В электроустановках применяется несколько типов высоковольтных выключателей – воздушные, масляные, вакуумные и элегазовые.
Выключатели – это важнейший элемент оборудования распределительных устройств подстанций, так как данный коммутационный аппарат осуществляет включение и отключение участков электрической сети под рабочим током нагрузки, а в случае возникновения аварийных режимов – очень большие токи, токи короткого замыкания.
От качества и безотказности их работы зависит надежность электроснабжения потребителей, а также сохранность целостности оборудования в случае возникновения аварийных ситуаций. Следовательно, вопрос выбора высоковольтных выключателей является одним из важнейших. Итак, какому типу выключателей лучше отдать предпочтение? Разберемся в этом более подробно.
Воздушные выключатели, как наименее эффективные, крупные по габаритным размерам и дорогие в обслуживании, в наше время практически не используются, все старые воздушные выключатели постепенно заменяют более эффективными и надежными выключателями. Поэтому выключатели данного типа рассматривать не будем.
Приведем сравнительную характеристику масляных, вакуумных и элегазовых высоковольтных выключателей, рассмотрев их достоинства и недостатки в разных критериях, которые учитывают при выборе выключателей.
Отключающая способность, характерные особенности работы и коммутационный ресурс высоковольтных выключателей
Высоковольтные выключатели всех типов могут быть рассчитаны для работы при разном напряжении и номинальном токе нагрузки. При необходимости можно выбрать любой из типов выключателей, с требуемым номинальным током, током отключения (максимальным значением тока короткого замыкания) и другими характеристиками. Но самыми эффективными, характеризующимися высокой скоростью работы, более высокой отключающей способностью являются элегазовые и вакуумные выключатели.
Очень важным критерием является механическая прочность выключателей. В данном случае, чем проще конструкция, тем выше механическая прочность выключателя. Если рассматривать три типа коммутационных аппаратов, то наиболее простую конструкцию и соответственно более высокую механическую прочность имеет вакуумный выключатель, наименьшую прочность – масляный выключатель.
Что касается механической прочности, коммутационного ресурса и других параметров, то тут все зависит также от качества конструктивных элементов выключателей, а также качества сборки в целом. Поэтому нельзя однозначно сказать, что какой-то выключатель является более надёжным, чем другой.
Очень важным критерием надежности можно считать гарантийный срок обслуживания. Если производитель дает большой гарантийный срок, то это свидетельствует о том, что данная продукция очень надежна. Во всяком случае, возможные нюансы, возникающие при эксплуатации в течение гарантийного срока обслуживания, устраняются представителями завода-изготовителя.
Гарантийный срок обслуживания современных элегазовых и вакуумных выключателей составляет 20-25 лет. То есть это срок, по истечению которого, как правило, должна производиться замена всего оборудования – реконструкция (техническое переоснащение) распределительного устройства.
Электрическая прочность дугогасящей среды – одна из важнейших характеристик выключателей. В данном случае элегаз имеет самую высокую диэлектрическую прочность, особенно на напряжении 110кВ и выше. Дугогасящая среда вакуумных выключателей на напряжение до 110кВ включительно не уступает по электрической прочности элегазовым. Масляные выключатели характеризуются более низкой электрической прочностью дугогасящего промежутка.
Не менее важной характеристикой является коммутационный ресурс выключателя – количество циклов работы выключателя. Количество циклов включений и отключений выключателя зависит от величины коммутируемых токов. В данном случае, чем больше ток, тем быстрее выключатель исчерпывает свой коммутационный ресурс.
Что касается коммутационного ресурса, то выключатель, не зависимо от типа, рассчитан на определенное количество отключений, в зависимости от величины отключаемых токов – номинальных или токах отключения величиной до нескольких десятков кА.
Если это вакуумный выключатель, то после исчерпания коммутационного ресурса он подлежит замене, так как его дугогасящая камера с контактной системой не обслуживаются. Элегазовый выключатель после исчерпания ресурса подлежит капитальному ремонту, в процессе проведения которого оценивается состояние выключателя, устанавливается возможность дальнейшей эксплуатации коммутационного аппарата.
Масляный выключатель имеет значительно меньший межремонтный ресурс. Как правило, после семи автоматических отключений токов короткого замыкания, необходимо выполнять капитальный ремонт коммутационного аппарата. Это обусловлено в первую очередь тем, что дугогасящая среда – трансформаторное масло подлежит замене, так как оно теряет свои изоляционные и дугогасящие свойства.
Что касается веса выключателей, то если рассматривать, к примеру, разные типы выключателей на напряжение 110кВ, то очевидно, что элегазовый и вакуумный даже при более улучшенных эксплуатационных характеристиках, имеют в несколько раз меньший габаритный размер, чем масляные.
Например, масляный выключатель МКП-110 имеет вес почти 17 тонн, в то время как более надежный и имеющий больший коммутационный ресурс, элегазовый выключатель 3AP1DT-126 фирмы Siemens имеет вес всего 3,6 т, при этом габаритные размеры элегазового выключателя в несколько раз меньше масляного.
Обслуживание выключателей
Очень важный вопрос – это эксплуатация высоковольтных выключателей, их обслуживание – проведение периодических капитальных и текущих ремонтов, а также внеплановых (аварийных) ремонтов.
Как и упоминалось выше, элегазовые и вакуумные выключатели являются более надежными, по сравнению с масляными выключателями. Соответственно, периодические ремонты данных коммутационных аппаратов производятся реже.
Вакуумный выключатель не требует обслуживания дугогасительной и контактной части, в целом он имеет более простую конструкцию, по сравнению с другими выключателями, поэтому его обслуживать достаточно легко и для этого не требуется применение специализированного оборудования и инструмента.
Элегазовый выключатель имеет более сложную конструкцию, по сравнению с вакуумным коммутационным аппаратом. Но проведение периодических технических обслуживаний не вызывает трудностей, объем работы не превышает объем работ с вакуумным выключателем. Единственное, что при снижении давлении элегаза, необходимо произвести его докачку.
Ремонт масляного выключателя предполагает значительно больший объем работ. Если дугогасительная и контактная часть вакуумных и элегазовых выключателей до истечения коммутационного ресурса не обслуживается, то в случае с масляным выключателем капитальный ремонт, как и упоминалось выше, необходимо производить каждые семь отключений токов короткого замыкания.
Для сравнения: обслуживание упоминаемого выше масляного выключателя МКП-110 предусматривает замену 8 тонн трансформаторного масла на каждый выключатель, а если таких выключателей пять и более? В то время как для нескольких элегазовых выключателей потребуется только докачка небольшого объема газа.
Пожарная и экологическая безопасность при эксплуатации высоковольтных выключателей
В электроустановках вопросу пожарной безопасности уделяется достаточно много внимания. Цель – обеспечить наивысший уровень пожаробезопасности на объектах, исключив, по возможности, все факторы, снижающие ее уровень.
Что касается высоковольтных выключателей, то масляные являются опасными с точки зрения пожарной безопасности, так как в них содержится некоторое количество трансформаторного масла – легковоспламеняющейся жидкости. В распределительных устройствах с масляными выключателями предъявляются повышенные требования пожарной безопасности.
Элегазовые и вакуумные выключатели абсолютно безопасны, так как конструктивно они не имеют легковоспламеняющихся жидкостей и материалов.
Вопрос влияния оборудования электроустановок на окружающую среду также очень актуален. Для защиты окружающей среды необходимо минимизировать количество вредных веществ, которое попадает в окружающую среду.
В данном случае масляные выключатели оказывают наиболее пагубное влияние на окружающую среду. Трансформаторное масло, содержащееся в баках данных выключателей, нередко попадает в грунт по причине нарушения герметичности баков, а также в случае возникновения аварийной ситуации, сопровождающейся выбросом масла из бака.
Элегазовые выключатели относительно безвредны для окружающей среды, так как в процессе эксплуатации они не выделяют вредных веществ в окружающую среду. Единственное, на что следует обратить внимание – это элегаз (изолирующая и дугогасящая среда выключателя).
Данный газ является опасным для окружающей среды. Но в связи с тем, что технически исправный и периодически обслуживающийся элегазовый выключатель имеет малый процент утечек элегаза, можно считать, что такой выключатель вреда окружающей среде не наносит. Исключение составляют случаи, когда по причине повреждения бака выключателя элегаз полностью выходит из бака в атмосферу.
Вакуумный выключатель с точки зрения экологии, является самым безопасным, так как он не содержит никаких вредных веществ, его рабочая дугогасящая среда – вакуум, то есть отсутствие каких-либо газов или жидкостей.
Подробные характеристики масляных, вакуумных и элегазовых коммутационных аппаратов в таблице: Сравнение высоковольтных выключателей
Подводя итог, можно сделать вывод, что наиболее эффективными, качественными, надежными и предпочтительными с точки зрения пожаробезопасности и экологии являются элегазовые и вакуумные высоковольтные выключатели. Ведущие производители коммутационных аппаратов данного типа с каждым годом все более совершенствуют продукцию, делая ее более надежной и эффективной. Поэтому в наше время масляные выключатели практически не выпускаются, скоро они уйдут в прошлое вместе с воздушными выключателями.
При строительстве новых объектов и техническом переоснащении старых, отдается предпочтение исключительно элегазовым и вакуумным высоковольтным выключателям. Только такие выключатели способны обеспечить высокую надежность электроснабжения потребителей и в полной мере обеспечить свои эксплуатационные характеристики, при этом они полностью соответствуют нормам безопасности обслуживания, пожаробезопасности и экологичности.
Часто задаваемые вопросы по высоковольтным выключателям
В: Почему вакуумные выключатели имеют более высокую механическую прочность, чем элегазовые, несмотря на то, что элегазовые обладают лучшей электрической прочностью?
О: Это связано с конструктивной простотой. Вакуумные выключатели имеют более простую конструкцию с меньшим количеством компонентов, что обеспечивает им лучшую механическую устойчивость к воздействиям. Элегазовые выключатели обладают более сложной конструкцией для поддержания давления газа и контроля его параметров, что немного снижает их механическую прочность, хотя это полностью компенсируется превосходной диэлектрической прочностью элегаза.
В: Может ли вакуумный выключатель работать на напряжениях выше 110 кВ?
О: Теоретически возможно, но на практике вакуумные выключатели оптимальны до 110 кВ включительно. На напряжениях 110 кВ и выше (220 кВ, 330 кВ, 500 кВ и т.д.) применяются элегазовые выключатели, так как элегаз обладает значительно более высокой диэлектрической прочностью, что необходимо для надежной работы при высоких напряжениях и больших коммутируемых токах.
В: Почему масляный выключатель требует замены 8 тонн масла каждые 7 коротких замыканий, а не всегда весь объем?
О: Это обусловлено тем, что трансформаторное масло теряет свои диэлектрические и дугогасящие свойства под воздействием электрической дуги и высоких температур при отключении коротких замыканий. После каждого срабатывания масло частично загрязняется и окисляется, снижая его изолирующую способность. После семи циклов отключения токов короткого замыкания масло теряет способность надежно гасить дугу, поэтому требуется полная замена всего объема, а не постепенное долив.
В: Может ли отремонтированный вакуумный выключатель продолжить работу после исчерпания коммутационного ресурса?
О: Нет, вакуумный выключатель после исчерпания коммутационного ресурса подлежит полной замене. Это связано с тем, что дугогасительная камера вакуумного выключателя представляет собой герметичный блок, компоненты которого (контакты, вакуумная полость) не подлежат обслуживанию или ремонту. В отличие от элегазовых выключателей, которые можно подвергнуть капитальному ремонту с оценкой состояния и восстановлением эксплуатационных характеристик.
В: Почему элегазовый выключатель 3AP1DT-126 весит 3,6 тонны, а масляный МКП-110 весит 17 тонн, если оба работают при одинаковом напряжении 110 кВ?
О: Причина в том, что масляный выключатель требует массивного стального бака большого объема (примерно 8 тонн масла) для размещения дугогасящей среды и обеспечения охлаждения. Элегазовый выключатель использует более компактные газонепроницаемые баки из более легких материалов, так как элегаз обладает лучшей теплопроводностью и диэлектрической прочностью, позволяя уменьшить габариты и вес оборудования при сохранении эксплуатационных характеристик.
В: Есть ли способ восстановить дугогасящие свойства масла в масляном выключателе без его полной замены?
О: Нет. Хотя в некоторых случаях возможна регенерация масла через специальные установки, которая может восстановить часть его свойств, для высоковольтных выключателей при коммутации больших токов короткого замыкания требуется полная замена масла. Это обусловлено тем, что частичная регенерация не гарантирует восстановление всех необходимых диэлектрических и дугогасящих характеристик, что может привести к отказам в аварийных ситуациях.
В: Почему вакуумный выключатель на практике не требует обслуживания дугогасительной части, в отличие от элегазового?
О: Потому что вакуумный выключатель имеет герметичную дугогасительную камеру, где нет газа или жидкости, требующих контроля и замены. Контакты внутри вакуумной полости практически не изнашиваются и не загрязняются, так как в вакууме отсутствуют химические реакции и окисление. Элегазовый выключатель требует периодической докачки элегаза и контроля его давления, так как газ может постепенно выходить через микротрещины в баке или уплотнениях.
В: Чем объясняется выбор элегазовых выключателей для новых подстанций, если вакуумные дешевле и проще в обслуживании?
О: На высоких напряжениях (110 кВ и выше) вакуумные выключатели не могут обеспечить надежную работу из-за недостаточной диэлектрической прочности вакуума. Элегаз имеет диэлектрическую прочность в 2-3 раза выше, что необходимо для безопасного отключения больших токов короткого замыкания при высоких напряжениях. Кроме того, на современные энергосистемы действуют экологические нормативы, и хотя элегаз является парниковым газом, при правильной эксплуатации и обслуживании его выбросы минимальны, а надежность оборудования критична для безопасности электроснабжения.
В: Возможно ли использование масляных выключателей на новых подстанциях?
О: Это практически не делается. В настоящее время при строительстве новых объектов электроэнергетики применяются исключительно элегазовые и вакуумные высоковольтные выключатели. Все старые масляные выключатели постепенно заменяются в процессе реконструкции подстанций. Это обусловлено нормативными требованиями безопасности, пожаробезопасности и экологичности, а также экономическими соображениями (высокие расходы на обслуживание масляных выключателей).
В: Что произойдет, если герметичность бака элегазового выключателя нарушится?
О: При нарушении герметичности элегаз постепенно будет выходить из бака в атмосферу. На начальном этапе это приведет к снижению давления газа и срабатыванию сигнализации контроля давления. Если давление продолжит падать ниже допустимых пределов, выключатель потеряет диэлектрическую прочность и не сможет надежно отключать токи короткого замыкания. В таком случае выключатель должен быть выведен из работы и отремонтирован. Полный выброс элегаза в атмосферу из поврежденного бака наносит вред окружающей среде, поэтому это рассматривается как чрезвычайное происшествие.
Повный Андрей Владимирович, преподаватель Филиала УО Белорусский государственный технологический университет "Гомельский государственный политехнический колледж"