Высоковольтные выключатели: безопасность и бесперебойность работы энергосистем

Оперативное управление цепями, электрическим оборудованием  энергетических систем производится с помощью высоковольтных выключателей, которые предназначены выполнять свои функции, как в штатном режиме, так и в случае аварии, внештатной   ситуации.

Они действуют в трёх вариантах регулирования работы:

• ручная регулировка;
• дистанционное управление;
• автоматическое отключение.

Все выключатели, работающие при высоком напряжении, имеют одинаковую принципиальную конструкцию:

• внешняя коробка — корпус;
• контактная система с устройством для дугогашения;
• токоведущие части;
• изоляционная конструкция;
• приводной механизм.

В контактной системе дуги могут гаситься различными способами. Для этого применяют сжатый воздух или элегаз, масло, вакуум, газы, электромагниты.

Главные характеристики

Сферу применения того или иного высоковольтного выключателя определяют по основным характеристикам:

• номинальному току, значение которого колеблется от 50А до 20 кА;
• номинальному напряжению с показателями 3-750 кВ;
• мощности отключения – от 50 МВт до 40000 МВт.

Эти характеристики определяют сферу применения устройства:

• напряжение 6 кВ и более кВ – сетевые для коммутирования тока в неодинаковых условиях;
• напряжение в диапазоне от 6 до 20 кВ – генераторные. Они подходят для использования в сетях с высоким номинальным током;
• напряжение в интервале от 6 до 220 кВ – электротермические для промышленного использования;
• напряжение от 3 до 10 кВ в сетях с изолированной централью – нагрузки. С их помощью нельзя разорвать сверхтоки;
• для воздушных ЛЭП – реклоузеры;
• специальные.

Для небольших значений номинальных токов с диапазоном от 300 до 600 А, мощности отключения в промежутке от 100 до 300 МВт используют фидерные выключатели. Они имеют более распространённое название – распределительные.

Кроме основных характеристик, применяют ещё второстепенные:

• ток включения и выключения;
• номинальный ток отключения;
• предельный ток отключения;
• номинальная мощность отключения;
• ток динамической устойчивости;
• ток термической устойчивости;
• временные промежутки соответствующие времени включения, отключения.

Так же функциональность прибора зависит от соответствия таким требованиям:

• надёжность, выражающаяся в бесперебойной работе в течении срока службы, определённого производителем. От этого показателя зависит надёжность работы всей энергетической системы;
• быстродействие, которого определяется по промежутку времени, проходящему между командой отключения и гашением дуги на всех полюсах. Это значение колеблется от одного (предлагают зарубежные производители) до 6 периодов; При уменьшении времени отключения, уменьшается вероятность повреждения изоляторов, проводов, уменьшаются механические напряжения в отдельных частях оборудования, увеличивается пропускная способность линий электропередач.
• небольшие геометрические размеры, малый вес;
• простота установи и демонтажа;
• низкий уровень, издаваемого шума;
• безопасность использования.

Подходы к разбиению на классы и виды

Специалисты классифицируют высоковольтные выключатели на соответствие нескольким параметрам:

1. способу гашения дуги: в элегазе, в вакууме, с помощью масла, воздушной струи. Различают та же автогазовые, электромагнитные, автопневматические;
2. назначению: сетевые, генераторные, электротермические, реклоузеры, специальные, нагрузки, распределительные, подстанционные;
3. виду установки: на опорах, подвесах, с креплением на стену, выкатные, встраиваемые;
4. категориям размещения: в помещении и снаружи, с учётом различных вариантов обогрева и систем вентилирования;
5. климатическому исполнению: для учёта географии размещения изготовляют в десяти вариантах.

Характеристики вариантов гашения дуги

Классификация высоковольтных выключателей по условиям, создаваемых для  гашения дуги, считается основной.

1. С помощью сжатого воздуха. В таких выключателях дуга охлаждается потоком сжатого воздуха, который вытекает в атмосферу, при этом сопротивление увеличивается. Давление воздушной струи колеблется в диапазоне от 2 до 4 МПа.
2. С помощью элегаза. Элегаз – гексафторид серы. Это инертный газ с большой плотностью. Он играет роль изолятора и гасящей среды, так как его молекулы могу связывать электроны дугового столба в статические отрицательные ионы.
3. С помощью масляной среды. Масляная среда – это трансформаторное масло в объёме, который содержит главные контакты. Процесс происходит при высокой температуре, позволяющей маслу быстро испаряться. Испарение сопровождается разложением паров. Продукты разложения: водород, этилен, метан. Пары и газы создают газовый пузырь высокого давления, в нём дуга гаснет за счёт охлаждения и развода кон тактов.
4. С помощью вакуума. Основывается на увеличении длины свободного пробега заряженных частиц (электронов, атомов, ионов) в безвоздушном пространстве. Частицы чаще ударяются о стенки камеры и повышают сопротивление промежутка, что приводит к гашению дуги.

Проверка безопасности и эффективности выключателя

Регулирующее оборудование выдерживает большую нагрузку различных штатных и аварийных ситуаций. В процессе эксплуатации могут изменяться значения тех или иных характеристик, что может сделать опасным используемого высоковольтного выключателя.  К тому оборудование может морально устареть.

Для анализа состояния регулирующих устройств используют графический метод диагностики высоковольтных переключателей. С помощью специальных приборов получают графики, характеризующие состояние не только всего устройства в ц6лом, но и его отдельных узлов. Полученные графики сравниваются с аналогичными, но только снятыми с абсолютно исправного выключателя.