Выключатели на основе гексафторида серы защищают электростанции и распределительные системы, прерывая электрический ток при срабатывании защитного реле . Вместо масла, воздуха или вакуума выключатель на основе гексафторида серы использует газ гексафторид серы (SF6 ) для охлаждения и гашения дуги при размыкании цепи. Преимущества перед другими средами включают в себя более низкий уровень шума при работе и отсутствие выбросов горячих газов, а также относительно низкие эксплуатационные расходы. Разработанные в 1950-х годах и позже, выключатели на основе SF6 широко используются в электрических сетях при напряжении передачи до 800 кВ, в качестве выключателей генераторов и в распределительных системах при напряжении до 35 кВ.
Выключатели на основе гексафторида серы могут использоваться в качестве автономных устройств на наружных подстанциях с воздушной изоляцией или могут быть включены в распределительные устройства с газовой изоляцией , что позволяет создавать компактные установки при высоких напряжениях.
Прерывание тока в высоковольтном выключателе достигается путем разъединения двух контактов в среде, например, в гексафториде серы (SF6 ) , обладающей превосходными диэлектрическими и дугогасящими свойствами. После разъединения контактов ток проходит через дугу и прерывается, когда эта дуга охлаждается газовым потоком достаточной интенсивности. [1]
Газ SF6 является электроотрицательным и имеет сильную тенденцию поглощать свободные электроны. Контакты выключателя размыкаются в потоке газа гексафторида серы под высоким давлением, и между ними зажигается дуга. Газ захватывает проводящие свободные электроны в дуге, образуя относительно неподвижные отрицательные ионы. Эта потеря проводящих электронов в дуге быстро создает достаточную прочность изоляции, чтобы погасить дугу.
Газовый поток, подаваемый на дугу, должен быть способен быстро охлаждать ее, чтобы температура газа между контактами снизилась с 20 000 К до менее 2000 К за несколько сотен микросекунд, чтобы она могла выдерживать переходное восстанавливающееся напряжение , которое прикладывается к контактам после прерывания тока. Гексафторид серы обычно используется в современных высоковольтных выключателях при номинальном напряжении выше 52 кВ.
В 1980-х годах давление, необходимое для взрыва дуги, создавалось в основном за счет нагрева газа с использованием энергии дуги. Теперь стало возможным использовать маломощные пружинные механизмы для управления высоковольтными выключателями до 800 кВ.
Высоковольтные выключатели изменились с тех пор, как они были введены в середине 1950-х годов, и было разработано несколько принципов прерывания, которые последовательно способствовали значительному сокращению рабочей энергии. Эти выключатели доступны для внутреннего и наружного применения, последнее из которых представляет собой полюса выключателя, размещенные в керамических изоляторах, установленных на конструкции. Первые патенты на использование SF6 в качестве прерывающей среды были поданы в Германии в 1938 году Виталием Гроссе ( AEG ) и независимо позже в Соединенных Штатах в июле 1951 года HJ Lingal, TE Browne и AP Strom ( Westinghouse ).
Первое промышленное применение SF6 для отключения тока датируется 1953 годом. Были разработаны высоковольтные выключатели нагрузки напряжением от 15 кВ до 161 кВ с отключающей способностью 600 А. Первый высоковольтный выключатель SF6, изготовленный в 1956 году компанией Westinghouse, мог отключать ток силой 5 кА при напряжении 115 кВ, но он имел шесть камер отключения, соединенных последовательно на каждый полюс.
В 1957 году для выключателей SF 6 была введена технология компрессионного типа , в которой относительное движение поршня и цилиндра, связанного с подвижной частью, используется для создания повышения давления, необходимого для продувки дуги через сопло из изоляционного материала. В этой технологии повышение давления достигается в основном за счет сжатия газа.
Первый высоковольтный выключатель SF 6 с высокой способностью к короткому замыканию был произведен компанией Westinghouse в 1959 году. Этот выключатель в заземленном баке (называемый мертвым баком) мог прерывать 41,8 кА при 138 кВ (10 000 МВ·А) и 37,6 кА при 230 кВ (15 000 МВ·А). Такая производительность уже была значительной, но три камеры на полюс и источник высокого давления, необходимый для взрыва (1,35 МПа ), были ограничением, которого пришлось избегать в последующих разработках.
Превосходные свойства SF6 привели к быстрому распространению этой технологии в 1970-х годах и ее использованию для разработки выключателей с высокой отключающей способностью — до 800 кВ.
Появление в 1983 году первых одноразрывных выключателей на 245 кВ и соответствующих выключателей на 420 кВ, 550 кВ и 800 кВ с 2, 3 и 4 камерами на полюс соответственно привело к доминированию выключателей SF6 во всем диапазоне высоких напряжений.
Успех элегазовых выключателей можно объяснить несколькими характеристиками :
Сокращение числа прерывательных камер на полюс привело к значительному упрощению автоматических выключателей, а также числа требуемых деталей и уплотнений. Как прямое следствие, надежность автоматических выключателей повысилась, что впоследствии было подтверждено исследованиями Международного совета по большим электрическим системам (CIGRE).
За последние 30 лет были разработаны новые типы камер прерывания SF 6 , в которых реализованы инновационные принципы прерывания, [ когда? ] с целью снижения рабочей энергии выключателя. Одной из целей этой эволюции было дальнейшее повышение надежности за счет снижения динамических сил в полюсе. Разработки с 1980 года показали использование техники самовзрыва прерывания для камер прерывания SF 6 .
Эти разработки стали возможными благодаря прогрессу, достигнутому в области цифрового моделирования, которое широко использовалось для оптимизации геометрии прерывательной камеры и связей между полюсами и механизмом.
Эта технология оказалась очень эффективной и широко применялась для высоковольтных выключателей до 550 кВ. Она позволила разработать новые серии выключателей, работающих на пружинных механизмах с низким энергопотреблением.
Сокращение рабочей энергии было достигнуто в основном за счет снижения энергии, используемой для сжатия газа, и за счет увеличения использования энергии дуги для создания давления, необходимого для гашения дуги и получения прерывания тока. Низкое прерывание тока, примерно до 30% номинального тока короткого замыкания, достигается с помощью дутья. Также включает в себя больше обширной доступной энергии.
Дальнейшее развитие в технике термического дутья было достигнуто путем введения клапана между объемами расширения и сжатия. При прерывании малых токов клапан открывается под действием избыточного давления, создаваемого в объеме сжатия. Гашение дуги осуществляется как в выключателе сжатого воздуха благодаря сжатию газа, полученному поршневым действием. В случае прерывания больших токов энергия дуги создает высокое избыточное давление в объеме расширения, что приводит к закрытию клапана и, таким образом, изоляции объема расширения от объема сжатия. Необходимое для гашения избыточное давление достигается путем оптимального использования теплового эффекта и эффекта засорения сопла, возникающего всякий раз, когда поперечное сечение дуги значительно уменьшает выхлоп газа в сопле. Чтобы избежать чрезмерного потребления энергии при сжатии газа, на поршне установлен клапан, чтобы ограничить избыточное давление в сжатии до значения, необходимого для прерывания малых токов короткого замыкания.
Эта технология, известная как «самовзрыв», широко используется с 1980 года для разработки многих типов камер прерывания. Более глубокое понимание прерывания дуги, полученное с помощью цифрового моделирования и проверки посредством испытаний на разрыв, способствует повышению надежности этих самовзрывных выключателей. Кроме того, снижение рабочей энергии, допускаемое технологией самовзрыва, приводит к увеличению срока службы.
Значительное снижение рабочей энергии может быть также достигнуто за счет снижения кинетической энергии, потребляемой во время операции отключения. Один из способов — сместить два дугогасительных контакта в противоположных направлениях, так что скорость дуги будет вдвое меньше, чем при обычной компоновке с одним подвижным контактом.
Термические и самодутные принципы позволили использовать пружинные механизмы с низким энергопотреблением для работы высоковольтных выключателей. Они постепенно заменили технику компрессии в 1980-х годах; сначала в выключателях 72,5 кВ, а затем от 145 кВ до 800 кВ.
Техника двойного движения вдвое снижает скорость срабатывания подвижной части. В принципе, кинетическую энергию можно было бы сократить вчетверо, если бы общая движущаяся масса не увеличивалась. Однако при увеличении общей движущейся массы практическое снижение кинетической энергии приближается к 60%. Общая энергия срабатывания также включает в себя энергию сжатия, которая почти одинакова для обеих техник. Таким образом, снижение общей энергии срабатывания ниже, около 30%, хотя точное значение зависит от области применения и рабочего механизма. В зависимости от конкретного случая, либо техника двойного движения, либо техника одинарного движения могут быть дешевле. Другие соображения, такие как рационализация диапазона выключателя, также могут влиять на стоимость.
В этом принципе прерывания энергия дуги используется, с одной стороны, для создания взрыва за счет теплового расширения, а с другой стороны, для ускорения подвижной части выключателя при прерывании больших токов. Избыточное давление, создаваемое энергией дуги ниже зоны прерывания, подается на вспомогательный поршень, связанный с подвижной частью. Результирующая сила ускоряет подвижную часть, тем самым увеличивая энергию, доступную для отключения. С этим принципом прерывания возможно, во время прерываний больших токов, увеличить примерно на 30% энергию отключения, подаваемую рабочим механизмом, и поддерживать скорость размыкания независимо от тока. Очевидно, что он лучше подходит для выключателей с большими токами отключения, таких как генераторные выключатели.
Генераторные выключатели (GCB) подключаются между генератором и повышающим трансформатором напряжения. Они обычно используются на выходе мощных генераторов (от 30 МВА до 1800 МВА) для их надежной, быстрой и экономичной защиты. Такие выключатели имеют высокий номинальный ток (от 4 кА до 40 кА) и высокую отключающую способность (от 50 кА до 275 кА).
Они относятся к диапазону среднего напряжения, но способность выдерживать переходное восстанавливающееся напряжение, требуемая IEC/IEEE 62771-37-013, такова, что должны использоваться специально разработанные принципы прерывания. Конкретное воплощение техники термического взрыва было разработано и применено к генераторным выключателям. Описанная выше техника самовзрыва также широко используется в генераторных выключателях SF 6 , в которых контактная система приводится в действие маломощным пружинным механизмом. Пример такого устройства показан на рисунке ниже; этот выключатель рассчитан на 17,5 кВ и 63 кА.
Способность прерывания короткого замыкания высоковольтных выключателей такова, что ее невозможно продемонстрировать с одним источником, способным генерировать необходимую мощность. Используется специальная схема с генератором, который обеспечивает ток короткого замыкания до прерывания тока, а затем источник напряжения подает восстанавливающееся напряжение на клеммы выключателя. Испытания обычно проводятся на одной фазе, но могут также проводиться на трехфазной [2] Также имеется небольшой контроль мощности.
С выключателями SF 6 связаны следующие проблемы :
При образовании дуги в элегазе SF 6 образуются небольшие количества газов низшего порядка. Некоторые из этих побочных продуктов токсичны и могут вызывать раздражение глаз и дыхательных путей. Это вызывает беспокойство, если прерыватели открываются для технического обслуживания или при утилизации прерывателей.
Элегаз тяжелее воздуха, поэтому следует соблюдать осторожность при входе в низкие замкнутые пространства из - за риска вытеснения кислорода.
SF6 — самый мощный парниковый газ, который оценила Межправительственная группа экспертов по изменению климата . Его потенциал глобального потепления в 23 900 раз хуже, чем у CO2 . [ 3]
Некоторые правительства внедрили системы мониторинга и контроля выбросов SF6 в атмосферу. [4]
Автоматические выключатели обычно классифицируются по их изолирующей среде. Следующие типы автоматических выключателей могут быть альтернативой типам SF 6 .
По сравнению с воздушными выключателями работа с SF6 тише , и при нормальной работе не происходит выброса горячих газов. Для поддержания давления воздуха струи не требуется установка сжатого воздуха. Более высокая диэлектрическая прочность газа позволяет создавать более компактную конструкцию или большую отключающую способность при том же относительном размере, что и воздушные выключатели. Это также имеет желаемый эффект минимизации размера и веса выключателей, что делает фундаменты и установку менее затратными. Рабочие механизмы проще, и требуется меньше обслуживания, как правило, с большим количеством механических операций, разрешенных между проверками или обслуживанием. Однако проверка или замена газа SF6 требует специального оборудования и обучения для предотвращения случайных выбросов. При очень низких температурах наружного воздуха, в отличие от воздуха, газ SF6 может сжижаться, что снижает способность выключателя прерывать токи короткого замыкания.
Маслонаполненные выключатели содержат некоторый объем минерального масла. Минимально-масляный выключатель может содержать порядка сотен литров масла при напряжениях передачи; масляный выключатель с заглушенным баком может содержать десятки тысяч литров масла. Если оно вытечет из выключателя во время отказа, это будет представлять опасность пожара. Масло также токсично для систем водоснабжения, и утечки должны быть тщательно локализованы.
Вакуумные выключатели имеют ограниченную доступность и не предназначены для напряжений передачи, в отличие от выключателей SF 6, доступных до 800 кВ.