6. Вакуумные выключатели высокого напряжения

6.1. НОМИНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВАКУУМНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В сетях средних классов напряжений 6-10-35 кВ эффективно используются вакуумные высоковольтные выключатели (ВАВ), и «соревнование» разных типов элегазовых выключателей 6-10-35 кВ с ВАВ неуклонно усиливается. Ведущие электротехнические фирмы Европы, Южной Кореи, Китая ведут интенсивные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по разработке одноразрывных ВАВ на 110 кВ с номинальным током отключения до 63 кВ.

К преимуществам ВАВ следует отнести [3,5]:

1. Высокая износостойкость дугогасительных устройств и их контактов при коммутации номинальных токов отключения: число циклов ВО без ремонта достигает 50 -100 циклов ВО.

2. Минимум обслуживания: обслуживание сводится к смазке механизма привода и замене элементов привода после 5000 -15000 ВО, проверке вакуума, периодическому осмотру ДУ.

3. Взрыво- и пожаробезопасность дугогасительных ДУ, а также возможность работы в агрессивных средах, что обеспечивается герметичным исполнением камер ДУ.

4. Экологическая безопасность.

5. Малая масса, небольшие габаритные размеры ВАВ и динамические нагрузки на конструкцию ЗРУ.

6. Быстродействие.

7. Надежность, безопасность эксплуатации, сокращение времени на монтаж и обслуживание.

Современные ВАВ выпускаются как отечественными предприятиями, так и зарубежными фирмами «АББ», «Сименс» и т. д. Для серии ВВ/TEL (ПГ «Таврида Электрик») 6-10 кВ с номинальным током 630, 1000, 1600 А, номинальным током отключения 12, 5, 20, 25 кА коммутационный ресурс при номинальном токе — 50 000 циклов ВО, при 60-100 %, I_{о. ном} — 100 циклов ВО. Высокие номинальные характеристики по отключающей способности имеют ВАВ фирмы «АББ», к примеру, модификация VD4-4031-31 (номинальные напряжение 40/35 кВ, I_ном = 3150 А, I_{о. ном} = 31 кА), модификация VD4-1220-63 (номинальные напряжение 12/10 кВ, I_ном = 2000 А, I_{о. ном} = 63 кА) с временем отключения 60 мс (время горения дуги — 15 мс) и коммутационным ресурсом по предельным параметрам 50 циклов ВО [3].

Для ВАВ типа 3АН2 фирмы «Сименс» (12 кВ/31,5 кА/2500А) коммутационный ресурс для I_{о. ном} = 31,5 кА — N_к = 85 циклов ВО и далее, соответственно, для 20 кА — 250 циклов ВО, для 4,5 кА — 10000 циклов ВО, 2,5 кА — 30 000 циклов ВО; механический ресурс составляет 60 000 циклов ВО [3].

Рассмотрим некоторые недостатки ВАВ, связанные с конструктивными особенностями дугогасительных камер и физическими процессами при горении и гашении дуги отключения в вакууме.

При коммутации ВАВ индуктивных токов (например, при отключении малонагруженных трансформаторов и пусковых токов электродвигателей) возникают перенапряжения. Следует отметить, что коммутационные перенапряжения носят случайный характер и зависят от структуры электрической сети и состояния в эксплуатации ВАВ [3,5].

В процессе отключения малых индуктивных токов в межконтактном промежутке возникает вакуумная дуга. Вследствие высокой скорости нарастания электрической прочности межконтактного промежутка в вакууме дуга может погаснуть до естественного перехода тока через нуль, т. е. происходит срез тока (см. раздел 1.8).

Одним из существенных недостатков ВАВ является торцевое контактирование (главных и совмещенных с ними дугогасительных контактов), что требует значительных механических усилий для обеспечения малого переходного сопротивления при эксплуатации (см. рис. 2.5). Для ВАВ выдвигаются специфические требования к приводу, который должен исключить вибрацию и отброс контактов при включении (наиболее опасны эти явления при включении на КЗ) для обеспечения требований ГОСТ Р 52565-2006 по ручному включению ВАВ.

В частности, для ВАВ серии ВВ/TEL (ПГ«Таврида Электрик») сила удержания контактов во включенном состоянии 1350-1500 Н при номинальном токе отключения 12,5 кА, а при 20 кА — усилие более 2000 Н. Учитывая, что необходимые усилия в контактах (для исключения их сваривания, электродинамического отброса и т. д.) пропорциональны току (~ I ²), то при номинальном токе отключения 50-63 кА, для ВАВ требуются сложная конструкция привода (электромагнитного или пружинного), повышенная надежность его пусковых элементов из-за значительных усилий контактирования, дополнительные элементы для ручного включения.

При повышении номинального тока отключения ВАВ следует увеличить диаметр контактов, использовать новые контактные материалы и конструкции контактов и т. д.

Некоторые вопросы эксплуатации вакуумных выключателей. Если при эксплуатации воздушных и масляных (маломасляных) ВВ наладка и ремонт проводится силами обслуживающего персонала подстанции, то в руководствах по монтажу и техобслуживанию современных ВАВ, фактически эти функции переданы фирме-производителю. Фирмами-производителями ВАВ разрабатываются комплексы технической диагностики и сервисного обеспечения ВАВ в процессе их эксплуатации. В этих предписаниях выделяют инспекцию ВАВ (определение состояния ВАВ), обслуживание (поддержание ВАВ в рабочем состоянии при эксплуатации), ремонт (восстановление ВАВ после фиксированного ресурса ВО).

Каждая фирма-производитель ВАВ выпускает свое руководство по техобслуживанию и предписание по эксплуатации (осмотр, текущий и капитальный ремонт). Остановимся на некоторые проблемах при эксплуатации ВАВ.

Контроль вакуума в ДУ. Для повышения эксплуатационной надежности вакуумных ВВ особенно актуальна разработка методов и устройств, позволяющих регистрировать давление внутри вакуумных камер в процессе из работы и предотвращать их функционирование при потере вакуума. Однако, несмотря на значительное количество методов и средств, изложенных в патентной литературе, в реальной эксплуатации ВАВ их практически нет, так как эти средства приводят к существенному удорожанию ВАВ. Эрозия контактов при эксплуатации (в частности, после 50 % ресурса по коммутационной способности), особенности конструкции вакуумной камеры, переноса тока в вакууме требуют обеспечения мероприятий по периодическому контролю вакуума (электрической прочности межконтактного промежутка в вакууме).

Фирма АВВ предписывает для ВАВ проверку вакуума с помощью вакуумного тестера VIDAR компании Programma Electric GmbH, Homberg.

В частности, для ВАВ на напряжение 12 кВ постоянное испытательное напряжение равно 40 кВ. Для ВАВ типа BB/TEL ограничиваются периодическим контролем электрической прочности дугогасительной камеры ВАВ.

Проверка электрической прочности изоляции главной цепи ВАВ, в том числе прочности изоляции вакуумного промежутка между разведенными контактами, осуществляется на установке типа АИИ-70 или любой другой установке, имеющей максимальную токовую защиту, настроенную на ток утечки не более 20 мА. Испытания проводят испытательным напряжением промышленной частоты согласно ГОСТ в течение 1 мин. Следует иметь в виду, что при данных высоковольтных испытаниях вакуумная дугогасительная камера является источником рентгеновского излучения (регистрируется счетчиком Гейгера-Мюллера). Максимальная доза облучения наблюдается при весьма малых межконтактных промежутках от 0,5 до 0,75 мм. Для обеспечения надежной защиты персонала от излучения устанавливаются защитные экраны на расстоянии 1,4 м из любого конструкционного материала толщиной 2,5 мм, либо из оргстекла толщиной 12 мм [3].

Известно [9], что воздействие электронного потока на анод в искровой стадии пробоя приводит не только к эрозии анода и образованию анодного факела, но и к появлению вспышки рентгеновского излучения. Из экспериментальной оценки интенсивности рентгеновского излучения следует её увеличение в зависимости от амплитуды напряжения, а доза излучения пропорциональна длине межконтактного промежутка. Поэтому высоковольтные испытания вакуума ВАВ с номинальным напряжением выше 6-10 кВ требуют дополнительных мер по защите персонала, а также разработку новых методов контроля вакуума в эксплуатации и испытаний.

Ток среза в ВАВ. Принято считать, что если фирма-производитель гарантирует ток среза не выше 3А, то можно не использовать ОПН. Однако в эксплуатации ток среза зависит от многих факторов: волнового сопротивления нагрузки z_н в момент среза тока, режимов коммутации, эрозии контактов и т. д. Наиболее совершенная защита изоляции электрооборудования от опасных перенапряжений обеспечивается нелинейными ограничителями перенапряжений (ОПН).

Существенно влияет на ток среза и суммарная приведенная емкость, шунтирующая межконтактный промежуток, с ростом которой ток среза увеличивается. Поэтому проблема среза тока (использования ОПН или других схем защиты от перенапряжений) в ВАВ требует дополнительного изучения и согласования между эксплуатационной организацией с фирмой-производителем.