Вакуумні та елегазові (SF6) вимикачі — принцип гасіння дуги, і чому SF6 виводять з обігу

Гід із MCCB проти автомата описує технологію низьковольтних вимикачів. Ця стаття присвячена питанню, яке здебільшого виникає на рівні середньої напруги, де на ринку домінують два принципово різні середовища гасіння дуги: вакуум і SF6 (елегаз, гексафторид сірки) — і чому другий із них зараз активно виводиться з обігу.

Як вакуумний вимикач гасить дугу

Усередині вакуумного вимикача контакти розходяться всередині герметизованої колби, відкачаної до дуже низького тиску (зазвичай нижче 10⁻⁴ Па). Розведення контактів під навантаженням спочатку все ж викликає дугу — підтримувану парою металу, що випаровується з самих контактних поверхонь, а не будь-яким газом — але оскільки газу, здатного продовжувати іонізувати й підтримувати цей дуговий стовп, практично немає, пара металу конденсується назад на контакти й навколишній екран надзвичайно швидко, щойно струм проходить через природний перехід через нуль. Спеціальні контактні матеріали (зазвичай мідь-хром, CuCr) застосовуються саме тому, що дають гарний баланс між низькою ерозією контактів і швидкою, чистою деіонізацією при нулі струму. Вакуумні вимикачі — домінуюча технологія для розподільчих пристроїв середньої напруги приблизно до 38-40,5 кВ і дедалі частіше застосовуються вище.

Як елегазовий (SF6) вимикач гасить дугу

SF6 — важкий, хімічно стабільний, електрично електронегативний газ: його молекули легко захоплюють вільні електрони з дугової плазми, утворюючи більші, набагато менш рухливі негативні іони, що різко знижує провідність дуги в міру наближення струму до нуля. У поєднанні з високою електричною міцністю (у кілька разів вищою, ніж у повітря за того самого тиску), це дає елегазовим вимикачам відмінні відключальні характеристики та компактні розміри в дуже широкому діапазоні — від середньої напруги до найвищих напруг передачі (у деяких конструкціях понад 800 кВ), що пояснює, чому SF6 став домінуючою технологією на вищих рівнях напруги, де вакуумні вимикачі застосовуються рідше.

Чому SF6 виводять з обігу попри його технічні характеристики

Технічні якості SF6 не піддаються сумніву — проблема екологічна. SF6 має потенціал глобального потепління (GWP) приблизно в 23 500 разів вищий, ніж у CO₂, за горизонт у 100 років, і атмосферний термін життя, який вимірюється тисячами років, що робить його одним із найпотужніших парникових газів, регульованих законодавством ЄС. Переглянутий Регламент ЄС щодо F-газів встановлює поетапну заборону на нові розподільчі пристрої з ізоляцією SF6, поступово починаючи з обладнання середньої напруги, перш ніж досягти вищих класів напруги пізніше за графіком поетапної відмови. Для всіх, хто специфікує чи замінює розподільчі пристрої, це означає, що вибір середовища гасіння/ізоляції для нового обладнання більше не є суто технічним чи ціновим завданням — це також питання відповідності регуляторним вимогам, прив'язане до дати встановлення.

Практичні альтернативи

• Вакуумне відключення залишається незачепленим поетапною відмовою від F-газів (воно взагалі не використовує фторований газ) і вже є вибором за замовчуванням для нових розподільчих пристроїв середньої напруги на більшості рівнів напруги розподілу.
• Газові суміші з низьким/нульовим GWP — це альтернатива, що розвивається там, де досі надають перевагу газоізольованій конструкції (заради компактності або для рівнів напруги, де вакуум менш усталений): суміші, такі як AirPlus (сухе повітря з невеликою домішкою фторнітрилу) і g³ (суміш фторкетону/CO₂/O₂), виводяться на ринок із GWP нижче 1, що становить малу частку від GWP SF6, зберігаючи водночас прийнятні діелектричні та відключальні характеристики для конструкцій розподільчих пристроїв, побудованих під них.
• Конструкції на чистому повітрі або на основі CO₂, взагалі без будь-якого фторованого компонента, також з'являються для деяких застосувань, як пряма реакція на кінцевий рух регламенту до повної заборони фторовмісних газів на рівні середньої напруги.

Практична значущість

Під час специфікації замінних розподільчих пристроїв середньої напруги, або під час оцінювання наявної установки з ізоляцією SF6 для майбутнього обслуговування та планування кінця терміну служби, важливо, яка технологія встановлюється чи зберігається: наявне обладнання з SF6 не забороняється негайно для подальшого використання, але нові установки дедалі більше обмежуються за датою та класом напруги згідно з Регламентом щодо F-газів, а поводження з SF6 під час обслуговування, перевірки на витоки та рекуперації газу наприкінці терміну служби вже несе специфічні регуляторні зобов'язання, незалежно від графіка поетапної відмови.

Часті помилки

1. Припущення, що вакуумні та елегазові вимикачі — взаємозамінні технології, які відрізняються лише за вартістю — принцип гасіння дуги, типовий діапазон напруг і тепер також регуляторний статус суттєво різняться.
2. Ігнорування графіка поетапної відмови Регламенту щодо F-газів під час планування нової установки розподільчого пристрою середньої напруги, що призводить до проєктного рішення, яке відповідає вимогам сьогодні, але не на весь термін служби обладнання.
3. Ставлення до газової суміші з низьким GWP (AirPlus, g³) як до функціонально ідентичної SF6 без перевірки конкретної конструкції розподільчого пристрою, під яку вона кваліфікована — ці суміші не є простою заміною газу для наявного обладнання з SF6.
4. Нехтування процедурами поводження з SF6 (перевірка на витоки, обладнання для рекуперації, облікові записи) на наявних установках у припущенні, що поетапна відмова стосується лише нового обладнання.

Пов'язані матеріали

• Вимикач — MCCB проти автомата
• Вимірювання перехідного опору контактів (мікроомметр) вимикачів — обслуговування
• Первинні/вторинні ін'єкційні випробування вимикачів
• Розділення форм 1-4b для НН розподільчих пристроїв (IEC 61439-2)