (с некоторой долей элегазовых выключателей и КРУЭ).
Применение элегазовой или вакуумной аппаратуры на средние классы напряжения определяется как историческими условиями создания технологических баз, так и технико-экономическими показателями при производстве и эксплуатации. Каждое из указанных видов оборудования обладает своими преимуществами. Если вакуумные аппараты требуют менее мощных приводов и имеют, как правило, более высокий коммутационный ресурс, то элегазовые выключатели при коммутациях создают меньшие перенапряжения и, соответственно, облегчают работу изоляции другого энергетического оборудования. Малый ход и скорость контактов вакуумных выключателей являются как их недостатком, так и достоинством, которое заключается в возможности применения легких, небольших пружинных или электромагнитных приводов. Элегазовому оборудованию среднего класса напряжения традиционно отдают предпочтение во Франции, Италии, странах Скандинавии и Испании, вакуумному – в Германии, Великобритании, Японии.
При выборе элегазовой или вакуумной аппаратуры решающее значение могут иметь условия, в которых работают аппараты. Например, элегазовые аппараты предпочтительны для применения в цепях электродвигателей ограниченной мощности при сравнительно небольших длинах соединительных кабелей, а также в качестве выключателей нагрузки ( в том числе в составе КРУЭ). Вакуумные выключатели особенно эффективны там , где необходимы частые коммутации и большой ресурс. Преимуществом вакуумных выключателей перед элегазовыми является простота конструкции. Существенным недостатком элегазовых выключателей является высокая температура снижения элегаза (при давлении 1,5 Мпа она составляет всего 60С (рис.5) таким образом, в элегазовых выключателях с высоким давлением гасящей среды необходимо предусмотреть автоматические подогреватели.
В целом можно считать, что доля элегазового оборудования на средние классы напряжения на мировом рынке устойчиво составляет 20-30% всех коммутационных аппаратов. Кроме ограниченной области применения вакуумных выключателей по номинальному напряжению, не существует других серьезных причин, ограничивающих применение элегазовых и вакуумных выключателей.
Фирмы, работающие в области коммутационной аппаратуры, периодически обновляют номенклатуру своих изделий, разрабатывают аппараты новых поколений с целью повышения их надежности и ресурса, уменьшения габаритов материалоемкости.
Ресурс лучших вакуумных выключателей достигает в настоящее время 40-50 тыс. при коммутации номинального тока и 100 операций при коммутации номинального тока отключения, межремонтный период элегазовых выключателей составляет 15 лет. При этом габариты и материалоемкость аппаратов при сохранении основных параметров и повышения надежности.
Уровень разработок элегазового оборудования в России приближается к лучшим мировым образцам, особенно тех, которые выполнены в рамках международных проектов: ВЭИ – Корейский электротехнологический институт (Республика Корея); ВЭИ – «Кромптон Гривз» (Индия); НИИВА-«Хендэ» (Республика Корея); ВЭИ – «Самсунг» (Республика Корея). Высокий научный потенциал, длительный опыт успешной работы в области элегазовой аппаратуры позволяют создавать современное высокоэффективное коммутационное оборудование.
В то же время следует обратить внимание и на отставание Российской Федерации от ведущих в техническом отношении стран в освоении производства элегазовой аппаратуры. Отставание вызвано прежде всего общим спадом производства и замедленным темпом развития энергосистем за прошедшие 20 лет. Поэтому важнейшими задачами развития элегазовой аппаратуры в России с учетом основных мировых тенденций являются:
- ликвидация отставания в обеспечении энергетических систем современным коммутационным оборудованием при одновременном улучшении массогабаритных характеристик аппаратов, снижении их стоимости, повышение надежности;
- разработка цифровых систем управления, диагностики и мониторинга аппаратов;
- разработка систем и методов прогнозирования срока службы коммутационного оборудования;
- разработка выключателей с синхронным включением.
В последние годы опасение вызвала возможная экологическая опасность элегаза. В этой связи следует отметить, что несмотря на принадлежность к ряду фторидов, элегаз не включен в перечень веществ, подлежащих запрету или ограничению в применении. Кроме того, общий вклад элегаза в парниковый эффект атмосферы составляет не более 0,2% (доля элегаза электротехнического оборудования значительно меньше).
Несмотря на очевидные преимущества элегазовых и вакуумных аппаратов, полный переход на их использование занимает не один год и не одно десятилетие. При постоянном растущем внедрении современной аппаратуры в эксплуатации остается еще немало устаревших аппаратов.
В последние 20 лет в мире не вводилось в эксплуатацию практически никаких других выключателей на напряжение 63 кВ и выше, кроме элегазовых. Если анализировать состав выключателей с возрастом от 10 до 20 лет, то среди них явно преобладают элегазовые (кроме элегазовых, в последнее десятилетие было введено еще примерно 30% маломасляных выключателей). И только среди выключателей с возрастом от 20 до 30 лет элегазовых меньше, чем маломасляных и воздушных, но больше чем баковых масляных.
Распределение по типам выключателей в России не соответствует наблюдаемым в мире тенденциям. Так, среди выключателей на напряжение 110 кВ и выше преобладают баковые масляные выключатели, а число элегазовых составляет менее 1%. Распределение выключателей в энергосистемах России по типам очень похоже на вид распределения в мире выключателей с возрастом более 30 лет.
Можно сделать вывод, что по степени оснащенности современными выключателями российские энергосистемы отстают от зарубежных примерно на 30 лет. Причем продолжают находиться в эксплуатации выключатели, конструкция которых устарела очень давно (воздушных выключателей серий ВВН, ВВШ, ВВ, масляных баковых выключателей типа МКП и др.).
Элегазовые выключатели нашли широкое применение в КРУЭ, в которых элегаз используется для изоляции. Из отечественных производителей широко известно НПО «Электроаппарат», которое разработало для КРУЭ серию элегазовых выключателей на напряжения 110 и 220 кВ с высокими техническими характеристиками.
Несмотря на то, что серийное производство КРУЭ в России освоено с 70-х годов, масштабы применения КРУЭ у нас в стране также пока не соответствуют мировым тенденциям – установлено всего около 350 ячеек КРУЭ на напряжение от 110 до 220 кВ, в то время как, например, в Японии в тот же самый период выпущено около 7000 ячеек КРУЭ на напряжение от 77 до 800 кВ.
С другой стороны, в России КРУЭ разработаны на весь спектр номинальных напряжений и фактически созданы комплектно-распределительные устройства третьего поколения. К сожалению, большая часть этих разработок реализована только в рамках международных контрактов. Смена поколений КРУЭ, как правило, происходит не реже, чем в 6-8 лет.
К особенностям последнего поколения КРУЭ можно отнести:
- число контактных пар выключателей вплоть до напряжения 362 кВ не более одного, а до напряжения 800 кВ – не более двух;
- токи отключения выключателей – до 63 кА, номинальные токи – до 8000А;
- применение дугогасительных устройств с комбинированным принципом гашения дуги;
- снабжение КРУЭ быстродействующими заземлителями на линейных выводах;
- обеспечение КРУЭ системами диагностики практически всех важнейших характеристик;
- доминирующее использование в элегазовых выключателях автономных приводов – пружинных и гидравлических.
Такие элегазовые коммутационные аппараты нового поколения созданы всеми ведущими фирмами, в том числе ВЭИ (КРУЭ-170 кВ нового поколения совместно с фирмой «Самсунг») и Научно-исследовательским институтом высоковольтного аппаратостроения (С.Петербург). На «Уралэлектротяжмаш» освоено производство современных элегазовых выключателей колонкового типа с пружинным приводом на напряжение 110-220 кВ.
Ситуация с развитием и внедрением вакуумной коммутационной аппаратуры в России более благоприятна. Вакуумная аппаратура имеет развитую производственную базу и стабильный серийный выпуск уже много лет. Большой вклад в ее освоение внес родоначальник этого направления – ВЭИ. Разработана и выпускается вся гамма аппаратов средних напряжений (до 110 кВ), пользующаяся повышенным спросом у потребителя. Серийный выпуск вакуумной аппаратуры начался еще в 70-е годы, когда был построен и запущен Минусинский завод вакуумных выключателей (МЗВВ). В настоящее время несколько заводов серийно выпускают ВДК и более десятка – вакуумные выключатели.
Находящиеся в эксплуатации морально и физически устаревшие выключатели создают много проблем.
По данным РАО ЕЭС 15% всех выключателей высокого напряжения не соответствуют условиям эксплуатации; износ подстанционного оборудования превышает 50%. Более трети воздушных выключателей 330-750 кВ, составляющих основу коммутационного оборудования межсистемных электросетей, имеет срок службы более 20-ти и даже 30-ти лет. Аналогичная ситуация с коммутационным оборудованием на напряжение 110-220 кВ.
Устаревшие выключатели и системы их обеспечения требуют больших эксплуатационных расходов.
На мировом рынке до 2010 г. не просматривается альтернативы элегазовым и вакуумным выключателям. Поэтому продолжаются работы по их совершенствованию.
Применяется комбинация автопневматического способа гашения и, получившего в настоящие годы широкое распространение, способа автогенерации давления в элегазовых выключателях. Это позволяет уменьшить энергоемкость привода и делает возможным применение экономичного и надежного пружинного привода для элегазовых выключателей напряжением 245 кВ и выше.
Повышение эффективности гашения дуги дает возможность увеличить напряжение на один разрыв выключателя до 360-550 кВ.
Проводятся работы по дальнейшему совершенствованию контактных систем ВДК, поиску оптимального распределения магнитного поля для эффективного гашения вакуумной дуги и уменьшения диаметра камер. Продолжаются работы по созданию ВДК на напряжение более 35 кВ (110 кВ и выше) для вакуумных выключателей высокого напряжения.
Вакуумная аппаратура начинает использоваться на низком напряжении (1140 В и ниже), причем не только в виде контакторов, но и выключателей, аппаратов управления.
Проводятся работы по замене элегаза на смеси его с другими газами, а также использованию других газов.
Уровень разработок элегазовой и вакуумной аппаратуры в основном удовлетворяет требованиям потребителя.
На сегодня объем подачи на российском рынке зарубежной элегазовой аппаратуры значительно превосходит объем продаж отечественных аппаратов. Российским производителям все труднее конкурировать с зарубежными из-за технологической отсталости и отсутствия средств на техническое переоборудование.
