Когда вам придется обыкновенно у себя дома щелкнуть миниатюрным 10-амперным автоматическим выключателем, попробуйте на мгновение представить себе, как выполняют такую же операцию, возможно, всего в нескольких километрах от вас другие подобные устройства, но которым приходится коммутировать токи величиной до 80 кА ампер. При уровне напряжения 245 кВ эти исключительно сложные устройства (каждое размером с небольшой автомобиль) обычно бывают либо в масляном, либо в бикомпрессионном исполнении. В общем, конструкция этих выключателей весьма сложна и громоздка.
Третий, в целом более простой, более дешевый и более удобный в использовании тип - элегазовый автокомпрессионный баковый выключатель никогда ранее не применялся на таких высоких рабочих напряжениях и токах, предъявляющих к выключателю особенно жесткие требования. Теперь компания ABB вторгается и в эту область. Новая конструкция, рассчитанная на ток термической стойкости 80 кА, сочетает в себе автокомпрессионный прерыватель с одним разрывом и зарекомендовавший себя на практике баковый выключатель типа PM.
Много лет назад фирмы Вестинхауз и ITE создали совместными усилиями элегазовый бикомпрессионный высоковольтный выключатель для электрических цепей с токами до 80 кА. Немало таких устройств находится в эксплуатации и по сей день. Принцип действия этого выключателя основывается на том, что во время размыкания цепи с током в промежуток между дугогасящими контактами нагнетается под высоким давлением (около 1900 кПа) струя шестифтористой серы (элегаза). Элегаз с более низким давлением используется в качестве изолирующей среды для баков, изолирующих стоек и высоковольтных выводов прерывателей. Удачные рабочие характеристики таких выключателей обусловлены тем, что большой объем постоянно присутствующего элегаза под высоким давлением проходит через прерыватель большого диаметра с двумя разрывами цепи.
Такая конструкция имеет определенные преимущества перед автокомпрессионными прерывателями, в которых дополнительное время уходит на сжатие газа при расхождении контактов. Но двухразрывная бикомпрессионная система с ее многочисленными газовыми обвязками, компрессорами, осушителями, подводящими каналами высокого давления и изолированными обогреваемыми камерами высокого давления отличается исключительной сложностью и высокой стоимостью. Поэтому для изготовителей новых устройств коммутации электрических цепей во всем мире фактическим стандартом проектирования постепенно становится автоматический выключатель автокомпрессионного типа.
До настоящего времени элегазовых баковых автокомпрессионных выключателей, рассчитанных на ток 80 000 А, не существовало. По своим рабочим характеристикам в области максимальных коммутируемых токов автоматические выключатели автокомпрессионного типа значительно уступали масляным и элегазовым выключателям. Появление более жестких стандартов ANSI и предъявление более высоких требований к выполнению таких функций, как коммутация цепей с емкостными токами, еще больше сузили рамки применения принципа автокомпрессии.
Под напряжением и без
Отличительной особенностью технологии с заземленной камерой является помещение дугогасительной камеры в заземленный металлический корпус. Благодаря этому элегаз изолирует находящиеся токоведущие части контактной группы от корпуса. Проходные изоляторы наружной установки соединяют дугогасительную камеру с высоковольтными вводами.
Дугогасительная камера колонкового выключателя расположена в изоляторе (из фарфора или композитного материала) и находится под высоким напряжением, уровень которого определяется длиной опорных изоляторов дугогасительной камеры и изолирующей колонной.
Проблемы, до последнего времени препятствовавшие практическому применению автокомпрессионного принципа при токе 80 кА, компании ABB удалось преодолеть с помощью одноразрывного автокомпрессионного прерывателя, помещенного в заземленный бак выключателя. В конструкции нового устройства использовано множество деталей широко используемого серийного выключателя на 63 кА, что позволило существенно снизить объем работ по созданию нового изделия.
В этой области техники компания ABB чувствует себя очень уверенно, поскольку еще в 1992 г. ею был создан 80-кА автокомпрессионный прерыватель для выключателей серии GIS на напряжение 245 кВ и 550 кВ. В основу конструкции был положен прерыватель SP, разработанный компанией ABB и с 1988 г. использовавшийся ею в выключателях типа PA с рабочим напряжением 242 кВ и током термической стойкости 63 кА. Первый 80-кА прерыватель был ограничен напряжением 170 кВ на каждый разрыв цепи, причем для цепи номиналом 245 кВ требовалось два разрыва, а в случае номинала 550 кВ - целых три разрыва. Между тем, в результате продолжения работ над прерывателем типа SP величину восстанавливающегося напряжения удалось довести до 245 кВ на разрыв, что дало возможность применять тот же прерыватель при номиналах напряжения 145 и 245 кВ на разрыв цепи. Такой выключатель может работать как в трехфазном режиме отключения, так и в режиме изолированного отключения фазы с возможностью синхронного режима коммутации.
Такой прорыв в технике высоковольтных выключателей пришелся как нельзя кстати, поскольку в мире сейчас находятся в эксплуатации 200-300 выключателей на 80 кА «старой конструкции» (как масляных, так и бикомпрессионных элегазовых), ресурс которых уже практически исчерпан.
Следует учитывать и то, что повышение требований к энергосетям со стороны новых коммерческих электростанций (которые строятся вне зоны защиты со стороны органов энергонадзора и на новых конкурентных рынках энергетических услуг предоставлены сами себе) обусловило потребность и в повышении характеристик коммутационной аппаратуры. А это, в свою очередь, стимулирует быстрое увеличение спроса на 80-кА прерыватели.
Унификация деталей как средство экономии затрат
Прерыватель SP на ток 80 кА используется в выключателях на номинальные напряжения как 145 и 242 кВ. Наличие у обоих выключателей общей конструктивной базы обеспечивает выигрыш в виде возможности максимального расширения объема выпуска 80-кА устройств.
Рис. 1. Трехфазный выключатель 242 PMG, производства АББ, оснащенный прерывателями на 80 кА.
Имеется также модификация, рассчитанная на большой (5 кА) непрерывный рабочий ток. Нынешний трехфазный выключатель типа 242 PMG, рассчитанный на ток термической стойкости 63 кА (рис. 1), и выключатель типа 242 PMI с изолированным отключением фазы будут оснащаться 80-кА прерывателями, что позволит создавать любую из этих рабочих конфигураций. Несмотря на увеличение номинального тока внешняя конструкция выключателя осталась без изменений. Производство 80-кА выключателей сильно выигрывает от использования элементов, уже применяемых 63-килоампернике, который, несмотря на свою громоздкость, заработал себе хорошую рекомендацию. Конструкции подобных выключателей различаются только прерывателями и конструкцией внутреннего соединения прерывателя с контактом проходного изолятора.
В обоих прерывателях могут использоваться один и тот же рабочий механизм и одно и то же передаточное устройство, поскольку прерыватель на 80 кА не требует существенного увеличения мощности привода. Переход от номинала 63 кА к номиналу 80 кА не требует увеличения размеров цилиндра и поршня, а значит, не возрастает и площадь поверхности, подвергающейся действию высокого давления. К тому же поршень прерывателя SP оснащен предохранительными клапанами, ограничивающими подъем давления в полости прерывателя при возникновении сильноточной дуги. Прерыватели обоих номиналов - на 63 и на 80 кА работают с одинаковыми пределами повышения давления и одинаковым ходом контактов при размыкании. Поэтому работа, требуемая для сжатия элегаза, в обоих прерывателях оказывается одинаковой.
Масса подвижного контакта увеличилась незначительно, дугогасительные контакты удлинились лишь на несколько миллиметров, а скорость размыкания сохранена прежней. Она определяется в основном скоростью, с которой должна возрастать электрическая прочность межконтактного промежутка, чтобы противодействовать нарастанию напряжения после разрыва, восстанавливающегося после прерывания емкостных токов. Следовательно, кинетическая энергия (mv?/2), которую должен развивать приводной механизм, не увеличилась. Общая энергия, которую должен развивать этот механизм, равна сумме энергии сжатия элегаза, кинетической энергии и потерь на трение. Хотя этот параметр теперь чуточку увеличился, он пока еще остается в пределах возможностей нынешнего механического узла, используемого в выключателе типа 242 PM.
Конструкция проходных изоляторов на напряжение 242 кВ также остается той же, что и у 63-кА выключателя, а выполнены они могут быть и из фарфора, и из композитного диэлектрика. Конструкция внутреннего проводника проходного изолятора изменилась, так как теперь изолятор устанавливается в корпус большего размера, а в выключателе с целью повышения номинала тока предусмотрена сдвоенная контактная группа.
Усовершенствование конструкции форсунки
При разработке нового прерывателя на 80 кА требовалось добиться улучшения конструкции в двух направлениях. Первое касалось канала форсунки, профиль которого необходимо было изменить с учетом повышения восстанавливающегося напряжения в переходном режиме (TRV) при номинале 245 кВ. Второе направление относилось к корпусу прерывателя (рис. 2), который должен удерживать и обеспечивать охлаждение образующихся под действием тока отключения при КЗ (80 кА) и нагнетаемых в камеру газов, после чего сбрасывать их в относительно небольшой по объему бак выключателя 242 PM.
Рис. 2 Корпус прерывателя на 80 кА. Показаны потоки нагнетаемого разогретого газа (красный цвет).
1 - Подвижная сторона
2 - Изолирующий цилиндр
3 - Неподвижная сторона
Конструкцию форсунки удалось улучшить путем экспериментальной отработки прерывателя в холодном режиме, которая в сочетании с использованием компьютерных программ позволила смоделировать характеристики переходных процессов восстановления напряжения, сопровождающих коммутацию емкостных токов. Во время размыкания контактов на межконтактный промежуток в точках, расположенных на траектории движения, подаются импульсы высокочастотного напряжения, позволяющие определить динамическую электрическую прочность промежутка. Эта электрическая прочность должна лежать выше кривой изменения напряжения, характерной для коммутации емкостных токов, и притом с запасом, достаточным для обеспечения успешного срабатывания выключателя при испытаниях с коммутацией реальных емкостных токов. Такой метод позволяет определить наличие в газовом потоке пустот, способных привести к образованию зон с низкой электрической прочностью. Пустоты в струе - это участки с малой плотностью газа, появление которых объясняется слишком быстрым прохождением газа через форсунку. В некоторый момент расхождения контактов наличие таких пустот приводит к резкому снижению электрической прочности промежутка.
Экспериментальная отработка прерывателя в холодном режиме, как правило, оказывается очень сложной задачей, поскольку требует многократного повторения операций для снятия «холодных» характеристик при полном рабочем ходе контактов в случае как положительной, так и отрицательной полярности. Но зато она позволяет избежать целого ряда дополнительных испытаний с большими токами и дает полное представление о том, в каком направлении следует совершенствовать геометрию форсунки. Как видно из графиков, приведенных на рис. 3 , кривая электрической прочности межконтактного промежутка располагается выше кривой, представляющей один полупериод косинусоиды, характерной для восстановления напряжения при коммутации емкостных токов. Следует, однако, отметить, что измерение характеристик выключателя в холодном режиме есть не что иное, как моделирование, которое предназначено для отработки конструкции форсунки и ни в коей мере не заменяет испытаний в реальных условиях отключения-включения емкостных токов, равно как и любых других испытаний в условиях больших мощностей.
Рис.3 Зависимость электрической прочности межконтактного промежутка V от величины промежутка T, создаваемого отходом подвижного контакта.
х - Положительные результаты испытаний • - Электрическая прочность прерывателя 1 - Кривая восстановления напряжения при коммутации емкостных токов (случай максимальной амплитуды)
Усовершенствование конструкции корпусов прерывателей
Во время размыкания контактов разогретый газ выбрасывается из форсунки в обоих направлениях. Корпуса, внутри которых расположены подвижный и неподвижный контакты, должны удерживать эти потоки, обеспечивать их перемешивание с холодным элегазом и после восстановления их электрической прочности стравливать их обратно в бак. Повышение энергии и объема выбрасываемых из форсунки газов пропорционально квадрату тока отключения при КЗ, из чего следует, что в прерывателе на 80 кА корпус должен выдерживать воздействие энергии, в 1,6 раза превышающей энергию, развиваемую в прерывателе на 63 кА. В новой конструкции корпуса следует найти оптимальный компромисс между необходимостью увеличения габаритов и ограничениями величины межконтактного промежутка, обусловленными особенностями конструкции бака в существующем выключателе 242 PMG.
Рис. 4. Прерыватели типа SP на ток 80 кА (слева) и 63 кА.
На рис. 4 показаны для сравнения прерыватели на 80 и на 63 кА. Объем корпуса увеличен с учетом повышения номинала тока отключения при КЗ. Улучшена конструкция внутренних перегородок с таким расчетом, чтобы они лучше справлялись с удержанием, перемешиванием и охлаждением потоков разогретого газа. Несмотря на увеличение габаритов, прерыватель по-прежнему умещается в том же баке, имея при этом форму, обеспечивающую оптимальную электрическую прочность зазора между ними, заполненного элегазом. Наконец, подверглась усовершенствованию конструкция съемных соединений с контактами проходных изоляторов, установленных на каждом из корпусов, с тем чтобы они могли функционировать при более высоком токе отключения в случае КЗ (80 кА).
Внешние конденсаторы
Элегазовый выключатель типа 242 PMG, рассчитанный на ток отключения при КЗ 63 кА, требует установки на стороне линии электропередач конденсатора емкостью 10 нФ. Задача конденсатора - уменьшить крутизну кривой нарастания напряжения на контактах в ходе его восстановления после срабатывания выключателя при возникновении короткого замыкания. Связано это с тем, что в месте возникновения короткого замыкания на расстоянии нескольких километров от выключателя возникают отраженные волны напряжения, которые распространяются с большой скоростью, а на рекомбинацию в межконтактном промежутке ионизованного элегаза, обеспечивающую восстановление электрической прочности до уровня, позволяющего избежать пробоя под действием отраженной волны напряжения, требуется несколько микросекунд. В случае выключателя на 80 кА емкость на стороне линии передачи следует увеличить до 30 нФ. Кроме того, необходим дополнительный конденсатор емкостью 15 нФ и на стороне шины, который в соответствии с новым требованием, включенным в последнюю редакцию стандартов, должен парировать начальный фронт восстановления напряжения (ITRV -Initial TRV).
Внешние конденсаторы довольно велики, однако оба блока - и на 15, и на 30 нФ - имеют корпуса из композитных материалов, что позволило максимально уменьшить их габариты и массу. Поэтому их можно устанавливать непосредственно на каждом из высоковольтных вводов (рис. 5), что исключает необходимость в отдельных фундаментах и стойках. Но можно установить конденсаторы и на специальные стойки, что позволит их совместное использование несколькими выключателями. При таком варианте снижается общее число требуемых конденсаторов и в ряде случаев появляется возможность более компактного размещения оборудования на территории подстанции.
Рис.5. Внешний конденсатор смонтирован непосредственно на высоковольтном вводе, благодаря чему отпадает необходимость в отдельном фундаменте и емкостной стойке для конденсатора.
1 - Конденсатор с изолятором из композитного материала
2 - Высоковольтный ввод с изолятором из композитного материала
3 - Корпус трансформатора тока на баке выключателя
Облегчение коммутации выключателей
Теперь, когда принцип автокомпрессии удалось распространить и на выключатели с номиналами 80 кА, 245 кВ, операторы энергоснабжающих предприятий получали адекватную замену устаревших традиционных коммутационных устройств, отличающихся слишком большой сложностью. Появилась также возможность доработки существующих выключателей 242 PMG/I путем оснащения их 80-кА прерывателями, поскольку внешняя конструкция выключателя сохранилась без изменений.
Усовершенствование прерывателей типа SP и выключателя типа PM проведено без ущерба для достоинств уже зарекомендовавшей себя конструкции. Для удовлетворения специфических запросов энергетических предприятий в арсенале коммутационной аппаратуры теперь имеются автоматические выключатели с трехфазным и пофазным управлением, появилась и возможность синхронной коммутации. Но важнее всего то, что столь значительное достижение технического прогресса в области коммутационных устройств должно облегчить жизнь и сократить издержки не только энергетических компаний, но и промышленности в целом.
Билли Фримен, Хельмут Хайермейер