Перспективы развития КРУ 6-35 кВ

Наиболее существенные особенности конструкции и эксплуатации ячеек КРУ определяются типом используемой электрической изоляции (ЭИ) токоведущих элементов. Тип ЭИ определяет необходимую длину изолирующих промежутков и габаритные размеры ячейки. В первых моделях КРУ и последующих в качестве ЭИ применяется атмосферный воздух. Обладая значительными достоинствами (например, доступность, простота использования), воздух при атмосферном давлении, однако, имеет относительно низкую электрическую прочность. По мнению конструкторов ведущих зарубежных фирм существующие в настоящее время конструкции с чисто воздушной ЭИ исчерпали свои возможности. Примером может служить ячейка КРУ типа CSI МЗ-12 класса напряжения 12 кВ. Видно, что такой важный показатель, как ширина ячейки, при номинальном токе 2500 А составляет 1300 мм, в то время как у лучших мировых образцов с другим типом ЭИ он не превышает 600 мм, а в ячейках типа EF10 доведен до 400 мм.
Усовершенствовать воздушную ЭИ можно введением диэлектрических барьеров (ДБ). Поскольку по своей структуре электрические поля, образующиеся в большинстве существующих ячеек КРУ, относятся к сильнонеоднородным, применение ДБ позволяет существенно сократить длину изолирующих промежутков. Используя ДБ, следует правильно, т.е. наилучшим образом, выбрать материал и толщину, положение ДБ в изолирующем промежутке и размеры самого барьера. Ввиду существенных трудностей, возникающих при расчете электрической прочности промежутка с ДБ, оптимизацию размеров барьера принято выполнять на основе экспериментальных исследований. Так, для промежутка, характерного для КРУ рассматриваемых классов напряжения, зависимость электрической прочности от размеров и положения барьера приведена на рис. 1. В эксперименте использовался барьер из гетинакса толщиной 6 мм. Как видно, при использовании оптимального соотношения между шириной барьера и его расстоянием до электродов удается добиться повышения электрической прочности воздушных промежутков на 60 — 70 %, что позволяет соответственно сократить размеры ЭИ.

Рис. 1 Влияние размера и положения барьера на импульсную электрическую прочность воздуха: о — положительная полярность: • — отрицательная
При наличии локальных областей повышенной напряженности электрического поля эффективно применение диэлектрических покрытий. На рис. 3 показано изменение импульсной электрической прочности промежутка между двумя цилиндрами с полусферическими окончаниями диаметром 12,5 мм с диэлектрическим покрытием одного из них. При длине промежутка 40 мм увеличение электрической прочности может достигать 100 %. Несмотря на то что нанесение диэлектрических покрытий связано с существенными технологическими трудностями, использование покрытий является важным резервом повышения надежности работы и снижения габаритов КРУ.

Рис. 2 Импульсная электрическая прочность промежутка при твердом диэлектрическом покрытии одного электрода (положительная полярность): 1 — с изолирующим покрытием: 2 — без покрытия
Оценивая возможности использования диэлектрических барьеров и покрытий в КРУ, следует иметь в виду, что их применение наиболее эффективно при высокой степени неоднородности исходного электрического поля. В этом случае электрическую прочность промежутков, как это видно из рис. 2, можно повысить весьма существенно. Еще большего сокращения габаритов можно достичь, если при проектировании ячейки КРУ перейти к промежуткам со слабонеоднородным полем типа промежутка между коаксиальными цилиндрами. Опыт использования подобных промежутков, накопленный в настоящее время при создании КРУ с элегазовым заполнением классов напряжения 110 кВ и выше, позволяет осуществить такой переход и при меньших номинальных напряжениях. В подобных промежутках из-за слабой неоднородности исходного поля влияние места расположения ДБ меньше, чем в описанных выше случаях (рис. 2, 3). Кроме того, ДБ должен окружать высоковольтный электрод со всех сторон на всем его протяжении, не оставляя пути для развития разряда в чисто газовом промежутке. Конструктивно выполнить это проще всего, покрывая слоем твердого диэлектрика внутренний или наружный электрод коаксиальной системы. Требования доступности элементов высоковольтной конструкции для контроля, ревизии и технического обслуживания определяют предпочтительность размещения слоя диэлектрика на внутренней поверхности наружного электрода, являющегося, как правило, герметичной оболочкой. В подобной системе влияние диэлектрика можно грубо оценить, заменив слоем газа соответствующей толщины слой твердого диэлектрика существенно большей электрической прочности.
Описанные технические идеи воплощены в настоящее время в конструкции КРУ типа EML. Ячейки КРУ классов напряжения 7,2, 12, 17,5, 24 кВ выполнены в виде блоков, где на несущей конструкции размещены пофазно экранированные герметичные элементы стандартного назначения (выключатель, разъединитель), соединенные отрезками герметичного токопровода. На внутренней поверхности герметичной оболочки толщиной 1 мм, выполненной из нержавеющей стали, нанесен слой полиуретановой пены толщиной 10 мм, собственная электрическая прочность которого достигает 300 кв. В качестве газовой изолирующей среды используется воздух. Все это позволило достичь высокой степени унификации, так как переход от одного класса напряжения к другому осуществляется только в результате изменения давления воздуха без каких-либо дополнительных конструктивных мер, причем число различных элементов КРУ, расположенных в крестообразных оболочках, не превышает семи. Для классов напряжения 12 кВ и ниже избыточное давление воздуха составляет 0,12 МПа, для более высоких напряжений — 0,2 МПа. Высокая собственная электрическая прочность слоя полиуретановой пены удовлетворяет предъявляемым к КРУ требованиям и препятствует развитию КЗ на оболочку. Это позволяет эксплуатировать КРУ и при снижении давления до атмосферного, отказавшись от постоянного контроля давления.
Кроме воздуха, в качестве газовой изолирующей среды в ячейках КРУ применяется элегаз SF6. В зависимости от давления применение элегаза дает возможность существенно уменьшить длину изолирующих промежутков, однако по мере увеличения давления выше атмосферного эффективность постепенно снижается, а необходимая прочность герметичной оболочки возрастает. Вместе с ней возрастают масса, стоимость и трудоемкость изготовления КРУ. Минимальной толщины и массы оболочки можно добиться, используя элегаз при атмосферном давлении. Чтобы предотвратить попадание воздуха в герметичные полости КРУ, используют, как правило, небольшое избыточное давление элегаза (10 — 30 кПа). Примером такого исполнения может служить КРУ типа GA-24 (Германия) или C-GIS фирмы "Фудзи Электрик" (Япония). При этом оказывается возможным сохранить привычную для КРУ рассматриваемых классов напряжения конструкцию в виде шкафа с плоскими стенками. Подобный тип ячейки является своего рода переходным между КРУ с воздушной изоляцией при атмосферном давлении и ячейками с элегазовым заполнением при высоком избыточном давлении, получившим распространение на напряжения 110 кВ и выше.
Выбирать тип изоляции ячеек КРУ при проектировании следует на основании экономических критериев, учитывая как стоимость производства, так и расходы на ремонт и эксплуатацию. Вместе с тем представляет интерес сопоставить существующие или проектируемые ячейки по чисто техническим критериям, характеризующим способность РУ к управлению потоками энергии и его габариты.
Таблица 1

В качестве такого критерия сопоставления можно предложить отношение номинальной мощности к общему объему или занимаемой площади. Сопоставляя ячейки с воздушной изоляцией (тип CSIM 3-12 производства  Германии), с элегазовой изоляцией (ZV2,  Германии) и с комбинированной изоляцией воздух — полиуретан (EML,  Германия), убеждаемся (табл. 1), что совершенствование изоляции позволяет значительно увеличить значения выбранных показателей, главным образом за счёт уменьшения размеров ячейки и повышения номинального напряжения. Длина изолирующего промежутка, достигающая в устройствах с воздушной изоляцией 200 — 220 мм, уменьшена в ячейках типа EML до 35 мм. Это дает основание считать резервы снижения габаритов путем совершенствования типа изоляции в основном использованными.
Важной характеристикой конструкции ячеек является способ установки основного элемента (выключателя, ТН, разрядника). Наибольшее распространение в настоящее время получил способ установки на выкаткой тележке, что обеспечивает возможность быстрой смены выкатного элемента при авариях, а также облегчает его ремонт и эксплуатацию. При этом в качестве разъединителя высокого напряжения могут быть использованы разъемные контакты первичных цепей. Как правило, выкатные тележки могут занимать внутри корпуса ячейки два положения — рабочее и контрольное. В рабочем положении замкнуты разъемные контакты первичных и вторичных цепей, в контрольном — контакты первичных цепей разомкнуты, а вторичных замкнуты. Для технического обслуживания и ремонта тележка переводится в ремонтное положение вне шкафа.
Для повышения безопасности обслуживания ячейки КРУ с выкатными тележками снабжаются различными блокировками, предотвращающими ошибочные действия обслуживающего персонала. Простейшие блокировки предусматривают невозможность вкатывания тележки в корпус шкафа при замкнутом" положении выключателя, включения выключателя в промежуточных положениях тележки, выкатывания тележки из рабочего положения при включенном выключателе. Шкаф снабжается металлическими шторками, предотвращающими прикосновение к токоведущим частям ячейки при положении выкаткой тележки вне шкафа. При наличии в ячейке заземляющего разъединителя вводится дополнительная блокировка для предотвращения скатывания тележки в рабочее положение при включенном положении заземляющего разъединителя и для предотвращения включения заземляющего разъединителя при рабочем положении тележки.
Несмотря на широкое распространение выкатной системы установки основного элемента, в некоторых современных конструкциям используется жесткая, или так называемая быстросменяемая установка. Примером могут служить КРУ 8AJ 20 и 8AN 20 фирмы "Сименс", а также ячейки фирмы "Бёнинг". ( Германия). Применение вставных контактов облегчает смену основного элемента ячейки и позволяет в определенной степени сохранить преимущества выкатной системы, одновременно значительно упростив конструкцию.
Для создания защитных блокировок, сигнализации и включения защитной автоматики в современных конструкциях КРУ широко используются средства электронной техники. Имеется опыт создания защиты от аварийной дуги на основе применения микросхем. С целью защиты ячейки КРУ снабжаются различными датчиками, например датчиками дымообразования, ионизационными датчиками пожарной сигнализации и т.д.