Элегазовый выключатель¶

Элегазовый выключатель — это коммутационный аппарат высокого напряжения, предназначенный для включения и отключения электрических цепей в нормальных и аварийных режимах работы, в котором дугогасящей средой и основной изоляцией служит элегаз (гексафторид серы, SF₆). Относится к классу высоковольтных выключателей и является одним из наиболее распространённых типов коммутационного оборудования в энергосистемах напряжением от 6 кВ до 1150 кВ.

¶История

Разработка элегазовых выключателей началась в 1930-х годах после открытия уникальных свойств гексафторида серы. В 1938 году американский химик Ф. Дж. Меттлер впервые синтезировал чистый элегаз. Практическое применение в электротехнике началось в 1950-х годах, когда компания Westinghouse Electric Corporation (США) создала первый опытный образец выключателя на 15 кВ.

В СССР первые элегазовые выключатели были разработаны в 1970-х годах во Всесоюзном электротехническом институте имени В. И. Ленина (ВЭИ). Серийное производство в России началось в 1980-х годах на заводе «Уралэлектротяжмаш» (г. Екатеринбург). К 1990-м годам элегазовые выключатели практически вытеснили масляные и воздушные выключатели в классах напряжения 110 кВ и выше благодаря своей надёжности и компактности.

¶Физические основы работы

Элегаз (SF₆) — это бесцветный, нетоксичный, негорючий газ, который в 5 раз тяжелее воздуха. Его ключевые свойства, определяющие применение в выключателях:

• Высокая электрическая прочность — в 2,5–3 раза выше, чем у воздуха при одинаковом давлении.
• Высокая дугогасящая способность — при горении электрической дуги молекулы SF₆ распадаются на атомы серы и фтора, которые быстро рекомбинируют, отбирая энергию из дуги.
• Химическая инертность — элегаз не вступает в реакцию с материалами выключателя при нормальных температурах.
• Теплопроводность — в 1,5 раза выше, чем у воздуха, что улучшает охлаждение контактов.

Принцип гашения дуги основан на автокомпрессионном эффекте: при расхождении контактов газ сжимается поршнем, создаётся мощный поток элегаза, который обдувает дугу, охлаждает её и восстанавливает электрическую прочность межконтактного промежутка.

¶Устройство и конструкция

Основные элементы элегазового выключателя:

1. Дутьёвое устройство — включает подвижный и неподвижный контакты, сопло и поршень. При размыкании контактов поршень сжимает элегаз, направляя его в зону дуги.
2. Полюс — герметичный корпус, заполненный элегазом под давлением 0,4–0,7 МПа. Внутри размещены контакты и дутьёвое устройство.
3. Изоляционная колонна — обеспечивает изоляцию токоведущих частей от заземлённого корпуса. Выполняется из фарфора или полимерных материалов.
4. Привод — механизм, обеспечивающий перемещение контактов. Бывает пружинным, пневматическим или гидравлическим.
5. Газовый монитор — датчик плотности элегаза, контролирующий утечки и давление.

Конструктивно элегазовые выключатели делятся на два типа:

• Баковые — полюсы расположены в общем баке, заполненном элегазом. Применяются для напряжений 110–220 кВ.
• Колонковые — каждый полюс выполнен в отдельной колонне. Используются для напряжений 330 кВ и выше.

¶Классификация

Элегазовые выключатели классифицируются по нескольким признакам:

¶По номинальному напряжению

• Среднего напряжения (6–35 кВ) — применяются в распределительных устройствах промышленных предприятий.
• Высокого напряжения (110–220 кВ) — основные на подстанциях магистральных сетей.
• Сверхвысокого напряжения (330–750 кВ) — для межсистемных связей.
• Ультравысокого напряжения (1150 кВ) — экспериментальные образцы, не получившие широкого распространения.

¶По способу гашения дуги

• Автокомпрессионные — используют сжатие газа поршнем.
• Термокомпрессионные — используют нагрев газа дугой для создания давления.
• Комбинированные — сочетают оба принципа.

¶По типу привода

• Пружинные — наиболее распространены для напряжений до 220 кВ.
• Пневматические — используются для мощных выключателей 330 кВ и выше.
• Гидравлические — применяются в особо ответственных узлах.

¶Применение

Элегазовые выключатели используются в следующих областях:

• Электростанции — на генераторных и распределительных устройствах тепловых, атомных и гидроэлектростанций.
• Подстанции — в качестве вводных, секционных и линейных выключателей.
• Промышленные предприятия — в системах электроснабжения металлургических, химических и нефтеперерабатывающих заводов.
• Электрические сети — в распределительных устройствах напряжением 6–35 кВ в городах и на промышленных объектах.
• Тяговые подстанции — для электрификации железных дорог.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

• Высокая отключающая способность (до 63 кА и более).
• Малое время отключения (2–3 полупериода промышленной частоты, 40–60 мс).
• Компактность — в 2–3 раза меньше масляных выключателей той же мощности.
• Пожаробезопасность — элегаз негорюч.
• Низкий уровень шума при работе.
• Длительный межремонтный период (до 10–15 лет).
• Возможность работы в условиях загрязнённой атмосферы.

¶Недостатки

• Высокая стоимость элегаза и оборудования для его заправки.
• Необходимость контроля утечек — элегаз является парниковым газом (потенциал глобального потепления в 23 500 раз выше, чем у CO₂).
• Сложность ремонта — требует специального оборудования для откачки и очистки газа.
• Ограниченная работоспособность при низких температурах (ниже −40 °C) — элегаз может переходить в жидкое состояние.
• Токсичность продуктов разложения элегаза при горении дуги (фториды, сульфиды) — требуют специальных мер безопасности.

¶Производство в России и мире

В России основными производителями элегазовых выключателей являются:

• ООО «Электроаппарат» (г. Санкт-Петербург) — выпускает выключатели серии ВГБ-35, ВГБ-110.
• АО «Уралэлектротяжмаш» (г. Екатеринбург) — производит выключатели серии ВЭБ-110, ВЭБ-220.
• ЗАО «ЗЭТО» (г. Великие Луки) — выпускает выключатели серии ВГТ-110, ВГТ-220.
• ООО «Сименс Энергетика» (г. Санкт-Петербург) — совместное предприятие с немецкой компанией Siemens.

В мире крупнейшими производителями являются ABB (Швеция-Швейцария), Siemens (Германия), General Electric (США), Mitsubishi Electric (Япония), Schneider Electric (Франция).

¶Экологические аспекты

Элегаз признан одним из наиболее мощных парниковых газов. В соответствии с Киотским протоколом (1997) и Парижским соглашением (2015) страны-участницы обязаны ограничивать выбросы SF₆. В Европейском союзе с 2020 года введён запрет на использование элегаза в новых распределительных устройствах среднего напряжения (до 52 кВ). Разрабатываются альтернативные газы: смеси на основе фторкетонов (например, 3M Novec 4710) и фторнитрилов (например, 3M Novec 5110), которые имеют значительно меньший парниковый потенциал.

В России регулирование выбросов элегаза осуществляется в рамках Федерального закона «Об охране окружающей среды» (2002) и постановлений Правительства РФ о сокращении выбросов парниковых газов. На предприятиях энергетики внедряются системы рециклинга элегаза и замены его на альтернативные смеси.

¶Источники

1. Бургсдорф В. В., Якобс А. И. Элегазовые выключатели. — М.: Энергоатомиздат, 1987.
2. ГОСТ Р 52565-2006. Выключатели переменного тока на напряжение от 3 до 1150 кВ. Общие технические условия.
3. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). 7-е издание. — М.: Издательство НЦ ЭНАС, 2003.
4. Каталог продукции ООО «Электроаппарат» (Санкт-Петербург), 2022.
5. Техническая документация АО «Уралэлектротяжмаш» (Екатеринбург), 2021.
6. Доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) «Парниковые газы и их источники», 2021.