EN
Вакуумные выключатели: преодоление барьеров в верхнем диапазоне спектра напряжений
Что происходит при гашении вакуумной дуги: быстрое восстановление плазменной дуги и мгновенное восстановление тока
Когда контакты вакуумного выключателя размыкаются, металл испаряется и ионизируется, образуя дуговой плазменный разряд. При экстремальном вакууме (давление < 10⁻⁴ торр) заряженные частицы осаждаются на контактах в вакууме, что обеспечивает быстрое восстановление плазменной дуги в течение 1–5 мс. Это также позволяет токовой оболочке обеспечить быструю изоляцию системы до следующего импульса напряжения, что позволяет надёжно управлять дугой в точный момент, когда ток должен достичь нулевого значения, а также контролировать формирование дуги. Уровень вакуума обеспечивает среднюю длину свободного пробега электронов примерно в 1000 раз большую, чем у газа SF₆. Именно это является фундаментальной причиной превосходства вакуумных выключателей над газовыми и воздушными выключателями при безопасном отключении электрического тока.
Скорость отключения менее 15 мс и более эффективное подавление перехода через ноль по сравнению с альтернативами на основе SF₆ и воздушного разрыва.
Что касается отключения аварийных токов, вакуумные дугогасительные устройства способны ликвидировать повреждения за 15 мс или менее, что на 30–50 % быстрее, чем системы на основе SF6 или воздушного разрыва. Поскольку вакуумный дугогасительный элемент расположен в вакууме, скорость его восстановления после отключения не зависит от сложных механизмов газового потока, в отличие от газовых изоляторов. В классе напряжения 72,5 кВ технология вакуумных дугогасителей обеспечивает почти в три раза лучшие показатели по параметру ПНВ (перенапряжение после отключения), чем оборудование на основе SF6, по сравнению со средними значениями, которые большинство инженеров считают типичными. Большинство инженеров считают, что традиционные воздушные дугогасительные механизмы требуют как минимум 8–10 переходов тока через ноль для надёжного гашения дуги. Вакуумные дугогасители, напротив, способны погасить все дуги (до 99,8 % случаев гашения дуги, согласно стандарту IEC 62271-100) за два или менее перехода тока через ноль. Практическое применение вакуумных дугогасителей в реальных условиях также продемонстрировало существенно меньшую амплитуду коммутационных перенапряжений. Испытания в реальных условиях показали, что количество коммутационных перенапряжений при использовании вакуумных дугогасителей примерно на 40 % меньше по сравнению с газоизолированными вакуумными выключателями. Высокая электрическая прочность обеспечивает компактную и надёжную интеграцию в высоковольтные системы.
Внутренняя электрическая прочность вакуума (>30 кВ/см) и масштабируемая конструкция зазора между контактами для применения в диапазоне напряжений 72,5–145 кВ
Вакуум обладает выдающейся электрической прочностью свыше 30 кВ/см, что обеспечивает эффективную изоляцию высоковольтных систем без использования дополнительных газов. Данная особенность позволяет инженерам оптимизировать расстояние между контактами в рамках стандартных номинальных значений по МЭК в диапазоне 72,5–145 кВ. В отличие от выключателей на основе SF₆, вакуумная технология превосходит их благодаря стабильности характеристик независимо от температуры, высоты над уровнем моря и влажности. Кроме того, вакуумная технология устраняет необходимость в управлении газом, обеспечивая надёжную работу подстанций в неблагоприятных условиях.
Преимущества по занимаемому объёму и массе: на 30–40 % меньшая площадь установки в ГИС и гибридных подстанциях по сравнению с выключателями на основе SF₆
Вакуум обладает действительно высокой диэлектрической прочностью, что позволяет значительно уменьшить зазоры между контактами компонентов. В результате получаются более компактные выключатели, а следовательно — и в целом более компактные разъединители. Экономия пространства весьма значительна. При сравнении установок газоизолированных распределительных устройств (ГИРУ), использующих вакуумную технологию вместо SF6, обычно достигается экономия площади на 30–40 %. Приводы также становятся легче — в некоторых случаях до 60 %. Это особенно выгодно для гибридных подстанций, поскольку улучшает трассировку шин и ускоряет модернизацию. При модернизации электросетей в Европе многие компании сообщили о высвобождении примерно 35 % дополнительного пространства после внедрения вакуумной технологии на стандартном напряжении 145 кВ.
Долгосрочная надёжность при высокой циклической нагрузке в высоковольтных сетях и минимальное техническое обслуживание
Более 20 000 операций при коэффициенте отказов менее 0,001 % согласно стандарту IEEE C37.09-2018
Вакуумные дугогасительные камеры, герметично запечатанные и не подверженные влиянию окружающей среды, способны выдерживать более 20 000 механических операций при коэффициенте отказов менее 0,001 % в соответствии со стандартом IEEE C37.09-2018. Поскольку в них отсутствуют места для утечки газа или динамические уплотнения, диэлектрическая прочность сохраняется в течение многих лет эксплуатации. Полевые данные показывают, что многие энергоснабжающие организации эксплуатируют компоненты на напряжение 72,5 кВ в течение примерно 30 лет до их замены. Напротив, в случае более новых конструкций операторы получают экономию затрат порядка 40 %. Повышенная надёжность этих конструкций обусловлена отсутствием в них подвижных частей и скользящих контактов, которые обычно выходят из строя при многократном отключении коротких замыканий.
Отсутствие необходимости в управлении газом, проблем, связанных с влагой, или токсичных побочных продуктов разложения — устраняются основные причины отказов систем на основе SF₆.
Системы вакуумного гашения дуги обходят три основные точки отказа систем сжатого газа:
Отсутствие управления газом: отсутствует управление SF₆, обнаружение утечек или дорогостоящее восстановление газа
Устойчивость к влаге: избегается диэлектрический пробой, вызванный влажностью — основная причина выхода из строя выключателей на SF₆
Нетоксичность: отсутствуют загрязняющие систему газа металлофторидные побочные продукты
В результате исследований случаев эксплуатации в энергосистемах было установлено, что потребность в техническом обслуживании снизилась на 75 %. Кроме того, были избежаны штрафы за выбросы SF₆ в среднем на сумму 740 000 долларов США в год, о которых говорится в аудитах соблюдения требований Агентства по охране окружающей среды США (EPA). Конструкция с твёрдыми контактами также исключает разрушение контактов и их деградацию, возникающие в газовых выключателях после нескольких операций отключения короткого замыкания.
Расширение диапазонов напряжения: от среднего до высокого напряжения
Развертывания
Стандартизированные вакуумные выключатели имеют номинальное напряжение (12–145 кВ), а также применяются в энергосистемах с напряжением 145 кВ
Вакуумные выключатели недавно прошли эволюцию, что позволило повысить их эффективность при эксплуатации в системах среднего и высокого напряжения до 145 кВ. Разработка новых контактных материалов, усовершенствование вакуумной среды, герметизации и электромагнитного привода расширили сферу их применения в установках на напряжение 145 кВ. Их номинальная отключающая способность достигает 40 кА (т.е. время отключения менее 20 мс). Эти выключатели заменяют более габаритные решения первичного оборудования в условиях экстремально широкого диапазона рабочих температур — от −40 до +55 °C, а также с учётом отсутствия вредных для окружающей среды газов.
Технология вакуумных дугогасительных камер для напряжения 245 кВ: стандарты МЭК 62271-100 и разработки многополюсных последовательных дугогасительных камер
Производители уже внедряют в коммерческую эксплуатацию вакуумную технологию для применения в устройствах на напряжение 245 кВ с использованием многополюсных последовательных прерывателей. По сути, они объединяют несколько вакуумных дугогасительных камер таким образом, чтобы напряжение распределялось равномерно между несколькими устройствами, а не концентрировалось в одном месте. Такие конструкции недавно соответствуют стандарту IEC 62271-100 для устройств с номинальным напряжением 245 кВ и током отключения 50 кА — это значительный прорыв для отрасли. Один из прототипов спроектирован так, чтобы прерывать ток за 2 электрических периода, что на 40 % быстрее по сравнению с традиционными однополюсными прерывателями. Кроме того, в этой модели используются контакты из меди и хрома (Cu/Cr),
которые снижают ток отсечки до значения менее 3 А. Несколько ранних прототипов были интегрированы в европейскую энергосистему начиная с прошлого года. Большинство отраслевых экспертов считают, что вакуумная технология в конечном счёте заменит газ SF6 в высоковольтных приложениях, где приоритетом являются экологические соображения.
Часто задаваемые вопросы
Какова основная выгода использования вакуумных выключателей по сравнению с системами на основе SF6 и воздушными выключателями?
В системах высокого напряжения вакуумные выключатели обладают более быстрым восстановлением диэлектрической прочности, что обеспечивает более быстрое гашение дуги и снижение выбросов напряжения. Это означает, что вакуумные выключатели могут работать с существенно более высоким уровнем эффективности по сравнению с другими системами.
Что можно сказать о конструкции выключателей на основе SF6, которая позволяет вакуумным дугогасительным камерам иметь меньшие габариты?
Поскольку выключатели на основе SF6 обладают более низкой диэлектрической прочностью, им требуются большие зазоры между контактами. Вследствие этого вакуумные дугогасительные камеры занимают примерно на 30–40 % меньше места по сравнению с выключателями на основе SF6.
Вакуумные выключатели имеют срок службы более 20 000 операций, и поэтому их коэффициент отказов низок. Такой низкий коэффициент отказов означает, что они могут успешно эксплуатироваться в течение примерно 30 лет. Низкий уровень отказов и высокий уровень надёжности позволяют снизить стоимость вакуумных выключателей примерно на 40 % по сравнению со старыми технологиями за счёт меньших затрат на техническое обслуживание и ремонт.
Существуют ли экологические преимущества использования вакуумных выключателей по сравнению с выключателями на основе SF6?
Безусловно! Вакуумные выключатели устраняют необходимость в системах управления газом и обладают устойчивостью к влаге. При их эксплуатации практически не образуется опасных побочных продуктов. Вследствие этого снижаются как экологические, так и финансовые издержки, связанные с системами на основе SF6.