Создание многоразрывных выключателей на напряжение свыше 110 кВ позволило обеспечить энергосистемы коммутирующими устройствами достаточно высоких параметров (по номинальному напряжению и отключающей способности). Однако, из-за большого числа дугогасительных разрывов современных воздушных выключателей (55 — 110 кВ на разрыв) они оказываются громоздкими, трудноуправляемыми, недостаточно надежными, прежде всего по механическим причинам. Поэтому основной тенденцией совершенствования конструкции выключателей в настоящее время является сокращение числа дугогасительных разрывов (повышение напряжения на один разрыв). Ставится задача повышения напряжения на один разрыв до 300 — 350 кВ и более с тем, чтобы выключатели на номинальное напряжение 330 кВ имели всего один дугогасительный разрыв. Соответственно выключатели на напряжение 500 кВ будут иметь всего два разрыва (один дугогасительный модуль), на напряжение 1600 — 1800 кВ — шесть — восемь разрывов (три — четыре модуля). Естественно, что переход к их массовому производству возможен только на совершенно новой технологической основе. Освоение производства таких выключателей позволит решить проблему повышения надежности их работы в эксплуатации.
Необходимо значительно повысить и коммутационный ресурс выключателей: увеличить число отключений КЗ без ремонта до 30 и более. Эта задача должна решаться прежде всего за счет применения новых материалов: композиционных материалов для дугогасительных контактов и дугостойких изоляционных материалов для дутьевых сопел и оболочек дугогасительных камер.
Дальнейшие перспективы развития аппаратов высокого напряжения определяются необходимостью повышения их параметров в связи с перспективами развития электроэнергетики. Повышение напряжения дальних электропередач до 1800 кВ и выше определяет необходимость создания всего комплекса аппаратов — выключателей, разъединителей, шунтирующих реакторов (в том числе регулируемых), трансформаторов тока и напряжения, нелинейных ограничителей перенапряжения. Поскольку передаваемая мощность по таким передачам может составлять 10 — 25 ГВт на одну цепь, номинальный ток выключателей, разъединителей и трансформаторов тока должен изменяться от 3,2 до 8 кА. Необходимое глубокое ограничение перенапряжений (до уровня 1,45 и менее) обусловливает целесообразность демпфирования перенапряжений при включении выключателей предвключаемыми резисторами, а также применения управляемых реакторов, ограничивающих как вынужденную, так и переходную составляющую внутренних перенапряжении. Для ограничения грозовых перенапряжений на подстанциях необходимо применение нелинейных ограничителей перенапряжений с улучшенными характеристиками нелинейности варисторов.
На уровне 1150 кВ нельзя отдать предпочтение открытому или герметичному исполнению ОРУ. Их технико-экономические показатели будут близки, а опыт использования должен выявить эксплуатационное преимущество того или иного вида исполнения РУ. Что касается перспектив более высокого повышения напряжения (до 1800 — 2000 кВ), то здесь бесспорно преимущество ГРУ, поскольку в открытом исполнении аппараты трудновыполнимы.
Увеличение номинальных токов до уровня 10 кА на стороне высокого напряжения не требует разработки принципиально новых технических решений. В то же время увеличение номинальных токов на генераторном напряжении до 50 кА и более требует новых разработок. Причем необходимо создать выключатели для отключения не только номинальных токов, но и токов КЗ в цепи генераторного напряжения (до 200 кА и более), способные выдерживать без повреждений токи, обусловленные КЗ на стороне высшего напряжения (до 400 кА и более). Такие выключатели целесообразно создавать при использовании принципа разделения функций проведения тока в длительном режиме (главные контакты) и дугогашения в режиме отключения токов КЗ вплоть до использования полупроводниковых приборов — тиристоров, поскольку число последовательно соединенных тиристоров для работы на генераторном напряжении (до 30 кВ) вполне приемлемо.
Увеличение номинальных напряжений и токов определяет лишь общее направление развития аппаратостроения. Оно предполагает также совершенствование принципов их работы, применение новых систем управления, использование новых прогрессивных материалов для совершенствования их конструкции. Так, в выключателестроении получат широкое применение взрывобезопасные дугогасительные среды — элегаз и вакуум. Широкое использование стеклопластика позволит отказаться от металлических дугогасительных камер, а вместе с тем — от выводов из них, являющихся самым ненадежным элементом в конструкции выключателей, определяющим повышенную их аварийность.
При малых изоляционных расстояниях ГРУ механические системы управления дугогасительным устройством вполне оправданы. В открытом исполнении изоляционные расстояния на порядок больше, что приводит к задержке передачи команды управления с помощью изоляционных тяг. В этом случае целесообразен переход к световой системе управления, практически не требующий времени для передачи сигнала управления на высокий потенциал. Оптико-электронные устройства позволяют также обеспечить неискаженную передачу информации о токе в электрической цепи (оптико-электронные трансформаторы тока).
Чрезвычайно важно в кратчайшие сроки ликвидировать отставание от потребностей сетевого строительства в управляемых реакторах, прежде всего на высшие классы напряжения — 750 и 1150 кВ. Обеспечивая непрерывную компенсацию избыточной зарядной мощности линий, такие реакторы позволяют устойчиво передавать энергию по линиям переменного тока без ограничения по дальности, а также существенно облегчают условия работы генераторов в энергосистемах.
Управляемые реакторы будут весьма полезны и для протяженных электропередач более низких напряжений 220 — 500 кВ. Кроме компенсации избыточной зарядной мощности линий управляемые реакторы обеспечивают глубокое ограничение коммутационных перенапряжений на линиях.
Успехи физиков в практическом освоении явления сверхпроводимости обеспечивают возможность создания ряда аппаратов нового типа. Так, может быть достаточно эффективно использован переход материалов из сверхпроводящего состояния в нормальное при превышении напряженности магнитного поля на их поверхности критической величины. На этом принципе могут быть созданы экраны магнитопроводов, управляющие магнитным потоком в них. В качестве примера можно привести предложенные в России конструкции токоограничивающих реакторов с экранами, находящимися в неаварийных режимах работы энергосистемы в сверхпроводящем состоянии, и препятствующими в связи с этим проникновению магнитного потока в сердечник (магнитопровод). Увеличение тока при КЗ, связанное с увеличением напряженности магнитного поля на поверхности экранов, приводит к их переходу в нормальное состояние и проникновению магнитного потока в сердечник. При этом быстро увеличивается индуктивное сопротивление реактора (примерно на порядок), что приводит к ограничению токов КЗ.
Этот же принцип управления магнитным потоком может быть использован и для создания токоограничивающих трансформаторов, защищающихся от воздействия токов КЗ без помощи реакторов или другого оборудования и защищающих генераторы от воздействия токов КЗ на стороне высокого напряжения. Особенно привлекательным выглядит это направление в связи с открытиями в последние годы серии материалов, переходящих в сверхпроводящее состояние при температуре 90 — 1000 К и даже выше. Эти "теплые" сверхпроводники имеют очень низкие значения критических токов (и соответственно критических напряженностей магнитного поля), что исключает возможность их использования в силовой цепи, но чрезвычайно благоприятно для использования их в качестве экранов магнитопроводов.
Создание токоограничивающего оборудования с использованием сверхпроводящих экранов может в значительной степени изменить сложившуюся обстановку в энергосистемах в отношении токов КЗ — снизить максимальные токи КЗ в несколько раз. При этом все высоковольтное оборудование электропередач могло бы быть значительно упрощено.
Не исключается и возможность использования новых физических процессов и явлений в высоковольтном аппаратостроении, таких как лазерная техника и т. п.
В последующих главах рассматриваются функциональные и конструктивные особенности аппаратов высокого напряжения, а также перспективы их совершенствования и методы оптимизации отдельных их элементов и конструкций в целом.