Въведение
Всеки път, когато контакт на комутационна апаратура се разделя под въздействието на ток, се образува електрическа дъга. За част от секундата тази дъга дъгата достига температури над 10 000°C1 - достатъчно горещ, за да изпари медните контакти, да карбонизира изолационните повърхности и да поддържа проводящ плазмен канал, който отказва да изгасне. Ако не бъде контролирана, тази дъга унищожава оборудване, предизвиква каскадни повреди и застрашава персонала.
Механизмът за гасене на дъгата в комутационните апарати е инженерната система, съчетаваща геометрията на контактите, средата за гасене на дъгата и дизайна на камерата, която принуждава дъгата да изгасне при първия наличен нулев ток, защитавайки както комутационното устройство, така и електроразпределителната мрежа, която то обслужва.
За електроинженерите, които определят разпределителните устройства за средно напрежение, и за мениджърите по снабдяването, които оценяват конфигурациите AIS, GIS или SIS, разбирането на дъгогасенето не е фоново знание - то е техническата основа, която определя надеждността на разпределителните устройства, тежестта на поддръжката, съответствието с изискванията за опазване на околната среда и общите разходи за целия жизнен цикъл. Изборът на неправилна среда за гасене на дъгата за вашето приложение е решение, което увеличава разходите и последствията всяка година, през която оборудването остава в експлоатация.
В тази статия е представена строга, ориентирана към приложенията разбивка на механизмите за гасене на дъгата във всичките три типа разпределителни устройства от продуктовата гама на Bepto.
Съдържание
- Какво представлява гасенето на дъгата и защо е от решаващо значение в разпределителните устройства за средно напрежение?
- Как се представят различните средства за гасене на дъгата в разпределителни устройства AIS, GIS и SIS?
- Как да изберете правилния механизъм за гасене на дъгата за вашето приложение за разпределителни устройства?
- Какви са често срещаните повреди при закаляване на дъгата и изискванията за поддръжка?
Какво представлява гасенето на дъгата и защо е от решаващо значение в разпределителните устройства за средно напрежение?
Гасенето на дъгата - наричано още гасене на дъгата или прекъсване на дъгата - е контролиран процес, при който проводящата плазмена дъга, образувана по време на разделянето на контактите в комутационните апарати, се принуждава да угасне окончателно, възстановявайки диелектричната якост на контактната междина, преди следващият полуцикъл на напрежението да възстанови дъгата.
Физика на образуването на дъгата
Когато контактите на комутационните апарати започнат да се отделят под въздействието на товар или ток на повреда, в рамките на микросекунди се извършва следната последователност:
- Съпротивлението на контакта се повишава с намаляване на контактната площ, което води до интензивно съпротивително нагряване на контактната граница
- Започва изпаряване на метала - меден или сребърно-волфрамов контактен материал се изпарява, образувайки проводим метален мост от пари
- Плазмата на дъгата се запалва - металните пари се йонизират под приложеното напрежение, създавайки проводяща плазмена колона, която пренася тока на цялата верига.
- Дъгата се поддържа - дъгата генерира достатъчно топлина за поддържане на йонизацията, като устоява на естественото угасване, докато не настъпи нулев ток
Дъговата колона в разпределителните уредби за средно напрежение работи при 6000-20 000°C, като напрежението на дъгата е 100-1 000V в зависимост от дължината на дъгата и средата. При тези температури дъгата излъчва интензивни ултравиолетови лъчи, генерира вълни на налягане и ерозира контактния материал със скорост от милиграми на операция.
Защо гасенето на дъгата определя производителността на комутационните апарати
- Контакт Дълголетие: По-бързото и по-чисто гасене на дъгата означава по-малко ерозия на контактите на операция - пряко определяща електрическата издръжливост (брой операции за отстраняване на неизправности преди основен ремонт)
- Интегритет на изолацията: Непълното гасене на дъгата оставя йонизиран газ и въглеродни отлагания върху изолационните повърхности, които постепенно се влошават. диелектрична якост2 и изпълнение на пълзене
- Скорост на изчистване на неизправностите: Скоростта на гасене на дъгата определя общата енергия на пропускане на тока на повреда (I²t), която определя повредите на оборудването надолу по веригата при повреди.
- Безопасност: Неконтролираното гасене на дъгата в затворени разпределителни устройства генерира вълни от налягане и горещ газ, които могат да причинят вътрешни дъгови повреди - най-разрушителният начин на повреда в разпределителните устройства за средно напрежение.
Ключови параметри на дъгогасенето
| Параметър | Определение | Типично изискване |
|---|---|---|
| Време на угасване на дъгата | Време от отделянето на контакта до окончателното угасване на дъгата | < 1 цикъл (20 ms при 50 Hz) |
| Степен на диелектрично възстановяване | Скорост, с която контактната междина възвръща изолационната си якост след дъга | Трябва да надвишава скоростта на нарастване на TRV |
| Напрежение за възстановяване при преходни процеси (TRV)3 | Напрежение, появяващо се в контактната междина след изгасването на дъгата | На IEC 62271-1004 |
| Контактна ерозия за операция | Маса на загубения контактен материал за една операция на превключване | < 0,5mg/операция (вакуум) |
| Arc Energy | Обща енергия, разсеяна в дъгата за операция | Минимизирано чрез бързо изчезване |
Как се представят различните средства за гасене на дъгата в разпределителни устройства AIS, GIS и SIS?
Всеки от трите типа разпределителни устройства в продуктовата гама на Bepto - AIS, GIS и SIS - използва различна среда за гасене на дъгата и архитектура на камерата. Всяко от тях представлява целенасочен инженерен компромис между производителност, въздействие върху околната среда, изисквания за поддръжка и площ на инсталацията.
Разпределително устройство AIS: Въздушно гасене на дъгата
Въздушно изолираните комутационни апарати използват атмосферния въздух както като основна изолационна среда, така и като среда за гасене на дъгата. Загасяването на дъгата в AIS се постига чрез технологията на дъговия улей:
- Геометрия на Arc Runner: Контактите са оформени така, че да избутват дъгата нагоре в купчина метални разделителни плочи (дъгови улеи), като използват електромагнитна сила (сила на Лоренц върху тока на дъгата).
- Разделяне на дъгата: Дъговите улеи разделят единичната дъга на 10-20 последователни дъги, всяка със собствен спад на напрежението на дъгата, като повишават общото напрежение на дъгата над напрежението на системата и принуждават тока да се сведе до нула.
- Охлаждане на дъгата: Голямата повърхност на разделителните плочи поглъща енергията на дъгата, охлажда плазмата и ускорява дейонизацията.
Производителност на охлаждане на дъгата AIS:
- Време за гасене на дъгата: 1-3 цикъла
- Ерозия за контакт: Умерена (изисква периодична проверка)
- Поддръжка: След операции с висок ток се налага почистване и подмяна на дъговите улеи.
- Въздействие върху околната среда: Нулеви емисии на парникови газове от дъговата среда
Комутационна апаратура GIS: Газово дъгово закаляване SF6
Използване на разпределителни устройства с газова изолация серен хексафлуорид (SF6)5 газ при абсолютни налягания от 3 до 5 бара като изолация и среда за гасене на дъгата. Загасяването на дъгата с SF6 се осъществява чрез механизъм с пуф:
- Компресия с пух: Бутало, механично свързано със задвижването на контактите, компресира газ SF6 при разединяване на контактите, като повишава налягането в цилиндъра на пушача.
- Насочен газов взрив: При разделянето на контактите сгъстеният SF6 се насочва като аксиален взрив с висока скорост през дъговата колона.
- Ефект на електроотрицателност: Молекулите на SF6 имат изключителна електроотрицателност - те улавят свободните електрони от плазмата на дъгата, като бързо намаляват проводимостта и принуждават дъгата да изгасне при нулев ток.
- Диелектрично възстановяване: След угасването SF6 възстановява диелектричната си якост приблизително 100 пъти по-бързо от въздуха, което предотвратява повторното избухване на дъгата при TRV
Производителност на дъговото гасене на GIS:
- Време на угасване на дъгата: < 1 цикъл (обикновено 16-20 ms)
- Ерозия за контакт: Ниска - охлаждането чрез взрив SF6 свежда до минимум увреждането на контактната повърхност
- Поддръжка: Херметически затворен, не се изисква поддръжка на дъговия улей
- Въздействие върху околната среда: SF6 е мощен парников газ (GWP = 23 500) - изисква се мониторинг на целостта на запечатаното тяло и отговорно възстановяване на газа в края на експлоатационния период
Разпределителни устройства SIS: Вакуумно закаляване на дъгата
Използване на твърдо изолирани комутационни апарати вакуумни прекъсвачи като елемент за превключване и гасене на дъгата, като първичната изолация се осигурява от твърда епоксидна смола. Вакуумното гасене на дъгата се различава съществено от методите, базирани на газ:
- Дъга от метални пари: Във вакуум (налягане < 10-³ mbar) дъгата се образува изключително от метални пари, изпарени от контактните повърхности - няма газова среда, която да поддържа йонизацията.
- Бърза плазмена дифузия: Без газови молекули, които да разсейват електроните, плазмата от метални пари се разпространява радиално навън от контактната междина с изключително висока скорост.
- Моментно угасване при нулев ток: С приближаването на тока към нулата генерирането на плазма се прекратява, металните пари кондензират върху контактните повърхности и екрана, а контактната междина възстановява пълната си диелектрична якост в рамките на микросекунди.
- Няма продукти за дъга: Вакуумното гасене не произвежда йонизиран газ, въглеродни отлагания и вълни на налягане - контактната междина е чиста веднага след всяка операция.
Ефективност на охлаждане на дъгата на SIS:
- Време на угасване на дъгата: < 0,5 цикъла (мигновено при нулев ток)
- Ерозия за контакт: Много ниска - < 0,5 mg за операция по отстраняване на повреда
- Поддръжка: Запечатан вакуумен прекъсвач, без вътрешна поддръжка за над 20 години живот
- Въздействие върху околната среда: Нулеви емисии на парникови газове, без дъгови газове
Средства за гасене на дъгата: Пълно сравнение на производителността
| Параметър | AIS (въздух) | GIS (SF6) | SIS (Вакуум) |
|---|---|---|---|
| Скорост на гасене на дъгата | 1-3 цикъла | < 1 цикъл | < 0,5 цикъл |
| Диелектрично възстановяване | Бавен | Бърз | Много бързо |
| Контакт Ерозия | Умерен | Нисък | Много ниско |
| Честота на поддръжката | Висока | Нисък | Минимален |
| Площ за инсталиране | Голям | Среден | Компактен |
| Въздействие върху околната среда | Няма | Висока (SF6 GHG) | Няма |
| Подходящ обхват на напрежението | 12-40,5 kV | 12-252kV | 12-40,5 kV |
| Разходи за целия жизнен цикъл | Среден | Средно-висока | Нисък |
Случай на клиент: Намаляване на разходите за поддръжка с комутационна апаратура SIS
Собственик на предприятие, ориентирано към качеството, експлоатиращ индустриална подстанция 24 kV в завод за химическа преработка, се обърна към нас след повтарящи се повреди на дъговия улей на съществуващото разпределително устройство AIS. Агресивната химическа атмосфера ускоряваше замърсяването на дъговия улей, което изискваше тримесечни почистващи интервенции и две пълни подмени на дъговия улей в рамките на три години от пускането в експлоатация.
След преминаването към SIS разпределителни устройства на Bepto с вакуумни прекъсвачи и твърда епоксидна изолация, екипът по поддръжката на завода отчита нулеви интервенции по поддръжката, свързани с дъгата, за последващ 30-месечен период. Запечатаните вакуумни прекъсвачи бяха напълно незасегнати от химическата среда, а твърдата изолация елиминираше всички пътища за повърхностно замърсяване. Общите спестявания на разходи за поддръжка през първите три години надхвърлят премията за капиталовите разходи за модернизация на ШИС.
Как да изберете правилния механизъм за гасене на дъгата за вашето приложение за разпределителни устройства?
Изборът на правилния механизъм за гасене на дъгата изисква съчетаване на типа разпределително устройство със специфичните електрически, екологични, пространствени и регулаторни ограничения на инсталацията. Тук е представен структурираният процес на избор.
Стъпка 1: Определяне на електрическите изисквания
- Напрежение на системата: 12 kV, 24 kV или 40,5 kV - и трите типа разпределителни устройства покриват този диапазон; над 52 kV основната опция е GIS.
- Ниво на неизправност (Ik): Потвърждаване на номиналния ток на късо съединение (16kA / 25kA / 31,5kA / 40kA) - вакуумът и SF6 се справят с пълния диапазон на повреда MV; въздушните дъговидни улеи са ограничени при по-високи нива на повреда
- Честота на превключване: Високочестотното превключване (ежедневни операции) предпочита вакуум (SIS) за минимална ерозия на контакта; рядкото превключване е съвместимо и с трите типа.
- Изисквания за TRV: Превключването на капацитивен ток (кабелни захранвания, кондензаторни батерии) изисква внимателна координация на TRV - вакуумните прекъсвачи изискват потискане на пренапрежението за приложения с капацитивно превключване
Стъпка 2: Разглеждане на условията на околната среда
- Чиста среда на закрито: Подходящи са и трите вида; SIS е предпочитана заради компактните размери
- Вътрешна, замърсена / химическа среда: SIS със запечатани вакуумни прекъсвачи и плътна изолация е ясният избор - елиминира всички пътища за проникване на замърсяване
- На открито / в сурова среда: GIS с херметичен корпус SF6 или SIS с корпус IP65+; AIS изисква допълнителен устойчив на атмосферни влияния корпус
- Инсталация с ограничено пространство: SIS предлага най-малкия отпечатък - до 50% по-малък от еквивалентната AIS; GIS е междинна
- Сеизмична зона: ГИС и ШИС с компактна, твърда конструкция превъзхождат АИС при сеизмични приложения
Стъпка 3: Съвпадение на стандартите и сертификатите
- IEC 62271-200: Разпределителни устройства за средно напрежение с метална обвивка (всички видове)
- IEC 62271-100: Прекъсвачи за променлив ток - ефективност на прекъсване на дъгата
- IEC 62271-1: Общи спецификации за комутационна апаратура за високо напрежение и контролна апаратура
- IEC 62271-203: Разпределителни устройства с метална изолация (специфични за GIS)
- GB/T 11022: Китайски национален стандарт за разпределителни устройства HV
- Вътрешна класификация на дъгата (IAC): Посочете IAC A (достъпен за упълномощен персонал) или IAC B (достъпен за широката публика) съгласно IEC 62271-200
Сценарии на приложение
- Градски вторични подстанции: SIS или GIS за компактни размери и минимална поддръжка при ограничено пространство в подземни или интегрирани в сгради инсталации
- Промишлени предприятия: SIS комутационна апаратура за химически, фармацевтични или хранителни среди, където устойчивостта на замърсяване е от първостепенно значение
- Пренос на електроенергия по мрежата: GIS за 72,5 kV и повече, където ефективността на SF6 при високо напрежение е несравнима
- Възобновяема енергия (слънчева / вятърна): ШИС за разпределителни устройства за събиране на средно напрежение в централи за комунални услуги, изискващи ниска поддръжка за 25-годишен живот на активите
- Морски и офшорни дейности: GIS или SIS с херметично уплътнение за устойчивост на солена мъгла и влажност
Какви са често срещаните повреди при закаляване на дъгата и изискванията за поддръжка?
Пораженията, свързани с гасенето на дъгата, са сред най-разрушителните събития в разпределителните устройства за средно напрежение. Разбирането на специфичните за всяка среда за гасене на дъгата режими на повреда дава възможност за проактивна поддръжка и предотвратява катастрофални вътрешни дъгови повреди.
Контролен списък за инсталиране
- Проверете номиналния капацитет на скъсване - Потвърдете, че номиналният ток на късо съединение на комутационната апаратура съвпада или надвишава предполагаемия ток на повреда в точката на инсталиране.
- Проверка на движението на контактите и подравняването им - Неправилното разстояние между контактите или неправилното подравняване води до непълно изгасване на дъгата и ускорена ерозия; проверете съгласно процедурата за въвеждане в експлоатация на производителя.
- Потвърждаване на налягането на SF6 (GIS) - Проверете дали индикаторът за налягането на газа е в зелената зона преди включване на захранването; налягането под минимума изключва възможността за гасене на дъгата
- Изпитване на целостта на вакуума (SIS) - Преди пускане в експлоатация проведете тест за висока температура на вакуумните прекъсвачи съгласно IEC 62271-100; неизправен вакуумен прекъсвач няма да потуши дъгата.
- Проверка на заземяването и блокировките - Уверете се, че всички заземители и механични блокировки работят правилно преди включване на захранването
- Извършване на тест за IR за предварителна енергизация - Изолационно съпротивление > 1000 MΩ между фазите и фазата-земя
Начини на повреда при гасене на дъгата по тип разпределително устройство
Повреди на AIS (Air Arc Chute):
- Замърсяване на дъговия улей с въглеродни отлагания - увеличава вероятността за повторно поразяване на дъгата
- Ерозия на плочата на сплитера - намалява ефективността на разделяне на дъгата при високи токове на повреда
- Окисляване на дъговия канал - възпрепятства движението на дъгата в улея, което води до изгаряне на контакта
Повреди на GIS (SF6):
- изтичане на газ SF6 под минималното налягане - загуба на способността за гасене на дъгата и изолация
- Навлизане на влага в газа SF6 - образува корозивна HF киселина в условията на дъга, която разрушава вътрешните компоненти.
- Износване на механизма на буфера - намалява скоростта на газовия взрив, като удължава продължителността на дъгата
Повреди на SIS (вакуум):
- Повреда на уплътнението на вакуумния прекъсвач - загубата на вакуум позволява проникването на въздух, превръщайки вакуумната дъга във въздушна с катастрофални резултати.
- Ерозия на контактите отвъд границата на износване - след номиналния брой операции за отстраняване на повредата, контактната междина се увеличава над проектната, което намалява способността за отстраняване на повредата.
- Повреда от пренапрежение - капацитивното превключване на ток без супресори може да генерира пренапрежения, които натоварват изолацията на вакуумния прекъсвач.
График за поддръжка по тип разпределително устройство
| Интервал | AIS | ГИС | SIS |
|---|---|---|---|
| 6 месеца | Визуална проверка на дъговия улей | Проверка на налягането на SF6 | Визуална проверка |
| 1 година | Съпротивление при контакт; IR тест | Анализ на влажността на газа | IR тест; вакуумна тенджера |
| 3 години | Оценка на подмяната на дъговия улей | Пълен газов анализ; проверка на контакта | Измерване на контактната ерозия |
| 5 години | Пълен ремонт; смяна на контактите | Изчерпателна вътрешна проверка | Оценка на вакуумния прекъсвач |
| След повреда | Незабавна проверка на дъговия улей | Газов анализ + вътрешна проверка | Цялост на вакуума + проверка на контактите |
Заключение
Загасяването на дъгата е определящата техническа способност на всяко разпределително устройство - механизмът, който разделя надеждното комутационно устройство с дълъг живот от отговорността, която чака да се повреди. Независимо дали са специфицирани като AIS с въздушни дъгоуловители, GIS с технология на SF6 пуф или SIS с вакуумни прекъсвачи, средата за гасене на дъгата и дизайнът на камерата определят всеки критичен параметър на работа: скорост на изчистване на повредата, дълготрайност на контактите, тежест при поддръжката, съответствие с изискванията за опазване на околната среда и площ на инсталацията.
Съобразете механизма за гасене на дъгата със средата на приложение, нивото на неизправност и възможностите за поддръжка - защото при разпределителните устройства за средно напрежение дъгата, която не можете да контролирате, контролира вас.
Често задавани въпроси за механизма за гасене на дъгата в комутационните апарати
В: Защо газът SF6 осигурява по-добри резултати при гасене на дъгата в сравнение с въздуха в разпределителните устройства за средно напрежение?
A: SF6 има 2,5 пъти по-висока диелектрична якост от въздуха и изключителна електроотрицателност, която улавя свободните електрони на дъгата, като постига угасване за по-малко от един цикъл на тока с диелектрично възстановяване 100 пъти по-бързо от въздуха, което свежда до минимум риска от повторен удар при TRV.
Въпрос: Как вакуумните прекъсвачи гасят дъги без газова среда в SIS разпределителни устройства?
A: Във вакуум дъгата се образува като плазма от метални пари в резултат на контактно изпарение. Без газови молекули, които да поддържат йонизацията, плазмата се разпространява мигновено при нулев ток, кондензира върху контактните повърхности и възстановява пълната диелектрична якост в рамките на микросекунди.
Въпрос: Какъв е максималният ток на повреда, който механизмите за гасене на дъгата в разпределителните устройства за средно напрежение могат да прекъснат?
A: Съвременните системи за гасене на дъгата в разпределителните устройства GIS и SIS се справят с до 40kA симетричен ток на късо съединение съгласно IEC 62271-100. Конструкциите на дъгогасителите AIS обикновено са с номинален ток до 25kA за стандартни приложения за разпределение на средно напрежение.
Въпрос: Как повредата в гасенето на дъгата в разпределителните устройства води до вътрешна дъгова повреда?
A: При неуспешно гасене на дъгата в контактната междина остават йонизиран газ и проводящи въглеродни отлагания, което позволява повторно задействане на дъгата след нулев ток. Продължителната дъга в затворен панел на разпределително устройство генерира екстремно налягане и температура, като предизвиква вътрешна дъгова повреда - най-разрушителният начин на повреда на разпределително устройство.
Въпрос: Какво е въздействието върху околната среда на дъгогасенето с SF6 в разпределителните устройства на ГИС и какви са алтернативите?
A: SF6 има потенциал за глобално затопляне от 23 500× CO₂ за 100 години. Алтернативите включват вакуумни прекъсвачи в разпределителните устройства SIS (нула парникови газове) и нови технологии за чист въздух или газ g³ за GIS, които все по-често се посочват в проекти със строги изисквания за съответствие с изискванията за опазване на околната среда.
-
“Електрическа дъга”,
https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_arc. Този източник подкрепя общия температурен диапазон и физическото поведение на електрическите дъги. Evidence role: general_support; Source type: research. Подкрепя: твърдение за температурата на дъгата и образуването на плазма. ↩ -
“Диелектрична якост”,
https://en.wikipedia.org/wiki/Dielectric_strength. Този източник подкрепя определението за диелектрична якост като способността на изолационен материал или междина да издържа на електрическо напрежение. Evidence role: general_support; Source type: research. Подкрепя: твърдение за целостта на изолацията и диелектричната якост. ↩ -
“Напрежение на преходно възстановяване”,
https://en.wikipedia.org/wiki/Transient_recovery_voltage. Този източник подкрепя обяснението на напрежението, което се появява по контактите на комутационните устройства след прекъсване на тока. Роля на доказателството: механизъм; Тип източник: изследване. Подкрепя: Определяне на TRV след изгасване на дъгата. ↩ -
“IEC 62271-100:2021”,
https://webstore.iec.ch/en/publication/62785. Този източник поддържа стандартната референция за прекъсвачи за високоволтови прекъсвачи за променлив ток. Evidence role: general_support; Source type: standard. Подкрепя: IEC 62271-100 референтен документ за прекъсвачи и контекст на TRV. ↩ -
“Основи на серния хексафлуорид (SF6)”,
https://www.epa.gov/eps-partnership/sulfur-hexafluoride-sf6-basics. Този източник потвърждава свойствата и значението за околната среда на SF6, използван в електрическото оборудване. Evidence role: general_support; Source type: government. Подкрепя: Използване на газ SF6 и контекст на въздействието върху околната среда. ↩
