 |
Будущее коммутационной аппаратуры высокого напряжения
|
|
|
|
Будущее коммутационной аппаратуры высокого напряжения связано с решением двух основных проблем – поиском новых высокоэффективных технических решений и вытеснением из эксплуатации устаревших (и экономически невыгодных) аппаратов. Решение обеих проблем требует больших финансовых затрат и времени, что и определяет скорость решения этих проблем.
В РФ проблема замены устаревших аппаратов стоит особенно остро. По степени оснащенности современными выключателями российские энергосистемы отстают от зарубежных примерно на 30 лет. Причем продолжается эксплуатация выключателей, устаревших очень давно (воздушные выключатели серий ВВН, ВВШ, ВВ, масляные баковые выключатели типа МКП и др.).
Одна из основных задач в области коммутационной аппаратуры – повышение ее надежности. В мире регулярно проводится анализ отказов аппаратов. В Исследовательском комитете А3 СИГРЭ функционирует рабочая группа по изучению надежности оборудования высокого напряжения. Надежность оборудования зависит как от своевременной разработки аппаратов новых поколений, так и от своевременной замены устаревших аппаратов в эксплуатации.
Другая важная задача – снижение весо-габаритных характеристик и материалоемкости аппаратов, уменьшение их числа за счет использования прогрессивных технических решений. При этом выполнение этой задачи не должно приводить к снижению надежности оборудования.
К важным можно отнести и задачу снижения эксплуатационных затрат, создания практически необслуживаемого в течение всего срока службы оборудования.
В мире ужесточаются требования по экологической чистоте оборудования, и решения, которые раньше считались приемлемыми, сегодня подвергаются пересмотру. Во многих случаях задача обеспечения экологической чистоты выходит на первый план.
|
|
|
Наконец, следует отметить в числе важных задач снижение энергопотребления коммутационных аппаратов (в частности, уменьшение энергопотребления приводами аппаратов). Эта соответствует тем серьезным усилиям, которые предпринимаются в мире в части энергосбережения.
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПАРКА КОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ, НАХОДЯЩИХСЯ В ЭКСПЛУАТАЦИИ
Состав парка эксплуатируемых в мире выключателей на напряжение 63 кВ и выше в начале XXI века, по данным СИГРЭ [1], показан на рисунке 1.
Из рисунка видно, что в последние 10 лет в классах напряжения 63 кВ и выше в мире не вводилось в эксплуатацию практически никаких других выключателей, кроме элегазовых. Вакуумные выключатели в настоящее время в основном используются в средних классах напряжения, поэтому на рисунке их количество невелико. Если же проанализировать состав выключателей с возрастом от 10 до 20 лет, то можно заметить, что и среди них явно преобладают элегазовые выключатели (примерно 30 % приходится на маломасляные выключатели). И только среди очень старых выключателей (с возрастом от 20 до 30 лет) элегазовых меньше, чем маломасляных и воздушных, но больше, чем баковых масляных.
Распределение эксплуатируемых выключателей по типам в России не соответствует тому, что имеет место в мире. Так, среди выключателей на напряжение 110 кВ и выше в РАО «ЕЭС в настоящее время преобладают баковые масляные выключатели, а количество элегазовых составляет около 3 %. Значительная часть масляных и воздушных выключателей, эксплуатируемых в РАО «ЕЭС», отработала установленный нормативными документами срок службы. К настоящему времени число таких выключателей составляет 40 %.
Совершенствование парка эксплуатируемых аппаратов в мире будет двигаться по пути наращивания доли элегазовых выключателей и КРУЭ, вакуумных выключателей и аппаратов нетрадиционных конструкций при постоянном снижении доли устаревших аппаратов. Доля вакуумных выключателей и КРУ на их основе до 2020 года будет расти опережающими темпами в классах напряжения до 170 кВ (в РФ до 220 кВ) в связи с ужесточением в мире экологических требований к аппаратам.
|
|
|
К 2030 году в мире в связи с ужесточением экологических требований элегаз и смеси на основе элегаза как изоляционная и дугогасительная среда будут использоваться в новых разработках только при напряжениях выше 330 кВ. Элегазовые аппараты будут вытесняться вакуумными выключателями, КРУ с вакуумными выключателями и сжатым воздухом в качестве изоляции (КРУВВ), а также аппаратами на базе полупроводников и сверхпроводимости. В РФ обновление парка эксплуатируемых выключателей идет намного медленнее, чем за рубежом. Соответственно, сдвигаются и сроки замены устаревших аппаратов. Если учесть, что в настоящее время практически все установленные выключатели в энергосистемах РАО «ЕЭС» устарели, то существует необходимость к 2020 году заменить 50 % установленных выключателей, а к 2030 году – 80 % установленных выключателей. В первую очередь должна производиться замена воздушных и масляных выключателей серий ВВН, ВВ, У, МКП, ММО.
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
В мире непрерывно проводятся работы по повышению эффективности дугогашения, расширению области применения новых аппаратов, поиску нетрадиционных решений, снижению воздействий на оборудование, повышению надежности и уменьшению энергопотребления.
Повышение эффективности дугогашения с целью увеличения напряжения на разрыв выключателя и снижения энергии привода
Для повышения эффективности дугогашения в мире широко используются расчетные методы. Моделируются процессы при отключении тока, рассчитывается распределение электрического поля в дугогасительном устройстве. Для элегазовых выключателей высокого напряжения используется комбинированный способ гашения дуги, когда дуга при токах короткого замыкания гасится за счет автогенерации давления, а при малых токах – автопневматическим способом. Повышение эффективности дугогашения дает возможность увеличить напряжение на один
|
|
|
разрыв выключателя. В настоящее время уже созданы элегазовые выключатели на напряжение 362–550 кВ (последняя цифра для баковых выключателей и КРУЭ) с одним разрывом и вакуумные выключатели на напряжение 145 кВ с одним разрывом в полюсе. Технически возможно и дальнейшее увеличение напряжения на один разрыв. Однако следует отметить, что наилучшие технико-экономические показатели характерны для аппаратов с более умеренными значениями напряжения – для элегазовых колонковых выключателей при напряжении около 300 кВ на разрыв, для выключателей КРУЭ – 400–500 кВ, а для вакуумных – 70–80 кВ на разрыв.
Ужесточение экологических требований дало толчок к созданию во многих странах экологически чистых вакуумных выключателей и КРУ на их базе на напряжение выше 72,5 кВ взамен элегазовых. В ближайшие годы ожидается рост выпуска вакуумных выключателей и КРУ с вакуумными выключателями и сжатым воздухом в качестве изоляции (КРУВВ) на напряжение до 170 кВ. К 2030 году они в основном вытеснят из производства и эксплуатации элегазовые выключатели.
Повышение эффективности дугогашения дает возможность применять простые, дешевые пружинные привода с малой потребляемой энергией вместо гидравлических вплоть до напряжения 800 кВ.
Снижение габаритов и материалоемкости КРУЭ
Использование одноразрывных выключателей в КРУЭ на напряжение до 420 кВ дает существенное снижение габаритов и материалоемкости. Кроме того, значительное снижение размеров достигается за счет использования нетрадиционных (оптических) измерительных трансформаторов. Вместе с применением пружинного привода перечисленные технические решения являются типичными для современных КРУЭ нового поколения.
Снижение размеров КРУЭ достигается и размещением трех фаз в одном корпусе, что перспективно до напряжений 330 кВ.
В РФ наблюдается отставание в области разработки и применения нетрадиционных измерительных трансформаторов. Такие работы
|
|
|
практически не проводятся в РФ. В Японии в эксплуатации находится более 600 нетрадиционных измерительных трансформаторов на напряжение до 550 кВ.
Повышение надежности и срока службы коммутационных аппаратов
Большое внимание за рубежом уделяется изучению надежности аппаратов высокого напряжения, опыта их эксплуатации. Последний показал, что в настоящее время срок службы делительных конденсаторов значительно ниже (всего 15–20 лет) срока службы самих выключателей, который в настоящее время достигает 40 лет. Возможно в будущем повышение срока службы до 50 лет. Причины выхода из строя делительных конденсаторов изучаются, основной из них считаются воздействия на конденсаторы во время операций отключения. Прорабатывается возможность создания выключателей без делительных конденсаторов.
Большую роль в повышении надежности играет использование систем диагностики и мониторинга оборудования. Так, для повышения надежности КРУЭ оснащаются контроллером, который выполняет функции диагностики, мониторинга, управления и защиты.
Проводимый анализ отказов оборудования показывает, что его надежность снижается, если не принимаются специальные меры. Например, в Японии надежность выключателей высокого напряжения за последние годы заметно снизилась (частота больших аварий выросла до 0,16 на 100 выключателей в год, а малых – до 0,64 на 100 выключателей в год). Это связано с электрической эрозией, износом и
старением элегазовых выключателей, установка которых началась 35 лет назад.
Рабочая группа А3.06 Исследовательского комитета А3 СИГРЭ готовит обзор данных о надежности коммутационной аппаратуры, который охватывает 42 000 выключателей, 220 000 разъединителей и заземлителей и 15 000 КРУЭ.
Аппараты с управляемой коммутацией (самоуправляемые аппараты)
Число выключателей с управляемой коммутацией за рубежом непрерывно растет. Управляемая коммутация решает проблему предотвращения опасных бросков тока и перенапряжений, увеличения ресурса оборудования и его надежности. Применение выключателей с управляемой коммутацией является шагом в направлении совмещения функций управления и защиты оборудования.
Совмещение систем управляемой коммутации с системами диагностики и мониторинга приведет к созданию так называемых «умных» аппаратов или аппаратов, обладающих «интеллектом». Такие аппараты получат широкое распространение к 2020 году, а к 2030 году все вновь устанавливаемые аппараты будут оснащены такими системами. Применение для управляемой коммутации быстродействующих управляемых коммутаторов (разрядников) расширит возможности «умных» аппаратов.
|
|
|
Совмещение функций коммутационных аппаратов
Создание комбинированных аппаратов и объединение функций аппаратов являются очень важными направлениями развития, реализация которых дает возможность выбирать простые, высокоэкономичные компоновки подстанций. Такие технические решения обеспечивают уменьшение количества оборудования на подстанции, уменьшение требуемой для его установки площади и объема, улучшение экологических характеристик.
В настоящее время в мире проводятся работы по объединению функций выключателя и разъединителя, а также разъединителя и заземлителя в одном аппарате. Исследуется возможность применения схем подстанций без разъединителей, когда функции разъединителя выполняет высоконадежный выключатель или когда выключатель оснащен прозрачными изоляторами для контроля положения контактов.
Выполняются работы по повышению коммутационной способности разъединителей. К 2020 году совмещение функций выключателя и разъединителя станет обычной практикой, а к 2030 году все вновь устанавливаемые аппараты будут рассчитаны на совмещение функций нескольких аппаратов.
Альтернативные способы коммутации
В настоящее время не получено новых диэлектрических материалов, по совокупности электроизоляционных, дугогасительных и эксплуатационных свойств превосходящих элегаз и вакуум. Уровень развития полупроводниковой техники и сверхпроводящих устройств в настоящее время таков, что аппараты с использованием полупроводниковых приборов и сверхпроводимости не могут конкурировать с традиционными аппаратами. Однако в мире в этих направлениях развернуты серьезные работы, и можно прогнозировать, что появление альтернативных аппаратов является делом недалекого будущего.
Применение ограничителей тока на базе высокотемпературных сверхпроводящих материалов сдерживается высокой стоимостью этих устройств по сравнению с традиционным оборудованием. С развитием технологии сверхпроводников, улучшением их характеристик к 2020 году ограничители тока найдут широкое применение в сетях среднего напряжения. Этому будет способствовать внедрение сверхпроводимости и в другом электротехническом оборудовании, например, в трансформаторах, кабелях и др.
К 2030 году (таблица 1) промышленностью будут выпускаться в основном экологически чистые аппараты, среди которых достойное место найдут и ограничители тока на базе высокотемпературной сверхпроводимости, и полупроводниковые (гибридные) аппараты.
Поиск новых диэлектрических сред для изоляции и дугогашения, возможно, даст результат к 2020 году. Задача усложняется тем, что экологические требования с каждым годом ужесточаются. В случае успеха с 2020 года начнется использование новых диэлектрических материалов в качестве изоляции и для дугогашения.
|
|
|
