Вакуумные дугогасительные камерыИстория развития ВДК на высокие классы напряжения насчитывает в мире уже немало лет. Такие страны, как Россия, Германия, Франция, Великобритания, США, Китай, активно проводят исследования по созданию вакуумных выключателей на высокие напряжения и большие отключаемые токи. Фирмой «Сименс» разработаны вакуумные генераторные выключатели с номинальными токами отключения до 80 кА. Задача пропускания больших номинальных токов в этих аппаратах решается путем параллельного соединения нескольких вакуумных дугогасительных камер в каждом полюсе. Наиболее существенные результаты были получены в Японии, что связано с растущим потреблением энергии в этой стране, а также с аспектами национальной безопасности. В итоге последние достижения: на внутреннем рынке Японии появились ВДК на напряжение 126 кВ, 145 кВ (рис. 1, длина 700 мм, диаметр 200 мм, контакты Cu-Cr, с аксиальным магнитным полем) и даже фарфоровая сдвоенная ВДК на напряжение 168 кВ. В энергосистемах Японии на протяжении нескольких лет успешно эксплуатируются двух- и одноразрывные вакуумные выключатели на базе ВДК на напряжение 126—168 кВ, на номинальные токи до 2000 А и номинальный ток отключения до 40 кА. На рис. 2, 3 представлены примеры таких вакуумных выключателей.
В настоящее время в Японии одним из главных направлений стало применение ВДК не только в диапазоне средних значений напряжения, но также и в высоковольтных распределительных устройствах подстанций, что обусловлено такими уникальными свойствами ВДК, как высокая отключающая способность, долговечность, безопасность и экономичность. Также в Японии прослеживается тенденция совмещения высокоскоростных ВДК с технологией сверхпроводимости. Ведутся активно исследования по проблеме применения сверхпроводящих материалов в конструкциях ВДК. Выяснилось, что такое нововведение подошло бы для устройств ограничения тока в мощных энергетических системах. Целый ряд лабораторных исследований проводится с целью установления принципов работы таких устройств, в которых ограничитель тока подключался бы к элементу с высокотемпературной сверхпроводимостью параллельно цепи мощного источника энергии. Когда сверхпроводящий элемент начинает гасить ток в результате перегрузки, ВДК легко размыкает цепь и направляет весь ток в ограничитель тока, что приводит к сохранности сверхпроводящего материала и сокращению его размеров. Россия, в части разработки и внедрения вакуумных выключателей на напряжение 110—220 кВ идет в ногу со своими японскими коллегами и значительно опережает европейских ученых и инженеров. В 2008 г. ФГУП ВЭИ (г. Москва) успешно провел испытания опытных образцов российских ВДК типов КДВ-60-31,5/2000 и КДВ-126-40/3150, рассчитанных соответственно на напряжение 60 и 126 кВ переменного тока частотой 50 Гц, предназначенных для комплектации двухразрывных и одноразрывных вакуумных выключателей 110—220 кВ. Камера КДВА-60-31,5/2000 представлена на рис. 4., рассчитана на номинальное напряжение 60 кВ, 50 Гц и предназначена для двухразрывного вакуумного выключателя на напряжение 110 кВ (наибольшее рабочее напряжение 126 кВ), номинальный ток отключения 31,5 кА, номинальный ток 2000 А.
Рис. 4. Вакуумная дугогасительная камера типа КДВА-60-31,5/2000 Камеру следующего поколения — КДВ-126-40/3150, представленную на рис. 5, предполагается использовать для комплектации одноразрывного вакуумного выключателя на напряжение 110 кВ, 50 Гц, на номинальный ток 3150 А, и номинальный ток отключения 40 кА. Кроме того, в перспективе на ее основе может быть создан двухразрывный вакуумный выключатель на напряжение 220 кВ.
Рис. 5. Вакуумная дугогасительная камера типа КДВ-126-40/3150 Первый российский вакуумный выключатель на напряжение 110 кВ начали разрабатывать в 2007 г. в г. Саратове на ОАО «НПП «Контакт». Технические требования на коммутационный аппарат были согласованы с ФСК ЕЭС. В 2009 г. на предприятии был изготовлен опытный образец двухразрывного вакуумного выключателя на базе камер КДВА-60-31,5/2000 с пружинно-магнитным приводом (рис. 6).
Рис 6. Вакуумный выключатель двухразрывный типа ВБП-110III-31,5/2000 УХЛ 1 В этом же году начались полномасштабные испытания выключателя в лабораториях самого завода, ФГУП ВЭИ и НИЦ ВВА. Параллельно шел диалог со специалистами-эксплуатационниками, появлялись рекомендации, вносились изменения в конструкцию выключателя. В 2010 г. на основании положительных результатов испытаний был получен сертификат на первый российский вакуумный выключатель 110 кВ и началось серийное производство ВБП-110кВ. Небольшой период времени, затраченный ОАО «НПП «Контакт» на разработку и постановку на производство ВБП-110 кВ, объясняется использованием в конструкции выключателя технических решений и узлов, серийно производимых для вакуумных выключателей серии ВБПС-35кВ. К ним относится пружинно-магнитный привод (для ВБП-110 кВ привод был усилен, изменены настройки), полюса выключателя, механические узлы тяг и валов. Параметры выключателя ВБП-110 приведены в табл. 3. Табл. 3 Основные параметры выключателя ВБП-110III-31,5/2000 УХЛ 1
До конца 2010 г., по согласованию с Холдингом МРСК первые серийные ВБП-110 кВ будут смонтированы на подстанциях филиалов Холдинга МРСК — МРСК Центра и Приволжья, Северо-Запада, Сибири, Волги, Северного Кавказа. В 2009—2010 гг. на базе камеры КДВ-126-40/3150 разработан одноразрывный вакуумный выключатель на напряжение 110 кВ, 50 Гц, номинальный ток 3150 А и номинальный ток отключения 40 кА. Выключатель имеет классическую для колонковых выключателей компоновку. Внешний вид выключателя типа ВБП-110III-40/3150 УХЛ1 приведен на рис. 7. Серийное производство такого выключателя планируется начать уже в 2011 г. Как и в двухразрывном выключателе, в ВБП-110III-40/3150 УХЛ1 предполагается использование ранее разработанных и проверенных в условиях эксплуатации (на выключателях класса 35 кВ и на первых ВБП-110 кВ) узлов и конструктивных решений.
Преимуществами выключателей ВБП-110III-31, 5/2000 и 40/3150 УХЛ1 являются: Для распределительного электросетевого комплекса России при выборе элегазовых или вакуумных выключателей решающее значение могут иметь ремонтно-эксплуатационные расходы за весь нормативный период эксплуатации. Проведенные расчеты показали, что ремонтно-эксплуатационные расходы элегазовых выключателей значительно выше (до 100—300 раз), чем у вакуумных. Уникальные разработки российских ученых и инженеров двухразрывного и одноразрывного вакуумного выключателей позволят не только создать реальную альтернативу элегазовым выключателям, но и быть основой программы замены масляных выключателей и пар отделитель-короткозамыкатель (ОД-КЗ) 110 кВ, а в будущем и 220 кВ. Кроме того, применение инновационных видов вакуумных выключателей высокого напряжения позволит развивать и совершенствовать распределительные устройства 110—220 кВ для создания новых блочно-модульных схемных решений, обеспечивающих: Применение вакуумных выключателей 110—220 кВ особенно актуально при использовании в комплектной подстанции необслуживаемых, не содержащих масла и элегаза трансформаторов тока и напряжения. Такие трансформаторы — с оптическими датчиками — широко используются в Северной Америке и Канаде, где вопрос экологической безопасности оборудования стоит на первом месте. Оптические трансформаторы тока и напряжения легко интегрируются в системы цифровой подстанции, т.к. имеют на выходе цифровые сигналы. В следующих статьях мы рассмотрим идеологию построения современных блочных подстанций 110 и 220 кВ с применением самых современных электрических аппаратов и конструктивных решений, в том числе и описанных в данной статье вакуумных выключателей 110—220 кВ и оптических трансформаторов тока и напряжения. |
Рис. 1. Вакуумная дугогасительная камера на 145 кВ японской компании АЕ Power System Corporation
Рис. 2. Двухразрывный вакуумный выключатель VCB 168 кВ/31,5 КА/2000А
Рис. 3. Одноразрывный вакуумный выключатель VCB 145 кВ/40 КА/2000А
