Каковы преимущества использования элегазового распределительного оборудования для сетей высокого и среднего напряжения?

Использования элегазового оборудования дает довольно много преимуществ, в том числе:
Безопасность местных операторов. КРУЭ оказывают значительный вклад в снижение рисков несчастных случаев. Все рабочие детали оборудования находятся в металлическом заземленном корпусе, что обеспечивает свойственную этому оборудованию защиту персонала от поражения электрическим током, и снижает риски, связанные с человеческим фактором. Распределительное оборудование остается герметически запечатанным в течение всего срока его эксплуатации.
Очень высокая операционная надежность. Это оборудование предоставляет высокую надежность при эксплуатации, поскольку находящиеся внутри закрытой оболочки первичные проводники полностью защищены от любых внешних воздействий. Минимальное использование синтетических материалов снижает возможность возгорания. Изоляция газом SF6обеспечивает полную защиту от окисления контактов и винтовых соединений. А это означает, что оборудование, по мере своего старения, не снижает своей способности проводить ток. Также отсутствует и снижение изоляционной прочности, в связи с внешними факторами.
Важный вклад в бесперебойность поставок электроэнергии. Общая герметизация также означает, что оборудование почти полностью не зависит от окружающей среды. КРУЭ могут использоваться в сложных климатических условиях, например, в местах с частой конденсацией влаги в связи с изменениями температуры. Они могут применяться даже там, где существует возможность затопления. Когда надежность изоляции в других случаях может страдать от загрязнения, например, промышленной пылью, отходами сельского хозяйства или солевыми отложениями в прибрежных районах, КРУЭ полностью устраняет такую возможность в течение всего времени эксплуатации оборудования.
В отличие от воздушной изоляции,изоляционная способность которой снижается с увеличением высоты над уровнем моря, КРУЭ сохраняет свою полную изолирующую способность независимо от того, насколько высоко оно находится. Поэтому не возникает необходимости в более крупных и дорогостоящих специальных проектах, или в оборудовании с более высокой изоляционной способностью, которые неизбежно приводят к дополнительным расходам.
Не требуется большого пространства. Благодаря высокой диэлектрической прочности элегаза распределительное оборудование достаточно компактно, что минимизирует пространственные требования. Высокий уровень безопасности и небольшое пространство для размещения элегазового оборудования, позволяют размешать его непосредственно в крупных городах, и близко к центрам потребления электричества, таким как городские деловые центры, промышленные предприятия и коммерческие районы. Тем самым, достигается одна из основных целей поставки электроэнергии, а именно возможность размещения подстанций настолько близко к центрам нагрузки, насколько это возможно. Это позволяет удерживать на минимуме потери передачи энергии, что снижает расход ресурсов и минимизирует затраты. Вся цепочка доставки энергии дает возможность достигнуть важной экономии затрат на строительство, землю и транспорт. В ряде случаев, КРУЭ является единственным возможным решением. Например, для ветряных электростанций, размещаемых в море, в кавернах, для выключателей крупных генераторов, и для развития существующих установок. Эта технология часто позволяет расширять использование существующих зданий, где необходима замена оборудования или его развитие в связи с увеличением нагрузки.
Отличные экономические и экологические характеристики.

· Заметные экономические преимущества связаны со следующим:

- Долгий срок службы.
- Минимальные издержки на обслуживание благодаря наличию не требующего обслуживания, герметичного корпуса.
- Сниженные затраты на землю, здания, транспорт, и ввод в эксплуатацию.
- Максимальная операционная надежность в качестве предпосылки дистанционного управления и автоматизации электрических сетей.

· Экологические и экономические преимущества связаны со следующим:

- Пониженное потребление первичной энергии и пониженное загрязнение окружающей среды обеспечивают свой вклад в создание экономически оптимизированных систем энергоснабжения.
- Продолжительное время эксплуатации КРУЭ способствует сохранению ресурсов.

· Эстетические и экологические преимущества для сельской и городской местности связаны со следующим:

- Элегазовые установки компактны, требуют минимального обслуживания, обладают очень высокой готовностью, и не зависят от погодных условий. Они обеспечивают не только важные экологические и экономические преимущества, но также легко могут быть интегрированы в любую местность и архитектуру городов, мегаполисов и сельской местности.
- Восстановление районов, ранее занятых традиционными подстанциями.

Силовые вакуумные и элегазовые выключатели СН в современных РУ СН внутренней установки

Вакуумные выключатели

Электрическая прочность вакуумного промежутка во много раз больше, чем воздушного при атмосферном давлении. Это свойство используется в вакуумных дутогасительных камерах КДВ (рис. 1). Рабочие контакты 1 имеют вид полных усеченных конусов с радиальными прорезями. Такая форма контактов при размыкании создает радиальное электродинамическое усилие, заставляющее перемещаться дугу через зазоры 3 на дугогасительные контакты 2. Материал контактов подобран так, чтобы уменьшить количество испаряющегося металла. Вследствие глубокого вакуума (10-4—10-6) происходит быстрая диффузия заряженных частиц в окружающее пространство, и при первом переходе тока через нуль дуга гаснет.вакуумныйвыключатель трансформатор

Подвод тока к контактам осуществляется с помощью медных стержней 4 и 5. Подвижный контакт крепится к верхнему фланцу 6 с помощью сильфона 7 из нержавеющей стали. Металлические экраны 8 м 9 служат для выравнивания электрического поля и для защиты керамического корпуса 10 от напыления паров металла, образующихся при горении дуги. Экран 8 крепится к корпусу камеры с помощью кольца 11. Поступательное движение к верхнему контакту обеспечивается корпусом 12. Ход подвижного контакта составляет 12 мм.

На основе рассмотренной выше вакуумной дугогасительной камеры выпускаются выключатели напряжением 6— 110 кВ с номинальным током до 3200 А и током отключения до 40 кА.

Вакуумные выключатели 6—10 кВ широко применяются для замены маломасляных и электромагнитных выключателей в комплектных распределительных устройствах, для чего они комплектуются на выкатных тележках(рис. 2).

Рис. 1. Вакуумная дугогасительная камера КДВ-10-1600-20:1 — рабочие контакты; 2 — дугогасительные контакты; 3 — зазоры; 4, 5 — токоведущие стержни; 6 — верхний фланец; 7 — сильфон; 8, 9 — экраны; 10 — керамический корпус; 11 — крепежное кольцо; 12 — корпус

Дугогасительная камера 7 укреплена на токовыводах в изоляционном каркасе б и системой рычагов связана с приводом. При включении сначала происходит заводка пружинно-моторного привода до положения «Готов». После этого подается сигнал на включение на ИДУУ (индукционно-динамическое устройство управления), которое, разряжаясь, сбивает удерживающую защелку на приводе, пружины поворачивают кулачковый вал 9, который воздействует на рычаг вала выключателя. Вал, поворачиваясь, через систему рычагов и изоляционные тяги 3 воздействует на подвижный контакт КДВ, выключатель включается. Отключение производится кнопкой отключения 10, которая выбивает удерживающую защелку, а отключающая пружина 13 через систему рычагов возвращает подвижный контакт камеры в отключенное состояние.

Рис. 2. Выключатель вакуумный ВБП-С-10-31,5/1600 УЗ: 1 — выкатная тележка; 2 — рама; 3 — изоляционные тяги; 4 — узел поджатия; 5 — токовыводы; 6 — изоляционный каркас; 7 — вакуумная дугогасительная камера (КДВ); 8 — пружинно-моторный привод; 9 — кулачковый вал привода; 10 — кнопка отключения; 11 — блок защелок; 12 — блок сигнализации; 13 — отключающая пружина; 14— буфер; 15— вал выключателя; 16— индукционно-динамическое устройство управления (ИДУУ)

Управление выключателем может осуществляться вручную или дистанционно. Рассмотренный выключатель может отключать и включать ток КЗ 31,5 кА, полное время отключения 0,04 с, время включения 0,03 с. Коммутационный ресурс: число цикловВ —tп—О номинального тока равно 30000, число циклов В и О тока отключения — 50. Срок службы до среднего ремонта составляет 15 лет.

Выключатель ВБП — быстродействующий, устанавливается в ячейках КРУ секционных и на вводах в совокупности с быстродействующим АВР и служит для замены маломасляных выключателей, отслуживших свой срок в ячейках КРУ: К-ХII, К-ХШ, K-XXVI, К-37, КВЭ, КВС и КСО всех типов.

Для этих же целей освоен выпуск выключателей вакуумных BB-TEL производственным объединением «Таврида-электрик». На рис. 3 показан разрез по одному полюсу и общий вид вакуумного выключателя BB-TEL-10/1000. Выключатель состоит из трех полюсов на одном основании (см. рис. 3, а). Якори 8 приводных электромагнитов соединены между собой валом 11.

В разомкнутом положении контакты выключателя удерживаются отключающей пружиной 9 через тяговый изолятор 5. При подаче сигнала «Вкл» подается питание в катушку электромагнита 10; якорь 8, сжимая отключающую пружину, перемещается вверх вместе стяговым изолятором и подвижным контактом 3, который замыкается. В это время кольцевой магнит 7 запасает магнитную энергию, необходимую для удержания выключателя во включенном положении, а катушка 10 постепенно обесточивается, после чего привод оказывается подготовленным к операции отключения.

Во включенном положении выключатель удерживается силой магнитного притяжения якоря 8 к кольцевому магниту 7 так называемой «магнитной защелкой», при этом энергии из внешней цепи не потребляется.

При подаче сигнала «Откл» блок управления подает импульс противоположного направления в катушку 10, размагничивая магнит и снимая привод с магнитной защелки. Под действием пружин 6 и 9 якорь 8 перемещается вниз вместе с тяговым изолятором и подвижным контактом 3, выключатель отключается. Возможно ручное отключение кнопкой 3 (см. рис3, б).

Выключатели данной серии применяются для замены выключателей в ячейках КРУ, а также для вновь разрабатываемых камер КСО и КРН.

Вакуумные выключатели напряжением 110 кВ в каждом полюсе имеют четыре последовательно соединенные дугогасительные камеры КДВ, установленные на опорных изоляторах. Для равномерного распределения напряжения по разрывам применяются емкостные делители напряжения. Электромагнитный привод обеспечивает дистанционное управление выключателем.

Рис. 3. Вакуумный выключатель BB-TEL-10-1000: а — конструктивная схема полюса: / — неподвижный контакт ВДК; 2 — вакуумная камера (ВДК); 3 — подвижный контакт ВДК; 4 — гибкий токосъем; 5 — тяговый изолятор; 6 — пружина поджатая; 7 — кольцевой магнит; 8 — якорь; 9— отключающая пружина; 10 — катушка; 11 — вал; 12 — постоянный магнит; 13 — герконы (контакты для внешних вспомогательных цепей); 6 — общий вид выключателя: 1,2— подключение главных цепей; 3 — кнопка ручного отключения; 4 — заземление; 5 — подключение вторичных цепей (см. также с. 263)

Вакуумные выключатели устанавливаются для управления трансформаторами сталеплавильных печей, тяговых подстанций, насосных, на мощных экскаваторах. Отключение мощных синхронных двигателей вызывает срез тока при быстром разрыве цепи, отключение малых индуктивных токов может привести к перенапряжению, поэтому вакуумные выключатели снабжаются встроенными ограничителями перенапряжений или предусматривается установка ОПН (ограничитель перенапряжения).

Для замены выключателей, выработавших коммутационный ресурс, фирма АББ поставляет вакуумный выключатель VM2GT, который может устанавливаться на выкатных тележках КРУ (К-104, КМВ, КРУ2-10, К-ХШ).

Достоинства вакуумных выключателей: простота конструкции, высокая степень надежности, высокая коммутационная износостойкость, малые размеры, пожаро- и взрывобезопасность, отсутствие загрязнения окружающей среды, малые эксплуатационные расходы.

Недостатки вакуумных выключателей: сравнительно небольшие номинальные токи и токи отключения, возможность коммутационных перенапряжений.

Элегазовые выключатели

Элегаз SF6 представляет собой инертный газ, плотность которого в 5 раз превышает плотность воздуха. Электрическая прочность элегаза в 2 — 3 раза выше прочности воздуха.

В элегазовых выключателях применяются автокомпрессионные дугогасительные устройства (рис. 4). При отключении цилиндр 4 вместе с контактом 3 перемещается вниз, образуется разрыв между подвижным 3 и неподвижным 1 контактами и загорается дуга. Поршень 5 остается неподвижным, поэтому При движении цилиндра вниз элегаз над поршнем сжимается, создается дутье в объем камеры и полый контакт 1, столб дуги интенсивно охлаждается, и она гаснет. При включении цилиндр 4 перемещается вверх, контакт / оказывается в верхней камере цилиндра и цепь замыкается.

Элегазовый выключатель представляет собой замкнутую систему без выброса газа наружу.

Более эффективным является двустороннее дутье, именно такие дугогасительные камеры применяются в современных элегазовых выключателях, построенных на модульном принципе. Так, в выключателях на ПОкВ— один дугогасительный модуль, на 220 кВ — два, на 500 кВ — четыре. Соответственно меняется изоляция относительно земли.

На рис. 5 показан выключатель ВГУ-220-45/3150У1 (UH0M = = 220кВ, Iоткл.ном=45 кА, IНОМ=3150 А, климат — умеренный, установка— открытая). Полюс имеет Y-образную компоновку. Емкостные делители обеспечивают равномерное распределение напряжения между разрывами полюса. Отключение осуществляется пневматическим приводом, включение — пружинами,которые заводятся при отключении. Механический ресурс выключателя 3000 циклов ВО; ресурс коммутационной способности: при токе 45 кА число операций О/В — 15/17; при токе 27 кА — 22/11, при рабочем токе 3150 А- 3000/3000.

Распределительный шкаф 4 предназначен для пневматической и электрической связи трех полюсов выключателя.

Новая серия баковых выключателей на 35 кВ позволяет иметь встроенные трансформаторы тока (рис. 6), что упрощает конструкцию распределительных устройств. Вводы и трансформаторы тока укреплены на баке, внутри которого находятся контактная и дугогасительная системы. Номинальное давление элегаза 0,45 МПа, при снижении давления до 0,33 МПа срабатывает сигнализация, а при

0,3 МПа выключатель отключается автоматически. Гашение дуги осуществляется за счет вращения электрической дуги в элегазе с помощью магнитного поля, созданного отключаемым током.

Привод выключателя электромагнитный. По сравнению с масляными выключателями С-35 и ВТ-35 элегазовый выключатель имеет значительные преимущества и более совершенные трансформаторы тока. Рассмотренный выключатель ВГБЭ-35-12,5/630 рассчитан на ток отключения 12,5 кА, полное время отключения 0,07 с, электродинамическую стойкость 35 кА. Выключатель пригоден для АПВ.

Баковые выключатели с элегазом на ПО кВ выпускаются фирмой АББ типа 145РМ40, номинальный ток 3000 А, ток динамической устойчивости 100 кА, tmKJl= 0,05 с. Дугогасительное устройство подобно рассмотренному выше. На наружной части ввода располагаются трансформаторы тока.

Рис. 5. Выключатель элегазовый ВГУ-220-45/3150: / — модуль дугогасительный; 2 — колонка опорная; 3 — шкаф управления с приводом; 4 — шкаф распределительный; 5 — конденсаторы (емкостные делители)

Колонковые выключатели этой же фирмы типа LTB145D1/B рассчитаны на напряжение 110 кВ, номинальный ток 3150 А, ток отключения 40 кА. В этой серии выпускаются выключатели напряжением до 800 кВ. Особенностью серии LTB являются: высокая сейсмостойкость, возможность работы в экстремальных условиях окружающей среды.

Колонковые выключатели с элегазом выпускаются ОАО «Урал-электротяжмаш» на напряжение 110 — 500 кВ.

Для замены устаревших выключателей в КРУ типов К-Х, К-ХII, K-XXV, K-XXVIфирмой АББ производятся выкатные элементы с элегазовыми выключателями серий VFи HD2GT.

Достоинства элегазовых выключателей: пожаро- и взрывобезопасность, быстрота действия, высокая отключающая способность, малый износ дугогасительных контактов, возможность создания серий с унифицированными узлами (модулями), пригодность для наружной и внутренней установки.

Недостатки: необходимость специальных устройств для наполнения, перекачки и очистки SF6, относительно высокая стоимость SF6.

Рис. 6. Выключатель элегазовый баковый ВГБЭ-35:/ — ввод; 2 — трансформатор тока; 3 — бак с контактной и дугогасительной системами; 4 — коробка механизма; 5 — клапан; 6 — сигнализатор давления; 7— клеммная коробка; 8 — подогрев; 9 — шкаф с приводом

Основные технические решения для равномерного распределения дуги по поверхности коонтактов вакуумных выключателей (RMF и AMF системы). Предельные параметры выключателей по отключающей способности.

Вакуумные выключатели

Гашение дуги происходит в вакуумной камере (рис. 12.). Коммутационная камера (4) находится между двумя керамическими изоляторами (3). Неподвижный и подвижный контакты подключаются внешним токовым вводам. Неподвижный контакт жестко прикрепляется к корпусу выключателя, а подвижный контакт - к приводу выключателя, который может перемещаться в вакуумной камере без нарушения вакуума только на несколько миллиметров за счет наличия металлического сильфона ( «гармошка» из металла цельнотянутая или сварная). Внутреннее давление вакуумной камеры, как отмечалось выше, составляет меньше чем 10+7 бар. Характеристики контактного материала и сама геометрия контактов соответствует техническим требованиям выключателя.

Рис. 12. Вакуумная камера
1 - неподвижный контакт
2 - место подключения
3 - изолятор (керамический)
4 - коммутационная камера
5 - металлический сильфон
6 - направляющая шайба
7 - подвижный контакт
8 - резьба для присоединения к приводу

Процесс отключения тока в вакуумной камере происходит следующим образом. После расхождения контактов дуга отключаемого тока, вызвавшая испарение материала контактов, гасится при первом переходе тока через нуль. Пары металла, образованные дугой отключаемого тока, конденсируются на поверхности контактов в течение нескольких микросекунд после погасания дуги, теряя при этом свои токопроводящие свойства. После конденсации паров металла на поверхности контактов изоляционный промежуток между ними восстанавливает свои изоляционные свойства. Пары металлов в очень малом количестве конденсируются на поверхности коммутационной камеры (4), которая защищает керамические изоляторы (3) от напыления проводящим металлическим слоем и, тем самым, защищает от нарушения их изоляционных свойств, т.е. коммутационная камера выступает как защита от нарушения диэлектрической прочности изоляторов (3).

Рис. 13 Контактные системы:
а) RMF(radial magnetic field) радиальная;
б) AMF(axial magnetic field) аксиальная

При расхождении контактов в вакуумной камере возникает электрическая дуга, представляющая собой проводящую среду из паров металла контактов. Для токов отключения до 10 кА дуга равномерно распределена по поверхности контактов , т.е. имеется случай, так называемой, диффузной вакуумной дуги. При более высоких токах, из- за пинч-эффекта, дуга в вакуумной камере сосредоточена в одной точке [38]. С целью исключения термических перегрузок контактов при токах к.з. до 50 кА была изобретена, так называемая, контактная система с радиальным магнитным полем или RMF-система. RMF контактная система устроена таким образом, что магнитное поле отключаемого тока заставляет дугу вращаться по поверхности контактов. Эксплуатационные требования гашения дуги в вакуумной среде при токе к.з. более чем 50 кА дали толчок к изобретению камеры с аксиальным магнитным полем или AMF-системы, являющейся особым видом контактной системы.

Рис. 14.Зависимость тока отключения от диаметра AMF - контактов [38]

Идея AMF состоит в наличии одного витка в структуре контакта выключателя [39], который создает аксиальное магнитное поле, удерживающее дугу равномерно распределенной по поверхности контакта при любой величине отключаемого тока, т.е. создает диффузионную дугу. Простая и экономичная в изготовлении контактная система AMF приведена на рис. 13,6.
Для оптимального использования поверхности, контакт рассчитан методом приближения [40] и имеет такую конструкцию, что аксиальные компоненты магнитной индукции контакта Bz/I составляют от 3,5 цТ/А до 5 цТ/А.
Диапазон отключающих способностей AMF-контакта зависит от диаметра контакта и определяется как (рис. 14.):

где I - максимальный ток отключения в к A, D - диаметр контакта, в мм.

Например, при контакте диаметром 100 мм возможно отключение тока до 72 кА. При дальнейшем увеличении диаметра контактов можно достигнуть более высоких значений отключаемого тока.
Следует отметить, что метод гашения дуги в вакуумной среде с помощью AMF - контактов можно использовать для гашения несинусоидальных токов.
Благодаря преимуществам принципа гашения дуги в вакууме, вакуумные выключатели превосходят по своему техническому уровню другие, а система AMF- контактов представляет собой самый экономичный на сегодняшний день принцип гашения.