Работа высоковольтных электрических систем отличается своими токовыми характеристиками от функционирования обыденных бытовых устройств. В связи с этим, для отключения оборудования и тушения электрической дуги в экстренных ситуациях нужны мощные средства, превышающие по своим параметрам обычные автоматические выключатели.
Для защиты применяют элегазовые выключатели (ЭВ), которые можно управлять как вручную, так и автоматически. Мы подробно рассмотрели их конструктивные особенности и принцип работы, а также предоставили советы по монтажу, подключению и техническому обслуживанию.
Элегазовые выключатели обладают рядом преимуществ, таких как высокая эффективность в гашении дуги, компактность конструкции и низкий уровень шума в процессе работы. Эти устройства обеспечивают надежную защиту электрических систем от коротких замыканий и перегрузок.
При выборе элегазового выключателя важно учитывать его параметры, такие как номинальное напряжение, ток, частота и климатические условия эксплуатации. Кроме того, стоит обратить внимание на производителя и наличие сертификатов качества.
Монтаж элегазового выключателя требует соблюдения правил техники безопасности и рекомендаций производителя. Важно обеспечить правильное заземление устройства и правильно выполнить электроподключение, чтобы избежать возможных аварийных ситуаций.
Техническое обслуживание элегазовых выключателей включает регулярную диагностику состояния газа, проверку герметичности конструкции и контроль за уровнями давления. Обслуживание должно проводиться квалифицированным персоналом, чтобы гарантировать долговечность и безопасность работы устройства.
Краткое содержание статьи
Определение и применение элегаза
Элегаз представляет собой шестифтористую серу, относящуюся к категории электротехнических газов. Его превосходные изоляционные свойства обеспечили широкое применение в производстве устройств электротехнического назначения.
В своем естественном состоянии элегаз является бесцветным и без запаха негорючим газом. В отличие от воздуха, его плотность высока (6,7), а молекулярная масса превышает воздушную в 5 раз.
Одним из основных достоинств элегаза является его высокая устойчивость к внешним воздействиям. Он сохраняет свои характеристики при любых условиях. В случае распада, возникающего во время электрического разряда, происходит быстрое восстановление, необходимое для нормальной работы.
Суть заключается в том, что молекулы элегаза захватывают электроны и создают отрицательные ионы. Скорость электротехнического эффекта 6-фтористой серы наделяет её высокими показателями электрической прочности.
На практике электрическая прочность воздуха оказывается на 2-3 раза ниже, чем у элегаза. Кроме того, элегаз считается противопожарным, поскольку является негорючим веществом и обладает охлаждающими свойствами.
Когда возникла необходимость найти газ для сглаживания электрической дуги, начали исследовать свойства шестифтористого серы (SF6), четыреххлористого углерода и фреона. В результате испытаний была выбрана SF6.
Эти качества делают элегаз идеальным для использования в электротехнической сфере, в частности, в следующих устройствах:
- силовые трансформаторы, функционирующие на принципе магнитной индукции;
- комплектные распределительные устройства;
- линии высокого напряжения, соединяющие удаленные объекты;
- высоковольтные выключатели.
Тем не менее некоторые свойства элегаза потребовали изменения конструкции выключателей. Главный недостаток заключается в переходе газообразной фазы в жидкую, что происходит при определенных соотношениях давления и температуры.
Для стабильной работы оборудования важно создать оптимальные условия. Например, для функционирования элегазовых устройств при температуре -40° необходимо, чтобы давление не превышало 0,4 МПа, а плотность была менее 0,03 г/см³. На практике газ подогревают, чтобы избежать перехода в жидкую фазу.
Элегаз также обладает низкой теплоемкостью и отличной химической стабильностью, что делает его превосходным изолятором в условиях высокой нагрузки. Его воздействие на окружающую среду вызывает некоторую озабоченность, так как это парниковый газ, имеющий потенциал глобального потепления, который в 22 тысячи раз выше, чем у CO2. Однако при соответствующих мерах по утилизации и контролю, он может использоваться безопасно и эффективно.
Среди перспективных направлений применения элегаза стоит отметить использование в гибридных энергетических системах, таких как мобилизация солнечной и ветряной энергии, где требования к надежности и эффективности изоляции особенно высоки. Также ведутся исследования по его использованию в высоковольтных системах распределения, что может значительно повысить надежность сетей и снизить их эксплуатационные расходы.
Конструкция элегазового выключателя
Сравнивая элегазовые конструкции с другими аналогами, можно заметить, что они по своему устройству приблизительны к масляным выключателям. Однако отличие заключается в наполнении камер, предназначенных для гашения дуги.
Масляные выключатели используют масляную смесь в качестве наполнителя, тогда как элегазовые работают на основе 6-фтористого серы. Преимущество элегаза в его долговечности и минимальных требованиях к техническому обслуживанию. Элегазовые выключатели имеют значительно меньшие размеры, чем их масляные counterparts, что дает им возможность использоваться в ограниченных пространствах.
Схема элегазового устройства колонкового типа. Модули для гашения дуги, установленные на высокой стойке, располагаются сверху, а шкаф управления находиться внизу. Такой дизайн обеспечивает легкий доступ к элементам управления и безопасности устройства.
Методы гашения электрической дуги зависят от множества факторов, среди которых наиболее важными являются номинальный ток и напряжение, а также условия эксплуатации устройства. Например, в условиях повышенной влажности особую роль играют меры защиты и выбор правильного материала для внутреннего устройства.
Выделяют четыре различных типа ЭВ:
- с электромагнитным дутем;
- с дутем в элегазе – с одной ступенью давления;
- с продольным дутем – с двумя ступенями давления;
- с автогенерирующим дутем.
В случае воздушных устройств газ при гашении дуги попадает в атмосферу, тогда как в элегазовых он остается в замкнутом пространстве, заполненном газовой смесью, сохраняя небольшое избыточное давление. Это позволяет избежать загрязнения окружающей среды и уменьшить риски, связанные с выбросами.
Колонковые и баковые устройства
В реальной практике используют два типа элегазовых установок:
Отличия касаются как конструктивных особенностей, так и методов гашения дуги. Внешне колонковые устройства похожи на маломасляные варианты: они состоят из двух основных частей – дугогасительной и контактной, и имеют схожие размеры.
Выключающие устройства рассчитаны на работу от сети 220 В и считаются однофазными. Примером колонкового элегазового выключателя может служить LF 10 от Schneider Electric. Эти устройства часто используются на подстанциях и в распределительных сетях.
Управление оборудованием возможно как вручную, так и дистанционно, в автоматическом режиме. Дистанционное управление обеспечивает возможность мониторинга и диагностики состояния устройства в реальном времени.
Баковые элегазовые устройства имеют меньшие размеры и оборудованы приводом с несколькими фазами, что позволяет лучше контролировать и плавно регулировать напряжение. их конструкции могут быть настроены на автоматическое переключение в случае предела перегрузки.
Одной из особенностей баковых ЭВ является способность выдерживать повышенные нагрузки, что обеспечивается встроенным трансформатором тока. Это делает их идеальными для работы в крупных промышленных и энергетических системах.
Образцом бакового устройства служит элегазовая установка DT2-550 F3 от Alstom Grid, которые хорошо зарекомендовали себя в электрических системах с напряжением 500 кВ. Эти устройства также могут быть использованы в мощных ветровых электростанциях.
Конструкция этих устройств позволяет надежно функционировать в условиях низких температур, высокой влажности, а также в регионах, подверженных сейсмической активности и сильному загрязнению воздуха. Соответственно, оборудование должно соответствовать международным стандартам надежности и безопасности.
Принцип гашения дуги
Рассмотрим, как функционирует устройство на примере выключателя LW36, произведенного китайской компанией CHINT. Такие устройства активно используются в стране из-за их высокой эффективности и доступной стоимости.
При отключении пружина воздействует на подвижные элементы цилиндра, заставляя их опускаться вниз. В результате размыкаются все контакты, кроме дугогасительных. Когда отключаются и дугогасительные контакты, где протекает ток, образуется электрическая дуга.
Горячий газ перемещается в тепловую камеру, и срабатывает обратный клапан. Когда газ из тепловой камеры выталкивается в промежуток, происходит гашение дуги. Это позволяет минимизировать время выведения оборудования из строя, а также сокращает финансовые потери.
При отключении небольших токов давление в тепловой камере может оказаться недостаточным, и используется давление из компрессионной камеры (которое всегда выше). Открывается обратный клапан, и газ беспрепятственно поступает в промежуток, что позволяет гасить дугу при переходе через ноль. Это улучшает устойчивость системы к коротким замыканиям и промышленным авариям.
Схема внутри устройства показывает расположение подвижных и неподвижных клапанов, а также декомпрессионных и обратных клапанов. Состояние 1 – включение; состояние 2 – отключение больших токов; состояние 3 – отключение малых токов; состояние 4 – отключение устройства. Выбор состояния позволяет оптимизировать работу устройства, основываясь на реальных условиях эксплуатации.
Современные колонковые установки обладают улучшенными характеристиками. Техническое обслуживание сведено к минимуму, а ресурс коммутации увеличен. Элегазовые выключатели выделяются низким уровнем шума, надежной механикой и простотой монтажных и испытательных работ.
Регулировка баковых моделей осуществляется с помощью приводов и трансформаторов. Пружинный или пружинно-гидравлический привод контролирует процессы включения/отключения и уровень удержания дуги. Эта гибкость управления является ключевым преимуществом в сложных и меняющихся условиях эксплуатации.
Для чего нужен привод?
Привод отвечает за все процессы, связанные с включением, отключением или удержанием устройства в заданном положении. На схеме обозначено, где может размещаться привод, обычно это земля или невысокая опора, обеспечивающая легкий доступ обслуживающему персоналу к регулировочным устройствам.
Конструкция бакового выключателя включает: 1 – фарфоровые или полимерные модули; 2 – трансформаторы; 3 – бак с газогасительным устройством; 4 – камера с газом; 5 – гидравлический привод; 6 – металлическая рама; 7 – разъем для ввода элегаза. Простота в обслуживании этих компонентов критична для повышения надежности работы.
Привод состоит из механизма включения, фиксирующего устройства – защелки, и расцепляющего механизма. Включение должно происходить быстро, чтобы предотвратить приваривание контактов. Это критически важно при высоких токах, чтобы избежать возможных повреждений оборудования.
Для включения требуется преодолеть усилие трения всех задействованных компонентов. Отключение выполняется проще и заключается в обратном движении защелки, которая отвечает за включение и его удержание. Такой механизм обеспечивает долговечность работы устройства.
Существует несколько способов включения и отключения:
- механический;
- пружинный;
- грузовой;
- пневматический;
- электромагнитный.
Ручное управление используется для маломощных систем, что позволяет одному оператору выполнять все операции. Отключение ручных механизмов обычно выполняется автоматически. Пружинный привод также может приводиться в действие вручную, но иногда подключают маломощные электрические двигатели. Алгоритмы автоматизации делают предприятия эффективнее.
Обычно привод располагается рядом с металлической рамой для монтажа. Надежный металлический кожух – ящик с удобной дверцей гарантирует безопасность и простоту доступа для оператора.
При использовании электромагнитного привода потребление энергии выше, что требует постоянного источника тока около 58 А с напряжением 220 В. В качестве резервного отключающего элемента используется ручной рычаг. Электромагнитные устройства обладают надежностью, что позволяет им успешно работать в условиях суровых зим. Недостатком является необходимость в мощном аккумуляторе, который должен быть регулярно проверен.
В пневматическом приводе вместо электромагнита используется цилиндр/поршень, а благодаря сжатому воздуху скорость включения значительно выше по сравнению с предыдущими моделями. Это делает пневматические приводы более эффективными и адаптивными к изменяющимся условиям эксплуатации. Модернизация приводов дает возможность улучшить общую производительность системы.
Преимущества и недостатки использования ЭВ
Элегазовые выключатели, как и другие электрические распределительные устройства, имеют свои плюсы и минусы. При выборе установки необходимо учитывать данные расчеты и анализировать как технические параметры, так и конструктивные особенности, принимая во внимание все преимущества и недостатки различных моделей.
Галерея изображений
Элегазовые выключатели отличаются универсальностью и могут применяться независимо от напряжения сети.
Для того чтобы прекратить электрическую дугу в случае возникновения аварии, элегазовым устройствам требуется всего несколько мгновений.
Все компоненты данного оборудования способны функционировать без обслуживания в течение многих лет, при этом элегаз не нужно периодически менять.
Элегазовые устройства для гашения дуг эффективно выполняют отключение систем с высоким напряжением. Напротив, вакуумные устройства не справляются с такими уровнями напряжения.
Среди преимуществ можно отметить низкий уровень шумов во время работы, что делает их идеальными для установки в жилых зонах. Кроме того, элегазовые выключатели имеют компактные размеры, что позволяет экономить пространство в распределительных коробках.
Однако следует учитывать и недостатки. Одним из основных является высокая стоимость оборудования и его установки по сравнению с традиционными системами. Кроме того, при утечке элегаза в окружающую среду существует риск воздействия на климат, т.к. это парниковый газ.
Другой потенциальной проблемой является необходимость высококвалифицированного обслуживания, особенно на этапе установки. Также при повреждении оборудования требуется специализированное обучение для его ремонта и обслуживания.
