Стартовая >> Архив >> Подстанции >> Сравнение вакуумных и элегазовых выключателей среднего напряжения

Надёжность - Сравнение вакуумных и элегазовых выключателей среднего напряжения

Оглавление
Сравнение вакуумных и элегазовых выключателей среднего напряжения
Надёжность
Выполнение коммутационных задач

Для анализа эксплуатационной надежности элегазовых и вакуумных выключателей рассмотрим их конструктивные особенности и принципиальные различия. Ниже, более подробно, рассмотрим наиболее распространенные элегазовые и вакуумные выключатели среднего напряжения, их принцип работы и применение. В настоящее время надёжность коммутационного аппарата определяется надежностью дугогасительной камеры. Это определяется тем, что современные выключатели среднего напряжения имеют почти одинаковую надёжность привода и она гораздо выше надежности дугогасительной камеры.

Компрессионные элегазовые выключатели

Автокомпрессионный элегазовый выключатель
Рассмотрим принцип действия автокомпрессионного элегазового выключателя Основные составные части этого выключателя изображены на (рис. 5.).
Рис. 5. Автокомпрессионный элегазовый выключатель
Верхний токовый ввод
Абсолютное давление элегаза 0,5 бар.
Герметизирующая насадка
Неподвижный дугогасительный контакт
Подвижный основной контакт
Соединения между подвижными и неподвижными частями
Подвижный дугогасительный контакт
Напорная камера
Поршень
Вентиль
Пружина
Нижний токовый ввод
Главный шток из изолирующего материала
Рычаг вала
Система уплотнений
Вал
Молекулярное сито
Место крепления
При включенном состоянии ток течёт через верхний токовый ввод (1), неподвижный дугогасительный контакт (4), подвижный основной контакт (5) и нижний токовый ввод (12) (рис. 6,а). После команды отключения привод приводит в действие вал (16), который вращаясь, через систему уплотнения (15) передает механический момент главному штоку (13) через рычаг вала (14) и происходит сжатие элегаза в напорной камере (8) (рис. 6,б). При этом неподвижный и подвижный дугогасительные контакты (4 и 7) остаются замкнутыми в силу поджатия пружины (11). После этого начинается расхождение неподвижного и подвижного дугогасительного контакта (4 и 7) в силу ослабления пружины (11) (рис. 6,в). Главный шток из изолирующего материала (13) начинает отдалять их друг от друга. При расхождении неподвижного и подвижного дугогасительных контактов между ними начинает гореть дуга. Как видно на рис. 5. к подвижному дугогасительному контакту прикреплен поршень (9) с герметизирующей насадкой (3), движущийся в напорной камере (8), обеспечивая при этом одновременно охлаждение и выдувание дуги элегазом под высоким давлением. Напорная камера с поршнем и герметизирующей насадкой при полном расхождении контактов обеспечивает полное гашение в дугогасящей камере (рис. 6,г).
Более усовершенствованной и надежной моделью автокомпрессионного выключателя является автокомпрессионный выключатель с главными токоведущими контактами. Рассмотрим его принцип действия и определим его составные части:
При включенном состоянии ток течёт по главному токопроводу, состоящего из верхнего и нижнего токового ввода (22 и 19) и из неподвижного и подвижного контакта главного токопровода (20 и 21). После команды отключения привод приводит в действие вал (14), который вращаясь, через систему уплотнения (13) передает механически момент шатуну (17), закрепленный к главному штоку (10). Главный шток тянет за собой вниз подвижный контакт главного токопровода и происходит разрыв главного токопровода. При этом неподвижный и подвижный дугогасительные контакты (4 и 6) остаются замкнутыми в силу поджатия пружины (9) и отключаемый ток перераспределяется от главного токопровода на дугогасительный токопровод, подсоединяется к нижнему токовому вводу (19) через главный шток (10) и гибкую шину (18).
Принцип работы автокомпрессионного выключателя
Рис. 6. Принцип работы автокомпрессионного выключателя
Крышка
Герметизирующая оболочка
Полюсное устройство
Неподвижный дугогасительный контакт
Герметизирующая насадка
Подвижный дугогасительный контакт
Поршень
Напорная камера
Пружина
Главный шток
Полюсное устройство
Изогнутая рукоятка
Система уплотнений
Вал
Молекулярное сито
Крышка
Шатун
Гибкая шина
Нижний токовый ввод
Подвижный контакт главного токопровода (наклонный ножевой контакт)
Неподвижный контакт главного токопровода
Верхний токовый ввод
Автокомпрессионный элегазовый выключатель с главными токоведущими контактами
Рис.  7. Автокомпрессионный элегазовый выключатель с главными токоведущими контактами
Принцип работы автокомпрессионного выключателя с главными токоведущими контактами
Замкнутый выключатель Разомкнутый главный контакт  Период дугогашения       Разомкнутый
выключатель
Рис. 8. Принцип работы автокомпрессионного выключателя с главными токоведущими контактами
После перераспределения тока от главного токопровода на дугогасительный токопровод начинается расхождение неподвижного и подвижного дугогасительных контактов (4 и 6), в силу ослабления пружины (9) главный шток начинает все больше и больше отдалять их друг от друга. При расхождении неподвижного и подвижного дугогасительных контактов между ними начинает гореть дуга. Как видно на рис. 7. к подвижному дугогасительному контакту прикреплен поршень (7) с герметизирующей насадкой (5), движущийся в напорной камере (8), обеспечивая при этом одновременно охлаждение и выдувание дуговой плазмы элегазом под высоким давлением. Напорная камера с поршнем и герметизирующей насадкой при полном расхождении контактов обеспечивает полное гашение в дугогасящей камере. Описанный процесс изображен на рис. 8.

Элегазовый выключатель с гашением дуги вращением.

Элегазовые выключатели среднего класса напряжения имеют больше разновидностей, чем вакуумные. Выше мы рассмотрели наиболее распространенный элегазовый компрессионный выключатель. Сейчас рассмотрим принцип действия более нового элегазового выключателя, принцип действия которого радикально отличается от описанного выше выключателя. На рис. 9. представлен элегазовый выключатель с гашением дуги вращением.
При включенном состоянии ток течёт по главному токопроводу, который состоит из верхнего и нижнего токового ввода (1и 14) и из неподвижного дугогасящего контакта и подвижного контакта главного токопровода и дугогасящего контакта (7,10 и 11). После команды отключения привод приводит в действие вал (13), который вращаясь через систему уплотнения, передает механически момент рычагу (12).

1 - верхний токовый ввод.
абсорбирующий материал.
корпус из изолирующего материала
точки крепления
катушка
главный токовый ввод
неподвижный дугогасящий контакт
верхнее кольцо дуги
нижнее        кольцо дуги
подвижный контакт главного токопровода
подвижный дугогасящий контакт
рычаг из изолирующего материала
вал с герметизируюииш уплотнением
нижний токовый ввод
Элегазовый выключатель с гашением дуги вращением
Рис. 9. Элегазовый выключатель с гашением дуги вращением.

Принцип работы элегазового выключателя с гашением дуги вращением
Замкнутый выключатель Разомкнутый главный контакт  Период дугогашения       Разомкнутый
выключатель
Рис. 10. Принцип работы элегазового выключателя с гашением дуги вращением.
Рычаг тянет за собой вниз подвижный контакт главного токопровода, на котором закреплен подвижный дугогасящий контакт. После разрыва главного токопровода дуга начинает гореть между неподвижным и подвижным дугогасящими контактами и переходит между верхним и нижним кольцами дуги. При этом отключаемый ток перераспределяется от главного токопровода на дугогасительный токопровод, протекая через катушку (5) верхнего и нижнего колец дуги . После перераспределения тока от главного токопровода на дугогасительный, под воздействием магнитного поля катушки, дуга начинает вращаться на поверхности колец, выдуваясь и охлаждаясь элегазом. После гашения тока при переходе через нуль дуга полностью гаснет и элегаз восстанавливает изоляционную прочность между верхним и нижним кольцами. Описанный процесс изображен на рис. 10.
Гибридной конструкцией вышеописанных, автокомпрессионного и с гашением дуги вращением, элегазовых выключателей является, так называемый, автокомпрессионный элегазовый выключатель с гашением дуги вращением, принцип действия которого приводится на рис  11.
Принцип работы автокомпрессионного элегазового выключателя с гашением дуги вращением
Рис. 11. Принцип работы автокомпрессионного элегазового выключателя с гашением дуги вращением.
Из рисунка видно, что при включенном состоянии ток течет через главный токопровод. После команды отключения, в начальный момент, происходит разрыв главного токопровода. При этом неподвижный и подвижный дугогасящие контакты остаются замкнутыми и отключаемый ток перераспределяется от главного токопровода на дугогасительный токопровод протекая через катушку неподвижного дугогасящего контакта, подвижный дугогасящий контакт и через гибкую шину. После расхождения неподвижного и подвижного дугогасящих контактов, между ними загорается дуга, которая под воздействием магнитного поля катушки вращается по поверхности неподвижного и подвижного дугогасящих контактов, выдувается и охлаждается элегазом через подвижный дугогасительный контакт под воздействием избыточного давления дугогасительной камеры. При полном расхождении контактов дуга полностью гаснет и элегаз восстанавливает изоляционную прочность между контактами.

Вакуумные выключатели

Что касается вакуумных выключателей, то здесь гашение дуги в дугогасящей камере имеет совсем другой принцип, чем гашение дуги в элегазовых выключателях. 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.
Вакуумная камера
Процесс отключения тока в вакуумной камере происходит следующим образом. После расхождения контактов дуга отключаемого тока, вызвавшая испарение материала
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
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).
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.
Контактные системы вакуумных выключателей
Рис. 13 Контактные системы:
а)       RMF(radial magnetic field) радиальная;
б)      AMF(axial magnetic field) аксиальная
Зависимость тока отключения от диаметра AMF - контактов
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.

Энергия дуги

Горение дуги в элегазе при отключении основано на генерации дугой высокотемпературной проводящей плазмы. Для гашения дуги необходимо иметь дугогасящую камеру, обеспечивающую одновременно охлаждение и выдувание плазмы элегазом под высоким давлением. В связи с этим, современные элегазовые дугогасящие камеры представляют собой сложную конструкцию, состоящую более чем из 20 подвижных механических частей.

Рис. 15 Энергия дуги

Горение дуги в вакуумной камере при отключении токов основано на проводящей среде паров металла контактов, которая еще до полного расхождения контактов конденсируется в течение нескольких микросекунд и диэлектрическая прочность вакуума восстанавливается полностью . Это явление в значительной мере обеспечивается тем, что энергия горения дуги паров металла из специально подобранных сплавов контактных материалов, в вакууме гораздо меньше, чем энергия горения дуги в плазме элегаза в дугогасительной камере элегазового выключателя (рис. 15). При этом вакуумная дугогасительная камера имеет только две подвижные части (рис. 12.).

Эксплуатационная надежность элегазовых и вакуумных выключателей

Необходимо отметить, что основной задачей силовых выключателей является отключение токов короткого замыкания и, тем самым, защита электрооборудования от воздействий на него, вызываемых аварийными токами. Силовые выключатели должны справляться с этой задачей с высокой эффективностью и надежностью.
Одним из важных критериев оценки эффективности и надежности электрооборудования является показатель эксплуатационной надежности (MTBF - mean time between failures), который определяется как среднее ожидаемое число лет безаварийной работы. Обратной величиной MTBF является частота отказов. Как показал многолетний анализ эксплуатационной надежности маломасляных, элегазовых и вакуумных выключателей MTBF приблизительно обратно пропорционален числу составных частей коммутационной камеры выключателя. Основываясь на этом, были проведены исследования современных маломасляных, элегазовых и вакуумных выключателей среднего класса напряжения, где было определено среднее число составных частей коммутационных камер (табл. 2.1.).
Табл. 2.1. Сравнение числа составных частей коммутационной камеры маломасляных, элегазовых и вакуумных выключателей.

 

Маломасляный

Элегазовый

Вакуумный

Общее число составных частей коммутационной камеры

43

52

22

Число подвижных частей

18

24

9

Число подвижных частей дугогасящей камеры.

17

24

2

К примеру MTBF вакуумного выключателя фирмы Siemens составляет около 1000 лет, a MTBF самих вакуумных дугогасительных камер Siemens - 24.000 лет. Сравнение между вакуумными и элегазовыми выключателями показывает, что дугогасительная часть элегазовых выключателей содержит значительно большее количество деталей, чем вакуумный выключатель. Особо существенным при этом также является количество подвижных деталей коммутационной камеры. Частота отказов подвижных деталей естественно выше, чем у неподвижных деталей. Коммутационная камера элегазового выключателя имеет большее количество подвижных деталей.
При этом сравнении не были приняты во внимание приводы коммутационных систем, хотя и здесь вакуумный выключатель имеет преимущества по сравнению с элегазовым выключателем из-за своей низкой энергии привода. Сравнение показывает, что на основании выше приведенных соображений, от вакуумного выключателя можно ожидать значительно большей надежности, чем от выключателей, использующих другие принципы дугогашения.
Этот вывод можно сделать на основании опыта производства фирмой Siemens более 300.000 вакуумных выключателей, изготовленных заводом выключателей в Берлине и более чем 20 партнерами по производству и обладателями лицензии во всем мире.
Обобщая вышеприведенные результаты различных независимых исследований, можно сделать вывод, что в отношении надежности принцип вакуумного дугогашения превосходит все другие. Немецкие электроснабжающие предприятия приняли решение об использовании вакуумных силовых выключателей на АЭС, главным образом, благодаря их безотказности. В Германии вакуумный выключатель со своим удельным весом, составляющим 95% рынка, определённо занял главенствующее положение.
Из-за разного числа составных частей коммутационной камеры техобслуживание того или иного типа коммутационного аппарата имеет различный временной промежуток. Кроме того, число составных частей влияет на номинальное число коммутаций аппарата, величина которого является одним из важных факторов коммутационных аппаратов среднего напряжения. В вакуумном выключателе номинальное число коммутационных циклов рабочих токов и токов короткого замыкания значительно выше, чем в элегазовых выключателях.
Например, стандартный вакуумный выключатель фирмы Siemens на 12 кВ / 31,5 кА / 2500 А 3AH2 может отключать ток:
20 кА 250 раз
31,5 кА        85 раз
4,5 кА          10.000 раз
2500 А         30.000 раз
Табл.2.2. Техобслуживание

 

Вакуум

SF6

Коммутации номинального тока к.з.

30-400

10-50

Коммутации номинального рабочего тока

до 30.000

до 10.000

Интервал техобслуживания (лет)

10-20 - без техобслуживания

5-10

Техобслуживание привода

Просто (в большинстве случаев не нужно)

Просто

Техобслуживание полюсов

не нужно

Сложно (заводские специалисты, высокие требования к безопасности)

Механическая долговечность составляет 60.000 коммутационных циклов. Исходя из этого вакуумные выключатели хорошо подходят для частых кратковременных отключений в сетях воздушных линий электропередач.
Если, в исключительных случаях, этого количества коммутационных циклов недостаточно (например, для дуговых печей), то можно использовать вакуумные выключатели с механической долговечностью 120.000 коммутационных циклов.
Вакуумные выключатели типа 3AH (Siemens) не нуждаются в техническом обслуживании до истечения 10.000 коммутационных циклов. Это означает, что в нормальных условиях эксплуатации в течение всего, более чем 20-летнего, срока эксплуатации нет необходимости ни в смазке, ни в регулировке. В отдельных случаях, когда требуется большее число коммутационных циклов, или в сложных условиях окружающей среды, следует проводить простые работы по техническому обслуживанию, в основном смазку.
При всех других принципах дугогашения трудоемкость технического обслуживания выключателей значительно выше. Для элегазовых выключателей среднего напряжения необходимы, в зависимости от типа выключателей, ежегодные осмотры: каждые пять лет небольшие и, в любом случае, каждые десять лет большие проверки. И даже, если за 10 лет выключателем пользовались лишь изредка, предусмотрен ремонт всей дугогасящей камеры.
В табл. 2.2. приведены усредненные данные по номинальному числу коммутаций вакуумных и элегазовых выключателей среднего напряжения.
Токсичность и взрывоопасность
При отключении тока в элегазовой камере электрическая дуга вызывает разложение элегаза. При этом образуются газообразные низшие фториды серы SF,, SF4 и металлические фториды, частицы которых абсорбируются на поверхности контактной системы и других частях камеры [44]. Сам элегаз не является токсичным газом , но его газообразные продукты разложения при взаимодействии с парами воды могут вызвать токсические отравления у обслуживающего персонала при проведении технического осмотра , либо при повреждении выключателя. В связи с этим, элегазовые выключатели не являются экологически чистыми и их утилизация требует дополнительных средств.
Кроме того, элегазовая дугогасительная камера, в отличие от вакуумной, состоит из изолирующих синтетических частей и резиновых прокладок (рис. 16), в силу наличия которых вероятность взрывоопасности и пожароопасности при повреждении коммутационного аппарата очень велика.
Сравнение составных частей коммутационной камеры маломасляного, элегазового и вакуумного выключателей
Рис. 16. Сравнение составных частей коммутационной камеры маломасляного, элегазового и вакуумного выключателей.

Применение изолирующих синтетических материалов в вакуумном выключателе практически исключено (используется электроизоляционная керамика). Фазные полюсы выключателя изолированы относительно земли стандартным опорным изолятором и изолирующими штангами.
В производстве элегазовых выключателей используется значительное количество синтетических материалов, особенно тогда, когда все три полюса расположены в общем корпусе. Это приводит к необходимости поперечной изоляции между тремя полюсами с высокой электрической напряженностью поля, так как изолирующие промежутки малы и постоянно находятся под линейным напряжением. Высокое содержание синтетических материалов имеет следующие недостатки:
повышенная опасность частичных разрядов при эксплуатации
в случае аварийной ситуации электрическая дуга может вызвать возгорание синтетических материалов при потере дугогасящей среды (элегаза) всегда есть опасность взрыва вследствие негашения дуги, что ведет к аварийной электрической дуге между тремя полюсами (трехфазное к.з.) и мгновенному сгоранию синтетических материалов в изолирующем баке. Некоторые производители элегазовых выключателей среднего напряжения имеют
конструкции выключателя, где отдельные полюсы каждой фазы объединены в общую систему. При отказе гашения какой-либо из фаз выключателя, такие конструкции часто являются источниками двух- или трехфазных коротких замыканий.
Как было указано выше, гашение дуги в вакуумной камере имеет совсем другой принцип, основанный на образовании паров металлов и конденсации их на поверхности
Табл. 2.3 Срок службы

 

Вакуум

SF6

Энергия привода

20%

35 % (Автокомпрессионные)

Энергия дуги

10%

100 % (Компрессионные)

Число частей полюса

невелико

значительно

Эксплуатационная надежность коммутационной камеры

= 24.000 лет

= 2.500...8.000 лет

контактов при гашении дуги. При этом нет никаких токсичных выделений и утилизация вакуумных камер является экологически чистой.
Герметичность
Контроль дугогасящей среды оказывает большое влияние на эксплуатационную надежность и срок службы коммутационного аппарата среднего напряжения. В частности, у элегазовых выключателей дугогасящая среда коммутационной камеры герметизируется от окружающей среды различными резиновыми прокладками или эпоксидными соединениями, подверженными старению и ухудшению диэлектрических и герметизирующих свойств в течение срока службы выключателя.
Диэлектрические свойства элегаза снижаются из-за накопления продуктов разложения в коммутационной камере при нарастании числа коммутаций также в течение всего срока службы. При этом возникает настолько сильное обгорание контактов, что необходимо их разделение на главные и дугогасящие контакты. В большинстве случаев контроль дугогасящей среды обеспечивается манометром без показания качества элегаза.
В отличие от элегазовых, вакуумные камеры не имеют резиновых прокладок. Герметизация дугогасящей среды в вакуумной камере от окружающей среды производится высококачественной аргоновой сваркой, которая не теряет своих уплотняющих свойств в течение всего эксплуатационного периода. Такие соединения не подвержены старению. При этом чистота вакуума сохраняется в течение всего срока эксплуатации. Вакуумные камеры, которые не были в эксплуатации, сохраняют свою работоспособность более 20 лег. Тем самым готовность к коммутациям не ограничена временем простоя.
Так как при коммутациях в вакуумной камере гашение дуги происходит без каких- либо продуктов разложения, вакуум не ухудшает свои диэлектрических свойств. Благодаря отсутствию в вакууме окисления, поверхности контактов остаются чистыми. При этом в течение всего срока эксплуатации сохраняется очень низкое переходное сопротивление контактов.
Подводя итоги вышесказанного и учитывая проведенный анализ эксплуатационной надежности элегазовых и вакуумных выключателей на фирме Siemens, можно составить табл. 2.3 по сроку службы .



 
« Современная система противопожарной защиты кабелей   Схемы внешнего электроснабжения магистральных нефтепроводов и газопроводов »
электрические сети