Автоматический выключатель на основе гексафторида серы

Автоматические выключатели на основе гексафторида серы защищают электростанции и распределительные системы, прерывая электрический ток при срабатывании защитного реле . Вместо масла, воздуха или вакуума в выключателе на основе гексафторида серы используется газ гексафторид серы (SF ₆ ) для охлаждения и гашения дуги при размыкании цепи. Преимущества по сравнению с другими средами включают меньший рабочий шум и отсутствие выбросов горячих газов, а также относительно низкие эксплуатационные расходы. Разработанные в 1950-х годах и позже элегазовые _{выключатели} широко используются в электрических сетях при напряжении передачи до 800 кВ, в качестве генераторных выключателей и в распределительных системах при напряжении до 35 кВ.

Выключатели с гексафторидом серы могут использоваться как автономные аппараты на подстанциях с воздушной изоляцией наружного применения или могут быть встроены в распределительные устройства с элегазовой изоляцией , что позволяет осуществлять компактную установку при высоких напряжениях.

Принцип работы

Прерывание тока в высоковольтном выключателе достигается за счет разделения двух контактов в среде, например гексафториде серы (SF ₆ ), обладающей прекрасными диэлектрическими и дугогасительными свойствами. После размыкания контактов ток протекает по дуге и прерывается при охлаждении этой дуги газовым дутьем достаточной интенсивности. ^[1]

SF ₆Газ электроотрицательен и имеет сильную тенденцию поглощать свободные электроны. Контакты прерывателя размыкаются в потоке газообразного гексафторида серы под высоким давлением, и между ними возникает 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 в состоянии быстро охладить ее, чтобы температура газа между контактами снизилась с 20 000 К до менее 2 000 К за несколько сотен микросекунд, чтобы дуга могла выдерживать переходное восстанавливающееся напряжение , которое прикладывается к контактам после прерывания тока. Гексафторид серы обычно используется в современных высоковольтных выключателях с номинальным напряжением выше 52 кВ.

В 1980-е годы давление, необходимое для зажигания дуги, создавалось в основном за счет нагрева газа с использованием энергии дуги. можно использовать малоэнергетические пружинные механизмы Теперь для привода высоковольтных выключателей до 800 кВ .

Краткая история

Высоковольтные выключатели изменились с момента их появления в середине 1950-х годов, и было разработано несколько принципов прерывания, которые последовательно способствовали значительному снижению рабочей энергии. Эти выключатели доступны для внутреннего или наружного применения, причем последние имеют форму полюсов выключателя, помещенных в керамические изоляторы, установленные на конструкции.Первые патенты на использование SF ₆ в качестве прерывающей среды были поданы в Германии в 1938 году Виталием Гроссом ( AEG ) и независимо позднее в США в июле 1951 года Х. Дж. Лингалом, Т. Э. Брауном и А. П. Стромом ( Westinghouse ).

Первое промышленное применение SF ₆ с отключающей способностью 600 А. Первый высоковольтный _{для прерывания тока датируется 1953 годом. Были разработаны высоковольтные выключатели нагрузки от 15 до 161 кВ} элегазовый выключатель, построенный в 1956 году компанией Westinghouse, мог прерывание 5 кА при напряжении 115 кВ, но имело шесть камер прерывания последовательно на полюс.

выключателей была внедрена технология надувного типа _{В 1957 году для элегазовых} , в которой относительное движение поршня и цилиндра, связанных с движущейся частью, используется для создания повышения давления, необходимого для подачи дуги через сопло из изоляционного материала. . В этом методе повышение давления достигается главным образом за счет сжатия газа.

Первый высоковольтный элегазовый _{выключатель} с высокой способностью к току короткого замыкания был произведен компанией Westinghouse в 1959 году. Этот автоматический выключатель в заземленном резервуаре (так называемом «негерметичном резервуаре») мог отключать ток 41,8 кА при напряжении 138 кВ (10 000 МВ·А). ) и 37,6 кА при напряжении 230 кВ (15 000 МВ·А). Эти характеристики уже были значительными, но три камеры на опору и источник высокого давления, необходимый для взрыва (1,35 МПа ), были ограничением, которого нужно было избегать в последующих разработках.

Превосходные свойства SF ₆ привели к быстрому распространению этой технологии в 1970-х годах и к ее использованию для разработки автоматических выключателей с высокой отключающей способностью до 800 кВ.

Появление примерно в 1983 году первых одноразъемных выключателей на напряжение 245 кВ и соответствующих напряжений от 420 до 550 кВ и 800 кВ, с соответственно 2, 3 и 4 камерами на полюс, привело к доминированию элегазовых _{выключателей} во всем диапазоне выключателей. высокие напряжения.

несколькими характеристиками элегазовых _{выключателей}Их успех можно объяснить :

Простота прерывающей камеры, которая не требует вспомогательной тормозной камеры.
Автономия, обеспечиваемая методом puffer
Возможность получить максимальную производительность до 63 кА при уменьшенном количестве прерывающих камер.
Короткое время перерыва от 2 до 2,5 циклов.
Высокая электрическая износостойкость, обеспечивающая не менее 25 лет эксплуатации без ремонта.
Возможные компактные решения при использовании распределительных устройств с элегазовой изоляцией или гибридных распределительных устройств.
Встроенные замыкающие резисторы или синхронизированные операции для снижения коммутационных перенапряжений.
Надежность и доступность
Низкий уровень шума

Уменьшение количества размыкающих камер на полюс привело к значительному упрощению автоматических выключателей, а также количества необходимых деталей и уплотнений. Как прямое следствие, надежность автоматических выключателей повысилась, что было подтверждено позднее исследованиями Международного совета по большим электрическим системам (CIGRE).

Особенности конструкции

Камеры термообдувки

новые типы камер разрушения SF6 _{, в которых реализованы инновационные принципы прерывания.}За последние 30 лет были разработаны ^{[ когда? ]} с целью снижения рабочей энергии выключателя. Одной из целей этой эволюции было дальнейшее повышение надежности за счет уменьшения динамических сил в опоре. использовался метод самовзрыва _{В ходе разработок, начиная с 1980 года, в камерах прерывания SF 6} .

Этим разработкам способствовал прогресс, достигнутый в области цифрового моделирования, которое широко использовалось для оптимизации геометрии прерывательной камеры и связи между полюсами и механизмом.

Этот метод оказался очень эффективным и широко применяется для высоковольтных выключателей до 550 кВ. Это позволило разработать новые серии автоматических выключателей, управляемых пружинными механизмами малой энергии.

Снижение рабочей энергии было достигнуто главным образом за счет снижения энергии, затрачиваемой на сжатие газа, и за счет увеличения использования энергии дуги для создания давления, необходимого для гашения дуги и прерывания тока. Слабое прерывание тока, примерно до 30% номинального тока короткого замыкания, достигается с помощью дутьевого дутья. Также включает в себя больше доступной энергии.

Камеры самовзрыва

Дальнейшее развитие технологии термического дутья произошло за счет введения клапана между объемами расширения и сжатия. При прерывании слабых токов клапан открывается под действием избыточного давления, создаваемого в объеме сжатия. Гашение дуги производится как в нагнетательном выключателе за счет сжатия газа, получаемого действием поршня. В случае прерывания больших токов энергия дуги создает высокое избыточное давление в объеме расширения, что приводит к закрытию клапана и, таким образом, изолирует объем расширения от объема сжатия. Необходимое для разрыва избыточное давление достигается за счет оптимального использования теплового эффекта и эффекта засорения сопла, возникающего всякий раз, когда поперечное сечение дуги значительно уменьшает выход газа в сопле. Чтобы избежать чрезмерного потребления энергии при сжатии газа, на поршне установлен клапан, ограничивающий избыточное давление при сжатии до значения, необходимого для прерывания малых токов короткого замыкания.

Камера самовзрывного выключателя (1) закрыта, (2) отключает малый ток, (3) отключает высокий ток и (4) разомкнута.

Этот метод, известный как «самовзрыв», с 1980 года широко используется для разработки многих типов прерывающих камер. Более глубокое понимание процесса прерывания дуги, полученное с помощью цифрового моделирования и проверки с помощью испытаний на разрыв, способствует повышению надежности этих самовзрывных выключателей. Кроме того, снижение рабочей энергии, обеспечиваемое методом самовзрыва, приводит к увеличению срока службы.

Двойное движение контактов

Значительного снижения рабочей энергии можно также добиться за счет уменьшения кинетической энергии, потребляемой во время операции расцепления. Один из способов — сместить два дугогасительных контакта в противоположных направлениях так, чтобы скорость дуги была вдвое меньше, чем при обычной схеме с одним подвижным контактом.

Термический принцип и принцип самовзрыва позволили использовать пружинные механизмы с низким энергопотреблением для срабатывания высоковольтных выключателей. В 1980-х годах они постепенно заменили технику фугу; сначала в выключателях 72,5 кВ, а затем от 145 кВ до 800 кВ.

Сравнение техник одиночного и двойного движения.

Технология двойного движения вдвое снижает скорость срабатывания подвижной части. В принципе, кинетическую энергию можно было бы разделить на четверть, если бы общая движущаяся масса не увеличивалась. общей движущейся массы Однако по мере увеличения практическое снижение кинетической энергии приближается к 60%. В общую энергию срабатывания входит также энергия сжатия, которая практически одинакова для обоих методов. Таким образом, снижение общей энергии срабатывания ниже, примерно на 30%, хотя точное значение зависит от применения и приводного механизма. В зависимости от конкретного случая, техника двойного или одинарного движения может оказаться дешевле. Другие соображения, такие как рационализация диапазона выключателей, также могут повлиять на стоимость.

Камера струйной обработки с дуговым открытием

В этом принципе прерывания энергия дуги используется, с одной стороны, для создания взрыва за счет теплового расширения, а с другой стороны, для ускорения движущейся части выключателя при отключении больших токов. Избыточное давление, создаваемое энергией дуги после зоны прерывания, воздействует на вспомогательный поршень, связанный с подвижной частью. Результирующая сила ускоряет движущуюся часть, тем самым увеличивая энергию, доступную для срабатывания. Благодаря этому принципу отключения можно во время сильноточных прерываний увеличить примерно на 30 % энергию срабатывания приводного механизма и поддерживать скорость открытия независимо от тока. Очевидно, что он лучше подходит для автоматических выключателей с высокими токами отключения, таких как генераторные выключатели.

Генераторные автоматические выключатели

Генераторные выключатели (GCB) включаются между генератором и повышающим трансформатором напряжения. Обычно они используются на выходе генераторов большой мощности (от 30 МВА до 1800 МВА) для их надежной, быстрой и экономичной защиты. Такие автоматические выключатели имеют высокий номинальный ток нагрузки (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 необходимо использовать специально разработанные принципы прерывания. Конкретный вариант метода термического дутья был разработан и применен к генераторным выключателям. Описанный выше метод самовзрыва также широко используется в генераторных выключателях SF ₆ , в которых контактная система приводится в действие малоэнергетическим пружинным механизмом. Пример такого устройства показан на рисунке ниже; этот автоматический выключатель рассчитан на 17,5 кВ и 63 кА.

Тестирование высокой мощности

Способность высоковольтных выключателей отключать короткое замыкание такова, что ее невозможно продемонстрировать с помощью одного источника, способного генерировать необходимую мощность. Используется специальная схема с генератором, который обеспечивает ток короткого замыкания до момента прерывания тока, а затем источник напряжения подает восстанавливающееся напряжение на клеммы автоматического выключателя. Испытания обычно проводятся в однофазном режиме, но могут проводиться и в трехфазном режиме. ^[2]Также есть небольшой контроль мощности.

Проблемы, связанные с _{элегазовыми} выключателями

выключателями связаны следующие проблемы _{С элегазовыми} :

Токсичные газы низшего порядка

При образовании дуги в газе SF ₆ образуются небольшие количества газов более низкого порядка. Некоторые из этих побочных продуктов токсичны и могут вызвать раздражение глаз и дыхательных систем. Это вызывает беспокойство, если прерыватели открыты для технического обслуживания или для утилизации прерывателей.

Вытеснение кислорода

SF ₆ тяжелее воздуха, поэтому необходимо соблюдать осторожность при входе в низкие закрытые помещения из-за риска вытеснения кислорода.

Парниковый газ

SF ₆ — самый мощный парниковый газ, который Межправительственная группа экспертов по изменению климата оценила . Его потенциал глобального потепления в 23 900 раз хуже, чем у CO ₂ . ^[3]

Некоторые правительства внедрили системы мониторинга и контроля выбросов SF ₆ в атмосферу. ^[4]

Сравнение с другими типами

Автоматические выключатели обычно классифицируются по их изолирующей среде. Следующие типы автоматических выключателей могут быть альтернативой типам SF ₆ .

воздушный взрыв
масло
вакуум
СО ₂

По сравнению с воздушными выключателями работа с элегазом SF ₆ более тихая, и при нормальной работе не выделяются горячие газы. Для поддержания давления дутья не требуется установка сжатого воздуха. Более высокая диэлектрическая прочность газа обеспечивает более компактную конструкцию или большую отключающую способность при тех же относительных размерах, что и у воздушных выключателей. Это также имеет желаемый эффект, заключающийся в минимизации размеров и веса автоматических выключателей, удешевлении фундамента и установки. Рабочие механизмы проще, и требуется меньше обслуживания, обычно при этом допускается больше механических операций между проверками или техническим обслуживанием. Однако проверка или замена газа SF ₆ требует специального оборудования и обучения для предотвращения случайных выбросов. При очень низких температурах наружного воздуха, в отличие от воздуха, газ SF ₆ может сжижаться, снижая способность автоматического выключателя прерывать токи повреждения.

Маслонаполненные гидромолоты содержат некоторое количество минерального масла. Выключатель с минимальным количеством масла может содержать порядка сотен литров масла при напряжении передачи; Маслонаполненный автоматический выключатель с мертвым баком может содержать десятки тысяч литров масла. Если он разрядится из автоматического выключателя во время неисправности, возникнет опасность пожара. Масло также токсично для водных систем, поэтому утечки необходимо тщательно локализовать.

Вакуумные выключатели имеют ограниченную доступность и не предназначены для передачи напряжения, в отличие от элегазовых _{выключателей} , доступных до 800 кВ.

См. также

Примечания

^ «Учебное пособие по высоковольтным выключателям переменного тока» (PDF) . ИИЭЭ . июль 2017 года . Проверено 21 октября 2017 г.
^ Трехфазное испытание высоковольтных выключателей на короткое замыкание , представлено Д. Дюфурне и Г. Монтийе на заседании комитета по распределительным устройствам IEEE, май 1999 г.
^ Дервос, Коннектикут; Василиу, П. (январь 2000 г.). «Гексафторид серы (SF ₆ ): глобальное воздействие на окружающую среду и образование токсичных побочных продуктов» . J Air Waste Manag Assoc . 50 (1): 137–41. Бибкод : 2000JAWMA..50..137D . дои : 10.1080/10473289.2000.10463996 . ПМИД 10680375 . S2CID 8533705 .
^ «Синтетические парниковые газы и схема торговли выбросами , Правительство Новой Зеландии, Министерство окружающей среды, дата доступа = 23 сентября 2011 г.

[1] «Учебное пособие по высоковольтным выключателям переменного тока» (PDF) . ИИЭЭ . июль 2017 года . Проверено 21 октября 2017 г.

[2] Трехфазное испытание высоковольтных выключателей на короткое замыкание , представлено Д. Дюфурне и Г. Монтийе на заседании комитета по распределительным устройствам IEEE, май 1999 г.

[3] Дервос, Коннектикут; Василиу, П. (январь 2000 г.). «Гексафторид серы (SF ₆ ): глобальное воздействие на окружающую среду и образование токсичных побочных продуктов» . J Air Waste Manag Assoc . 50 (1): 137–41. Бибкод : 2000JAWMA..50..137D . дои : 10.1080/10473289.2000.10463996 . ПМИД 10680375 . S2CID 8533705 .

[4] «Синтетические парниковые газы и схема торговли выбросами , Правительство Новой Зеландии, Министерство окружающей среды, дата доступа = 23 сентября 2011 г.

[1]

[2]

[3]

[4]