Экоэффективные выключатели

Экоэффективные выключатели

Опубликовано в номере:
PDF версия
На протяжении последних 100–150 лет отмечается повышение средней температуры климатической системы Земли, или глобальное потепление. Такой процесс может происходить и по естественным причинам, например в циклах изменения солнечной активности и колебаний земной орбиты. Однако сейчас значительный вклад в глобальное потепление вносит деятельность человека, связанная с выбросами таких парниковых газов, как углекислый газ, метан, закись азота и фторуглеводороды. С конца XIX в. средняя температура на Земле увеличилась примерно на 0,9 °С, что привело к ускорению процессов таяния ледников, увеличению частоты экстремальных погодных явлений, «окислению» океана и вымиранию некоторых биологических видов. Таким образом, остро возникает вопрос о борьбе с глобальным изменением климата и его последствиями.

Высоковольтные выключатели, в которых используется элегаз (электротехнический газ, гексафторид серы, SF6) как изоляционная и дугогасительная среда, получили широкое распространение, поскольку имеют высокие показатели коммутационного и механического ресурсов, отключающей способности, компактности и надежности в сравнении с воздушными, масляными или маломасляными выключателями. Важным преимуществом элегаза является устойчивость к внешним воздействиям. Его характеристики не меняются при любых условиях. Если происходит распад во время электрического разряда, то вскоре наступает полноценное восстановление, необходимое для работы аппарата.

Успехи в разработках элегазовых выключателей способствовали повсеместному внедрению в эксплуатацию компактных открытых и закрытых распределительных устройств (ОРУ и ЗРУ), а также полностью элегазовых распределительных устройств (КРУЭ). В элегазовых коммутационных аппаратах, в отличие от воздушных, при гашении дуги истечение газа через сопло происходит не в атмосферу, а в замкнутый объем при относительно небольшом избыточном давлении.

Однако проведение сервисных работ с элегазовыми выключателями требует наличия соответствующих средств индивидуальной защиты персонала от опасных продуктов распада элегаза. Также, поскольку элегаз тяжелее воздуха, при возникновении утечек он может накапливаться в низко расположенных частях помещения (например, под полом или в подвальных помещениях), вытесняя пригодный для дыхания воздух. Наконец, персонал должен избегать контактов элегаза с источниками теплоты (сигареты, работающие двигатели, обогреватели и т. п.), которые приводят к распаду SF6 на токсичные компоненты (фтороводород).

Хотя элегаз нетоксичен и не разрушает озон, он является наиболее сильным парниковым газом (по оценке агентства США по защите окружающей среды). Парниковые газы не разрушают озоновый слой, но они удерживают теплоту Земли, оказывая влияние на глобальное изменение климата. Имея потенциал глобального потепления (ПГП) в 23 900 раз больше, чем у СО2, и сохраняясь в атмосфере в течение 3200 лет, 450 г элегаза оказывают такое же влияние на процессы потепления, что и 11 000 кг CO2. Поэтому элегаз внесен в Киотский протокол как одно из шести наиболее опасных веществ. В соответствии с Киотским протоколом Евросоюзом был принят закон, запрещающий использование элегаза везде, кроме электрических РУ — только потому, что на момент принятия не существовало экономически оправданной замены.

Сегодня в качестве альтернативы элегазовым выключателям начинают активно применяться вакуумные выключатели и выключатели, которые используют газовую смесь на основе углекислого газа (СО2). Данные экоэффективные решения значительно уменьшают ПГП (рис.) по сравнению с элегазом (SF6). ПГП элегаза, равный 23 900 и выраженный в эквиваленте CO2, показывает, во сколько раз большее количество тепла по сравнению с углекислым газом он задерживает в атмосфере за период в 100 лет.

Сравнение ПГП элегаза и смеси на основе СО2

Рисунок. Сравнение ПГП элегаза и смеси на основе СО2

В отличие от элегаза (SF6), применение которого регламентируется нормативными документами, описывающими множество мер предосторожности для минимизации выбросов во время производства, эксплуатации, обслуживания и утилизации оборудования, применение СО2 или вакуума является более перспективным и соответствует изменениям в экологическом регулировании.

К недостаткам вакуумных выключателей в сравнении с выключателями на основе CO2 можно отнести следующие особенности:

  • В вакуумных выключателях применяется одна контактная система вместо двух у выключателей на основе CO2 (главные и дугогасительные контакты). Горение дуги определяется процессами на этих контактах, поэтому их конструкция, форма и состояние непосредственно влияют на работу выключателя. Малейшие задиры, трещины или неровности приведут к электрическому пробою. Если перед отключением короткого замыкания (КЗ) выключатель коммутировал только малые токи, то, вероятно, на поверхности контактов могут быть неровности, которые могут привести к отказу гашения при коммутации тока КЗ. Возникает вопрос усиленного контроля качества изготовления контактов [1].
  • Коммутация малых индуктивных токов также может стать проблемой для вакуумных выключателей, «срезающих» малые токи. Возможно возникновение повторных зажиганий (после «среза» тока). Подключенное оборудование подвергнется воздействию высоко­частотных перенапряжений с нарастающей амплитудой [2].
  • Для вакуумных выключателей представляют проблему коммутационные режимы с высокой амплитудой переходного восстанавливающего напряжения (ПВН), например при коммутации емкостных токов батареи статических конденсаторов (БСК) и ненагруженных воздушных или кабельных линий. После отключения тока в вакуумных выключателях могут возникать повторные пробои в непредсказуемые моменты времени и уровни напряжения. Также после полного расхождения контактов вакуумный выключатель способен отключать ток многократно и с любой скоростью изменения тока di/dt. В случае коммутации емкостных токов это приведет к возникновению перенапряжений, в связи с чем может пострадать электросетевое оборудование [2].
  • Конструктивные ограничения для вакуумных выключателей по номинальному напряжению, обусловленные резко нелинейной зависимостью электрической прочности от межконтактного расстояния. При номинальных напряжениях 220 кВ и выше требуется применение нескольких вакуумных камер на полюс [3].
  • Вакуумная камера герметизируется на заводе и не содержит устройств контроля состояния вакуума. При снижении глубины вакуума выключатель полностью утрачивает свою работоспособность [3].
  • После выработки ресурса по коммутационной стойкости вакуумная камера не подлежит восстановлению.

Таким образом, сравнительный анализ показывает ряд преимуществ выключателей на основе CO2 над выключателями вакуумного типа при их применении в сетях высокого напряжения. Кроме того, особенности технологии на основе CO2 упрощают масштабирование этой технологии для классов напряжения 220 кВ и выше.

Выключатели на основе CO2 сейчас широко востребованы различными заказчиками в Евросоюзе и производятся, например, компанией ABB Power Grids (выключатель типа LTA).

Разработанные на основе хорошо зарекомендовавшей себя технологии выключателей типа LTB, выключатели LTA обладают хорошими эксплуатационными характеристиками с сохранением прежних габаритов. Основные технические характеристики выключателей типа LTA приведены в таблице.

Таблица. Основные технические характеристики выключателей типа LTA

Параметр

Значение параметра

Номинальное напряжение, кВ

35

110

Номинальный ток, А

2750

3150

Номинальный ток отключения, кА

31,5

40

Температурный диапазон, °С

–50…+40

–50…+40

Выключатели типа LTA оснащены новым пружинным приводом типа MSD, сочетающим технические характеристики и надежность приводов производства компании ABB, таких как BLK, BLG и FSA.

Отличительными особенностями привода MSD являются повышенная компактность и надежность, обеспечиваемые конструкцией (соосное размещение торсионных пружин включения и отключения в одном корпусе с минимальным числом компонентов). LTA может быть выполнен как выключатель-разъединитель (DCB), в котором функция разъединителя интегрирована в выключатель, что гарантирует повышение надежности и экономию пространства на ОРУ.

Литература
  1. Van Lanen E. P. A. The current interruption process in vacuum. Analysis of the currents and voltages of current zero measurements / PROEFSCHRIFT // ter verkrijging van de graad van doctor aan de Technische Universiteit Delft, op gezag van de Rector Magnificus prof. dr. ir. J. T. Fokkema, voorzitter van het College voor Promoties, in het openbaar te verdedigen op maandag door Ezra Petrus Antonius VAN LANEN elektrotechnisch ingenieur geboren te Eindhoven. – 28 januari 2008.
  2. Smeets R, etc. Switching in Electrical Transmission and Distribution Systems. John Wiley & Sons, 2014.
  3. The impact of application of vacuum switchgear at transmission voltages. CIGRE. WG A3.27.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.