В поисках наилучших сред для гашения дуги, возникающей при коммутациях между контактами коммутационных аппаратов, энергетики в 1970-х пришли к парадоксу — вместо того, чтобы бесконечно совершенствовать среду дугогашения, почему бы не избавиться от нее вовсе? Прикладные изыскания в области гашения электрической дуги в условиях вакуума быстро переросли в производство. Вакуумные выключатели конструкционно оказались проще и надежнее своих маломасляных и прочих собратьев. И это при том, что по ряду характеристик вакуумные коммутационные аппараты превосходят другие типы выключателей на порядок!
Простейшая ВДК представляет собой керамический цилиндр, закрытый с торцов металлическими фланцами. Неподвижный торцевой контакт соединен с одним фланцем, подвижный посредством сильфона — с другим. При расхождении контактов единственной проводящей средой для появления дуги является мостик из испаряющегося с поверхности контактов металла. Так и горит дуга в среде паров металла до первого перехода тока через ноль. При переходе через ноль дуга гаснет. Малая плотность паров металла в вакууме обуславливает исключительно высокую скорость диффузии зарядов погасшей дуги. Уже через 10 мкс после прохождения тока через ноль между контактами восстанавливается электрическая прочность вакуума, которая достигает 100 МВт/м. Таким образом, вакуумный выключатель при всей своей простоте отлично работает при высоких скоростях восстановления напряжения и успешно используется при отключении емкостной нагрузки.
Опытные образцы вакуумных выключателей появились еще в конце 1970-х годов. Однако ряд существенных недостатков конструкции существенно замедлил внедрение новых аппаратов. Состав материала контактов первых вакуумных камер не обеспечивал быстрой конденсации плазмы паров металла в камере, вследствие чего существовала высокая вероятность повторного зажигания дуги с сопутствующей эскалацией напряжения при отключении неразвернутых или заторможенных электродвигателей. Появление надежных современных нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) сняло актуальность этой и без того редкой ситуации. Но, единожды проявившись, ситуация, естественно, породила недоверие к новой технике со стороны электротехников, публики априори очень консервативной.
Второй причиной недовольства эксплуатационщиков стали перенапряжения, вызываемые большим срезом тока в первых сериях вакуумных выключателей при отключении индуктивной нагрузки. В этих моделях в контактах применялся вольфрам. Преимущество тугоплавкости этого металла и малая истираемость контактов нивелировались высоким контактным сопротивлением и быстрым спаданием плотности паров металла при подходе тока к нулю. Возникал срез тока и, соответственно, перенапряжение на индуктивную нагрузку. Проблему удалось решить применением сплавов на основе меди, легированной добавками, например хромом. Сегодня кратность перенапряжения, вызываемого при коммутировании вакуумными выключателями не больше кратности других типов аппаратов.
Проблема перенапряжений уже давно решена, но еще довольно долго за ней тянулся шлейф, вызванный с одной стороны консерватизмом электротехники, с другой стороны искусственно подогреваемый производителями элегазовой аппаратуры, примерно в одно время с «вакуумщиками» начавшими атаку на рынок. В течение продолжительного времени производители вакуумных выключателей находились в положении обороняющейся стороны. Впрочем, похоже, это время уже миновало и вакуумные выключатели безраздельно правят на напряжениях 6-10 кВ. Последние годы и сегмент 35 кВ перешел под контроль «вакуумщиков». Сегодня дискуссия переместилась в сегмент генераторных выключателей. При этом сторонники применения элегазовых генераторных комплексов вновь аппелируют к возможности перенапряжений при коммутировании цепи генератора вакуумными выключателями.
Очевидно, что ограничение по мощности отключения на современном этапе (читай «для современных ВДК») лимитирует применение вакуумных выключателей [с одним разрывом на полюс] на генераторном напряжении. Сегодня технически оправдано создание выключателя 10 кВ, на номинальный ток 4000-5000 А и номинальный ток отключения до 63 кА. Собственно, такой выключатель уже создан и производится на «Нижнетуринском электроаппаратном заводе», входящим в российско-украинский холдинг «Высоковольтный союз». Он прошел испытания по ГОСТ 687-78 и поставляется заказчикам, как в качестве нового выключателя (генераторного или вводного), так и на замену отработавших свой ресурс маломасляных генераторных выключателей МГГ-10.
Главным параметром, влияющим на надежность отключения вакуумным аппаратом, является начальная скорость восстановления электрической прочности межконтактного промежутка ВДК после погасания дуги промышленной частоты. Производитель ВДК, применяемых в выключателях ВГГ-10, фирма «Siemens», гарантирует 4,8 кВ/мкс. При таких величинах повторных зажиганий дуги, а следовательно и эскалации напряжения не будет. Кроме того, не будем забывать о применении нелинейных ограничителей перенапряжений. Допустимый уровень перенапряжения в цепи генератора определяется испытательным напряжением, нормируемым ГОСТ 1516.1 и составляет 4,5 Uф. В то же время ОПН ограничивает коэффициент возможного перенапряжения в пределах 2,5-3,4. Кроме того, установка у блочного трансформатора конденсаторов снижает величину перенапряжений и ограничивает скорость восстановления напряжения на контактах ВДК, что обеспечивает надежное гашение дуги выключателем.
Таким образом, нет никаких предпосылок «обвинять» вакуумные выключатели в неспособности надежно коммутировать генераторные цепи. Некорректными представляются также предложения сначала провести всесторонние исследования и лишь потом допустить вакуумные генераторные аппараты в эксплуатацию. Современные вакуумные генераторные выключатели по своим характеристикам не уступают элегазовым, а по ряду характеристик и превосходят их. И если стоимость аппарата в соотношении со стоимостью генератора не играет особой роли, то повышенный коммутационный ресурс, как механический, так и под нагрузкой, является весомым фактором «за» применение вакуумных аппаратов, в особенности в цепях энергоблоков ГЭС и ГАЭС.
Вадим ЧЕРНЫЙ.
