ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ГАЗОВЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ
GAS-INSULATED HIGH VOLTAGE SWITCH

Изобретение относится к электротехнике, а именно к высоковольтным газовым выключателям с шестифтористой серой, обладающей высокой дугогасительной и изоляционной способностью.
Как известно, такие выключатели применяются в двух исполнениях: баковые - с резервуаром, расположенным на потенциале земли и содержащим дугогасительные устройства и вводы /dead-tank/ и колонковые - с дугогасительными устройствами, расположенными в изоляторах, установленных, в свою очередь, на опорных изоляторах /live-tank/.
Шестифтористая сера, обладая высокими упомянутыми достоинствами, имеет существенный недостаток - сжижение при минусовых температурах в диапазоне обычно требуемых для обеспечения дугогашения и изоляции значений давления газа / например, для обычно применяемого давления газа 7 бар при 20°С сжижение происходит уже при температуре минус 26°С/.
Это обуславливает применение в районах с более холодным климатом (а это в более чем в 50% областей применения) либо только баковых выключателей, допускающих подогрев газа на потенциале земли, но существенно более дорогих чем колонковые, либо колонковых выключателей со смесью шестифтористой серы с азотом или тетрафторметаном, что позволяет избежать сжижения при минусовых температурах, но уменьшает дугогасительную способность и изоляционные свойства по сравнению с чистой шестифтористой серой, а также существенно усложняет ремонт и эксплуатацию выключателей [1].
Имевшие место попытки сохранить нужную плотность шестифтористой серы при минусовых температурах в колонковых выключателях не нашли практического осуществления.
Например, известен газовый выключатель колонкового типа [2], содержащий, по крайней мере, одно дугогасительное устройство, размещенное в среде шестифтористой серы внутри фарфорового изолятора, установленного при помощи соединительной арматуры на опорном полом фарфоровом изоляторе, внутренняя полость которого сообщается с внутренней полостью указанного фарфорового изолятора, конденсатор, испаритель в виде стакана с электронагревателем и опорный фланец. Для уменьшения температуры соединительной арматуры при протекании номинального тока соединительная арматура шунтирована проводником с высокой электрической проводимостью и снабжена ребрами, благодаря чему выполняет функцию упомянутого конденсатора. Для уменьшения высоты выключателя испаритель установлен на наружной стороне опорного фланца, при этом стакан испарителя имеет размер, меньший диаметра внутренней полости опорного изолятора для получения достаточного столба жидкости в испарителе. С целью исключения застойных зон жидкой фазы шестифтористой серы нижний фланец соединительной арматуры имеет конусное отверстие, а опорный фланец - веерообразные каналы с уклоном в сторону стакана испарителя и сообщение с его внутренним объемом, для этой же цели боковые фланцы соединительной арматуры имеют дополнительные отверстия, выполненные в нижней их части на уровне внутренней боковой поверхности фарфорового изолятора дугогасительного устройства.
Декларируется даже успешно проведенное испытание такого выключателя, хотя не приведены цифровые результаты, тем более ни одно значение плотности газа при минусовых температурах. Никаких опубликованных сведений о промышленном внедрении данного патента не имеется. Видимо, отсутствие внедрения и, вследствие этого, нецелесообразность поддержания этого патента подтверждает сделанные в нем неверные предпосылки и теоретические ошибки.
Во-первых, сам способ передачи сконденсировавшегося на внутренних поверхностях выключателя газа (независимо от места конденсации - на соединительной арматуре или на фарфоровых изоляторах) с высокого потенциала на потенциал земли в испаритель капельным путем или отеканием жидкости является технически неопределенным и инерционным, не говоря уже о том, что конденсат, образовавшийся во внутренних полостях дугогасительных устройств может там оставаться в течение неопределенного времени. При этом необходимо учитывать, что конденсация шестифтористой серы, как и при фазовом переходе любого вещества, может быть капельной и пленочной в зависимости от свойств жидкости и состояния поверхности, на которой происходит конденсация (на гладких и чистых поверхностях, например на фарфоре или хорошо обработанных металлических частях дугогасительных устройств, имеет место пленочная, а на шероховатых и загрязненных, например на металлической арматуре - капельная конденсация). Но в любом случае формирование и стекание как капель, так и пленки зависит от сил поверхностного натяжения жидкости, которые удерживают от отрыва капли малого размера (пока гравитационные сила не превысят силу поверхностного натяжения) и стекание пленки менее определенной толщины (для жидкой шестифтористой серы менее 0,5 мм). Таким образом, значительная часть газа не участвует в процессе конденсация-испарение, что приводит к его неэффективности.
Во-вторых, даже если чисто условно предположить возможность реализации данного патента с функционированием в процессе конденсация-испарение только небольшой части газа, то на высокий потенциал пришлось бы передать за счет испарившегося газа тепло, по крайней мере, равное теплоотдаче с поверхности фарфоровых изоляторов и соединительной арматуры в окружающую среду. Например, для приведенного в описании полюса выключателя 500 кВ, содержащего колонку даже только с двумя дугогасительными устройствами климатического исполнения У1 по ГОСТ 15150-69 при нижнем значении рабочей температуры минус 45°С и ветровой нагрузкой 40 м/с, теплоотдача в окружающую среду составит
1
1
2
2
P=SαΔT+SαΔT (Вт),
1
2
2
где S; S - наружные поверхности фарфоровых изоляторов с ребрами и соединительной арматуры одной колонки выключателя, равные соответственно примерно 30 и 2 м;
1
2
2
α; α - коэффициенты теплоотдачи с поверхности фарфоровых изоляторов и соединительной арматуры при ветре 40 м/с - соответственно 40 и 150 (Вт/мград);
ΔТ - температурный перепад между температурой шестифтористой серы, при которой начинается конденсация при давлении заполнения 7 бар абс. минус 25°С, и температурой окружающей среды - минус 45°С.
Р=30×40×20+2×150×20=24000+6000=30000 Вт или 30 кВт.
Мощность, необходимая для компенсации такой теплоотдачи для трех полюсов выключателя, составит соответственно 120 кВт, что по технико-экономическим соображениям совершенно неприемлемо, особенно с учетом других вышеупомянутых недостатков, не говоря уже о выключателе для холодного климата категории ХЛ1, предназначенного для работы при нижнем значении рабочей температуры минус 60°С.
Целью предлагаемого изобретения является не только создание колонковых выключателей с шестифтористой серой для работы при нижних значениях рабочих температур минус 45 и 60°С, свободных от вышеперечисленных недостатков, но и существенное улучшение технико-экономических показателей выключателей для умеренных климатических условий (с нижним значением рабочей температуры окружающего воздуха до минус 25°), а именно дугогасительной способности и уменьшения числа дугогасительных разрывов за счет возможности увеличения рабочего давления.
Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что в высоковольтном газовом выключателе наружной установки колонкового типа с шестифтористой серой, содержащем опорный изолятор, на котором установлено, по крайней мере, одно дугогасительное устройство, размещенное в изоляторе, соединенном по газу с указанным опорным изолятором, привод, размещенный в шкафу управления на потенциале земли и соединенный с дугогасительным устройством изоляционной тягой внутри опорного изолятора, конденсатор для сжижения газа и испаритель с электронагревателем для испарения газа, снабженный системой автоматики его коммутирования и расположенный в шкафу управления, конденсатор выполнен в виде тонкостенного металлического, например алюминиевого сосуда, и расположен на открытом воздухе, на потенциале земли, например на внешней стенке шкафа управления и соединен по газу в верхней части с внутренним объемом выключателя, а в нижней части с верхней частью испарителя.
Испаритель может быть снабжен выходной изоляционной трубой, расположенной в опорном изоляторе.
Опорный изолятор и изолятор дугогасительного устройства могут быть выполнены композитными, т.е. с внутренним пластиковым цилиндром, стойким к продуктам разложения шестифтористой серы и покрытым снаружи кремнийорганической резиной с ребрами.
Соединительная металлическая арматура выключателя, соприкасающаяся с внутренними газовыми объемами, например соединительные фланцы изоляторов, могут быть теплоизолированы от внешней среды, кроме токоведущих выводов.
Конденсатор может быть выполнен оребренным и снабжен солнцезащитным козырьком.
Система автоматики коммутирования электронагревателя может быть снабжена плотномером, расположенным в шкафу управления и соединенным по газу с внутренним объемом выключателя, а также алгоритмом функционирования для поддержания стабильной плотности газа, независимо от температуры окружающего воздуха.
Не известны высоковольтные газовые выключатели колонкового типа наружной установки с шестифтористой серой, в которых поддержание стабильной плотности газа при минусовых температурах окружающего воздуха осуществляется за счет конденсации газа в тонкостенном металлическом сосуде /конденсаторе/, установленном на открытом воздухе, на потенциале земли и связанном по газу в верхней части с внутренним объемом выключателя и в нижней части - с подогреваемым испарителем, расположенным в шкафу управления выключателем с выходом испарившегося газа через дополнительную изоляционную трубу во внутреннюю полость опорного изолятора, с изоляторами выключателя, выполненными преимущественно композитными и с соединительной металлической арматурой, соприкасающейся с внутренними газовыми объемами выключателя, преимущественно теплоизолированной от внешней среды.
Положительный эффект достигается за счет четкой реализации рабочего теплового цикла конденсация-испарение-конденсация с однозначным функционированием элементов выключателя:
конденсатор-испаритель без вовлечения в этот процесс других частей выключателя, что значительно увеличивает кпд, цикла, т.е. уменьшает тепловые потери и затрачиваемую для подогрева мощность и позволяет поддерживать практически постоянной плотность газа в выключателе, независимо от температуры окружающего воздуха в заданном широком диапазоне рабочего давления, что обеспечивает не только стабильную дугогасительную способность, но и возможность ее увеличения за счет увеличения рабочего давления для выключателей, предназначенных для эксплуатации в климатических районах с минусовыми температурами.
На фиг.1 приведен для примера схематический рисунок одного полюса предложенного выключателя с одним дугогасительным разрывом на напряжение 126 кВ.
Дугогасительное устройство 1 помещено в изолятор 2, установленный на опорном изоляторе 3, размещенном на шкафу управления 4, в котором находятся привод выключателя 5, связанный с дугогасительным устройством при помощи изоляционной тяги 6 внутри опорного изолятора, а также системы управления, контроля и сигнализации выключателя.
Указанные изоляторы преимущественно композитного типа герметизированы фланцами 8, верхний и промежуточный из которых имеют токоведущие выводы 9.
Вне шкафа управления установлен тонкостенный металлический, например алюминиевый, сосуд /конденсатор/ 10, в верхней части соединенный по газу с внутренним объемом выключателя и в нижней части с испарителем 11, снабженным электронагревателем 12. Для защиты от солнечного излучения указанный сосуд снабжен солнцезащитным козырьком 13.
Испаритель снабжен на выходе изоляционной трубой 14, расположенной внутри опорного изолятора.
Система управления 15 электронагревателя получает управляющий импульс на включение или отключение электронагревателя от плотномера 16, соединенного с внутренним объемом выключателя.
Для снижения тепловых потерь указанные металлические фланцы изоляторов могут быть теплоизолированы от внешней среды кроме контактных выводов.
Работа системы поддержания стабильности плотности газа в выключателе независимо от температуры окружающего воздуха поясняется графиком, приведенным на фиг.2.
окр
кон
в
в
кон.
в
кон.
3
На абсциссе графика - время, на ординате - температуры (°С) окружающего воздуха (Т), газа внутри конденсатора (Т) и газа во внутреннем объеме выключателя (Т), плотность газа (кг/м) во внутреннем объеме выключателя (δ) и конденсатора (δ), давление (бар) во внутреннем объеме выключателя (Р) и конденсатора (Р).
3
Режим изменения температуры окружающего воздуха для пояснения работы системы выбран произвольно, начиная от номинальной температуры заполнения выключателя шестифтористой серой -20°С / для примера номинальное давление заполнения при этой температуре выбрано 7 бар абс. (0.7 МПа), т.е. номинальная плотность газа составляет 46 кг/м по диаграмме состояния, приведенной на фиг.3/, с понижением до температуры до минус 26°С, при которой начинается конденсация газа (этап 1), дальнейшим понижением температуры до минус 45°С (по ГОСТ 15150-69 для категории изделий У1), соответствующей нижнему значению рабочей температуры при эксплуатации (этап 2), выдержкой при этой температуре до установившегося теплового режима (этап 3) и повышением температуры до исходной (этап 4).
Таким образом, может быть проанализирована работа системы во всех возможных режимах при эксплуатации выключателя.
1
Принципиально важным на первом этапе (до момента времени t) является практически полное равенство температуры окружающего воздуха и газа в конденсаторе. Расчет показывает, что при выполнении конденсатора, например, цилиндрического вертикального типа из алюминия толщиной 2 мм постоянная времени принятия стенкой конденсатора температуры окружающего воздуха составит при отсутствии ветра всего 15 минут, а при ветре 40 м/с (по ГОСТ Р 52565-2006. Выключатели переменного тока на напряжения от 3 до 750 кВ) - всего 27 секунд. В приведенной ниже таблице:
Элемент выключателя
Пост. времени без ветра
Пост. времени с ветром
Коэф. теплоотдачи
секунды
секунды
Без ветра/ с ветром Вт/м<sup>2</sup>град
Внешний конденсатор
947
27
4,37/150
Фарфоровый изолятор
12100
1251
4,04/40
Композитный изолятор
23422
4419
2,83/7,5
Соединительная
10050
420
4,37/150
арматура и фланцы Соединительная
арматура и фланцы с теплоизоляцией.
17768
8553
2.33/4,9
сравниваются расчетные постоянные времени принятия стенками различных элементов выключателя наружной температуры при ее изменении и коэффициенты теплоотдачи этих элементов (при расчете коэффициенты оребрения изоляторов приняты 3), материал соединительной арматуры, соприкасающейся с внутренними газовыми объемами выключателя - алюминий с толщиной стенки 20 мм, теплоизоляция толщиной 10 мм с коэффициентом теплопроводности 0.05 Вт/м град.
Таким образом, на основании приведенных данных можно со 100% достоверностью считать, что при понижении температуры окружающего воздуха конденсация газа начнется всегда только в указанном внешнем сосуде-конденсаторе при всех вариантах выполнения изоляторов и соединительной арматуры, а не в фарфоровых изоляторах и соединительной арматуре (выполненной даже из наиболее теплопроводного металла-алюминия), как это могло иметь место в рассмотренном выше прототипе (действительно, как видно из таблицы, при отсутствии ветра, что часто наблюдается при низкой температуре, указанные постоянные времени для фарфоровых изоляторов и соединительной арматуры без теплоизоляции очень близки по значению, тем более с учетом допущений, принятых при расчете).
С другой стороны, применение композитных изоляторов вместо фарфоровых к теплоизолированной соединительной арматуры и фланцев, как это видно из таблицы, существенно (например, более чем в 7 раз по сравнению с приведенным выше расчетом дл прототипа) уменьшает тепловые потери и, следовательно, мощность подогревателя испарителя.
Поэтому практически целесообразно преимущественно осуществлять предлагаемый выключатель с композитными изоляторами, широко применяемыми в настоящее время, а также с теплоизолированной соединительной арматурой и фланцами, соприкасающимися с внутренними газовыми объемами выключателя.
Таким образом, как бы медленно не понижалась температура окружающего воздуха на первом этапе, конденсация шестифтористой серы начнется именно и только в конденсаторе.
В связи с тем, что постоянная времени охлаждения изоляторов выключателя значительно больше, чем конденсатора, температура газа в них будет понижаться медленнее, чем в конденсаторе, но поскольку их внутренние объемы связаны по газу, то при равном давлении плотность более холодного газа в конденсаторе будет несколько больше, чем в выключателе.
3
3
Например, при снижении температуры газа в выключателе до минус 15°С при давлении в этот момент 6 бар и разнице температур в конденсаторе и выключателе 10°С конденсация газа в конденсаторе начнется при плотности чуть выше 48 кг/м и том же давлении, в то время как в выключателе она останется 46 кг/м, как и была при заполнении.
Конденсация газа приведет к уменьшению давления и плотности газа в конденсаторе, а затем в несколько меньшей степени и в выключателе, засасыванию газа в конденсатор и продолжению его конденсации. При этом сконденсированная жидкость по закону сообщающихся сосудов начнет перетекать из конденсатора в испаритель.
3
3
3
При дальнейшем понижении температуры окружающего воздуха в соответствии с заданной уставкой плотномера 44 кг/м с учетом определенного запаса к заданной минимальной рабочей плотности газа 39 кг/м (в том числе допусков на уставки приборов) и заданного количества жидкости, необходимого для стабильной работы системы (в рассматриваемом примере при применении композитных изоляторов и теплоизолированных фланцев - около 0,2 кг, в том числе для компенсации теплоотдачи во внешнюю среду) в момент времени t2 включится электронагреватель 15 испарителя, и испарившийся газ начнет через изоляционную трубу 14 поступать во внутренний объем выключателя и поддерживать в нем плотность 44 кг/м при давлении 5,5 бар, бывших в нем в момент включения подогревателя. С этого же момента температура жидкости и газа в конденсаторе также будет поддерживаться постоянной /в данном случае минус 30° при давлении 5,1 бар (фиг.3)/ независимо от наружной температуры за счет выделяющейся при конденсации скрытой теплоты.
При дальнейшем понижении температуры окружающего воздуха вплоть до минимальной рабочей минус 45°С и ее выдержки в течение любого времени процесс поддержания стабильной плотности шестифтористой серы в выключателе будет протекать аналогично.
3
Наконец, на этапе повышения температуры окружающего воздуха после прекращения конденсации и отключения подогревателя при плотности газа в выключателе выше 44 кг/м, температура газа в конденсаторе будет некоторое время оставаться выше, чем в выключателе, но при этом конденсации в выключателе уже произойти не может, а оставшийся в конденсаторе и испарителе конденсат испарится даже при отключенном подогревателе.
Важно еще раз подчеркнуть, что в предлагаемом изобретении предложена универсальная схема поддержания стабильной плотности шестифтористой серы при эксплуатации колонковых выключателей в любых климатических районах, где понижение плотности газа возможно при его конденсации при температурах окружающего воздуха ниже нулевой, что, во-первых, позволяет применять рабочее давление выше максимально применяемого в настоящее время для колонковых выключателей наружной установки - 7 бар и полностью отказаться от применения, не оправдавших себя в эксплуатации, смесей шестифтористой серы с азотом или тетрафторметаном, и, во-вторых, добиться очень высоких токов отключения с минимальным количеством разрывов на полюс.
Литература
6
1. CIGRE WG 23-02 "Guide for SF gas mixtures", CIGRE Technical brochure 163, August 2000.
2. Патент №2087976, H01H 33/53, 1997, Россия.