CC BY
11УДК 621.317 Пириева Н.М., АгазадеН.С.
Пириева Н.М.
доктор философии по технике, доцент,
Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности (г. Баку, Азербайджан)
Агазаде Н.С.
магистрант,
Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности (г. Баку, Азербайджан)
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СОВРЕМЕННЫХ ВАКУУМНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ
Аннотация: статья посвящена теме исследование эксплуатационных характеристик современных вакуумных выключателей. В процессе эксплуатации переключателей высокого напряжения изменяются характеристики и показатели надежности. Проектирование и оптимизация выключателей с более высокими характеристиками являются одной из важных проблем дня. Целью работы является анализ преимуществ и недостатков вакуумных выключателей. Проведен сравнительный анализ вакуумных и элегазовых выключателей высокого напряжения, а также были рассмотрены вопросы анализа и улучшения камер вакуумного дугогасительного устройства.
Ключевые слова: вакуумные выключатели, элегазовых выключателях, автоматического повторного подключения.
Сравнительный анализ вакуумных и элегазовых выключателей. Переключатели высокого напряжения являются единственными коммутационными аппаратами в электрических устройствах и предназначены
для включения и выключения цепи в любых режимах, таких как непрерывная номинальная, перегрузка, короткое замыкание, без нагрузки, асинхронная работа. Самая тяжелая и ответственная операция отключение токов короткого замыкания и присоединение короткого замыкания. Выключатели считаются основным коммутационным аппаратом электроустановок и должны отвечать следующим требованиям:
он должен работать как можно быстрее, то есть время открытия и подключения должно быть небольшим,
он должен иметь функцию автоматического повторного подключения,
Каждая фаза должна управляться отдельно в выключателях, предназначенных для напряжений 110 кВ и выше, операции управления и контроля контактов и механических частей должны быть легкими, взрывоопасными и пожаробезопасными, удобными для транспортировки и обслуживания,
Различия между вакуумными и элегазовыми ключами показывают, что дуговые выключатели элегаз имеют больше деталей, чем те, что находятся в вакуумных выключателях. Здесь более важно количество подвижных деталей коммутационной камеры. Естественно, частота выхода из строя движущихся деталей больше, чем неподвижных деталей. Коммутационная камера элегазовых ключей имеет большое количество сложных деталей. Это сравнению не учитывает приводы коммутационных систем, но, тем не менее, здесь вакуумный ключ превосходит элегазовый ключ из-за низкой энергии. На основании вышеизложенных соображений можно ожидать большей надежности от вакуумных ключей, в отличие от ключей, использующих другие принципы выключения дуги [1].
К наиболее распространенным изоляционным, дугогасительным и охлаждающим средам, используемым в электротехническом оборудовании, можно отнести минеральное масло и воздух. В сравнении с масляными и изоляционными материалами газы обладают определенными преимуществами, из которых наиболее основными являются: очень малая проводимость и
практически отсутствие диэлектрических потерь, зависимость электрической прочности в электрическом поле от частоты, отсутствие газовой изоляции, небольшое загрязнение в результате дуги и короны.
Элегаз, почти полностью отвечает предъявляемым требованиям. В чистом газообразном виде элегаз абсолютно безопасен, не химически активен, поэтому не влияет на материалы, используемые при установке аппарата в обычных условиях эксплуатации, обладает большой теплоотдачей, очень хорошая дугогасительная среда, которая позволяет тушить большие токи при очень большом быстром восстановлении. Электрическая прочность элегаза в однородных полях в 2.32.5 раза больше, чем у твердости воздуха. Элегаз не горит и не поддерживает горение, в результате чего элегазовые аппараты безопасны для огня и взрыва. Финансовая стоимость элегаза зависит от объема его производства. При использовании больших объемов цена за единицу объема элегаза, электрическая прочность которого равна электрической влажности масла, будет незначительно отличаться от цены за единицу объема масла. Но при правильной эксплуатации элегаз не изнашивается и не требует специального обслуживания, как масло.
Токсичность и взрывоопасность. Когда ток отключается в элегазовой камере, электрическая дуга вызывает распад элегаза и образует фториды ББ, 8Б4, фторид металла. Частицы фторидов SF, SF4 и фторидов металлов накапливаются на верхней поверхности контактной системы и в других местах. Сам элегаз не является токсичным газом, но его газовые продукты могут отравить персонал, обслуживающий персонал, либо во время разложения, либо может вызвать сбои в рабочем режиме. В связи с этим элегазовые переключатели не являются экологически чистыми, а их утилизация требует дополнительных материальных затрат. Кроме того, камера с элегазовым дуговым выключателем состоит из синтетического изоляционного материала и резинового диапазона, в отличие от вакуумной камеры. Наличие этих компонентов увеличивает вероятность возникновения взрыва и пожара.
Переключение токов емкости. К этой категории относится отключение батарей конденсаторов, не нагруженных кабелей и воздушных линий, а также подключение и параллельное подключение конденсаторов. Как и вакуумный выключатель, элегаз выполняет выключение, не сгорая снова и снова и не вызывая повышения напряжения [2]. При подключении конденсаторных батарей, а особенно при параллельном подключении возникают токи с частотой и амплитудой тока нагрузки. В элегазовых выключателях с скользящими и розеточными контактами эти переходные токи могут приводить к торможению подвижных деталей контакта. Поэтому следует принимать меры по снижению нагрузки.
Коммутация малых индуктивных токов. Эта категория включает в себя отключение трансформаторов без нагрузки. Поскольку ток в выключателе выключен, здесь могут возникать большие напряжения. Используются вакуумные выключатели, поскольку токи замыкания невелики (ниже 5А). Поэтому при отключении трансформаторов без нагрузки напряжение перегрузки не слишком велико, и для этого не требуется никаких дополнительных средств самовосстановления. На элегазовых выключателях с дополнительным поршенем токи отключения относительно высоки, что приводит к увеличению большого напряжения переключения. Современные вакуумные выключатели среднего напряжения превосходят элегазовые выключатели по следующим параметрам:
Стабильность диэлектрической среды камеры дугового выключателя в течение срока службы выключателей, постоянное, не слишком большое сопротивление переключению контактов, отсутствие продукта гниения при переключении, отсутствие предоставления услуг в течение 20 лет, Высокая надежность, наличие небольшого количества синтетических материалов, отсутствие опасности взрыва при неисправности в вакуумной дуговой камере, возможность использования для любых вопросов переключения. Вакуумные выключатели на один шаг превосходят как элегазовые, так и любые другие переключатели по надежности эксплуатации, коммутационным и механическим ресурсам, эксплуатационным затратам, экологичности, а также относительно
небольшой массе и габаритам. Благодаря этим признакам принцип вакуумного дугового выключателя начинает восприниматься все больше и больше изза экономической доступности. Вакуумный выключатель является самым покупаемым коммутационным устройством в мире [3]. Вакуумная дуговая камера пожаротушения состоит из следующих основных элементов (рис. 1): изоляционный корпус, токопроводящий вал с коммутационными контактами, система отображения металла, фланцы и сильфон. Изоляционный корпус обеспечивает электрическую прочность по всей внутренней поверхности. Система проводника тока с коммутационными контактами обеспечивает длительный ток номинального тока, кратковременный ток короткого замыкания и отключение дуги во время процесса выключения.
Рис. 1. Дуговая камера вакуумного выключателя: 1...8 - фланцы, 2,4 экраны, 3 неподвижный контакт, 5 изолятор керамический, 6 прокладки металлические, 7 контакт подвижный, 9 сильфон.
Система экранов обеспечивает защиту внутренней поверхности корпуса изоляции от попадания на него испаренных частиц контактного материала, выравнивание распределения напряженности поля внутри камеры [4].
Герметичная камера сильфон обеспечивает удобное движение подвижного контакта без нарушения. Электрическая прочность диапазона изоляции в вакууме чрезмерно высока, так как при ионизации импульса от низкой плотности газа увеличивается количество заряженных частиц.
Улучшение вакуумных дуговых выключателей камеры. Высоковольтные ВДК совершенствуются уже много лет. Такие страны, как Россия, Германия, Франция, Англия, США, Китай проводят исследования по созданию вакуумных выключателей с высоким напряжением и большим током отключения.
Фирма Siemens разработала вакуумные генераторные выключатели с номинальным током отключения до 80 кА. Вопрос о прохождении в аппаратах крупных номинальных токов решается параллельным объединением нескольких вакуумных дугогасительных камер на каждом полюсе. Характерность формы дуги в вакууме затрудняет выключение дуги при переходе от нуля к высокому напряжению. Другой проблемой является нелинейная зависимость выходного напряжения от расстояния до полюса. В качестве решения выступает несколько последовательно соединенных контактов (рис.2). Другим аспектом, который следует учитывать, является эрозия и расплавление контактов, чем напряжение будет высоким тогда эрозии и плавления тоже будет высоким. Материал рабочей поверхности контактов вакуумного ключа является важным фактором в этом вопросе. В результате исследований различных видов комбинаций материалов для вакуумных электродов были выделены Cu, CuBi и CuCr, хром из неокисленного медного сплава.
Рис. 2. Две последовательные камеры с дуговым выключателем (слева) и камера с дуговым выключателем с большим расстоянием между полюсами (справа).
Самые важные результаты были получены в Японии. Это было вызвано растущим потреблением энергии в стране, а также аспектами национальной безопасности. В результате недавние исследования: 126кВ на внутреннем рынке Японии, 145кВ напряжения ВДК (рис. 3, длина 700мм, диаметр 200 мм, контакты, осевое магнитное поле) и 168 кВ фарфор двойной ВДК.
Рис. 3. Дуговая камера высокого напряжения с напряжением 145 кВ, длиной 700 мм и диаметром 200 мм.
В 2003 году был создан одноконтактный вакуумный ключ высокого напряжения 126 кВ/40 кА/2 кА (рис. 4). Диаметр резца составлял 100 мм,а расстояние между контактами составляло 60 мм. Диапазон был больше, чем в предыдущих моделях, в то время как на самом деле нужен был только один контакт. Использовались осевые напряжения магнитного поля.
к - * Йг_и
в [Д
Рис. 4. Вакуумный высоковольтный выключатель с одинарным разрывом 126 кВ/40 кА/2 кА.
В настоящее время одним из основных обогревателей в Японии является использование ВДК не только в диапазонах среднего напряжения, но и в распределительных устройствах высокого напряжения подстанций (рис.5).
Рис. 5. Вакуумные дуговые камеры с напряжением 252 кВ, 126 кВ и 12 кВ.
Это обстоятельство вытекает из таких характеристик ВДК, как высокая способность к отключению, долговечность, безопасность и экономичность [56]. В Японии наблюдается тенденция к адаптации высокоскоростного ВДК к
технологии сверхпроводимости. Ведутся активные исследования по проблемам использования сверхпроводящих материалов в конструкции ВДК. Оказалось, что такое новшество подходит для установок в мощных энергетических системах.
С целью определения принципа работы на установках, подключенных параллельно к элементу ограничителя тока с высокотемпературной сверхпроводимостью силовой цепи источника энергии, проводится ряд лабораторных исследований. В результате перегрузки, когда крайний проводящий элемент
выключает ток, ВДК очень легко преодолевает цикл и направляет ток на ограничитель тока, в результате чего материал экструзии не повреждается, а размеры
не уменьшаются. В области разработки и применения вакуумных выключателей 110220кВ Россия находится на одном уровне с японскими коллегами и значительно опережает европейских инженеров и ученых.
Внешний вид вакуумного ключа представлен на рисунке 6.
Рис. 6. Внешний вид одноконтактного ключа типа ВДК110Ш40/3150 UХL1.
Преимущества ключей ВДК110: экологическая безопасность, возможность включения и выключения вручную, высокая коммутация и механический ресурс, устойчивая работа в суровых погодных условиях, возможность работы в широком диапазоне температур (от60 до +5000),
пожарная и взрывобезопасность, минимальный сервис и сборка, малый вес и габариты. Основываясь на 40летнем опыте производства вакуумных выключателей и 3 миллиона рабочих продуктов, Siemens предлагает новый вакуумный выключатель 3AV с отключением одной фазы до 145 кВ. Опытные образцы этих выключателей на напряжение 72,5 кВ т 145 кВ уже установлены в электрических сетях Европы (рис.7).
Рис. 7. Выключателя 3 AV1 FG и вакуумные гасительные камеры
на 72,5 кВ и 145 кВ.
Характерной особенностью этих выключателей является использование азота в качестве изолирующей среды и дугогашение в вакуумных камерах собственного производства [79].
Заключение.
На основе новейших результатов исследований электрической прочности в вакууме, было созданы конструкции высоковольтных электрических выключателей и ВГК (изготовление одноконтактных камер высокого напряжения) и решение задач по многоконтактным камерам и многокамерным переключателям.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. http://www.gigavat.com/viklyuchateli vakuumnie.php. Вакуумные выключатели;
2. Набатов К.А., Афонин В.В. Высоковольтные вакуумные выключатели распределительных устройств. Тамбов. Издательство ВПО ТГТУ. 2010;
3. Вакуумные коммутационные аппараты / Г.Н. Александров, В.В. Борисов, Г.А. Евдокимов и др. СПб., 1995. 62;
4. Румянцев Д.Е. Современное вакуумное коммутационное электротехническое оборудование сетей и подстанций /Д.Е. Румянцев М.: ИПК госслужбы, 2000. 71;
5. N.M.Piriyeva, S.V.Rzayeva, E.M.Mustafazadeh Evaluation of the application of various methods and equipment for protection from emergency voltage in 610 kV electric networks of oil production facilities. Интернаука: электрон. научн. журн.
2022. № 39(262). c.4044;
6. Алексеев С.В., Николаев П.Д. ВВСТ вакуумный выключатель Siemens российского производства. Новости электротехники. №2(32) 2005;
7. N.M.Piriyeva "Design of electric devices with induction levitation elements", International Journal on "Technical and Physical Problems of Engineering" (IJTPE) Published by International Organization of IOTPE, Volume 14, № 1, pp.124129, March.2022;
8. Н.М.Пириева "Определение геометрических параметров ступенчатого индукционного левитатора" Технический журнал «Автоматизация. Современные технологии» № 7, pp 1122 Москва 2022;
9. Safiev E.S, Piriyeva N.M., Bagirov Q.T Analysis of the application of active lightning rods in lightning protection objects. Интернаука: электрон. научн. журн.
2023. № 6(276). Pp 1417
Piriyeva N.M., Aghazade N.S.
Piriyeva N.M.
Azerbaijan State University of Oil and Industry (Baku, Azerbaijan)
Aghazade N.S.
Azerbaijan State University of Oil and Industry (Baku, Azerbaijan)
STUDY OF OPERATING CHARACTERISTICS OF MODERN VACUUM SWITCHES
Abstract: the article is devoted to the topic: Study of the operational characteristics of modern vacuum circuit breakers. During operation of highvoltage switches, the characteristics and reliability indicators change. Designing and optimizing switches with higher performance is one of the important issues of the day. The purpose of the work is to analyze the advantages and disadvantages of vacuum circuit breakers. A comparative analysis of vacuum and electric highvoltage circuit breakers was carried out, and issues of analyzing and improving the chambers of a vacuum arcextinguishing device were also considered.
Keywords: vacuum circuit breakers, SF6 circuit breakers, automatic reconnection.
