Автоматический выключатель из гексафторида серы - Википедия - Sulfur hexafluoride circuit breaker

SF6 автоматический выключатель 115 кВ, 1200 А, установленный на ГЭС

Автоматические выключатели на основе гексафторида серы защищать электрические энергостанции и распределительные системы путем прерывания электрического тока при отключении от защитное реле. Вместо масла, воздуха или вакуума в автоматическом выключателе на основе гексафторида серы используется гексафторид серы (SF6) газа для охлаждения и гашения дуги при размыкании цепи. Преимущества перед другими средами включают низкий уровень шума при работе и отсутствие выбросов горячих газов, а также относительно низкие эксплуатационные расходы. Разработанный в 1950-х годах и позже, SF6 Автоматические выключатели широко используются в электрических сетях при напряжении передачи до 800 кВ, в качестве выключателей генератора, а также в распределительных сетях при напряжении до 35 кВ.

Автоматические выключатели на основе гексафторида серы могут использоваться как автономные устройства на открытых подстанциях с воздушной изоляцией или могут быть включены в распределительное устройство с элегазовой изоляцией что позволяет компактные установки при высоких напряжениях.

Принцип работы

Прерывание тока в высоковольтном автоматический выключатель получается разделением двух контактов в среде, такой как гексафторид серы (SF6), имея отличный диэлектрик и дугогасящие свойства. После разъединения контактов ток проходит через дугу и прерывается, когда дуга охлаждается струей газа достаточной мощности.[1]

SF6 газ электроотрицательный и имеет сильную тенденцию поглощать свободные электроны. Контакты выключателя размыкаются в потоке газообразного гексафторида серы под высоким давлением, и между ними зажигается дуга. Газ захватывает проводящие свободные электроны в дуге с образованием относительно неподвижных отрицательных ионов. Эта потеря проводящих электронов в дуге быстро увеличивает прочность изоляции, чтобы погасить дугу.[2]

Подача газа на дугу должна обеспечивать ее быстрое охлаждение, чтобы температура газа между контактами снизилась с 20000 К до менее 2000 К за несколько сотен микросекунд, чтобы она могла выдерживать переходное восстанавливающееся напряжение который применяется через контакты после прерывания тока. Гексафторид серы обычно используется в высоковольтных выключателях с номинальным напряжением выше 52 кВ.

В 1980-е годы давление, необходимое для зажигания дуги, создавалось в основном за счет нагрева газа с использованием энергии дуги. Теперь можно использовать низкоэнергетические подпружиненные механизмы для привода высоковольтных выключателей до 800 кВ.

Краткая история

Выключатели высоковольтные изменились с тех пор, как они были введены в середине 1950-х годов, и было разработано несколько принципов отключения, которые последовательно способствовали значительному снижению рабочей энергии. Эти выключатели доступны для внутреннего или наружного применения, причем последние представляют собой полюсы выключателя, размещенные в керамических изоляторах, установленных на конструкции. Первые патенты на использование SF6 в качестве прерывающего носителя были поданы в Германии в 1938 году Виталием Гроссе (AEG ) и независимо позже в Соединенных Штатах в июле 1951 г. Х. Дж. Лингалом, Т. Э. Брауном и А. П. Стромом (Westinghouse ).

Первое промышленное применение SF6 для прерывания тока датируется 1953 годом. Разработаны высоковольтные выключатели нагрузки от 15 кВ до 161 кВ с отключающей способностью 600 А. Первый высоковольтный выключатель нагрузки.6 автоматический выключатель, построенный в 1956 г. компанией Westinghouse, мог отключать ток 5 кА при напряжении 115 кВ, но имел шесть последовательно включенных камер на полюс.

В 1957 году для SF была внедрена техника пухового типа.6 автоматические выключатели, в которых относительное движение поршня и цилиндра, связанного с подвижной частью, используется для создания повышения давления, необходимого для зажигания дуги, через сопло, сделанное из изоляционного материала. В этой методике повышение давления достигается в основном за счет сжатия газа.

Первый высоковольтный SF6 Автоматический выключатель с высокой стойкостью к току короткого замыкания был произведен Westinghouse в 1959 году. Этот автоматический выключатель в заземленном резервуаре (называемый мертвым резервуаром) мог отключать 41,8 кА при 138 кВ (10 000 МВ · А) и 37,6 кА при 230 кВ (15000 МВ · А). Эти характеристики уже были значительными, но для взрыва потребовались три камеры на полюс и источник высокого давления (1,35МПа ) было ограничением, которого следовало избегать в последующих разработках.

Превосходные свойства SF6 привело к быстрому распространению этого метода в 1970-х годах и его использованию для разработки автоматических выключателей с высокой отключающей способностью, до 800 кВ.

Работа газового выключателя. Оранжевые и красные области показывают газ под высоким давлением, образующийся при движении компонентов гидромолота.

Достижение около 1983 года первого одиночного прерывателя 245 кВ и соответствующих 420 кВ, 550 кВ и 800 кВ, с соответственно 2, 3 и 4 камерами на полюс, привело к доминированию SF.6 автоматические выключатели в полном диапазоне высоких напряжений.

Некоторые характеристики SF6 автоматические выключатели могут объяснить их успех:

  • Простота камеры прерывания, не требующей дополнительной камеры прерывания
  • Автономность, обеспечиваемая техникой puffer
  • Возможность получения максимальной производительности до 63 кА при меньшем количестве камер прерывания
  • Короткое время перерыва от 2 до 2,5 циклов
  • Высокая электрическая износостойкость, обеспечивающая не менее 25 лет эксплуатации без ремонта
  • Возможные компактные решения при использовании распределительное устройство с газовой изоляцией или гибридное распределительное устройство
  • Встроенные замыкающие резисторы или синхронизированные операции для снижения коммутационных перенапряжений
  • Надежность и доступность
  • Низкий уровень шума

Уменьшение количества камер прерывания на полюс привело к значительному упрощению автоматических выключателей, а также количества необходимых деталей и уплотнений. Как прямое следствие, надежность автоматических выключателей повысилась, что позже было подтверждено Международный совет по большим электрическим системам (СИГРЭ) опросы.

Особенности дизайна

Термоструйные камеры

Новые виды SF6 камеры прерывания, которые реализуют инновационные принципы прерывания, были разработаны за последние 30 лет,[когда? ] с целью снижения рабочей энергии выключателя. Одной из целей этой эволюции было дальнейшее повышение надежности за счет снижения динамических сил в опоре. Разработки с 1980 года видели использование техники прерывания самовзрыва для SF.6 прерывающие камеры.

Этим разработкам способствовал прогресс, достигнутый в цифровом моделировании, которое широко использовалось для оптимизации геометрии камеры прерывания и связи между полюсами и механизмом.

Этот метод оказался очень эффективным и широко применяется для высоковольтных выключателей до 550 кВ. Это позволило разработать новые серии автоматических выключателей с пружинными механизмами с низким энергопотреблением.

Автоматический выключатель

Снижение рабочей энергии было в основном достигнуто за счет снижения энергии, используемой для сжатия газа, и за счет увеличения использования энергии дуги для создания давления, необходимого для гашения дуги и прерывания тока. Прерывание при слабом токе, до 30% номинального тока короткого замыкания, достигается продувкой. Также включает в себя более обширную доступную энергию.

Самовзрывные камеры

Дальнейшее развитие техники термического взрыва было достигнуто за счет введения клапана между объемами расширения и сжатия. При прерывании малых токов клапан открывается под действием избыточного давления, создаваемого в объеме сжатия. Гашение дуги происходит, как в автоматическом выключателе, за счет сжатия газа, получаемого за счет действия поршня. В случае прерывания больших токов энергия дуги создает высокое избыточное давление в объеме расширения, что приводит к закрытию клапана и, таким образом, изолирует объем расширения от объема сжатия. Избыточное давление, необходимое для разрушения, достигается за счет оптимального использования теплового эффекта и эффекта засорения сопла, возникающего всякий раз, когда поперечное сечение дуги значительно снижает выход газа в сопло. Во избежание чрезмерного потребления энергии при сжатии газа на поршне установлен клапан, чтобы ограничить избыточное давление при сжатии до значения, необходимого для прерывания малых токов короткого замыкания.

Камера самовзрывного выключателя (1) замкнута, (2) прерывается слабый ток, (3) прерывается большим током и (4) разомкнута.

Этот метод, известный как «самовзрыв», теперь широко используется с 1980 г. для разработки многих типов камер прерывания. Лучшее понимание прерывания дуги, полученное с помощью цифрового моделирования и проверки посредством испытаний на разрыв, способствует повышению надежности этих автоматических выключателей с самовзрывом. Кроме того, снижение рабочей энергии, достигаемое за счет техники самовзрыва, приводит к увеличению срока службы.

Двойное движение контактов

Существенное снижение рабочей энергии также может быть получено за счет уменьшения кинетической энергии, потребляемой во время операции отключения. Один из способов - сместить два дугогасительных контакта в противоположных направлениях так, чтобы скорость дуги была вдвое меньше, чем при обычной схеме с одним подвижным контактом.

Disjoncteur HT-fig5.svg

Принципы термического и самовзрывного питания позволили использовать пружинные механизмы с низким энергопотреблением для работы высоковольтных выключателей. Они постепенно вытеснили технику пуховки в 1980-х годах; сначала в выключателях 72,5 кВ, а затем от 145 кВ до 800 кВ.

Сравнение техник одиночного и двойного движения

Техника двойного движения уменьшает вдвое скорость срабатывания движущейся части. В принципе, кинетическая энергия может быть разделена на четыре части, если общая движущаяся масса не будет увеличена. Однако, поскольку общая движущаяся масса является увеличено, практическое снижение кинетической энергии приближается к 60%. Полная энергия отключения также включает энергию сжатия, которая почти одинакова для обоих методов. Таким образом, снижение общей энергии отключения ниже, примерно на 30%, хотя точное значение зависит от применения и рабочего механизма. В зависимости от конкретного случая, техника двойного или одиночного движения может быть дешевле. Другие соображения, такие как рационализация ассортимента автоматических выключателей, также могут повлиять на стоимость.

Камера термического взрыва с дуговой системой открытия

В этом принципе прерывания энергия дуги используется, с одной стороны, для создания дутья за счет теплового расширения, а с другой стороны, для ускорения движущейся части автоматического выключателя при прерывании высоких токов. Избыточное давление, создаваемое энергией дуги за зоной прерывания, прикладывается к вспомогательному поршню, связанному с подвижной частью. Возникающая в результате сила ускоряет движущуюся часть, тем самым увеличивая энергию, доступную для отключения. С помощью этого принципа отключения можно во время сильноточных прерываний увеличить примерно на 30% энергию отключения, передаваемую приводным механизмом, и поддерживать скорость размыкания независимо от тока. Очевидно, что он лучше подходит для автоматических выключателей с высокими токами отключения, таких как автоматические выключатели генератора.

Автоматические выключатели для генераторов

Автоматический выключатель генератора 17,5 кВ и 63 кА

Автоматические выключатели генератора (GCB) подключаются между генератором и повышающим трансформатором напряжения. Обычно они используются на выходе из генераторов большой мощности (от 30 МВА до 1800 МВА), чтобы защитить их надежным, быстрым и экономичным способом. Такие автоматические выключатели имеют высокий номинальный ток нагрузки (от 4 кА до 40 кА) и имеют высокую отключающую способность (от 50 кА до 275 кА).

Они относятся к диапазону среднего напряжения, но способность выдерживать переходное восстанавливающееся напряжение, требуемая IEC / IEEE 62771-37-013, такова, что необходимо использовать специально разработанные принципы отключения. Конкретный вариант техники термического взрыва был разработан и применен к генераторным выключателям. Описанная выше техника самовзрыва также широко используется в SF.6 генераторные автоматические выключатели, в которых контактная система приводится в действие пружинным механизмом с низким энергопотреблением. Пример такого устройства показан на рисунке ниже; этот автоматический выключатель рассчитан на 17,5 кВ и 63 кА.

Мощное тестирование

Способность высоковольтных выключателей к отключению при коротком замыкании такова, что ее невозможно продемонстрировать с помощью одного источника, способного генерировать необходимую мощность. Специальная схема используется с генератором, который обеспечивает ток короткого замыкания до прерывания тока, а затем источник напряжения подает восстанавливающееся напряжение на клеммы выключателя. Испытания обычно выполняются однофазными, но могут быть и трехфазными.[3]Также есть небольшой контроль мощности.

Вопросы, связанные с SF6 Автоматические выключатели

Следующие проблемы связаны с SF6 Автоматические выключатели:

Токсичные газы низшего порядка

Когда дуга образуется в SF6 газа образуются небольшие количества газов более низкого порядка. Некоторые из этих побочных продуктов токсичны и могут вызывать раздражение глаз и дыхательной системы. Это вызывает беспокойство, если прерыватели открыты для обслуживания или для утилизации прерывателей.

Вытеснение кислорода

SF6 тяжелее воздуха, поэтому при входе в малые замкнутые пространства необходимо соблюдать осторожность из-за риска вытеснения кислорода.

Парниковый газ
Основная статья: Гексафторид серы § Парниковый газ

SF6 является самым сильным парниковым газом, который межправительственная комиссия по изменению климата оценил. Оно имеет потенциал глобального потепления что в 23900 раз хуже, чем CO2.[4]

Некоторые правительства внедрили системы мониторинга и контроля выбросов SF.6 в атмосферу.[5]

Сравнение с другими видами

Автоматические выключатели обычно классифицируются по их изоляционной среде. Следующие типы автоматических выключателей могут быть альтернативой SF.6 типы.

  • поток воздуха
  • масло
  • вакуум
  • CO2

По сравнению с воздушными выключателями, работа с SF6 работает тише, и при нормальной работе не выделяются горячие газы. Для поддержания давления дутьевого воздуха не требуется установка сжатого воздуха. Выше диэлектрическая прочность газа обеспечивает более компактную конструкцию или большую отключающую способность при том же относительном размере, что и воздушные выключатели. Это также дает желаемый эффект уменьшения размера и веса автоматических выключателей, удешевления фундамента и установки. Рабочие механизмы проще и требуют меньшего обслуживания, как правило, с большим количеством механических операций, разрешенных между проверками или техническим обслуживанием. Однако проверка или замена SF6 газ требует специального оборудования и обучения для предотвращения случайных выбросов. При очень низких температурах наружного воздуха, в отличие от воздуха, SF6 газ может сжижаться, что снижает способность автоматического выключателя отключать токи короткого замыкания.

Маслонаполненные брейкеры содержат некоторое количество минерального масла. Прерыватель с минимальным содержанием масла может содержать порядка сотен литров масла при напряжении трансмиссии; Автоматический выключатель с маслонаполненным маслонаполненным баком может содержать десятки тысяч литров масла. Если он разрядится от автоматического выключателя во время отказа, это может привести к пожару. Масло также токсично для водных систем, поэтому утечки необходимо тщательно локализовать.

Вакуумные выключатели имеют ограниченную доступность и не предназначены для передачи напряжения, в отличие от SF.6 выключатели до 800 кВ.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ "Учебное пособие по высоковольтным автоматическим выключателям переменного тока" (PDF). ewh.ieee.org. Июль 2017 г.. Получено Двадцать первое октября, 2017.
  2. ^ StudyElectrical.Com (июль 2014 г.). «Автоматические выключатели на основе гексафторида серы (SF6) - конструкция, работа и преимущества». StudyElectrical.Com. Usamayou. Получено 7 июля, 2015.
  3. ^ Проверка трехфазного короткого замыкания высоковольтных выключателей, Представлено Д. Дюфурне и Г. Монтилле на заседании комитета IEEE по коммутационным устройствам, май 1999 г. В архиве 23 апреля 2005 г. Wayback Machine
  4. ^ «Гексафторид серы (SF6): глобальное воздействие на окружающую среду и образование токсичных побочных продуктов ». J Air Waste Manag Assoc. 50 (1): 137–41. Январь 2000 г. PMID  10680375.
  5. ^ «Синтетические парниковые газы и схема торговли выбросами, Правительство Новой Зеландии, Министерство окружающей среды, дата обращения = 23 сентября 2011 г.