История применения вакуумной коммутационной техники в странах Восточной Европы не так продолжительна как в западноевропейских странах. Началом эры вакуумной коммутационной техники можно считать середину шестидесятых годов, когда была использована аксиально-магнитная контактная система (AMF- axial magnetic field electrode) для отключения токов в вакууме. Отдельные фирмы, например Siemens, имея большой опыт по производству вакуумных генераторных ламп, используя новые изобретения в области вакуумной коммутационной техники быстро организовали производство вакуумных выключателей. Первое серийное производство вакуумных выключателей относится к началу семидесятых годов. После этого AMF- контактная система стала все больше и больше применяться в вакуумной коммутационной технике для отключения аварийных токов не только среднего напряжения, но и высокого напряжения. Кроме того, AMF- контактная система нашла широкое применение для отключения постоянных токов в вакууме.
Опасения российских потребителей в отношении применения вакуумной коммутационной техники
В России первые вакуумные выключатели были приняты в эксплуатацию в восьмидесятые годы. Опыт эксплуатации первых вакуумных выключателей показал, что кратность перенапряжений составила 3,2<К<8,5. В то время координация изоляции при такой кратности перенапряжений и в условиях низкого качества изоляции российских сетей среднего напряжения была практически невозможна. Исследования показали, что диапазон токов, срезаемых российскими вакуумными выключателями перед естественным переходом тока через нуль, составлял от 5 до 35 А. Плохое качество материала контактов отдельных российских вакуумных выключателей в то время приводило к высокой вероятности повторного зажигания дуги, даже при выполнении относительно простых коммутационных задач. В основном, использование этих первых вакуумных выключателей давало большой эксплуатационный ущерб при коммутации электрооборудования с низким уровнем изоляции, к примеру электродвигателей. При этом нанесенный ущерб был существенным, особенно для нефтепромысловых предприятий, где коммутации электродвигателей промысловых скважин, например погружных, осуществлялись вакуумными выключателями. К примеру, первые вакуумные контакторы типа КВТ-10-400-4 У2 с использованием вакуумных дугогасительных камер КДВ10-5-400 УХЛ2 были внедрены в эксплуатацию для коммутации электродвигателей нефтепромысловых предприятии Западной Сибири в середине восьмидесятых годов без каких-либо средств ограничения перенапряжений. Проведенные исследования в сетях среднего класса напряжения на нефтепромыслах Западной Сибири показали, что в схемах электроснабжения , в частности электродвигателей, где использовались вакуумные выключатели, возникают коммутационные перенапряжения, которые могут достичь 6-7 лет при коммутациях мощных электродвигателей 6 кВ (до 2,5 МВт) маломасляными выключателями и погружных электродвигателей (до 200 кВт) вакуумными контакторами типа КВТ-10-400-4 У2: 1 и 2 - усредненная линия соответственно и верхняя граница 90% и 95% - го доверительного интервала.
кратного фазного напряжения. Период колебательного процесса при этом составляет 100- 200 не. Результаты этих исследований представлены на рисунке 1.1.
Рис. 1.1 Кратность перенапряжений Kt, превышающих хотя бы на одной фазе за t
По результатам этих и последующих исследований был сделан следующий вывод: - Кратность коммутационных перенапряжений при использовании вакуумных выключателей больше, чем при других видах внутренних перенапряжений, и они представляют гораздо большую опасность для сетей среднего напряжения. При этом каждая коммутация электродвигателей малой и средней мощности потенциально может приводить к повреждению изоляции при отсутствии необходимых мер защиты.
Это явление вызвало недоверие российских заказчиков к вакуумным выключателям в целом. Имея первый отрицательный опыт эксплуатации российских вакуумных выключателей из-за низкого уровня изоляции (особенно электродвигателей) российские заказчики отказываются от использования вакуумных выключателей в сетях среднего напряжения и склонны к применению элегазовой коммутационной техники.
Развитие вакуумной коммутационной техники
В странах Западной Европы, равно как и во всём мире, о вакуумной коммутационной технике сложилось совершенно противоположное мнение и проблемы, связанные с перенапряжениями, уже давно решены.
На основании многолетних исследований коммутационных задач вакуумной и элегазовой коммутационной техники далее в этой книге:
а) Проведен анализ коммутационных перенапряжений в сетях среднего напряжения, вызываемых вакуумными и элегазовыми выключателями.
б) Определены задачи координации изоляции и оценена надежность сетей среднего напряжения при эксплуатации вакуумной коммутационной техники
В настоящее время из всех существующих типов выключателей: масляных, маломасляных, воздушных, электромагнитных , элегазовых, вакуумных и т. д. по параметрам: высокой надежности, экологичности, обслуживанию и эксплуатации, диапазонам номинальных параметров и экономичности наиболее целесообразными являются элегазовые и вакуумные выключатели. Из этих двух типов выключателей наибольшее применение нашли: на средние напряжения - вакуумные, а на высокие напряжения - элегазовые выключатели. Как показывает анализ рынка, спрос на вакуумные выключатели на мировом рынке достиг 64% (рис. 1.2). Ожидаемый спрос рынка на вакуумную коммутационную технику к 2010 году составит 80% всего рынка коммутационной техники среднего напряжения.
В течение истории развития вакуумной коммутационной техники производители добились внедрения в производство вакуумных выключателей в широком диапазоне номинальных параметров. В настоящее время в производство внедрены вакуумные выключатели до номинального напряжения 84 кВ и токи отключения до 100 кА. Например, в настоящее время производятся вакуумные выключатели на номинальное напряжения 84 кВ и ток отключения к.з. 25 кА. Выключатели с отключающей способностью 100 кА производятся на номинальное напряжение до 13,8 кВ.
В настоящее время существуют лабораторные экземпляры вакуумных выключателей на напряжение 145 кВ с номинальной отключающей способностью 31,5 кА и на номинальное напряжение 12 кВ с номинальной отключающей способностью до 200 кА.
Рис. 1.2 Конъюнктура мирового рынка для выключателей среднего класса напряжения Iоткл>12,5 кА
*Актуальная конъюнктура рынка Германии по вакуумной технике 95%
Рис.1.3. Контактный материал для вакуумной коммутационной техники.
Производятся также вакуумные выключатели для коммутации сетей постоянного тока.
Для разных коммутационных задач и разных номинальных параметров используются разные сплавы металлов для изготовления контактной системы вакуумных выключателей. На рис. 1.3. представлены контактные материалы, используемые в современных выключателях. Каждый контактный материал имеет свои положительные стороны и подходит для определенных коммутационных задач и номинальных параметров. Кроме контактных материалов для разных номинальных параметров очень важную роль играет сама структура контактной системы вакуумного выключателя. Например, для коммутации токов до 40 кА рекомендуется использование так называемой радиально-магнитной контактной системы (RMF- radial magnetic field electrode). Как показано на рис. 1.3. для изготовления контактов используются в основном три разных композиции материалов каждую из которых рекомендуется использовать для определенных коммутационных задач и номинальных параметров. Из этого следует, что контактные материалы можно разделить на следующие группы по номинальным параметрам коммутационного аппарата: CuCr - для коммутации на более высоких напряжениях (до 145 кВ), CuTeSi и CuBi на средних напряжениях (до 24 кВ) и для более высоких отключаемых токов (до 200 кА), AgWC - для более низких напряжений (до 7,2 кВ).
В настоящее время 98% рынка коммутационной техники среднего напряжения составляют коммутационные аппараты с номинальными токами отключения до 63 кА , из них около 90% рынка - до 25 кА. В связи с этим наибольшее практическое применение нашел контактный материал CuCr. Следует отметить, что контактный материал CuCr в отличие от других контактных материалов по параметрам: отключающей способности и восстановлению диэлектрической прочности промежутка между контактами; устойчивости к эрозии; току среза при его переходе через нуль и переходному сопротивлению контактов в течение срока службы на порядок превосходит другие контактные материалы и пригоден почти для всех коммутационных задач. Кроме этого можно достичь превосходных коммутационных характеристик для разных коммутационных задач путем добавки всего лишь доли процентов примесей. К примеру, добавка Те 0,1-4% уменьшает эрозию, добавка Bi от 2,5 до 15 % уменьшает токи среза, а при добавке С от 0,18 до 1,8 % снижается содержание кислорода в металле. Для улучшения других коммутационных характеристик необходимы добавки W, Si, Ti, Zr или Sb и др.
С начала семидесятых годов - до 1980 года только фирмы Siemens и Mitsubishi, а далее Westinghause и English Elektrik использовали CuCr как контактный материал для серийного производства. После 1980 года производители вакуумной коммутационной техники все шире и шире стали использовать CuCr как контактный материал и уже с 1992 года CuCr стал основным материалом в производстве контактов вакуумных выключателей среднего напряжения.
В настоящее время известно, что при использовании CuCr для изготовления контактов при коммутации малых индуктивных токов, в очень редких случаях, могут возникать опасные перенапряжения из-за повторных зажиганий при отключении (рис. 1.4). В основном, опасные перенапряжения возникают при отключении пусковых токов менее, чем 600 А небольших двигателей при моменте начала расхождения контактов за 0,5-1,0 мс до перехода тока через нуль (0,2 % случаев из всех случаев коммутации двигателей). Для этих случаев фирмой Siemens разработано руководство по координации изоляции при эксплуатации вакуумных выключателей, где приводятся надежные схемы защиты от перенапряжений, в основном с использованием ограничителей перенапряжений.
Проблему опасных перенапряжений при коммутации малых индуктивных токов с успехом решают применяемые для этой коммутационной задачи AgW - или AgWC - сплавы контактного материала. На рис. 1.5. представлена частота появления перенапряжений при коммутации малых двигателей вакуумными выключателями с разным контактным материалом. В настоящее время различные фирмы производят вакуумные выключатели с контактным материалом на основе AgW. К примеру фирма Toshiba в настоящее время производит вакуумные выключатели специально для коммутации малых электродвигателей на основе контактных материалов AgWC [32]. Эти вакуумные выключатели имеют номинальные параметры до 7,2 кВ-1200А-40кА.
Рис. 1.4 Область ожидания многократных повторных зажигании дуги в выключателе при отключении индуктивных токов сети 12 кВ [30].
1 - отключение ненагруженных трансформаторов; 2 - отключение дугогасящих катушек; 3 - отключение двигателей в пусковом режиме; 4 - отключение индуктивных компенсаторов; 5 - отключение трансформаторов тока; 6 - отключение к.з. в сети; 7 - отключение к.з. за индуктивным реактором; 8 - коммутация дуговых печей
Рис. 1.5 Частота появления перенапряжений при коммутации малых двигателей вакуумными выключателями с разным контактным материалом.
Как было уже указано выше на развитие вакуумной коммутационной техники оказало влияние не только изобретение новых контактных материалов, но и изобретение AMF - контактной системы, особенно для коммутации больших токов. На рис. 1.6. приводятся диапазоны номинальных напряжений и токов современных вакуумных выключателей, которые производятся и испытаны в лабораториях для дальнейшего серийного производства.
Рис. 1.6 Диапазоны номинальных напряжений и токов современных вакуумных выключателей.
Для коммутации мощных генераторов, конденсаторных батарей, шунтирующих реакторов и др. современные производители производят мощные вакуумные силовые выключатели. Например на фирме Toshiba в настоящее время производятся выключатели с номинальной отключающей способностью 100 кА на номинальное напряжение 13,8 кВ и с номинальным током 3000 А. Номинальное число коммутационных циклов этого выключателя составляет 20000. На фирме Siemens с 1996 года в производство запущены вакуумные генераторные выключатели с номинальной отключающей способностью 80 кА, на номинальное напряжение 17,5 кВ и с номинальным током 12000 А рис.1.7.
Для повышения надежности сетей напряжением до 77 кВ используется вакуумная коммутационная техника в элегазовых комплектных распредустройствах . Например фирма Siemens на средние напряжения в распределительных устройствах с элегазовой изоляцией использует только вакуумные выключатели. Такие конструктивные решения на порядок повышают эксплуатационную надежность распредустройства.
Рис.1.7. Закрытое распределительное устройство отключения номинальных токов до 12000 А
На рис. 1.8. представлено распредустройство среднего напряжения типа 8DB10 фирмы Siemens, в котором объединены все положительные технические свойства элегазовой и вакуумной коммутационной техники. В этом распредустройсгве все компоненты оборудования имеют элегазовую изоляцию, а коммутация номинальных и аварийных токов производится в вакуумной дугогасительной камере. Такое решение обусловлено тем фактом, что вакуумная дугогасительная камера имеет надежность на порядок выше, чем элегазовая дугогасительная камера и число коммутаций на среднем напряжении на несколько порядков выше, чем число коммутаций на высоком напряжении. В связи с этим распредустройства типа 8DB10 является оптимальным технико-экономическим решением, обеспечивающим максимальную эксплуатационную надежность сетей среднего напряжения на настоящем этапе развития коммутационной техники среднего и высокого напряжения.
Рис. 1.8. Вакуумная коммутационная техника фирмы Siemens с элегазовой изоляцией. 1 - отсек вторичных цепей, 2 - вторичные цепи, 3 - сборные шины, 4 - литой алюминиевый корпус, 5 - разъединитель, 6 - привод и блокировка для трехпозиционного выключателя, 7 - трехпозиционный выключатель, 8 - коммутационный отсек с верхним и нижним вводом. 9 - привод силового выключателя. 10 - вакуумная дугогасительная камера, 11 - ввод, 12 - трансформатор тока, 13 - опорная рама.
Кроме указанных выше возможностей использования в высоковольтных сетях переменного тока вакуумная коммутационная техника нашла применение для коммутаций цепей постоянного тока. Это стало возможным только благодаря использованию AMF - контактной системы. В частности в Японии в испытательной лаборатории термоядерного синтеза "Tokamak" для испытательного термоядерного реактора JT-60 при критических плазменных испытаниях где необходимо каждые 10 минут отключать постоянный ток в пределах 92 кА. При такой частоте коммутаций и токах ни один другой тип выключателя, основанный на использовании для гашения дуги сжатого воздуха или элегаза не является надежным способом решения задачи. В связи с этим в Японии был изобретен вакуумный выключатель постоянного тока на напряжение 44 кВ с отключающей способностью 130 кА постоянного тока. Для энергетических сетей высокого напряжения постоянного тока реализован вакуумный выключатель на 250 кВ. Такие решения возможны только при использовании AMF- контактной системы.
