Что такое выключатель нагрузки SF6 (LBS)? Окончательное техническое руководство

1. Введение: Дилемма LBS против VCB в проектировании сетей

Инженеры, рассматривающие однолинейную схему (SLD) для проекта вторичного распределения, постоянно сталкиваются с необходимостью принятия решения: Где проходит грань между выключателем нагрузки (LBS) и вакуумным выключателем (VCB)?

Визуально они часто выглядят одинаково в расписании панелей, обычно располагаясь рядом с другими компоненты распределительного устройства. Однако неправильное применение в данном случае является не просто семантической ошибкой, а серьезным риском. Чрезмерная спецификация VCB приводит к неоправданному увеличению затрат на проект (часто на 300%), а недостаточная спецификация LBS в роли устройства устранения неисправностей ставит под угрозу соблюдение требований безопасности и может привести к катастрофическому сбою.

Это различие является основополагающим для распределения среднего напряжения (СН):

• The Вакуумный выключатель (VCB) это ваша сетка механизм защиты—предназначен для прерывания массивных короткозамкнутых неисправностей (например, 20 кА, 31,5 кА).
• The Размыкатель нагрузки SF6 является инструмент управления сеткой—разработан для направления токов нагрузки, изоляции участков сети для технического обслуживания и обеспечения видимого разделения.

В этой статье выходит за рамки базовых определений и исследует инженерную реальность SF6 LBS: его внутреннюю физику, почему он остается стандартом для кольцевых главных блоков (RMU) и как правильно применять его в условиях МЭК 62271 стандарты.

2. Определение выключателя с SF6 (IEC 62271-103)

А Выключатель нагрузки SF6 — это механическое переключающее устройство, способное замыкать, проводить и размыкать ток в нормальных условиях работы цепи. Важно отметить, что строго определено МЭК 62271-103, он также должен быть способен изготовление безопасно при коротком замыкании (замыкании на неисправность), даже если это невозможно перерыв эта вина.

Инженерная реальность “разгрузки нагрузки”

Терминология часто сбивает с толку молодых инженеров. Давайте разберемся с тремя основными возможностями:

1. Отключение нагрузки (номинальный ток): Он должен безопасно прерывать номинальный ток (например, 630 А при 24 кВ). Размыкание индуктивной нагрузки создает мощную дугу. Без активного гасящего вещества, такого как SF6, эта дуга соединила бы контакты, поддерживая ток и разрушая выключатель.
2. Создание неисправностей (создание короткого замыкания): Это критический показатель безопасности. Если оператор случайно закроет выключатель на закороченном кабеле, выключатель не должен взрываться. Он должен удерживать огромные электромагнитные силы и тепловую энергию неисправности (например, пиковый ток 50 кА) в течение времени, достаточного для срабатывания защиты выше по цепи.
3. Изоляция (диэлектрический зазор): В открытом положении он должен обеспечивать диэлектрический зазор, достаточный для обеспечения безопасности персонала, работающего ниже по цепи, с соблюдением требований к импульсной выдерживаемой напряжению (BIL).

Жесткий лимит: это не предел

Очень важно понимать механические ограничения: LBS не может прервать короткое замыкание. Скорость контакта и энергия гашения дуги недостаточны для работы с килоамперами в случае неисправности. Попытка открыть LBS во время неисправности приведет к тепловому разгону и взрыву коммутационного аппарата.

Поэтому блоки LBS в трансформаторных фидерах всегда работают в паре с Предохранители HRC. Предохранители обеспечивают устранение неисправностей, а выключатель выполняет ручные операции.

Внешняя ссылка: Для более подробного ознакомления с определениями распределительных устройств см. IEC Electropedia (Международный электротехнический словарь) для стандартной терминологии по “Выключателям-разъединителям”.

3. Физика SF6: почему он доминировал в течение 40 лет

Почему мы все еще полагаемся на Гексафторид серы (SF6) несмотря на интенсивный экологический контроль? Потому что с физической точки зрения он практически не имеет себе равных в качестве среды для прерывания тока в компактных распределительных устройствах по сравнению с воздухом или маслом.

1. Электроотрицательность и привязка электронов

SF6 является “электроотрицательным” газом. Это означает, что его молекулы обладают высокой аффинностью к свободным электронам. Когда образуется дуга (которая по сути является потоком электронов), молекулы SF6 захватывают эти свободные электроны, образуя тяжелые отрицательные ионы:

SF₆ + e^– → SF₆^–

Эти тяжелые ионы гораздо менее подвижны, чем свободные электроны, что резко снижает проводимость дуговой плазмы. Этот процесс фактически “лишает” дугу ее проводящего пути.

2. Теплопроводность при высоких температурах

SF6 обладает уникальным свойством: его теплопроводность резко возрастает при температурах распада дуги (около 2000–3000 К). Это позволяет ему отводить тепло от зоны контакта гораздо эффективнее, чем воздух. Такое быстрое охлаждение необходимо для Диэлектрическое восстановление—обеспечение того, что когда переменный ток достигает “нуля”, зазор восстанавливает свою изоляционную прочность быстрее, чем напряжение может подняться по нему (переходное восстановительное напряжение).

3. Химическая рекомбинация

В отличие от масла, которое разлагается на углеродный шлам, или воздуха, который образует озон, газ SF6 рекомбинирует после погашения дуги.

SF₆ ↔ S + 6F

После охлаждения дуги атомы серы и фтора вновь объединяются в стабильный SF6. Это свойство “самовосстановления” позволяет герметичному LBS работать более 20 лет без пополнения газа.

4. Логика проектирования: почему RMU полагаются на LBS

Если Вакуумный выключатель (VCB) могут обрабатывать как нагрузки, так и неисправности, почему бы не использовать их повсеместно? Ответ кроется в топологии сети и эффективности капитальных затрат (CAPEX).

Аргумент о кольцевой топологии

Вторичное распределение обычно использует кольцевую структуру для обеспечения избыточности. В стандартном кольцевом главном блоке (RMU) может быть конфигурация “CCF”: два кабельных выключателя и один предохранительный выключатель.

• Кабельные переключатели (C-модуль): Они соединяют RMU с основным кольцом среднего напряжения. Неисправности в этом основном кольце являются событиями с высокой энергией, которые обрабатываются реле первичной подстанции. Локальный RMU не должен прерывать эти неисправности кольца; он должен только изолировать секцию. после подстанция отключилась или произошло переключение нагрузки во время технического обслуживания. LBS отлично справляется с этой функцией при стоимости 30% от стоимости VCB.
• Трансформаторный питатель (модуль F): Это защищает локальный Распределительный трансформатор (например, 500 кВА). Специализированная комбинация LBS-Fuse в данном случае гораздо более экономична, чем полноценный выключатель, обеспечивая достаточную защиту от ограниченных токов короткого замыкания, наблюдаемых на клеммах трансформатора.

Преимущество Footprint

Пространство является валютой в городской инфраструктуре. Стандартная сборка VCB требует громоздких рабочих механизмов (пружинных зарядных двигателей) и вакуумных бутылок.

SF6 LBS использует высокую диэлектрическую прочность газа (в 2,5 раза выше, чем у воздуха), что позволяет минимизировать межфазные зазоры. Это дает возможность создавать компактные конструкции. Газоизолированное распределительное устройство (GIS) которые могут поместиться в узких подстанциях на тротуарах или башнях ветряных турбин — местах, где традиционные воздушные распределительные устройства просто не поместятся.

5. Механика работы: пуффер против вращающейся дуги

Как выключатель фактически гасит дугу? Дело не только в размыкании контактов, но и в динамике жидкости внутри газового резервуара.

Техника A: Тип «пуффер» (стандартный)

Это наиболее распространенная механическая конструкция для размыкания под нагрузкой.

1. Сжатие: При отпускании рабочей пружины поршень, прикрепленный к подвижному контакту, сжимает газ SF6 внутри небольшого цилиндра.
2. Выпуск: В тот момент, когда контакты размыкаются и образуется дуга, сопло направляет сжатый газ в осевом направлении вдоль столба дуги.
3. Вымирание: Высокоскоростной поток газа удлиняет дугу и быстро охлаждает ее, деионизируя зазор до того, как напряжение может восстановиться.

Метод B: Принцип вращающейся дуги

Используемый в более тяжелых условиях эксплуатации или в определенных марках (например, в старых моделях Schneider Electric), этот метод использует энергию самой дуги.

1. Магнитное поле: Ток, протекающий через переключатель, проходит через катушку, генерируя магнитное поле.
2. Сила Лоренца: Это магнитное поле оказывает силу на дуговую плазму (которая проводит ток), заставляя дугу быстро вращаться по кругу в статическом газе SF6.
3. Охлаждение: Он действует как “мешалка”, заставляя дугу постоянно перемещаться в свежий, холодный газ. Чем выше ток замыкания, тем быстрее вращение, что делает его самоадаптивным методом гашения.

6. Стандарт с тремя положениями: ВКЛ – ВЫКЛ – ЗАЗЕМЛЕНИЕ

Современные стандарты безопасности (IEC 62271-200) фактически предписывают Трехпозиционный разъединитель в газоизолированных распределительных устройствах. Это заменяет старый подход, при котором для изоляции и заземления использовались отдельные выключатели, что в значительной степени зависело от сложных ключевых блокировок для предотвращения ошибок.

Три позиции механически интегрированы в один вал или взаимосвязанный узел:

1. Закрыто (ВКЛ): Основная цепь подключена.
2. Открыто (ВЫКЛ): Цепь отключена, с проверенным расстоянием изоляции.
3. Заземление (EARTH): Кабельные клеммы закорочены на землю.

Преимущества инженерии

Механическая блокировка делает физически невозможным переход от ВКЛЮЧЕНО непосредственно в ЗЕМЛЯ. Вы должны пройти через ВЫКЛ. Эта внутренняя безопасность предотвращает сценарий “человеческой ошибки” при заземлении линии под напряжением, который является одной из основных причин электротравм в старых распределительных устройствах.

Связанный компонент: Подробные технические характеристики по заземлению безопасности см. в нашем Комнатные высоковольтные заземляющие выключатели (серия JN15) которые часто встраиваются в воздушные версии этих панелей.

7. Координация выключателя и предохранителя: механизм “Striker”

Одним из наиболее интересных с технической точки зрения аспектов LBS является то, как он имитирует автоматический выключатель в сочетании с предохранителями. Это регулируется МЭК 62271-105.

В “комбинации выключателя и предохранителя” механизм LBS не является исключительно ручным; он оснащен пружиной с накопленной энергией, которая может срабатывать дистанционно.

Последовательность действий:

1. Происходит сбой: В вторичной обмотке трансформатора происходит короткое замыкание.
2. Перегорание предохранителя: Сильный ток плавит серебряный элемент внутри высоковольтного предохранителя.
3. Выталкивание штифта ударника: Когда предохранитель срабатывает, небольшой заряд пороха или пружина внутри предохранителя с большой силой (примерно 60–100 Н) выбрасывает “ударный штифт” из колпачка предохранителя.
4. Предохранительная планка: Этот штифт ударяет по механической спусковой планке, связанной с механизмом LBS.
5. 3-фазный отключение: Открытие LBS все три фазы одновременно.

Почему это так важно? Если бы перегорел только один предохранитель, а выключатель остался бы замкнутым, двигатель или трансформатор работали бы на двух фазах (“однофазный режим”), что привело бы к перегреву и выходу из строя. Связь ударника обеспечивает полную изоляцию в результате срабатывания предохранителя.

8. LBS против VCB: матрица принятия решений

Для производитель вакуумных выключателей, VCB является флагманским продуктом. Но для сетевого планировщика это специфический инструмент для решения конкретной задачи.

9. Стратегические применения и будущее окружающей среды

Текущие приложения

• Кластеры возобновляемой энергии: В ветряных электростанциях топология “цепочки” соединяет турбины в последовательность с помощью блоков LBS, расположенных у основания каждой башни.
• Компактные вторичные подстанции (CSS): Конструкция резервуара с герметичной крышкой не пропускает влагу и пыль, что делает SF6 LBS стандартом для сборных подстанций, устанавливаемых на открытом воздухе.
• Автоматизация циклов: Моторизованные блоки LBS в сочетании с RTU позволяют создавать “самовосстанавливающиеся сети”, в которых неисправности изолируются автоматически за считанные секунды.

Экологическая проблема (правила по фторсодержащим газам)

SF6 является мощным парниковым газом (GWP 23 500). Новые нормативные акты (такие как Регламент ЕС по фторсодержащим газам) способствуют постепенному отказу от использования SF6 в распределительных устройствах среднего напряжения. Альтернативы:

1. Вакуумный LBS: Использует вакуумную бутылку для гашения дуги (как VCB), но с более простым механизмом.
2. Чистый воздух / Сухой воздух: Использует сухой сжатый воздух для изоляции, что требует немного более крупных резервуаров или более высокого давления.
3. Твердый диэлектрик: Использует эпоксидную смолу для герметизации вакуумного прерывателя, полностью исключая газ.

В период перехода отрасли SF6 по-прежнему доминирует в существующей инфраструктуре и на рынках, где основным ограничением является компактный размер.

10. Часто задаваемые вопросы инженера

В1: Можно ли использовать SF6 LBS при низком давлении газа? Строго нет. Способность гасить дугу зависит от плотности газа. Если манометр показывает низкое давление (обычно красная зона), механические блокировки должны предотвратить работу. Принудительная работа в таком состоянии может привести к возгоранию и разрыву резервуара.

Вопрос 2: Как проверить установленную систему SF6 LBS? В отличие от VCB, контактное сопротивление герметичного блока не так легко проверить. Техническое обслуживание в основном включает в себя:

1. Проверка давления газа: Визуальный осмотр манометра.
2. Контактное сопротивление (тест Дуктора): Измерьте сопротивление между втулками (типичные значения < 50 мкОм).
3. Частичный разряд (ЧР): Используйте ручные датчики TEV/ультразвуковые датчики для обнаружения внутренних повреждений изоляции без вскрытия резервуара.

Вопрос 3: Может ли LBS прервать ток конденсаторной батареи? Стандартные устройства LBS не справляются с емкостными токами (линии или конденсаторные батареи) из-за риска повторного запуска. Вы должны указать выключатель, протестированный на IEC 62271-103 Класс C1 или C2 если вы планируете часто переключать незагруженные кабели или конденсаторные батареи.

11. Заключение: выбор правильного приложения

The Выключатель нагрузки SF6 остается основой вторичного распределения не потому, что это самое мощное устройство, а потому, что оно является наиболее подходящим. Оно обеспечивает оптимальный баланс безопасности, компактности и стоимости для подавляющего большинства коммутационных узлов в сети.

Успешное проектирование сети основано на использовании VCB для защиты дорогостоящего оборудования и LBS для управления потоком. Смешение этих двух понятий приводит к раздутому бюджету или ухудшению безопасности.

Технический документ

Разъединители на SF6: принцип работы и сравнение LBS и VCB

Подробное техническое руководство, в котором рассматриваются изоляционные свойства газа SF6, механизмы гашения дуги и проводится критическое сравнение LBS и VCB для сетей среднего напряжения.

**Формат:** документ PDF **Автор:** Ханна Чжу

Скачать руководство по SF6 LBS