Особенности применения вакуумных и элегазовых коммутационных аппаратов в распределительных устройствах 6-35 кВ внутренней установки

Распределительные устройства (РУ) являются составной частью электрооборудования трансформаторных подстанций, распределительных пунктов и электростанций. Они представляют собой совокупность коммутационных аппаратов, устройств измерения и защиты, соединительных элементов (кабельно-проводниковой продукции, сборных и соединительных шин) и другого вспомогательного оборудования. В классе среднего напряжения 6-35 кВ наибольшее распространение получили комплектные распределительные устройства (КРУ), изготавливаемые в заводских условиях и поставляемые заказчику либо в полностью собранном виде, либо в виде отдельных элементов (ячеек или блоков) для монтажа на объекте.

В настоящее время существует большое разнообразие комплектных распределительных устройств различных производителей, имеющих схожие технические характеристики и комплектацию. Для распределительных устройств, выполненных по простейшим схемам, наиболее целесообразно применение ячеек типа КСО, так как камеры КСО имеют меньшие габариты и значительно более дешевы по сравнению с КРУ.

Однако вне зависимости от реализации схемы на базе распределительных устройств типа КРУ или КСО, основным элементом распределительного устройства является коммутационный аппарат. Именно при его выборе энергетики делятся на два лагеря: сторонники вакуумных выключателей и сторонники элегазовых выключателей.

Давайте попробуем разобраться в преимуществах и недостатках каждого из них.

Вакуумные выключатели 6-35 кВ. Преимущества и недоставки


Вакуумные выключатели, разработанные в 30-х годах прошлого века, достаточно быстро вытеснили с рынка морально и технологически устаревшие выключатели с масляной и воздушной дугогасящей средой. Такая популярность вакуумных выключателей объясняется рядом достоинств, которыми они обладают.

Преимущества

plus

Самостоятельность работы

Вакуумные выключатели в отличие от масляных и воздушных не требуют ведения масляного и компрессорного хозяйства.

plus

Высокая надежность и быстродействие

Показатели безаварийной работы вакуумных выключателей в разы превышают показатели масляных и воздушных выключателей. Высокая электрическая прочность вакуума позволила в разы сократить ход подвижных контактов вакуумного выключателя по сравнению с масляными и воздушными, обеспечив тем самым повышенное быстродействие и механическую надежность всего аппарата. К примеру, если при номинальном напряжении 10 кВ ход контактов вакуумного выключателя составляет 6-10 мм, то у масляного он достигает 100-200 мм на то же напряжение.

plus

Коммутационная износостойкость

Технология эффективного гашения дуги и более совершенный конструктив вакуумных выключателей позволяют производителям заявлять о ресурсе вакуумных выключателей порядка 10 000 отключений номинального тока и до 200 отключений токов короткого замыкания, в то время как аналогичные параметры у масляных выключателей составляют 500 - 1000 и 3-10 отключений соответственно. Такой ресурс позволил значительно сократить расходы на техническое обслуживание и снизить число перебоев в электроснабжении потребителей.

plus

Безопасность в эксплуатации

Вакуумные выключатели конструктивно подвергаются меньшим динамическим нагрузкам, имеют малую энергию привода, отсутствуют выбросы газа и масла, выключатель имеет меньшие габариты и массу, чем масляные и воздушные выключатели, а герметичное исполнение и отсутствие среды, поддерживающей горение, делают эти выключатели пожаробезопасными в процессе эксплуатации.

Недостатки

minus

Высокая стоимость ячейки

В начале статьи мы упоминали о преимуществах компактных ячеек типа КСО в сравнении с громоздкими многоотсечными КРУ с выкатным элементом. На данный момент на российском рынке представлены ячейки КСО с вакуумным выключателем только до 20 кВ, соответствующие требованиям ГОСТ. Но если речь заходит о напряжении 35 кВ, то дешевых и компактных ячеек типа КСО с вакуумным выключателем, соответствующих требованиям ГОСТ, в России нет.

minus

Коммутационные перенапряжения

Коммутационное перенапряжение — существенный недостаток вакуумных выключателей, в силу которого применение таких выключателей, к примеру, для электроснабжения шахтных трансформаторов и электрических машин, находящихся в условиях повышенной влажности и загрязненности, невозможно без дополнительного специального оборудования. Перенапряжения, возникающие при коммутации вакуумных выключателей, носят различных характер:

  • перенапряжения, вызванные токами среза
  • эскалация перенапряжений в цикле высокочастотных (ВЧ) повторных пробоев
  • перенапряжения при включении в цикле ВЧ встречных пробоев
  • перенапряжения в результате виртуальных токов среза
  • ВЧ броски тока высокой амплитуды

Приведенные выше физические явления характерны для выключателей с жесткими дугогасящими средами, к которым относится вакуум. Высокие кратности перенапряжений в первую очередь опасны для виткового оборудования (силовых трансформаторов и электрических машин). К примеру, силовые трансформаторы с облегченным уровнем изоляции рассчитаны до 23 и 34 кВ импульсных перенапряжений при 6 и 10 кВ номинального напряжения соответственно. Таких значений зачастую бывает недостаточно и использование вакуумных выключателей требует применения дополнительного оборудования для защиты таких потребителей.

Еще серьёзнее ситуация выглядит, когда потребителем является электродвигатель, так как двигатели обладают более низким уровнем изоляции по сравнению с трансформаторами и, в особенности, пониженной импульсной прочностью обмоток при воздействии волн с крутым фронтом. При определенном сочетании параметров схемы и начальных условий наблюдается постепенное нарастание максимумов волн (эскалация напряжений), при котором они могут достигать 5-тикратных значений по отношению к фазному напряжению двигателя. Такие процессы негативно сказываются на работе двигателей и приводят к их преждевременному выходу из строя.

Элегазовые выключатели 6-35 кВ. Преимущества и недостатки


Элегаз — это соединение атома серы с шестью атомами фтора SF6. Молекулы шестифтористой серы (SF6) представляют собой максимально компактное и максимально симметричное образование отрицательных атомов с большой молекулярной массой. Применение элегаза в высоковольтных выключателях обусловлено его дугогасящими свойствами в 4-5 раз превосходящими свойства воздуха при прочих равных условиях. На сегодняшний день элегазовые выключатели являются основным и единственным конкурентом вакуумным выключателям в диапазоне напряжений 6-110 кВ, а на напряжения выше 110 кВ альтернатив элегазовым выключателям нет вообще.

Преимущества

plus

Низкая стоимость

Камеры КСО с вакуумными выключателями стационарного исполнения представлены на российском рынке только на напряжение до 20 кВ. Бюджетного решения на напряжение 35 кВ, выполненного на базе вакуумных выключателей, на данный момент нет. В свою очередь, камеры КСО с элегазовыми выключателями стационарного исполнения на напряжение до 35 кВ успешно прошли все типовые испытания и получили аттестацию ПАО «РОССЕТИ». Это безусловно является большим конкурентным преимуществом, в силу которого ячейка 35 кВ типа HMH-36 повсеместно применяется нашими клиентами, позволяя им значительно снизить затраты на строительство подстанции.

plus

Самостоятельность работы

Элегазовые выключатели на напряжение 6-35 кВ изготавливаются в герметичном исполнении, а дугогасительные камеры таких выключателей запаяны на весь срок службы и не требуют ведения элегазового хозяйства.

plus

Уникальность свойств элегаза

Элегаз в газообразном состоянии не имеет цвета, запаха, негорючий, без токсинов и взрывобезопасный. Элегаз является электроотрицательным газом, то есть его молекулы взаимодействуют с электроном, что способствует образованию устойчивого отрицательного иона. Элегаз обладает повышенной теплоотводящей способностью и является хорошей дугогасительной средой, позволяющей производить отключение больших токов короткого замыкания при больших скоростях восстановления напряжения. Кроме перечисленных свойств следует отметить высокую термостойкость элегаза (до 800 °С). Он не образует взрывоопасных смесей и является хорошим акустическим изолятором, не подвергается старению и химически не активен.

plus

Отсутствие перенапряжений

В элегазовых выключателях гашение электрической дуги происходит при ее интенсивном охлаждении потоком газа. В элегазе канал столба дуги обладает высокой электрической проводимостью, и его разрушение не происходит до естественного перехода тока через ноль, что исключает появление перенапряжений, например, при отключении ненагруженных трансформаторов. Высокая способность элегаза гасить дугу обусловлена его свойством захватывать свободные электроны перед переходом тока через ноль. При этом количество свободных электронов в столбе дуги уменьшается, и дуга гаснет.

Недостатки

minus

Влияние низких температур

Элегаз при температуре -64 °С переходит из газообразного в жидкое состояние (при повышении давления температура сжижения увеличивается) и утрачивает в этом агрегатном состоянии свои электротехнические свойства. Однако в нашей статье мы рассматриваем применение элегаза в выключателях на напряжение до 35 кВ, в которых давление элегаза близко к атмосферному, и ячейки с такими выключателями предназначены для внутренней установки (в отапливаемых подстанциях и помещениях), таким образом, проблема низких температур в данном случае не актуальна. Более того, каждая ячейка с выключателем может комплектоваться блоками релейной защиты, счетчиками ЭЭ, преобразователями и анализаторами качества электроэнергии, которые при низких температурах могут выйти из строя, поэтому хранение и эксплуатация таких КРУ и КСО на открытом воздухе и в неотапливаемых помещениях недопустимы.

minus

Утечка элегаза

Элегаз в 5 раз тяжелее воздуха, и в случае утечки он опускается вниз, вытесняя воздух. В помещениях, где применяются элегазовые КРУЭ на напряжение 110 кВ и выше, содержащие большое количество элегаза, необходимо соблюдать определенные меры предосторожности, как с целью обнаружения утечки, так и с целью устранения последствий. Стоит заметить, что, как правило, значительная утечка элегаза - это последствия аварии. В нормальном же режиме процент утечки элегаза пренебрежимо мал. Возвращаясь к теме нашей статьи важно понимать, что объем элегаза, содержащийся в выключателях на напряжение до 35 кВ, настолько мал, что какие-то дополнительные меры помимо естественной вентиляции, предусмотренной в каждой КТП, не требуются.

minus

Токсичность

Элегаз является инертным газом без запаха, невоспламеняющимся и не токсичным в своем обычном состоянии, но при температурах свыше 1000 градусов элегаз разлагается и образуются такие газы как SF4 и SF2 — последний является токсичным. Однако при снижении температуры происходит обратная реакция восстановления молекулы элегаза SF6. Таким образом, принимая во внимание, что камеры выключателя герметичны и содержание элегаза в них невелико, можно смело утверждать, что эксплуатация элегазовых выключателей абсолютно безопасна для персонала.

Выводы

Очевидно, что оба типа выключателей имеют свои конкурентные преимущества и наиболее рациональным является выбор выключателя, основанный на анализе специфики объекта, на котором реализовывается электроснабжение.

Компания «РОСПОЛЬ-ЭЛЕКТРО+» предлагает своим клиентам решения, основанные на их индивидуальных потребностях и отвечающие как техническим, так и экономическим требованиям заказчика. В ассортименте нашей компании имеются ячейки КРУ на напряжение 6-35 кВ на базе как вакуумного, так и элегазового выключателях (РПЭ-40 и UMC-36). Для более простых схем мы предлагаем нашим заказчикам бюджетные ячейки типа КСО 6-20 кВ серии Ecosmart MIX (с вакуумным выключателем) и КСО 6-20 кВ серии HMH-24 (на базе элегазового выключателя). На напряжение 35 кВ наша компания предлагает уникальное решение, не имеющее на данный момент аналогов в России — КСО 35 кВ типа HMH-36 на базе элегазового выключателя.