Меню

Проблемы с вакуумными выключателями

Высоковольтные вакуумные выключатели

Для повышения качества поставляемой от электрических сетей энергии, распределительные устройства комплектуются современными высоковольтными выключателями с вакуумной дугогасительной средой. Благодаря качественному отличию от устаревших автоматических выключателей, вакуумная аппаратура используется и для вновь возводимых подстанций, и для замены коммутационного оборудования на уже существующих.

Ряд преимуществ вакуумных дугогасительных устройств обуславливается более эффективным принципом гашения дуги, создает предпосылки для предотвращения аварийных режимов энергосистемы и позволяет существенно сократить затраты на обслуживание.

Устройство и принцип действия

Вакуумные выключатели предназначены для совершения коммутационных операций в электроснабжающих сетях высокого напряжения. Конструктивно вакуумный выключатель состоит из трех отдельных полюсов или колонок (по одной на каждую фазу). Все колонки устанавливаются на одном приводе посредством опорного изолятора из полимера, фарфора или текстолита. У каждой из них имеются два вывода для подключения ошиновки.

Общий вид вакуумного автоматического выключателя

Устройство вакуумного выключателя.

Из картинки ниже видно, что внутри устройство состоит из двух контактов, подведенных под соответствующие потенциалы полюсов. Один из них выполняется подвижным, второй стационарным, как и в других типах выключателей. Силовые контакты вакуумного выключателя располагаются внутри герметичной камеры, способной сохранять вакуум в течении длительного периода времени (несколько десятков лет). Для чего в состав камеры включаются специальные металлические сплавы и керамические добавки. Именно этот элемент стал камнем преткновения для реализации такого выключателя в 30-е годы прошлого века.

Современные технологии предоставляют возможность сохранения вакуума внутри емкости, в том числе, с учетом динамических нагрузок, которые ей приходится претерпевать во время коммутаций. Для постоянного поддержания состояния сильно разреженной газовой среды, внутри вакуумной камеры, устройство комплектуется сильфонным компонентом. Он исключает возможность проникновения воздуха или другого газа внутрь вакуумной камеры при перемещении подвижного контакта.

Конструкция вакуумного выключателя

Принцип гашения электрической дуги.

При разрыве контактов между поверхностями возникает ионизация пространства. Если в воздушных выключателях с методом электромагнитного дутья эту ионизацию искусственно растягивают на несколько метров, а в элегазовых и масляных выключателях стараются погасить диэлектрическим материалом, то в вакуумных применяется другая технология. Основной принцип основан на том, что в идеальном вакууме отсутствует какое-либо вещество, способное к выделению заряженных частиц. Поэтому в момент разделения контактов, из-за разности потенциалов, единственным источником ионизации являются пары раскаленного металла.

Они продолжают движение между контактными поверхностями, но при переходе синусоиды электрического тока через ноль, заряженные частицы утрачивают энергию для ионизации и перемещения, их место быстро занимает пустое пространство с высокой электрической прочностью и дуга рвется. Ионы металлов примыкают к ближайшей поверхности – контактам или стенкам камеры. Такой принцип действия позволяет сократить время на прекращение горения дуги и предоставляет ряд преимуществ, в сравнении с другими типами коммутационных аппаратов. Но чрезмерные коммутационные перенапряжения могут привести к деформации поверхности, что будет препятствовать нормальному замыканию контактов, увеличит переходное сопротивление и вызовет перегрев внутри вакуумной камеры.

Типы вакуумных выключателей

Как и любая другая электротехническая продукция, вакуумные выключатели подразделяются на несколько типов, в зависимости от класса напряжения, для которого предназначен аппарат. Поэтому условно их можно подразделить на:

  • Устройства на 6 – 10 кВ;
  • Устройства на 35 кВ;
  • Устройства на 110 – 220 кВ.

Вторым критерием является мощность отключаемого потребителя, в соответствии с которой модели отличаются по максимальному рабочему току или по мощности.

Сфера применения

Если первые модели, выпущенные еще в СССР, обеспечивали отключение, сравнительно небольших нагрузок из-за конструктивного несовершенства вакуумной камеры и технических характеристик контактов, то современные модели могут похвастаться куда более термоустойчивым и прочным материалом поверхности. Это обуславливает возможность установки таких коммутационных агрегатов практически во всех отраслях промышленности и народного хозяйства. Сегодня вакуумные выключатели используются в таких сферах:

  • В распределительных электроустановках как электрических станций, так и распределительных подстанций;
  • В металлургии для питания печных трансформаторов, снабжающих сталеплавильное оборудование;
  • В нефтегазовой и химической промышленности на пунктах перекачки, переключающих пунктах и трансформаторных подстанциях;
  • Для работы первичных и вторичных цепей тяговых подстанций на железнодорожном транспорте, осуществляет питание вспомогательного оборудования и не тяговых потребителей;
  • На горнодобывающих предприятиях для питания комбайнов, экскаваторов и других видов тяжелой техники от комплектных трансформаторных подстанций.

В любой, из вышеперечисленных отраслей народного хозяйствования, вакуумные выключатели повсеместно вытесняют устаревшие масляные и воздушные модели.

Особенности установки выключателя

Установка вакуумного выключателя выполняется в уже имеющиеся ячейки, шкафы КРУ, остающиеся из-под масляных или воздушных выключателей, или монтируются в новую ячейку на этапе строительства распредустройства, подстанции или электроустановки. Болтовые крепления к металлическим конструкциям должны плотно затягиваться, обеспечивая и неподвижность коммутационного аппарата при интенсивных динамических колебаниях.

Весь процесс должен осуществляться в строгом соответствии с требованиями, как указаний завода изготовителя, так и нормативных документов, регламентирующих работу устройств в соответствующей отрасли. Обязательными для применения в любых цепях являются нормативные величины, устанавливаемые ПУЭ. Где указаны расстояния от токоведущих частей до заземленных конструкций, электрические параметры и прочие требования к установке вакуумных выключателей.

Ошиновка производиться металлическими шинами из меди или алюминия, которые перед монтажом предварительно зачищаются для получения минимальных показателей переходного сопротивления.

После завершения установки и подключения управленческих цепей к блоку контроля выключателем или приводу, необходимо осуществить ряд манипуляций и проверок:

  • Очистить поверхность наружных изоляторов от всевозможных засорителей для исключения возможности протекания токов утечки;
  • Проверка работоспособности привода, ручное отключение и соответствие обозначения флажка на нем действительному положению –вкл/выкл;
  • Испытание изоляционных свойств смонтированного устройства посредством подачи напряжения промышленной частоты;
  • Измерение величины переходного сопротивления между контактами;
Читайте также:  Взрывозащищенный клавишный выключатель ghg 273 4000 r0004

В случае хранения вакуумного устройства на складе более двух лет, перед подключением к коммутационным цепям необходимо производить комплекс испытаний, чтобы убедиться в прочности промежутка на случай отключения токов кз.

Как осуществляется эксплуатация устройства?

После ввода в эксплуатацию вакуумный выключатель обязательно проходит периодические осмотры и испытания – текущий и капитальный ремонт, профконтроль, осмотр. Которые устанавливаются правилами технической эксплуатации, а также заводскими инструкциями.

Помимо регламентных работ коммутационный агрегат может отключаться от аварийных нагрузок, что может существенно повредить рабочую поверхность контактов. Поэтому после срабатывания в аварийном режиме, обслуживающий персонал обязан произвести внеплановый осмотр коммутационного устройства на предмет выявления подгаров, оплавлений, пятен выброса металла и прочих дефектов, свидетельствующих о возможном снижении проводимости или изоляционных свойств, номинальных характеристик и т.д. Результаты осмотров вакуумного выключателя после аварийных отключений должны заноситься в соответствующий журнал.

Особенности контроля и управления вакуумными выключателями?

Управление может осуществляться как дистанционно, так и вручную. Все коммутационные операции производятся через управленческий блок, который перерабатывает команды и передает их на привод устройства. Универсальный электромагнитный привод позволяет удерживать рабочие контакты в заданном положении. Все современные модели обеспечиваются магнитной защелкой, обеспечивающей четкую фиксацию положения вне зависимости от его исправности.

Информация о работе коммутационного аппарата отображается на блоке управления или передается через управленческие сети на пульт оперативного персонала. Поэтому функции контроля могут осуществляться диспетчерским персоналом через систему телемеханики, где все команды посылаются через оперативные токи и не требуют личного присутствия.

Ручное отключение напрямую воздействует на привод, но требует личного присутствия работников возле ячейки или шкафа выкатного типа.

Пример схемы конструкции привода вакуумного выключателя VF12

Критерии выбора ВВ

При выборе конкретной модели обязательно учитываются следующие параметры:

  • Напряжение электроустановки – в соответствии с которым определяется тип изоляции;
  • Электродинамическая стойкость, в случае возникновения тока короткого замыкания;
  • Термическая стойкость, при удаленных от места установки вакуумного выключателя авариях;
  • Климатическое исполнение.

Производители и распространенные модели

Наиболее известными производителями вакуумных выключателей являются отечественные компании: «Таврида электрик», «НПП Контакт», ОАО «Самарский трансформатор», «ПО ЭЛКО», «РЗВА» и другие. Из зарубежных: Siemens, ABB, HEAG.

В таблице ниже можно увидеть сравнительные характеристики некоторых наиболее популярных вакуумных выключателей.

Выключатель серии Номинальное напряжение, кВ. Номинальный ток, А Ток отключения, А Термическая стойкость, кА Динамическая стойкость, кА
ВВЭ-М-10 10 – 11 630, 1000, 1600, 2000, 2500, 3150 20; 31,5; 31,5; 40 20; 31,5; 31,5; 40 51, 81, 81, 128
BB/AST 10-12,5/1000 10 — 12 1000 12,5 12,5 32
BB/TEL-10-12,5/1000 У2 10 1000 12,5 12,5 32
15ADV20 AA3F1 13,8 — 15 1200 20 20 38
ВВЭЛ-110-20/1600 110 — 126 1600 20 20 41

Преимущества и недостатки вакуумных выключателей

К преимуществам данного вида коммутационных аппаратов следует отнести:

  • Сравнительно небольшие габариты, в отличии от масляных и воздушных;
  • Отличаются малыми габаритами и возможностью быстрой замены, особенно в выкатных ячейках;
  • Не производят такого большого шума при переключениях;
  • Отлично выполняют свои функции не зависимо от положения камер в пространстве;
  • Полностью экологичны и безопасны для здоровья в отличии от элегазовых выключателей;
  • Не требуют дозаправки и содержания отдельного хозяйства для этой цели;
  • Отличаются высокой надежностью.

К недостаткам вакуумных выключателей относят:

  • Неспособность выдерживать большие токи короткого замыкания;
  • Возникновение перенапряжения при отсекании малых индуктивных токов;
  • Малый коммутационный ресурс отключения аварийных токов.

Источник



Проблемы с вакуумными выключателями

События • Конференция

В конце 2012 года в Томске состоялся один из наиболее авторитетных мировых научных форумов в области вакуумной и плазменной электроники – Международный симпозиум по разряду и электрической изоляции в вакууме (ISDEIV 2012), определяющий мировые тенденции развития вакуумной коммутационной техники.
В этом году его главным организатором выступил Томский институт сильноточной электроники СО РАН.
В работе симпозиума приняли участие ведущие российские ученые и более 130 их коллег из 19 стран (США, Германия, Франция, Голландия, Израиль, Япония, Корея, Индия, Китай и др.). Было сделано 211 докладов, из которых 45 – устных и 166 – стендовых.
На протяжении всех 5 дней на различных секциях, панельных дискуссиях были представлены новейшие результаты исследований по следующим темам:
– физика и техника вакуумных сетевых выключателей (46%);
– фундаментальные проблемы физики вакуумной дуги (10%);
– сильноточная вакуумная электроника (8%);
– физика пробоя по поверхности диэлектрика (8%);
– физика и техника формирования покрытий с использованием вакуумного разряда (7%);
– физика предпробойных явлений и пробоя в вакууме (7%);
– физика и техника электронных и ионных пучков на основе вакуумного разряда (6%);
– проблемы, сопутствующие тематике симпозиума (4%);
– физика электрического разряда в газах низкого давления (2%);
– слаботочная вакуумная электроника (2%).
Традиционно наибольшее внимание на форуме было уделено физике и технике вакуумных выключателей.
Наряду с устными докладами и постерными сессиями в рамках симпозиума проводились круглые столы.

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ ПРИ КОММУТАЦИИ ВАКУУМНЫМИ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯМИ
Мнение мирового сообщества

Подготовил Валерий Журавлев, «Новости ЭлектроТехники»

КРУГЛЫЙ СТОЛ ПО ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯМ

По инициативе Промышленной группы «Таврида Электрик», в рамках ISDEIV был организован круглый стол «Перенапряжения при коммутации вакуумными выключателями индуктивной нагрузки».
Участникам круглого стола – представителям ведущих мировых исследовательских центров и крупнейших электротехнических компаний было предложено обсудить вопрос, который регулярно дискутируется в российском профессиональном сообществе: насколько верно утверждение, что вакуумные выключатели (ВВ) на напряжение 6–10 кВ более опасны для электроприемников с точки зрения коммутационных перенапряжений, чем другие типы коммутационных аппаратов?

Вел круглый стол доктор Рене Смитс (Rene Smeets), профессор Технологического университета Эйндховена (Нидерланды), член рабочей группы МЭК по вопросам коммутации индуктивных нагрузок, автор более 200 научных работ по коммутациям высоковольтных нагрузок и испытаниям, сотрудник крупнейшей испытательной и сертификационной лаборатории KEMA, признанный эксперт в области коммутационных перенапряжений. Рене Смитс также является членом постоянного научного комитета симпозиума – Permanent International Scientific Committee (PISC), объединяющего наиболее ярких представителей научных организаций и промышленных компаний мира в области вакуумной техники. На сегодняшний день из 18 членов PISC Россию представляют: Сергей Школьник (Физико-технический институт имени
А.Ф. Иоффе РАН), Дмитрий Проскуровский (Институт сильноточной электроники СО РАН), Алексей Чалый (Промышленная группа «Таврида Электрик»).

Эдгар Дулни (Edgar Dullni), вице-президент компании ABB, член PISC во вводном докладе кратко охарактеризовал природу возникновения перенапряжений при коммутации индуктивных нагрузок ВВ.
Были освещены физическая сущность и характерные параметры следующих процессов: срез тока и связанные с ним перенапряжения; перенапряжения при многократных повторных зажиганиях; перенапряжения при виртуальном срезе тока; предпробои при включении. Все эти явления давно известны научному сообществу, хорошо изучены и объяснены.

Рене Смитс в своем выступлении рассказал о подходе, принятом в стандарте IEC 62271-110 – High-voltage switch gear and control gear – Part 110: Inductive load switching («Аппаратура распределения и управления высоковольтная. Часть 110. Переключение индуктивной нагрузки»). Стандарт описывает классы напряжения от 1 до 800 кВ и регулирует вопросы коммутации ненагруженных трансформаторов, шунтирующих реакторов на напряжение более 52 кВ и двигателей на напряжение до 17,5 кВ.

Докладчик отметил, что стандарт не затрагивает трансформаторы с точки зрения испытаний по причине непреодолимых сложностей с моделированием в тестовой цепи поведения конкретного трансформатора и сильной зависимости результатов от конструктивных и технических параметров трансформатора.
Для коммутации двигательной нагрузки проблема достаточно успешно решается, особенно в части отключения пусковых токов. Тестовая последовательность для двигательной нагрузки состоит из 80 опытов, разделенных на 4 тестовых случая, различающихся отключаемыми токами и емкостью со стороны источника. По результатам множества проведенных испытаний в лаборатории KEMA Рене Смитс сделал следующие обобщающие выводы:
– Срез тока не представляет опасности для изоляции двигателей, если он не сопровождается повторными зажиганиями и виртуальным срезом тока.
– Множественные повторные зажигания при их возникновении вызывают перенапряжения с большой крутизной и амплитудой, опасной для изоляции оборудования.
– Виртуальный срез тока не является уникальным явлением и может вызывать перенапряжения очень большой кратности (рис. 1).
– Перенапряжения при множественных повторных зажиганиях и виртуальном срезе тока успешно ограничиваются с помощью ОПН до уровня, безопасного для изоляции нагрузки (рис. 2).
– Перенапряжения в тестовых цепях превышают аналогичные в реальной эксплуатации.
В заключение он отметил, что по совокупности эксплуатационных преимуществ ВВ не имеют альтернатив в среднем классе напряжения, что отражает их доля в общем количестве установленных по всему миру аппаратов (рис. 3).

Рис. 1. Перенапряжения на выключателе при виртуальном срезе тока

Рис. 2. Перенапряжения на нагрузке при ограничении с помощью ОПН

Рис. 3. Динамика доли рынка выключателей среднего класса напряжения с различными дугогасящими средами

Артем Базавлук, старший специалист исследовательского отдела ПНП «Болид» (г. Новосибирск), изложил результаты исследований и позицию компании по вопросу перенапряжений при коммутации ВВ, а также предложения по нормированию параметров ВВ на уровне стандартов.
Докладчиком были сформулированы следующие выводы:
– ВВ должны проверяться и мониториться как производителями, так и эксплуатирующими организациями.
– ВВ должны быть оборудованы специальным устройством для контроля и проверки их механических характеристик.
– Параметры ВВ должны периодически проверяться в процессе эксплуатации.
– Коммутируемое оборудование должно оснащаться средствами защиты. Правильный выбор ВВ и средств защиты зависит от типа нагрузки.
– Перенапряжения при коммутации ВВ опасны для кабелей из сшитого полиэтилена, двигателей и трансформаторов.
– Требования ГОСТ не могут быть применены ко всем ВВ.
– Новое энергетическое оборудование требует формирования дополнительных требований и ужесточения существующих.
Компания «Болид» предлагает нормировать на уровне стандартов следующие характеристики ВВ: скорость движения контактов при включении и отключении; отсутствие дребезга; неодновременность замыкания полюсов; ток среза; давление в вакуумной камере; электрическая прочность при расстоянии 2 мм между контактами.

Доктор Ханс Шелекенс (Hans Schellekens), технический директор Schneider Electric, член PISC, в следующем докладе изложил мнение компании по существующему утверждению о том, что ВВ опасно использовать в сетях, где применяются кабели из сшитого полиэтилена, например в распределительных сетях городов, в связи с возможной быстрой деградацией их изоляции из-за перенапряжений высокой частоты.
Опираясь на экспериментальные зависимости и модели старения кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена, которые были сопоставлены с уровнями воздействующих перенапряжений с учетом их длительности, выступающий сделал следующие выводы:
– Коммутации выключателями любого типа в распределительной сети не влияют на время жизни кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена.
– Перенапряжения в присоединенной к распределительной сети промышленной нагрузке не влияют на распределительную сеть и могут не учитываться.
– Для промышленной нагрузки все возможные перенапряжения с учетом длительности не превышают 10% от пробивного напряжения.
– Коммутация конденсаторных установок является самым нагруженным режимом для кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена вне зависимости от типа применяемой дугогасящей среды.
– Применение вакуумных выключателей не влияет на интенсивность отказов и время жизни кабелей в российских электрических сетях.
Докладчик отметил, что данные тезисы подтверждаются обширным опытом эксплуатации ВВ и кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена в Европе, Америке и Китае.

Доктор Эрик Тэйлор (Erik Taylor), представитель компании Siemens, в своем выступлении поделился опытом компании в части рекомендаций по защите от перенапряжений двигателей среднего напряжения. Он подчеркнул, что применение ВВ для коммутации двигательной нагрузки давно принято и одобрено рынком во всем мире, а интенсивные многолетние независимые исследования показали полную совместимость ВВ и двигателей, что подкреплено обширным опытом эксплуатации. Проблема перенапряжений при коммутации двигателей хорошо изучена и предложена масса эффективных технических решений по ограничению перенапряжений, в том числе специальные средства защиты.

Заключительный доклад представил Алексей Чалый, генеральный и технический директор Промышленной группы «Таврида Электрик», член PISC. В своем выступлении он сказал, что ряд утверждений российских специалистов об опасности применения ВВ в сетях 6–10 кВ не подтвержден необходимым объемом экспериментальных данных, а иногда напрямую противоречит существующему опыту эксплуатации. Например, говоря о повышении повреждаемости оборудования с увеличением количества вакуумных выключателей в сетях промышленных предприятий, критики ссылаются всего на один источник, в котором данные, позволяющие сделать такой вывод, отсутствуют. Также докладчиком были приведены сведения, полученные от промышленных предприятий, которые опровергают утверждение о повышении аварийности, вызванном широким внедрением ВВ.
Список дополнительных требований к характеристикам ВВ, по мнению А. Чалого, не имеет достаточного обоснования ни в части необходимости их нормирования, ни в части конкретных значений нормируемых характеристик. Более того, некоторые из предлагаемых требований при выполнении могут вызвать эффект, обратный ожидаемому. Так, например, было показано, что при неодновременности замыкания контактов 0,6 мс перенапряжения при включении ВВ оказываются выше, чем при 1,2 мс. По большей части предлагаемых к нормированию параметров специалистами компании «Болид» не было предложено методики проверки и измерения.
Также докладчик указал на существенные, по его мнению, методические и измерительные ошибки при получении экспериментальных данных, которые ставят под сомнение сделанные на их основе выводы.

Подводя итоги мероприятия, Рене Смитс отметил, что некоторые специалисты в качестве альтернативы применения ВВ предлагают возврат к масляным выключателям, характеризующимся меньшей частотой перенапряжений для некоторых видов нагрузки. Однако подобная альтернатива фактически не может быть принята из-за низкой надежности, ресурса, пожароопасности и необходимости в регулярном обслуживании этих аппаратов.

Все доклады, прозвучавшие в рамках круглого стола, можно скачать по ссылке http://www.hcei.tsc.ru/conf/isdeiv/images/presentations/0_Panel_I_ISDEIV2012.pdf
Дополнительную информацию о симпозиумах по электрической изоляции и разрядам в вакууме можно найти на сайтах http://isdeiv.lbl.gov и http://www.hcei.tsc.ru/conf/isdeiv/index.html

© ЗАО «Новости Электротехники»
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна

Источник

➤ Adblock
detector