В то время как элегаз (SF6) продолжает широко применяться в сетях передачи электроэнергии, давая изготовителям возможность разрабатывать надежное, безопасное и компактное оборудование, все большую обеспокоенность вызывает его воздействие на окружающую среду. По этой причине, ряд стран, таких как Швеция или Новая Зеландия уделяют все больше внимания решениям, в которых не используется SF6. Компания Alstom Grid осуществляет контроль элегаза по всей цепочке производства, и в результате этого, эмиссия элегаза в ее продуктах чрезвычайно низка. Кроме того, компания проявила инициативу по разработке нового семейства основанных на вакуумной технологии выключателей, не использующих элегаз. Первым представителем этого семейства стал выключатель VL109 для сетей с напряжением 72.5 кВ.
Почти все современные высоковольтные выключатели, работающие в сетях передачи электроэнергии, в качестве дугогасящей среды для прерывания тока, и для диэлектрической изоляции между клеммами, используют гексафторид серы (элегаз, SF6). Это связано с прекрасной способностью элегаза по прерыванию электрического тока, и его высокой диэлектрической прочностью. Однако элегаз относится к парниковым газам, обладая высоким потенциалом усиления глобального потепления. Несколько стран уже предприняли политические шаги по ограничению использования элегаза - например, Австралия, установила налог в 450 австралийских долларов за килограмм импортируемого элегаза - и другие страны, скорее всего, последуют ее примеру. Учитывая эту тенденцию, компания Alstom разработала решение, в рамках которого предлагает высоковольтные выключатели, не использующие SF6. Наиболее привлекательным подходом является применение вакуумной технологии для прерывания тока. Эта технология уже десятилетиями используется в приложениях для среднего напряжения, и стала почти универсальной для этого уровня.
Масштабирование вакуумной технологии с со среднего напряжения на высокое
Вакуум обладает почти идеальными характеристиками отключения и изоляции: у него прекрасная диэлектрическая прочность, и он очень быстро восстанавливает свои характеристики после прекращения тока. "Однако масштабирование вакуумной технологии со среднего напряжения на приложения высоких напряжений, является не простой задачей, - говорит д-р Лутц Древс, руководитель НИР и ОКР в компании Alstom Grid. - Из-за ряда причин, связанных с физикой вакуума, и нелинейной зависимостью расстояния между контактами и диэлектрической прочности, вакуумная технология до сих пор применялась только при распределении электроэнергии для напряжения не выше 52 кВ". Для высокого напряжения (например, 72 кВ или выше), действительно существуют "вакуумные" технологии, но они, в основном, ориентированы на небольшие нишевые рынки. Примером может служить промышленный сектор в Японии. Такие выключатели, как правило, страдают от ряда недостатков: они не полностью избавлены от применения элегаза (все еще используют элегаз для диэлектрической изоляции), и они не в полной степени совместимы с современными конструкциями подстанций. "Наша цель заключалась в разработке высоковольтного выключателя, вообще не использующего SF6, и пригодного для всего мирового рынка. То есть, такого выключателя, который мог легко использоваться вместо существующих выключателей. Он должен применять вакуум для разрыва тока вакуум, а для изоляции клемм друг от друга - сухой воздух", - объясняет Древс. В результате был разработан и создан выключатель вакуумного типа VL109, служащий альтернативой для выключателя модели GL309 компании Alstom, построенной на основе использования элегаза. Этот выключатель может работать в сетях 72.5 кВ / 31.5 кА / 2,000 A.
Выключатель VL109 использует технологию вакуумного разрыва тока и изоляцию сухим воздухом.
Для достижения поставленной цели компании пришлось преодолеть ряд препятствий. По сравнению с существующими вакуумными дугогасительными камерами для среднего напряжения, прерывание тока при высоком напряжении требует более широкого зазора между контактами, и специальной конфигурации контактов, обеспечивающей осевое магнитное поле. Более того, было необходимо провести большие исследования материала контактов, для обеспечения прохождения тестов отключения слабых токов (например, емкостного тока). Также потребовалась диэлектрическая оптимизация, чтобы дать возможность использовать сухой воздух для изоляции клемм и для обеспечения таких же размеров выключателя, как и у модели GL309. Для удовлетворения модифицированного баланса механической энергии самой системы выключателя, и для снижения требуемого удара вакуумной дугогасительной камеры, была проведена оптимизация всего приводного механизма. Это обеспечило возможность сохранение принятого в Alstom пружинного привода типа FK. В то же время изучались и другие конфигурации: последовательное соединение двух вакуумных дугогасильных камер, или использование одного вакуумного прерывателя. "Мы решили остановиться на одной вакуумной камере, так как это позволило нам сохранить конструкцию "свечки". В результате выключатель стал полностью взаимозаменяем с существующим выключателями на базе SF6 для сетей 72 кВ. Наконец, такое решение не потребовало использования компенсирующего конденсатора, и обеспечило более высокую механическую надежность".
Пилотные испытания в сети
Испытания разрыва тока и выключения проводились в высоковольтной лаборатории KEMA в Арнеме (Нидерланды) и в лаборатории CERDA в Вийербане (Франция). Испытания длительности механической работы, диэлектрических параметров, и влияния на окружающую среду выполнялись в лаборатории компании Alstom Grid в Касселе (Германия). Выключатель VL109 успешно прошел все испытания. "Следующим шагом была проверка VL109 в реальной электрической сети", - говорит Древс. Первый пилотный выключатель вакуумного типа был установлен в конце 2012 года во французской электрической сети. Второй пилотный выключатель был установлен на сети Transpower в Новой Зеландии. "Эти пилотные приложения позволят нам накопить опыт, связанным с самим коммутационным оборудованием, а также оценить воздействие этого оборудования на сеть передачи электроэнергии. Мы можем собрать свидетельства надежности технологии для использования в высоковольтных сетях передачи электроэнергии". Сейчас компания Alstom развернула программу распространения этой вакуумной высоковольтной технологии на выключатели бакового типа, и на коммутационное оборудование с элегазовой изоляцией, а также на другие категории высокого напряжения.
(1) Выключатель относится к "колонковым", если корпус прерывающего устройства имеет потенциал линии, или к "баковым", если корпус имеет потенциал земли.
По материалам компании Альстом
