Элегазовые выключатели 110 кВ: Принцип действия и область применения

Содержание

Определение и применение элегаза

Элегаз – это шестифтористая сера, которую относят к электротехническим газам. Благодаря изоляционным свойствам ее активно применяют при производстве электротехнических устройств. В нейтральном состоянии элегаз представляет собой негорючий газ без цвета и запаха. Если его сравнивать с воздухом, то можно отметить высокую плотность (6,7) и молекулярную массу, превышающую воздушную в 5 раз.

Одно из преимуществ элегаза – устойчивость к внешним проявлениям. Он не меняет характеристик при любых условиях. Если происходит распад во время электроразряда, то вскоре наступает полноценное, необходимое для работы восстановление.

Секрет в том, что молекулы элегаза связывают электроны и образуют отрицательные ионы. Качество «электроотрицания» наделило 6-фтористую серу такой характеристикой, как электрическая прочность. На практике электропрочность воздуха в 2-3 раза слабее, чем то же свойство элегаза. Кроме прочего, он пожаробезопасен, так как относится к негорючим веществам, и обладает охлаждающей способностью.

Принцип действия и область применения

За счет чего работает элегазовый выключатель большого напряжения? За счет изолированности фаз между собой посредством элегаза. Принцип работы механизма следующий: при поступлении сигнала об отключении электрического оборудования, контакты каждой камеры размыкаются. Встроенные контакты создают электрическую дугу, которая размещается в газовой среде.

Эта среда разделяет газ на отдельные частицы и компоненты, а из-за высокого давления в резервуаре, сама среда снижается. Возможное применение дополнительных компрессоров, если система работает на низком давлении. Тогда компрессоры усиливают давление и образовывают газовое дутье. Также используется шунтирование, применение которого необходимо для выравнивания тока.

Обозначение на схеме ниже указывает расположения каждого элемента в механизме выключателя:

Что касается моделей бакового вида, так в них контроль осуществляется с помощью приводов и трансформаторов. Для чего нужен привод? Его механизм является регулятором и его назначение заключается в том, чтобы включать или выключать электроэнергию и, если необходимо, удерживать дугу на установленном уровне.

Приводы делятся на пружинные и пружинно-гидравлические. Пружинные обладают большой степенью надежности и имеют простой принцип работы: вся работа делается благодаря механическим деталям. Пружина способна под действием специального рычага сжимать и разжиматься, а также фиксироваться на установленном уровне.

Пружинно-гидравлические приводы выключателей дополнительно имеют в конструкции гидравлическую систему управления. Такой привод считается более эффективным и надежным, ведь пружинное устройство может само изменить уровень фиксатора.

Элегазовые выключатели 110 кв, 220 кв

Для гашения электрической дуги часто используются различные газовые смеси. Элегазовые выключатели 110 кВ и 220 кВ работают именно по такому принципу и могут использоваться для работы в аварийных ситуациях.

Конструкция и виды

Элегазовые высоковольтные выключатели – это устройства оперативного управления для контроля высоковольтной линии энергоснабжения. Данные устройства имеют очень похожую конструкцию с масляными, но при этом, используют для гашения дуги не масляную смесь, а соединение газов. Зачастую это сера. Масляные выключатели требуют за собой особого ухода: по нормам необходимы периодическая замену масла и очистка рабочих контактов. Элегазовые в этом не нуждаются. Главное достоинство элегаза в его долговечности: он не стареет и минимально загрязняет механические части устройства.

Фото – высоковольтное оборудование

Колонковые (HPL 245B1, MF 24 Schneider Electric);
Баковые (ABB 242PMR, DT2-550 F3 – производитель Areva).

Колонковый элегазовый выключатель представляет стандартное отключающее устройство, работающее только на одну фазу (например, LF 10 от Шнайдер Электрик). Он используется для сети 220 кВ. Конструктивно состоят из двух систем: контактной и дугогасительной. Обе они располагаются в емкости, наполненной элегазом. Могут быть как ручными (контроль производится исключительно механически) или дистанционными. Из-за такого разделения они имеют довольно большие габаритные размеры.

Баковые имеют меньшие габариты, их дополняет привод ППРМ 2 для элегазового выключателя. Привод распределяется на несколько фаз, что позволяет обеспечить мягкое регулирование напряжения (включение и выключение). Также их достоинство в том, что они могут переносить большие нагрузки благодаря встроенному в систему трансформатору тока.

Помимо конструктивных особенностей, выключатели элегазового типа классифицируются по принципу гашения дуги:

Автокомпрессионные или воздушные;
Вращающие;
Продольного дутья;
Продольного дутья с дополнительным разогревом элегаза.

Достоинства и недостатки элегазового выключателя

Учитывая вышесказанное, среди достоинств выключателей элегазового типа можно отметить следующее:

возможность установки в электроустановках как закрытого, так и открытого исполнения практически всех классов напряжения;
простота и надежность конструкции;
большой коммутационный ресурс контактной системы;
неплохая отключающая способность;
высокая скорость срабатывания;
взрыво- и пожаробезопасность;
небольшие габаритные размеры и масса (в несколько раз меньше масляного выключателя).

Как и любое устройство, выключатель имеет и недостатки:

высокие требования к качеству элегаза;
применение специальной аппаратуры для периодического обслуживания коммутационного аппарата;
образование в процессе эксплуатации вредных для организма человека веществ – фторидов.

Несмотря на некоторые недостатки, элегазовый выключатель является достойной заменой масляных и воздушных коммутационных аппаратов.

Элегазовые выключатели ВГТ, ВГБ, ВГГ, ВГП, ВГК, ВБ

Элегазовые выключатели — это разновидность высоковольтных выключателей, которые представляют собой коммутационный аппарат, использующий элегаз (шестифтористую серу, SF6) в качестве среды гашения электрической дуги; предназначенный для оперативных включений и отключений отдельных цепей или электрического оборудования в энергосистеме, в нормальных или аварийных режимах, при ручном, дистанционном или автоматическом управлении.

Основные достоинства элегазового оборудования определяются уникальными физико-химическими свойствами элегаза. При правильной эксплуатации элегаз не стареет и не требует такого тщательного ухода за собой, как масло.

Привод выключателя обеспечивает управление выключателем — включение, удержание во включенном положении и отключение. Вал привода соединяют с валом выключателя системой рычагов и тяг. Привод выключателя должен обеспечивать необходимую надежность и быстроту работы, а при электрическом управлении — наименьшее потребление электроэнергии.

Выключатели серии ВГ

Выключатели элегазовые ВГ предназначены для коммутации электрических цепей при нормальных и аварийных режимах, а также работы в циклах АПВ в сетях трехфазного переменного тока частоты 50 Гц с номинальным напряжением 110 и 220 кВ.

Условное обозначение выключателя ВГ Х-ХII*-ХХ/ХХХХ У1:

ВГ — выключатель элегазовый;
Х — условное обозначение конструктивного исполнения (К, Б, Э, Т, П, Г);
Х — номинальное напряжение, кВ (110 или 220);
II* — категория по длине пути утечки по внешней изоляции в соответствии с ГОСТ 9920-89;
ХХ — номинальный ток отключения, кА (40; 50);
ХХХХ- номинальный ток, А (2500, 3150);
У1 — климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543.1-89.

Условное обозначение привода выключателя ППрК-1800С:

П — привод;
Пр — пружинный;
К — кулачковый;
1800 — работа статического включения, Дж;
С — специальный.

Условия эксплуатации выключателя ВГ:

Высота установки над уровнем моря не более 1000 м.
Температура окружающего воздуха от минус 45 до 40°С.
Относительная влажность воздуха не более 80% при температуре 20°С. Верхнее значение 100% при температуре 25°С.

Правила подключения и обслуживания ЭВ

Все действия, касающиеся монтажа, включения/выключения, ремонта и обслуживания элегазовых устройств, подчиняются строгим правилам, которые регламентированы ПУЭ 1.8.21.

Для подключения установки необходимо проверить наличие минимального давления в газонаполненной камере, иначе выключатель выйдет из строя. Чтобы предотвратить повреждения, установлена сигнализация, которая срабатывает при критическом понижении параметров давления. Уровень давления можно отследить с помощью манометра.

В шкафу привода установлены нагревательные элементы, эффективно препятствующие возникновению конденсата на элементах механизма. Оператору необходимо следить, чтобы нагреватели постоянно находились во включенном состоянии.

Осмотр установки производится каждый день в светлое время суток и примерно 2 раза в месяц в темное время суток. Если произошло аварийное отключение по одной из причин, требуется внеплановый осмотр. В процессе осмотра выключателя необходимо проверить наружную защиту, удалить загрязнения, исправить повреждения. Если нагреваются контакты, следует выяснить причину.

При наличии треска, подозрительного шума нужно выявить источник. Металлическая монтажная конструкция одновременно является частью заземляющего контура, поэтому следует проверять ее целостность.

Обязательно снимаются показатели манометра. Давление должно соответственно норме, рассчитанной производителем. Необходимо проверить исправность регулирующих и контролирующих приборов, а при выходе из строя одного или нескольких элементов принять меры – совершить замену или отправить в ремонт.

Если давление газа уменьшилось, следует пополнить камеру элегазом. Изоляция в чистке не нуждается, так как конструкция полностью герметична.

Требования к автоматическим выключателям специального исполнения

Работа в тропическом климате

Автоматические выключатели и дополнительные элементы климатического исполнения Т, ТВ, ТС (тропического, тропического влажного и тропического сухого) испытываются в соответствии со стандартом ИЭК 60068-2-30 путём выполнения 2 рабочих циклов при 55 °C. Конструктивно пригодность выключателей для эксплуатации в жарком и влажном климате обеспечивается благодаря:

литому изолирующему корпусу, изготовленному из синтетических смол, армированных стекловолокном;
антикоррозионной обработке основных металлических частей;
оцинковыванию Fe/Zn 12 (ISO 2081) с защитным слоем, не содержащим шестивалентного хрома, с такой же коррозионной стойкостью согласно требованиям стандарта ISO 4520, класс 2c;
применению специальной защиты от конденсатообразования для электронных расцепителей и соответствующих аксессуаров.

Устойчивость к ударному воздействию и вибрации (морское исполнение)

Автоматические выключатели климатического исполнения М выдерживают влияние вибраций, вызванных механическими или электромагнитными воздействиями, величина которых регламентируется стандартом ИЭК 60068-2-6, а также техническими условиями следующих организаций:

RINA;
Det Norske Veritas;
Bureau Veritas;
Регистр Ллойда;
Germanischer Lloyd;
Nippon Kaiji Kyokai;
Korean Register of Shipping;
ABS;
Российский морской регистр судоходства.

Согласно стандарту ИЭК 60068-2-27, автоматические выключатели также испытываются на стойкость к ударным воздействиям до 12 g в течение 11 мс.

Автоматические выключатели с защитой по току в нейтрали

Исполнение автоматических выключателей с защитой по току нейтрали используется в особых случаях, когда присутствие третьей гармоники на отдельных фазах может привести к очень высокому току в нейтрали. Среди обычных областей применения: установки с нагрузками, имеющими высокие гармонические искажения (тиристорные преобразователи, компьютеры и электронные устройства в целом), системы освещения с большим количеством флуоресцентных ламп, системы с инверторами и выпрямителями, системы бесперебойного электроснабжения (UPS), а также системы для регулирования скорости электродвигателей.

Выдержка

Процесс отключения может характеризоваться наличием выдержки или ее отсутствием. Разновидность выключателя, в частности скорость его реагирования, зависит от временного интервала, в течение которого происходит превышение существующего значения и расхождение контактов. Так, приобрели распространение быстродействующие, селективные и стандартные выключатели. У двух последних вариантов отсутствует возможность токоограничения. В селективных устройствах защита сетей производится при помощи установленных выключателей, имеющих различную скорость срабатывания: минимальное значение имеет потребитель, постепенно к источнику питания данный параметр увеличивается.

Магнитный расщепитель

Механизм действия магнитного устройства приводится в действие подвижным сердечником. Расщепитель данного вида является соленоидом, через обмотку которого проходит ток, идущий через выключатель, при превышении номинального значения сердечник начинает втягиваться. Магнитный вид обладает свойством моментального срабатывания, чем не может похвастаться тепловой, но реакция происходит только в случае существенного превышения установленного порога. Используется несколько разновидностей, которые обладают различной степенью чувствительности.

В процессе расщепления возникает вероятность появления электрической дуги. Для предотвращения этого рядом с контактами размещается дугогасительная решетка, а сами элементы выполняются в особой форме.

Проблемы, связанные с элегазовыми выключателями

С элегазовыми выключателями связывают следующие проблемы.

Гексафторид серы является газом, вызывающим «парниковый эффект»

SF6 являет собой наибольшую угрозу из тех веществ, воздействие которых на окружающую среду оценила Межправительственная Комиссия по контролю за изменением климата, как газ, способный привести к парниковому эффекту. Его способствование глобальному потеплению в 23 900 больше, чем у CO2. Согласно Киотскому протоколу SF6 классифицирован как газ ограниченного применения.

Токсичные газы низшего порядка

Когда электрическая дуга создаётся в среде с небольшим количеством SF6, образуются газы низшего порядка. Некоторые из этих побочных продуктов токсичны и могут вызвать болезненное раздражение глаз и дыхательной системы.

Замещение кислорода

SF6 тяжелее воздуха, поэтому необходимо соблюдать осторожность при входе в низко расположенные замкнутые помещения, в которых может скопиться этот газ, во избежание риска реакции замещения кислорода

Эксплуатация элегазового выключателя Siemens 3AP1DT-126. Основные требования

Конструкция и принцип работы элегазового выключателя рассмотрен в отдельном материале. Рассмотрим основные требования по эксплуатации элегазового выключателя на примере коммутационного аппарата Siemens 3AP1DT-126.

Выключатель предназначен для установки в открытых распределительных устройствах 110кВ, так как его номинальное рабочее напряжение – 126кВ. Выключатель работает в соответствии с заявленными производителем характеристиками при условии:

установки на высоте над уровнем моря не более тысячи метров;
температуры окружающей среды от -350 С до +400 С;
установки в соответствии с требованиям завода-изготовителя.

В процессе эксплуатации элегазового выключателя осуществляются циклы включения и отключения коммутационного аппарата. При операциях с выключателем в режимных целях, как правило, ток отключения находится в пределах номинальных значений. В аварийном режиме выключатель отключает ток перегрузки или ток короткого замыкания, то есть очень большой ток. Чем больше ток, тем меньшее количество возможных циклов включения/отключения элегазового выключателя.

Количество допустимых операций в зависимости от тока отключения устанавливает изготовитель. Для того, чтобы определить количество операций отключения, необходимо воспользоваться специальной диаграммой зависимости, приведенной в паспорте выключателя. Например, номинальный рабочий ток – 2000 А выключатель способен отключить 6000 раз. В случае аварийного отключения при токе значением 10 кА количество циклов отключения составляет 400 раз.

Эксплуатация элегазового выключателя на подстанциях с обслуживающим оперативным персоналом

Элегазовые выключатели, эксплуатируемые на открытых распределительных устройствах электроустановок, подвержены образованию конденсационной влаги, которая скапливается непосредственно в шкафу привода самого выключателя. Влага в приводе выключателя может привести к повреждению механизма привода выключателя и вторичных цепей управления и сигнализации. Поэтому в приводе выключателя предусмотрены специальные нагревательные резисторы, которые должны быть всегда включены в работу.

Коммутационные операции (включение и отключение) выключателем элегазового типа следует производить только при наличии минимально допустимого давления элегаза SF6. В противном случае может произойти повреждение выключателя. Для предотвращения негативных последствий предусмотрена сигнализация снижения давления элегаза в выключателе, а также блокировка цепей управления выключателем при понижении давления элегаза до недопустимого уровня, при котором не обеспечивается изоляция и гашение дуги при коммутации токов.

В случае снижения давления элегаза в коммутационном аппарате следует вывести его в ремонт (принять соответствующие меры в соответствии с действующими правилами и инструкциями в электроустановке), выяснить причину понижения давления, при наличии причины – устранить ее и дополнить недостающее количество газа. Для наполнения выключателя элегазом предусмотрено специальное присоединение, расположенное внутри шкафа привода. Для контроля рабочего давления газа установлен манометр.

Оперативный персонал подстанции должен производить осмотр элегазового выключателя ежедневно и дополнительно один раз в две недели в темное время суток, преимущественно в сырую погоду на предмет коронации. При неблагоприятных погодных условиях, сильном загрязнении, а также в случае аварийной ситуации, то есть после автоматического отключения коммутационного аппарата необходимо производить дополнительные осмотры.

Во время осмотра коммутационного аппарата следует:

осмотреть ошиновку и контактные соединения на предмет целостности и отсутствия нагрева;
проверить отсутствие внешних повреждений коммутационного аппарата, загрязнений;
убедиться в отсутствии посторонних шумов и потрескиваний внутри полюсов выключателя, разрядов;
осмотреть состояние металлических конструкций, площадки обслуживания выключателя, целостности заземляющего контура;
проверить соответствие давления элегаза в коммутационном аппарате номинальному значению, указанном в паспортных данных (в соответствии с температурой окружающей среды);
произвести осмотр привода выключателя, обратить особое внимание на уплотнения дверок, работоспособность обогрева, состояние проводов вторичной коммутации, отсутствие влаги и коррозии.

При обнаружении неисправностей элегазового выключателя, следует немедленно поставить в известность вышестоящий персонал. В зависимости от рода неисправности принять меры, предупреждающие возникновение аварийной ситуации.

Как отмечалось ранее, элегазовый выключатель рассчитан на определенное количество коммутаций в зависимости от величины отключаемого тока, после чего должно быть произведено техническое обслуживание. Для учета количества коммутаций на обслуживаемых подстанциях ведется журнал учета количества операций с выключателем. В данный журнал фиксируются как автоматические отключения, так и плановые.

Техническое обслуживание элегазового выключателя

Детали элегазового выключателя в процессе эксплуатации подвергаются износу, что, в конечном счете, при значительном износе, может привести к возникновению аварийной ситуации. Для того чтобы продлить срок службы коммутационного аппарата и предотвратить негативные последствия, следует своевременно, в соответствии с установленными графиками, произвести техническое обслуживание.

При составлении графиков проведения технического обслуживания – текущего и капитального ремонтов, руководствуются данными о количестве произведенных коммутационных операций. Установлены определенные сроки, по истечению которых, вне зависимости от того, произведено допустимое количество коммутаций или нет, производится техническое обслуживание. В соответствии с требованиями завода-изготовителя этот срок составляет 25 лет. Помимо этого производится дополнительный контрольный осмотр выключателя по истечению двенадцати лет после ввода его в эксплуатацию или в случае производства 50% допустимых операций включения/отключения.

Читать еще: Печь на отработанном масле: мини печка на отработке с наддувом своими руками, масляная печка, как сделать

Техническое обслуживание предусматривает ревизию деталей выключателя, при необходимости их замену, а также принятие мер по предупреждению дальнейшего окисления и повреждения деталей.

Характеристика

Элегаз (химическая формула — SF6, шестифтористая сера) — бесцветный, нетоксичный, негорючий газ без запаха. Плохо растворим в воде (1 объём SF6 в 200 объёмах воды), этиловом спирте и диэтиловом эфире, хорошо растворим в нитрометане. Молекула имеет октаэдрическую конфигурацию. Чрезвычайно химически инертен. Не взаимодействует с щелочами, кислотами, окислителями, восстановителями. Устойчив к действию расплавленного натрия. Гексафторид серы очень слабо растворяется в воде; растворяется в неполярных органических растворителях.

При атмосферном давлении возгоняется из твердого состояния в газообразное, минуя жидкость. Шестифтористая сера является значительно более эффективным диэлектриком, чем воздух, или сухой азот.

Коронный разряд

Развитие коронного разряда происходит при нормальном атмосферном давлении в резко неоднородных полях у электродов, обладающих большой кривизной поверхности. Это могут быть шпили, мачты, провода, различные элементы электрооборудования, имеющие сложную форму, и даже волосы человека. Такой электрод называется коронирующим. Ионизационные процессы и, соответственно, свечение газа имеют место только вблизи него.

Корона может формироваться как на катоде (отрицательная корона) при бомбардировке его ионами, так и на аноде (положительная) в результате фотоионизации. Отрицательная корона, в которой ионизационный процесс как следствие термоэмиссии направлен от электрода, характеризуется ровным свечением. В положительной короне могут наблюдаться стримеры – светящиеся линии ломаной конфигурации, могущие превратиться в искровые каналы.

Примером коронного разряда в природных условиях являются огни святого Эльма, возникающие на остриях высоких мачт, верхушках деревьев и так далее. Образуются они при большой напряженности электрического поля в атмосфере, часто перед грозой или во время метели. Кроме того, их фиксировали на обшивке самолетов, попавших в облако вулканического пепла.

Коронный разряд на проводах ЛЭП ведет к значительным потерям электроэнергии. При большом напряжении коронный разряд может переходить в дуговой. Борьбу с ним ведут различными способами, например, путем увеличения радиуса кривизны проводников.

Способы получения(производства) элегаза

Основной промышленный способ получения элегаза на территории РФ

Первый способ чаще всего применяется в промышленности при производстве элегаза. Данный метод заключается во взаимодействии расплавленной серы с газообразным фтором, полученным в результате его электролиза. Реакция происходит в крекинг-печи при температурах 139-149 градусов цельсия. Крекинг-печь разделена на камеру загрузки и камеру сгорания. В камеру загрузки поступает сера и плавится с помощью электронагревателей, встроенных в конструкцию камеры.

В камере сгорания находится фтор, поступающий через сопло, охлаждаемое водой. Расплавленная сера поступает через отверстие внизу перегородки между двумя камерами. Само отверстие закрыто расплавом и эта конструкция не дает поступать фтору в камеру загрузки.

К минусам данного метода можно отнести следующее:

— в результате процесса происходит выделение большого количества тепла, которое ведет к коррозии печи фтором на границе раздела двух сред.
— в результате производства элегаза данным методом происходит также выделение фторидов серы SF2, SF4, примесей (из-за наличия воздуха, влаги, угольных анодов). Данные фториды и примеси выделяются в незначительном количестве (0,01 — 0,1%), но могут ухудшить важные характеристики элегаза и сделать его не пригодным для использования.

Способы получения элегаза, не используемые на территории РФ:

— реакция фтора с SF4 в присутствии катализатора
— терморазложение SF5CI при температурах порядка 200-300 градусов цельсия
— способ фторирования соединений серы. Данный способ безотходный и основан на повторном фторировании загрязняющих веществ.

Обдуманный выбор в пользу распределительных устройств без элегаза

В 80-х годах ХХ века компания, носившая тогда название «Holec group», разработала фундаментальное решение, которое позволило отказаться от использования элегаза в качестве коммутационной и изоляционной среды в оборудовании среднего напряжения. В то время компания Holec имела собственное производство элегазовых технологий. Основными причинами отказа от использования элегаза в оборудовании среднего напряжения являлись сложность требуемой обработки и необходимость применения дополнительных мер безопасности при использовании оборудования в общественных зонах (жилых кварталах и торговых центрах).

Также существовала опасность того, что элегаз будет признан опасным для окружающей среды веществом, как это произошло с ПХБ и асбестом. Компания Eaton Cutler-Hammer, которая являлась лидером по продажам оборудования NEMA/ANSI среднего напряжения в Соединенных Штатах Америки, занималась разработкой распределительного устройства без элегаза по тем же причинам.

Выводы и полезное видео по теме

Элегазовые выключатели выходят с заводского конвейера в полной эксплуатационной готовности и предназначены для работы в разнообразных климатических зонах, от тропической до холодной, поэтому активно применяются промышленными компаниями различных стран.

Как устроены элегазовые выключатели, по какому принципу происходит гашение дуги и какие бывают виды устройств, вы можете узнать из полезного и информативного видео.

Видео #1. Обзор элегазовых выключателей с описанием устройства и принципа работы: