Прекъсвачи средно и високо напрежение

В конструктивно отношение прекъсвачите СрН (средно напрежение) и ВН (високо напрежение) претърпяха съществено развитие през последните десетилетия. Навлязоха прекъсвачи, базирани на нови принципи на прекъсване на електрическата верига. Сред най-широко използваните днес конструкции са тези, при които прекъсването на веригата се осъществява чрез отделяне на контактите в среда от серен хексафлуорид - SF6, притежаваща много добри диелектрични и гасящи характеристики. След отделянето на контактите, електрическият ток се провежда през възникналата дъга. От своя страна, дъгата се гаси чрез охлаждането й посредством продухване на газ с достатъчно висок дебит. Интензивността на газовата струя трябва да осигури понижаване на температурата между контактите от стойности, близки до 20 000 К, до по-малко от 2000 К за стотни от секундата. През 80-те и 90-те години на миналия век бяха разработени конструкции, в които необходимото налягане на газовия поток се генерира посредством загряване на газа от енергията, съдържаща се във възникналата при разделянето на контактите дъга. По този начин става възможно използването на нискоенергоемки механизми за привеждане в движение на подвижните контакти, например на обикновени пружинни механизми.

Съществува информация, че първият SF6 прекъсвач е разработен в Германия през далечната 1938 г. Независимо от появата им на европейския пазар преди Втората световна война, през 1951 г. трима американци патентоват първата конструкция на елегазов прекъсвач в САЩ. Счита се, че първите елегазови прекъсвачи за индустриално приложение са се появили през средата на петдесетте години на миналия век.

Прекъсвачи с термонагнетяващи камери. През последното десетилетие в конструкцията на елегазовите прекъсвачи навлезе т.нар. техника за прекъсване с термонагнетяване. Както бе подчертано, при нея дебитът и налягането на газовия поток, необходими за скоростно охлаждане на контактите, се постигат, като се използва енергията, съдържаща се в електрическата дъга. Според мнението на специалисти, тази техника се отличава с много висока ефективност и днес се използва широко при прекъсвачи ВН до 550 kV. Разработването на елегазови прекъсвачи с термонагнетяване стана възможно, благодарение на възможностите, които предлагат съвременните симулационни програми. Чрез използването им бе оптимизирана геометрията на дъгогасителната камера. Съвременните тенденции в техническото усъвършенстване на прекъсвачите са насочени към развоя на изделия, отличаващи се с нискоенергоемка работа. Работи се в посока повишаване на надеждността чрез ограничаване на действащите динамични сили върху полюсите и техните механизми. Големите играчи на пазара на прекъсвачи в световен мащаб инвестират в разработването на техники за все по-ефективно оползотворяване на енергията, съдържаща се в електрическата дъга, с цел постигане на параметри на газовия поток, необходими за бързо и надеждно прекъсване на електрически вериги.

Прекъсвачи със самонагнетяващи камери. В конструктивно отношение следващото поколение елегазови прекъсвачи представлява развитие на техниката за нагнетяване на газовия поток чрез оползотворяване на енергията, съдържаща се в електрическата дъга. При този вид прекъсвачи между двете зони - с високо налягане (компресиран газ) и с ниско наляганe в конструкцията им, е монтиран вентил. Когато се прекъсват ниски токове, вентилът отваря под действието на свръхналягането, генерирано в компресирания обем. Гасенето на възникналата електрическа дъга е резултат от налягането в газовата струя, което се получава при отварянето на вентила. При прекъсване на вериги, в които протичат големи токове, енергията на възникналата електрическа дъга води до образуване на свръхналягане в зоната, в която обикновено налягането на газа е по-ниско. Вследствие на това вентилът затваря, чрез което се изолират двете зони - с високото и ниското налягане на газа. Описаната техника, позната под името самонагнетяваща, се използва успешно за разработване на различни видове искрогасителни камери. Задълбоченият анализ на процеса на прекъсване на електрическите вериги чрез максимално използване на възможностите за симулирането му допринася за повишаване на надеждността им на работа.

Основен недостатък на елегазовите прекъсвачи е, че серният сексафлуорид и производните му са биологически инертни газове, които не се срещат в атмосферата. В процеса на гасене на дъгата серният хексафлуорид образува много агресивни съединения, поради което изпускането му в атмосферата в този момент е недопустимо. За да не се допусне изтичането на газа в атмосферата, елегазовите прекъсвачи разполагат с предпазна мембрана. Предназначението й е, ако налягането на газа достигне много високи стойности, с цел предотвратяване на взривяването на прекъсвача, мембраната да пропусне изтичането на газа в атмосферата. При подобни случаи се препоръчва незабавното извеждане на производните на серния хексафлуорид от зоната. Следователно, за да се осигури оптималната работа на прекъсвача, е необходимо да се поддържат характеристиките на газа в оптималните им граници. Честа практика е в редица приложения да се използват газдетектори за измерване концентрацията на серен хексафлуорид във въздушната среда около прекъсвачите.

Разработването на вакуумната технология за прекъсване на електрически вериги довежда до сериозни размествания на пазара на прекъсвачи в световен мащаб. Пазарното налагане на вакуумните прекъсвачи, от своя страна, се превърна в двигател за отварянето на нова пазарна ниша, включваща рехабилитация и модернизация на остаряла морално и физически апаратура.

Функционирането на вакуумните прекъсвачи се базира на простия факт, че електрическите дъги не могат да съществуват във вакуум, т.е. не съществува електропроводима среда, която да провежда електрическите заряди. Въпреки че свойствата на вакуума са познати не от вчера, практическо приложение на тази технология за прекъсване на електрически вериги, през които протичат големи токове, се използва от седемдесетте години на миналия век. Практическото приложение на технологията става възможно, благодарение на разработването на висококачествена карамика. Първите конструкции вакуумни прекъсвачи, съвсем естествено, не са притежавали изключвателните способности на съвременните модели.

Специфика на вакуумните прекъсвачи е малката площ на контактите им, което позволява минимизиране на общите им габарити. Например, съвременните вакуумни прекъсвачи се отличават с много по-малки размери в сравнение с прекъсвачи средно напрежение, базирани на останалите техники за изключване. Животът на един вакуумен прекъсвач се определя на около 10 000 пълни работни цикъла. Разбира се, добрите работни параметри на този вид прекъсвачи зависят от поддържането на състоянието на вакуум през експлоатационния им срок. Ако вакуумът се наруши, прекъсвачите няма да могат да изключат веригата, дори при протичането на номинални токове през нея. Използват се различни технически способи за проверка на нивото на вакуума, включително рутинни тестове и дори цели мониторингови системи.

Тенденции в развитието на вакуумната технология за прекъсване на електрически вериги са производството на прекъсвачи за все по-високи напрежения, което се дължи на лесното им обслужване и дълъг експлоатационен живот. Съвременните вакуумни прекъсвачи са приложими за вериги под напрежение от порядъка на 38 kV.

Каквито и подобрения да се правят на вакуумната технология за прекъсване на електрически вериги като функционалност, прекъсвачите си остават стандартна комутационна апаратура. В този аспект критериите, на които трябва да отговаря един вакуумен прекъсвач, никак не са сложни. Както е добре известно, основното предназначение на прекъсвачите е да провеждат номиналния ток във включено състояние и да изключват веригата при претоварване или късо съединение. На първо място, когато контактите на прекъсвача са затворени, е необходимо да се гарантира добра проводимост. На второ място, при отварянето на контактите следва да се осигури надеждно прекъсване на веригата. Едва ли е необходимо да се припомни, че въпреки елементарността на основните критерии за изпитване работата на вакуумните прекъсвачи, всички необходими тестове следва да бъдат изпълнени много внимателно. Причината е, че надеждната и безопасна работа на прекъсвачите е от критично важно значение за преносните и разпределителните електрически вериги. За съжаление, съществуват многобройни примери, при които поради несработил успешно прекъсвач се причиняват повреди за стотици хиляди левове.

Въпреки че се използват широко като автоматични прекъсвачи, маслените прекъсвачи намират ограничено приложение в областта на средното и високото напрежение. Разработени са още в началото на миналия век. Въвеждането на минералното масло като среда, в която са потопени контактите на прекъсвача, значително намалява необходимия им за гасене на дъгата работен ход. Като конструкция, не се различават съществено от въздушните прекъсвачи (вж. сп. Инженеринг ревю, брой 1/2006 г.). Предимство на маслените прекъсвачи пред въздушните са значително по-добрите им диелектрични свойства. Други предимства, както бе подчертано, са по-малките габарити на механизма за преместване на контактите и по-добрите охлаждащи характеристики на маслото. При отварянето на контактите им енергията на възникналата електрическа дъга ще се абсорбира и охлади от маслото. Отпадъчните газове, по принцип, се суспендират в маслото и дифузно се разпределят в течение на времето в целия обем на маслото в резервоара.

От ключово значение за успешната работа на маслените прекъсвачи са качеството и работното състояние на контактите, както и най-важното - текущите работни характеристики на маслото. От значение за запазване на оптималната функционалност на прекъсвача е текущата проверка на състоянието на маслото, тъй като прекъсването на големи токове на късо съединение изисква филтрирането му или, в редки случаи, цялостната му замяна. Свидетелства за недобре поддържан маслен прекъсвач са обгорелите му контакти, поради високото контактно съпротивление, както и специфичния черен цвят на маслото, в което е суспендирано значително количество водород.

Базов проблем на маслените прекъсвачи е замърсяването на маслото под действието на възникващите при прекъсването на веригата електрически дъги. Техническа тенденция в развитието им е свързана с разработването на маслени прекъсвачи с минимално маслено съдържание.

Ново поколение въздушни прекъсвачи се използва при много високи напрежения - от порядъка на 380 - 800 kV. Предимствата на тази технология пред предходната са многобройни. На първо място, отсъствието на маслото елиминира необходимостта от периодичното му тестване и обслужване. Друго предимство на въздушната технология е по-ниската пожароопасност в сравнение с маслената. По аналогия с обикновените въздушни прекъсвачи, възникналата през разединяването на контактите електрическа дъга се гаси в искрогасителна камера. Когато контактите се отделят и прекъснат веригата, въздушен поток под високо налягане се подава в камерата с цел охлаждане и гасене на дъгата. Използването на изсушен компресиран въздух за гасене на дъгата осигурява голямо бързодействие, чиста работа и по-дълги периоди между сервизните обслужвания. Предлагат се въздушни прекъсвачи с номинално напрежение до 800 kV.