Высоковольтные выключатели

Высоковольтные выключатели (ВВ) — это ключевые коммутационные аппараты в электроэнергетических системах, предназначенные для включения и отключения цепей высокого напряжения (свыше 1000 В) в нормальных, перегрузочных и аварийных режимах, включая отключение токов короткого замыкания (КЗ). Их надежная работа является основой стабильности и безопасности всей энергосистемы.

1. Назначение и основные функции

Основные задачи высоковольтных выключателей:

1. Коммутация нагрузочных токов: Штатное включение и отключение оборудования под нагрузкой.
2. Отключение токов короткого замыкания: Быстрое и безопасное размыкание цепи при возникновении аварийных сверхтоков. Это самая сложная функция.
3. Коммутация токов намагничивания (трансформаторов) и зарядных токов (линий электропередачи).
4. Обеспечение селективности защиты: Локализация поврежденного участка сети, позволяющая сохранить питание на остальных участках.

2. Классификация высоковольтных выключателей

Выключатели классифицируют по нескольким ключевым признакам:

2.1. По роду установки

• Для открытых распределительных устройств (ОРУ): Работают на открытом воздухе, имеют усиленную защиту от атмосферных воздействий (дождь, снег, лед, УФ-излучение).
• Для закрытых распределительных устройств (ЗРУ): Устанавливаются внутри помещений.

2.2. По способу гашения электрической дуги

Это основной классифицирующий признак, определяющий конструкцию и принцип действия выключателя.

• Автогазовые (АГ)
• Вакуумные (ВВ/VB)
• Элегазовые (ЭВ/SF₆)
• Масляные (МВ):
  • Баковые (масляные) с большим объемом масла
  • Маломасляные (горшковые)
• Электромагнитные (ЭМ)
• Воздушные (ВВ/BV) – практически сняты с производства, но еще встречаются в старых установках.

3. Устройство и принцип действия по типам

3.1. Вакуумные выключатели (ВВ/VB)

Принцип действия: Контакты размыкаются в глубоком вакууме (10⁻⁶…10⁻⁸ Па). При расхождении контактов возникает электрическая дуга, которая существует за счет паров металла контактов и мгновенно гаснет при первом же переходе тока через ноль, так как в вакууме нечему ионизироваться.

Конструкция:

1. Вакуумная дугогасительная камера (ВДК): Герметичная керамическая или стеклянная колба, внутри которой находятся подвижный и неподвижный контакты.
2. Сильфон: Гибкий металлический элемент, обеспечивающий движение контакта без нарушения вакуума.
3. Привод: Пружинный, электромагнитный или пневматический.

Преимущества:

• Высокая коммутационная износостойкость (до 100 000 и более операций).
• Малое время отключения (25–40 мс).
• Пожаро- и взрывобезопасность.
• Экологичность.
• Минимальное техническое обслуживание.

Недостатки:

• Риск возникновения перенапряжений при отключении малых индуктивных токов.
• Относительно высокая стоимость ВДК.

Область применения: Напряжение 6–35 кВ. Широко используются в КРУ, в качестве секционных и фидерных выключателей на подстанциях и в распределительных сетях.

3.2. Элегазовые выключатели (ЭВ/SF₆)

Принцип действия: Контакты размыкаются в среде элегаза (шестифтористой серы, SF₆). Элегаз обладает уникальными свойствами: высокая электрическая прочность (в 2–3 раза выше, чем у воздуха) и исключительная дугогасящая способность. При горении дуги элегаз разлагается, активно поглощает электроны и быстро восстанавливает диэлектрическую прочность дугогасительного устройства (ДУ) после перехода тока через ноль.

Конструкция:

1. Герметичный бак (полюс), заполненный элегазом под давлением.
2. Дугогасительное устройство автопневматического или дутья с генерацией давления.
3. Система контактов (основные и дугогасительные).
4. Система контроля давления и плотности элегаза.

Преимущества:

• Высокие номинальные параметры (напряжение до 1150 кВ, токи отключения до 63 кА).
• Высокая надежность и быстродействие.
• Возможность работы при низких температурах.
• Удобство создания многополюсных конструкций.

Недостатки:

• Сложность конструкции.
• Элегаз – парниковый газ (потенциал в 23 900 раз выше, чем у CO₂), что требует строгого контроля утечек и специальных мер по утилизации.
• Высокая стоимость.

Область применения: Все классы напряжения от 6 до 1150 кВ. Основной тип выключателей на высоких и сверхвысоких напряжениях.

3.3. Масляные выключатели (МВ)

Принцип действия: Контакты размыкаются в объеме трансформаторного масла. Высокотемпературная дуга вызывает разложение масла с выделением газов (около 70% водорода). Возникающий газовый пузырь интенсивно охлаждает и деионизирует дуговой столб, способствуя ее гашению.

Конструкция:

• Баковые (МБ): Большой объем масла является и дугогасящей средой, и основной изоляцией. Мощные, но громоздкие и пожароопасные.
• Маломасляные (горшковые, ВММ): Масло используется только для гашения дуги, основная изоляция – фарфоровые или полимерные изоляторы. Более компактны.

Преимущества:

• Простота конструкции.
• Относительно низкая стоимость.

Недостатки:

• Пожаро- и взрывоопасность.
• Необходимость регулярного контроля качества и замены масла.
• Большие эксплуатационные расходы.
• Длительное время отключения.

Область применения: В основном, выводимы из эксплуатации, но еще могут встречаться на старых подстанциях 6–220 кВ.

4. Основные характеристики и параметры

• Номинальное напряжение (Uн): 6, 10, 20, 35, 110, 220, 330, 500, 750, 1150 кВ.
• Номинальный ток (Iн): 630, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3150, 4000 А и более.
• Номинальный ток отключения (Iоткл.ном): Максимальный действующий ток КЗ, который выключатель способен отключить (10, 20, 25, 31.5, 40, 50, 63 кА).
• Номинальный сквозной ток (iдин): Амплитуда ударного тока КЗ, которую выключатель выдерживает без повреждений.
• Собственное время отключения (tс.о.): Время с момента подачи команды на отключение до начала расхождения контактов (0.02–0.06 с).
• Полное время отключения (tп.о.): Собственное время + время гашения дуги.
• Стойкость при сквозных токах (термическая и электродинамическая): Способность выдерживать тепловое и механическое воздействие тока КЗ.
• Стойкость к коммутационным циклам (О-τ-ВО-τ-ВО): (Отключение – пауза – Включение на существующий КЗ – пауза – Включение на существующий КЗ).

5. Приводы высоковольтных выключателей

Привод обеспечивает кинематику перемещения контактов. Основные типы:

• Пружинный: Наиболее распространен. Взвод пружины осуществляется электродвигателем. Срабатывание – за счет энергии взведенной пружины. Надежен, не зависит от внешних источников энергии в момент срабатывания.
• Пневматический: Использует сжатый воздух. Мощный и быстродействующий, но требует сложной компрессорной станции.
• Гидравлический: Аналогичен пневматическому, но использует жидкость. Очень быстрый и мощный.
• Электромагнитный: Прямое действие соленоида. Прост, но требует мощного источника оперативного тока.

6. Эксплуатация и техническое обслуживание

Основные мероприятия:

1. Визуальный осмотр: Состояние изоляторов, следов разрядов, утечек.
2. Контроль давления/плотности элегаза (для ЭВ).
3. Контроль состояния и уровня масла (для МВ).
4. Измерение сопротивления контактной системы.
5. Проверка механических характеристик: Время срабатывания, скорость движения контактов.
6. Испытание повышенным напряжением изоляции.
7. Проверка работоспособности привода и цепей управления.

Заключение

Высоковольтный выключатель – это сложнейший электромеханический комплекс, от надежности которого зависит устойчивость энергосистемы. Эволюция выключателей шла по пути повышения быстродействия, надежности и безопасности. На сегодняшний день:

• На средние напряжения (6–35 кВ) доминируют вакуумные выключатели благодаря своей долговечности и минимальным требованиям к обслуживанию.
• На высокие и сверхвысокие напряжения (110 кВ и выше) безальтернативными являются элегазовые выключатели, обеспечивающие необходимые коммутационные мощности.

Будущее развитие связано с поиском экологичной замены элегазу, дальнейшей цифровизацией (встраивание датчиков, интеграция в системы Smart Grid) и повышением коммутационной стойкости.