Вакуумные и элегазовые (SF6) выключатели — принцип гашения дуги, и почему SF6 выводится из обращения

Гид по MCCB против автомата описывает технологию низковольтных выключателей. Эта статья посвящена вопросу, который в основном возникает на уровне среднего напряжения, где на рынке доминируют две принципиально разные дугогасящие среды: вакуум и SF6 (элегаз, гексафторид серы) — и почему второй из них сейчас активно выводится из обращения.

Как вакуумный выключатель гасит дугу

Внутри вакуумного выключателя контакты расходятся внутри герметизированной колбы, откачанной до очень низкого давления (обычно ниже 10⁻⁴ Па). Разведение контактов под нагрузкой изначально всё же вызывает дугу — поддерживаемую парами металла, испаряющимися с самих контактных поверхностей, а не каким-либо газом — но поскольку газа, способного продолжать ионизировать и поддерживать этот дуговой столб, практически нет, пары металла конденсируются обратно на контакты и окружающий экран чрезвычайно быстро, как только ток проходит через естественный переход через ноль. Специальные контактные материалы (обычно медь-хром, CuCr) применяются именно потому, что дают хороший баланс между низкой эрозией контактов и быстрой, чистой деионизацией при нуле тока. Вакуумные выключатели — доминирующая технология для распределительных устройств среднего напряжения примерно до 38-40,5 кВ и всё чаще применяются выше.

Как элегазовый (SF6) выключатель гасит дугу

SF6 — тяжёлый, химически стабильный, электрически электроотрицательный газ: его молекулы легко захватывают свободные электроны из дугового плазмы, образуя более крупные, гораздо менее подвижные отрицательные ионы, что резко снижает проводимость дуги по мере приближения тока к нулю. В сочетании с высокой электрической прочностью (в несколько раз выше, чем у воздуха при том же давлении), это даёт элегазовым выключателям превосходные отключающие характеристики и компактные размеры в очень широком диапазоне — от среднего напряжения до самых высоких напряжений передачи (в некоторых конструкциях свыше 800 кВ), что объясняет, почему SF6 стал доминирующей технологией на более высоких уровнях напряжения, где вакуумные выключатели применяются реже.

Почему SF6 выводится из обращения несмотря на его технические характеристики

Технические качества SF6 не подвергаются сомнению — проблема экологическая. SF6 имеет потенциал глобального потепления (GWP) примерно в 23 500 раз выше, чем у CO₂, за горизонт в 100 лет, и атмосферный срок жизни, измеряемый тысячами лет, что делает его одним из самых мощных парниковых газов, регулируемых законодательством ЕС. Пересмотренный Регламент ЕС по F-газам устанавливает поэтапный запрет на новые распределительные устройства с изоляцией SF6, постепенно начиная с оборудования среднего напряжения, прежде чем достичь более высоких классов напряжения позднее по графику поэтапного отказа. Для всех, кто специфицирует или заменяет распределительные устройства, это означает, что выбор дугогасящей/изолирующей среды для нового оборудования больше не является чисто технической или ценовой задачей — это также вопрос соответствия регуляторным требованиям, привязанный к дате установки.

Практические альтернативы

• Вакуумное отключение остаётся незатронутым поэтапным отказом от F-газов (оно вообще не использует фторированный газ) и уже является выбором по умолчанию для новых распределительных устройств среднего напряжения на большинстве уровней напряжения распределения.
• Газовые смеси с низким/нулевым GWP — развивающаяся альтернатива там, где по-прежнему предпочтительна газоизолированная конструкция (ради компактности или для уровней напряжения, где вакуум менее устоявшийся): смеси, такие как AirPlus (сухой воздух с небольшой примесью фторнитрила) и g³ (смесь фторкетона/CO₂/O₂), выпускаются на рынок с GWP ниже 1, что составляет малую долю от GWP SF6, сохраняя при этом приемлемые диэлектрические и отключающие характеристики для конструкций распределительных устройств, построенных под них.
• Конструкции на чистом воздухе или на основе CO₂, вообще без какого-либо фторированного компонента, также появляются для некоторых применений, как прямая реакция на итоговое движение регламента к полному запрету фторсодержащих газов на уровне среднего напряжения.

Практическая значимость

При спецификации заменяемых распределительных устройств среднего напряжения, или при оценке существующей установки с изоляцией SF6 для будущего обслуживания и планирования конца срока службы, важно, какая технология устанавливается или сохраняется: существующее оборудование с SF6 не запрещается немедленно для дальнейшего использования, но новые установки всё сильнее ограничиваются по дате и классу напряжения согласно Регламенту по F-газам, а обращение с SF6 при обслуживании, проверке на утечки и рекуперации газа в конце срока службы уже несёт специфические регуляторные обязательства, независимо от графика поэтапного отказа.

Частые ошибки

1. Предположение, что вакуумные и элегазовые выключатели — взаимозаменяемые технологии, различающиеся только по стоимости — принцип гашения дуги, типичный диапазон напряжений и теперь также регуляторный статус существенно различаются.
2. Игнорирование графика поэтапного отказа Регламента по F-газам при планировании новой установки распределительного устройства среднего напряжения, что приводит к проектному решению, соответствующему требованиям сегодня, но не на весь срок службы оборудования.
3. Отношение к газовой смеси с низким GWP (AirPlus, g³) как функционально идентичной SF6 без проверки конкретной конструкции распределительного устройства, под которую она квалифицирована — эти смеси не являются простой заменой газа для существующего оборудования с SF6.
4. Пренебрежение процедурами обращения с SF6 (проверка на утечки, оборудование для рекуперации, учётные записи) на существующих установках в предположении, что поэтапный отказ касается только нового оборудования.

Связанные материалы

• Выключатель — MCCB против автомата
• Измерение переходного сопротивления контактов (микроомметр) выключателей — обслуживание
• Первичные/вторичные инжекционные испытания выключателей
• Разделение форм 1-4b для НН распредустройств (IEC 61439-2)