С ростом городов усложняются задачи, которые стоят перед энергетической отраслью. Постройка мощных промышленных объектов, жилых комплексов, развитие городской инфраструктуры — всё это требует стабильной и качественной электроэнергии. Из-за растущих объемов потребления Стратегия ПАО «Россети» на 2016-2020 годы с перспективой до 2025 г. направлена на увеличение объема генерации электроэнергии.
Кроме роста объемов выработки и потребления электрической энергии, большое значение имеет ее распределение. За это отвечают электрические подстанции на различные классы напряжения: 6, 10, 20 и 35 кВ. Но большая часть таких подстанций была введена в эксплуатацию более 30 лет назад. Они оснащены изношенным и устаревшим оборудованием, которое нуждается в замене.
Главный элемент защиты цепей на любой электрической подстанции — силовые выключатели. Они используются повсеместно, поэтому должны отвечать строгим требованиям потребителей и надзорных органов.
Как правило, к силовым выключателям предъявляют следующие требования:
- соответствие параметрам электрической сети, например, по максимальному рабочему напряжению;
- безопасность персонала в эксплуатационный период;
- надежность;
- компактность;
- простота обслуживания;
- энергоэффективность.
Воплотить все эти качества в одном устройстве — задача не из простых. Но этого удалось достичь в вакуумных выключателях. Рассмотрим эволюцию аппаратов, которые использовались в сетях на 6 и 10 кВ.
Виды выключателей 6-10 кВ: от баковых масляных до современных вакуумных
Какими были аппараты 6-10 кВ за свою историю:
- баковые масляные;
- маломасляные;
- элегазовые;
- вакуумные.
Баковые масляные
Первыми выключателями, которые использовали для защиты отходящих линий напряжения 6-10 кВ в комплектных распредустройствах, были баковые масляные модели типа ВМБ-10. Аппарат этого вида — 170-килограммовый бак из металла. В него заливают 50 кг трансформаторного масла, которое служит изолирующей средой для контактов разных полюсов. Кроме того, в этой среде происходит разрыв контактов и гашение электродуги.
При гашении дуги трансформаторное масло разлагается. В результате образуется смесь газов и пара, в состав которой входит 70% водорода. Смесь расщепляет дугу, деионизирует место ее возникновения и снижает температуру. Благодаря этому быстро восстанавливается электрическая прочность масла в выключателе. Причем процесс протекает бурно: давление в газовом пузыре может повышаться до 12 атм.
Присутствие масла в конструкции этих высоковольтных выключателей и определило их минусы. Уровень масла в таких устройствах нужно постоянно контролировать, доливать его по мере необходимости, заменять после отключений. При этом из-за больших объемов масла все эти процедуры требовали значительных затрат времени.
Говоря о масляных выключателях, необходимо упомянуть и опасность, связанную с выделением водорода в сочетании с высоким давлением. Опасная смесь газа и высокого давления нередко приводила к взрывам и пожарам при использовании баковых устройств. Такие аппараты можно было устанавливать только вне помещений. А еще приходилось строить объемные маслоприемники, ведь при аварии изолирующая жидкость могла разливаться. Приемники должны были вместить весь объем масла, который содержится в выключателе.
Маломасляные
Баковые модели не соответствовали большинству требований, которые предъявляются к силовым выключателям, поэтому их перестали производить. Следующим этапом в развитии таких аппаратов стало создание маломасляных высоковольтных моделей.
Маломасляный выключатель (крупным планом: указатель уровня масла)
В этих выключателях масло уже практически не выполняет изоляционные функции, а только выступает в качестве среды, которая генерирует газ. Это позволило сократить объем трансформаторного масла и сделать изделия легче. Например, в выключатель ВМП-10 необходимо заливать всего лишь 5 кг масла.
В маломасляных устройствах были улучшены и другие характеристики. Номинальный ток в этих выключателях по сравнению с аналогами типа ВМБ-10 вырос с 1000 до 1500 А, отключающая способность — с 5700 до 20 000 А. Кроме того, за счет обновленной конструкции аппараты уже не требовали создания маслоприемников. Их можно устанавливать как в открытых, так и в закрытых распредустройствах.
Но минусы, присущие маслонаполненным выключателям, сохранялись. Осталась взрыво- и пожароопасность, хоть и меньшая, чем у баковых аналогов, необходимость периодического контроля и доливки масла. Более того, на основе масляных малообъемных аппаратов невозможно было реализовать систему быстродействующего АПВ (автоматическое повторное включение). Само масло представляло опасность с экологической точки зрения, поэтому необходимо было не допускать его попадания в грунтовые воды.
Элегазовые
Совершенствовать устройство масляных аппаратов не имело смысла. Трансформаторное масло, как среда для гашения дуги, исчерпало свои возможности. Требовалось найти более эффективную дугогасительную среду, которую можно было бы использовать в выключателях. В России такие исследования проводились в 30-е годы ХХ века. В Ленинградском физико-техническом институте (ныне ФТИ им. А.Ф. Иоффе) группа исследователей во главе с Б. М. Гохбергом изучила электрические характеристики различных газов. В результате этой работы были выявлены полезные свойства гексафторида серы (SF6), который назвали «элегазом».
Это вещество отличается высокой электрической прочностью — 89 кВ на 1 см. Однако производить его в промышленных масштабах начали только в конце 80-х годов ХХ века.
Масляные малообъемные выключатели серии ВК
После открытия гексафторида серы на смену маломасляным выключателям пришли элегазовые. От масляных они отличаются такими преимуществами:
- взрывобезопасность, пожаробезопасность;
- повышенная коммутационная способность (до 40 кА);
- большой коммутационный ресурс;
- меньший вес и размеры.
Но при использовании оборудования этого вида возникали серьезные риски. После первого гашения дуги в среде элегаза образуются химически активные примеси, которые причиняют вред здоровью человека. Поэтому при замене отработанного газа необходимо соблюдать осторожность: работать в респираторе, защитить глаза, нейтрализовать внутреннюю поверхность газовых корпусов с помощью раствора гашеной извести. Кроме того, в закрытых распределительных устройствах нужно устанавливать датчики, которые контролируют утечку элегаза.
К недостаткам этих высоковольтных выключателей относится и то, что гексафторид серы признали вредным для атмосферы, разрушающим озоновый слой. Поэтому в европейских странах, включая Россию, стараются избегать использования элегазового оборудования.
Вакуумные
Вслед за элегазовыми выключателями были изобретены вакуумные. По мере развития коммутационной электротехники они заняли лидирующее положение в сетях с напряжением 6-10 кВ. По данным российских исследователей из энергетической отрасли, в европейских странах и США на вакуумные аппараты приходится 70% всех выпускаемых высоковольтных устройств, а в Японии – 100 %. В РФ в последние годы эта доля также постоянно растет и уже превысила отметку в 50%.
В этих выключателях используются небольшие вакуумные камеры, а дугогасительной средой служит глубокий вакуум (давление в камере — 5x10-5 мм рт. ст.). Электрическая прочность вакуума намного выше прочности иных сред, которые применяются в подобных устройствах.
Благодаря особенностям конструкции у вакуумных выключателей много преимуществ:
- высокая надежность;
- меньшие затраты на обслуживание;
- широкий температурный диапазон;
- отсутствие вредных выбросов, экологичность;
- малая мощность потребления в цепях оперативного тока;
- универсальный монтаж в любом пространственном положении;
- возможность установки во все типы камер сборных одностороннего обслуживания и комплектных распределительных устройств.
Сначала вакуумные выключатели не получали широкого распространения, хотя и демонстрировали превосходные показатели электрической прочности. Их использование было ограничено техническим развитием. Но с выпуском первых промышленных образцов с вакуумной дугогасительной средой произошло улучшение технических характеристик аппаратов этого типа. Так, благодаря особой геометрии контактов стали выше показатели отключаемых токов короткого замыкания.
Вакуумные выключатели серии OptiMat ВВ производства КЭАЗ характеризуются высокой надежностью конструкции, износостойкостью и отсутствием необходимости обслуживания. Специальное конструктивное решение позволяет устанавливать их в любом пространственном положении. Это удобно, когда нужно заменить отслужившие свой срок устройства. Также у серии OptiMat ВВ увеличен коммутационный ресурс по сравнению с другими вакуумными выключателями.
Меньший вес и компактные размеры вакуумных выключателей особенно заметны в сравнении с масляными малообъемными аппаратами. Это упрощает монтаж и ремонт. Сравните: вакуумные выключатели OptiMat BB весят 35 кг, масляные малообъемные серии ВК — 160-200 кг + 12 кг масла, элегазовые ВГП — 120 кг.
Вакуумные выключатели работают в большем диапазоне температур и сокращают затраты. Преимущества широкого температурного диапазона особенно заметны, когда устройство используется зимой. В холодное время года масло в выключателях предыдущих поколений густеет и замедляет расхождение контактов. Приходится подогревать его, а это дополнительные траты.
Вакуумные выключатели OptiMat BB – надежные коммутационные аппараты для использования в сетях трехфазного переменного тока с номинальным напряжением 6-10 кВ с изолированной или заземленной через дугогасящий реактор или резистор нейтралью.
Вакуумные выключатели OptiMat BB предназначены для работы при следующих условиях окружающей среды:
- высота установки над уровнем моря – не более 1000 м;
- рабочий диапазон температур окружающего воздуха от –45 до +55 °С;
- относительная влажность воздуха – 100% при температуре +25 °С;
- тип атмосферы – II по ГОСТ 15150
На сегодняшний день, в вакуумных выключателях сочетаются самые современные, надежные и экономичные характеристики среди существующих коммутационных аппаратов в сетях напряжением 6-10 кВ.
Контактная система с радиальным магнитным полем вакуумных выключателей OptiMat V
Автор публикации Андрей Шевелев
