«Астер Электро» – инновационный прорыв в сфере коммутационного оборудования

В рамках решения этих задач  распространенные ранее масляные и маломасляные выключатели на напряжение 6—10 кВ повсеместно заменяются на вакуумные. Оценив перспективы рынка, электротехническое предприятие «Астер Электро» (г. Новосибирск) создало собственное производство самых востребованных в настоящее время коммутационных аппаратов среднего напряжения — вакуумных выключателей.

К разработке коммутационных аппаратов серии BB/AST специалисты «Астер Электро» (AST) приступили в 2008 г. Костяк конструкторской команды составили молодые инженеры,  представляющие традиции и научную школу Новосибирского государственного технического университета (НГТУ). Благодаря разработанному  бизнес-плану компания получила поддержку администрации Новосибирской области.

Процесс создания новых аппаратов  был организован по методу проектного управления, который был разделен на несколько этапов. Каждый этап имел фиксированный срок исполнения и бюджет. Выбранная  стратегия оказалась удачной. Уже в феврале 2009 г. выключатели BB/AST-10 успешно прошли испытания  в головной экспертной организации  по аттестации электротехнического  оборудования ОАО «НТЦ Электроэнергетики». А в апреле 2009 г. продукция AST получила сертификаты соответствия требованиям ГОСТ Р 52565-2006 (безопасность и соответствие требованиям нормативных документов).

АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ
СУЩЕСТВУЮЩИХ ВАКУУМНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

На электротехническом рынке России уже сформировался конструктивный  тип современного вакуумного  выключателя на напряжение 10 (6) кВ. В его основе лежит техническое решение установки трех полюсов (трех фаз) на едином металлическом корпусе с размещением в последнем силовых приводов. При этом дугогасительные вакуумные камеры (КДВ) установлены внутри полых опорных изоляторов, роль которых  выполняют корпуса полюсов, изготовленные из прочных диэлектрических  материалов. Закрытое размещение КДВ предохраняет камеру  от возможных в эксплуатации механических повреждений и воздействий электрической дуги тока короткого  замыкания, а также предотвращает  возможность перекрытия фазы. В качестве материала для изготовления  корпуса полюса ведущими  производителями выключателей используются литьевой поликарбонат и стеклопластик.

Поскольку разработчики выключателей стремятся к минимизации размеров  и применяют камеры уменьшенной высоты (для выключателя на напряжение 10 кВ устанавливаются камеры, изоляция наружной поверхности  которых соответствует классу напряжения 6 или даже 3 кВ), то требуется  усиление изоляции. Такая необходимая  дополнительная изоляция КДВ внутри полюсов обеспечивается заливкой эпоксидного компаунда или установкой колец из кремнийорганической резины (силикона).

Следующей важной особенностью  современных выключателей является более широкое применение  электромагнитного привода. Такое техническое решение позволяет  более простыми средствами обеспечить выполнение циклов АПВ и БАПВ, значительно упростить кинематическую схему привода и уменьшить  массогабаритные показатели вакуумного выключателя.

Конструктивное исполнение электромагнитного  привода имеет два базовых варианта: один привод, соединенный системой тяг и шарниров с каждой из трех КДВ, или индивидуальный привод на каждый полюс.

В первом случае одновременность  замыкания и размыкания контактов КДВ обеспечивается автоматически геометрией шарнирных соединений, но существенно зависит от точности изготовления применяемых материалов и износа в процессе эксплуатации.

Во втором все элементы конструкции  полюса расположены на одной оси, вдоль которой совершают возвратно-поступательное движение. Подвижные контакты КДВ жестко соединены со своими приводами, также находящимися на этой оси. Такое решение раздельного по фазам управления контактами КДВ позволяет существенно упростить кинематическую схему выключателя и отказаться  от применения нагруженных шарнирных и рычажных звеньев, что, в свою очередь, позволяет спроектировать  выключатель с высоким механическим ресурсом, не требующий  обслуживания и регулировки в течение всего срока службы. К особенности  такой конструкции следует отнести необходимость обеспечения одновременности замыкания и размыкания  контактов КДВ дополнительными средствами (механическими или электрическими).

Вариацией электромагнитного привода является использование его только на включение выключателя (замыкание контактов КДВ) в сочетании с пружинным приводом отключения, обеспечивающим размыкание  контактов КДВ и выполняющим  функцию фиксации контакта в разомкнутом положении без применения  дополнительных устройств и защелок.

Третьей особенностью современных  вакуумных выключателей является применение магнитной защелки — устройства для фиксации контактов КДВ в замкнутом и/или разомкнутом состоянии. Это техническое  решение, применяемое вместо традиционной механической защелки, обеспечивает дополнительное  упрощение конструкции и увеличение безремонтного периода эксплуатации выключателя. В качестве  магнитной системы применяется  как магнитотвердая сталь, так и постоянный магнит в сочетании с магнитопроводом, выполненным из магнитомягкой стали.

Все современные вакуумные выключатели на класс напряжения 10 кВ соответствуют требованиям ГОСТ Р 52565-2006 по силовым параметрам: выдерживаемому ударному току, току термической стойкости, испытательному одноминутному напряжению и т.д. При этом независимо  от конструктивных особенностей все они имеют следующие временные  показатели (с блоком управления,  если конструкция выключателя предусматривает его наличие):
• полное время отключения — 0,050—0,065 с;
• собственное время отключения — 0,035—0,045 с;
• собственное время включения — 0,090—0,120 с.

Для управления приводом выключателей  используются встроенные в корпус выключателя элементы управления  или конструктивно оформленные в виде отдельного изделия блоки управления. Проявляется тенденция к обеспечению снижения тока цепи оперативного питания, потребляемого при работе выключателя. Это обеспечивается  накоплением энергии в конденсаторах, устанавливаемых в корпус выключателя или в блок управления. В результате такого решения потребляемый ток с 16—25 А снижается до 1 А и менее.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
И ОСОБЕННОСТИ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ ВВ/AST

Выключатели ВВ/AST-10 предназначены  для работы в трехфазных цепях переменного тока частотой 50 Гц и номинальным током 630, 800 и 1000 А при токах отключения до 20 кА. Выключатели разработаны для установки в комплектные распределительные  устройства (КРУ) и камеры стационарные одностороннего  обслуживания (КСО) внутренней  и наружной установки, а также для замены выключателей устаревших конструкций.

При разработке вакуумного выключателя  в качестве главной ставилась  задача создания быстродействующего  аппарата, имеющего небольшие массогабаритные характеристики  и обладающего высокой эксплуатационной надежностью. Приоритет быстродействия выключателя  при коммутационных операциях, особенно при коммутации токов короткого замыкания в режимах АПВ и БАПВ, АВР, над другими характеристиками  вызван пониманием того, что время выполнения коммутации  выключателем соответственно  увеличивает продолжительность нахождения под токами короткого замыкания защищаемой линии и оборудования. Кроме того, в схемах  энергоснабжения с нормально разомкнутым секционным выключателем  такой аппарат позволит существенно  уменьшить время автоматического включения резерва (АВР), что крайне важно для устойчивой работы  насосных станций с крупными электродвигателями.

В результате вакуумный выключатель ВВ/AST-10 выполнен в виде трех полюсов, установленных на едином металлическом корпусе. В корпусе размещены индивидуальные силовые  приводы на каждый полюс (на каждую фазу). Дугогасительные вакуумные  камеры установлены внутри корпусов полюсов, изготовленных из прозрачного поликарбоната. Усиленная изоляция корпуса полюса как по толщине, так и по увеличению пути утечки гарантирует отсутствие пробоев. Дополнительная изоляция КДВ выполнена силиконовыми кольцами. Особая конструкция токопроводящих  шин позволила корпус полюса выполнить неразборным, что обеспечивает  возможность получения стабильных точных размеров полюса по высоте.

Подвижные контакты КДВ жестко соединены со своими приводами с помощью изоляционных тяг, которые также находятся внутри корпусов полюсов.

Приводы включения выключателя — электромагнитные. Магнитопровод привода выполнен из магнитомягкой электротехнической стали, имеющей минимальную петлю гестерезиса и соответственно обеспечивающей  минимальные задержки времени при перемагничивании. Импульсы генерирует однообмоточная электромагнитная катушка привода, на которую подается напряжение  нужной полярности. Катушки  электромагнитных приводов всех фаз соединены параллельно и подключены к блоку управления серии БУ/AST. Операции «включение» и «отключение» производятся путем подачи мощного электромагнитного импульса, либо совпадающего по направлению с магнитным полем магнитного статора (включение), либо противоположного ему (отключение).

Для фиксации выключателя во включенном положении предусмотрена «магнитная» защелка. Применен  постоянный магнит из редкоземельного  сплава NdFeB, он отличается повышенной держащей силой на единицу объема и стабильностью  характеристик в течение десятков лет. В сочетании с отработанной  конструкцией магнитопровода это исключает вероятность нештатного отключения.

Размыкание и удержание в отключенном  состоянии контактов вакуумных дугогасительных камер предусмотрено пружинами, также установленными на каждой фазе. Пружины взводятся при выполнении выключателем операции включения. Под воздействием импульса электромагнитной  катушки якорь привода втягивается в магнитопровод, сжимая  пружину отключения, и замыкает  контакты КДВ. Далее якорь, продолжая  движение, сжимает пружину поджатия, обеспечивая необходимое усилие поджатия контактов камеры. Затем якорь достигает плоскости магнитного статора и фиксируется «магнитной» защелкой в положении «включено». При операции «отключение» в результате действия обратного электромагнитного импульса катушки происходит следующее: снимается «магнитная» защелка, и якорь под действием отталкивающихся магнитных полей, энергии пружин поджатия и отключения ускоренно выталкивается из магнитопровода, контакты КДВ размыкаются, достигают нижнего положения и фиксируются пружиной отключения в положении «отключено».

С целью обеспечения быстродействия выключателя при работе в циклах БАПВ (О—0,3с—ВО—20с—ВО) отработана конструкция магнитопровода,  а электромагнитная катушка привода спроектирована таким образом,  что обеспечивает избыточную электромагнитную силу, которая определяется величиной произведения  тока на количество витков провода на катушке.

В результате этого, а также некоторых  других конструктивных решений было достигнуто следующее время (с блоками управления серии БУ/AST-3):
• полное время отключения — 0,035 с;
• собственное время отключения — 0,025 с;
• собственное время включения — 0,035 с.

По результатам опытно-промышленной эксплуатации выключателя в его конструкцию и особенно в конструкцию блока управления были внесены некоторые изменения. Эти изменения привели к увеличению на 0,005 с всего вышеуказанного времени (с блоками управления БУ/AST-5.1):
• полное время отключения — 0,040 с;
• собственное время отключения — 0,030 с;
• собственное время включения — 0,040 с.

Тем не менее эти показатели остаются лучшими на отечественном  рынке выключателей данного класса.

Помимо времени включения и отключения  принятые конструктивные решения обеспечили достижение времени замкнутого состояния контактов  при автоматическом повторном включении — 0,045 с, что также сокращает нахождение защищаемого объекта под токами короткого замыкания в режиме АПВ.

Основной элемент вакуумных выключателей — вакуумные дугогасительные камеры. Выключатели серии BB/AST оснащаются камерами,  созданными совместно Всероссийским  электротехническим институтом им. Ленина и НПО «Эковакуум». Создана уникальная, одна из самых малогабаритных камер в мире. Использование разработок ведущих специалистов в этом направлении  также обеспечивает высокую  надежность и коммутационный  ресурс, экологическую чистоту и минимальные затраты на эксплуатацию аппаратов.

Блоки управления выключателем серии БУ/AST за данный период претерпели  ряд модернизаций, в том числе организован вход «резервное питание» для подключения БУ к дополнительному  источнику питания с напряжением +12 В с целью выполнения  первого включения выключателя  при отсутствии оперативного питания, блоки адаптированы ко всем используемым в сетях релейным  и микропроцессорным защитам.  Однако для всех модификаций сохранена способность местного отключения выключателя в течение не менее 10 часов после исчезновения оперативного тока при температуре наружного воздуха до минус 45оС. Опытная эксплуатация показала, что при плюсовой температуре местное отключение срабатывает и через двое суток после исчезновения оперативного тока.

В настоящее время выключатели серии ВВ/AST используют электросетевые предприятия России. Так, аппараты «Астер Электро» установлены в филиалах ЗАО «РЭС», ОАО «МРСК Сибири», ОАО «Новосибирскэнерго», ГУП «УЭВ СО РАН», Сибирском филиале ОАО «Мегафон» и в других организациях.

РАБОТА ПРОДОЛЖАЕТСЯ

Отрабатывая конструкцию выключателя  ВВ/AST-10-20/1000У2, конструкторское  подразделение предприятия  активно выполняет разработку новых изделий.

Конструкторы предприятия продолжают  работу над созданием малогабаритной коммутационной техники. Анализ уровня развития современных технологий показал, что на токи отключения 10—12,5 кА можно создать выключатель с еще меньшими габаритами и массой. Наша особая гордость — подготовленный  к производству еще более компактный, легкий выключатель ВВ/AST-10-12,5/630У2. На авторитетной  Международной отраслевой выставке «Электрические сети России-2009» (г. Москва) экспертами была отмечена уникальность аппарата. На сегодняшний день выключатель проходит испытания в ОАО «НТЦ Электроэнергетики» на коммутационную  способность. Испытания на ток электродинамической стойкости и трехсекундный ток термической стойкости аппарат выдержал.

При габаритах всего 440х210х440 мм и массе 22 кг выключатель BB/AST-10-12,5/630 по своим параметрам  подходит для большинства региональных сетей и групп потребителей.  Благодаря его компактности снижаются трудозатраты на монтаж аппарата, его можно легко встраивать в любой тип распределительных устройств 6—10 кВ. Специалисты «Астер Электро» уверены, что этот выключатель найдет применение в хозяйстве многих районных подстанций, поскольку ток короткого замыкания большинства этих подстанций не превышает 5 кА, а номинальный ток составляет не более 150—200 А.

Для реализации потребностей схемы модернизации энергетического  комплекса на период 2010—2016 гг. «Астер Электро» приступило к разработке оборудования нового поколения, объединяющего в себе передовые технологии микропроцессорной  защиты и коммутационной техники: пункта секционирования ПС/AST — на базе выключателя BB/ AST-10-12,5/630.

Разработана и изготовлена опытная партия микропроцессорных блоков  управления БУ/AST-20 для выключателей  ВВ/AST-10-20/1000У2. Эти блоки обеспечивают:
• местное и дистанционное управление  вакуумным выключателем «сухими» контактами реле или подачей управляющего напряжения на соответствующие входы блока управления;
• контроль и индикацию положения вакуумного выключателя и исправности его цепей управления;
• постоянный контроль работоспособности (самодиагностику) блока управления;
• измерение и индикацию текущих значений токов контролируемых фаз;
• блокировку управляющих выходов  при неисправности блока управления для предотвращения ложных срабатываний;
• гальваническую развязку цепей питания, токовых цепей, входов и выходов цепей управления.

Но главное, что мы выносим на рассмотрение специалистов эксплуатирующих  организаций, — это наличие непосредственно в блоке управления простейших защит:
• функция защиты «токовая отсечка»,  трехступенчатая МТЗ, ненаправленная  защита от замыканий на землю ОЗЗ;
• функция автоматики — трехкратное АПВ с возможностью выбора количества ступеней и временных  задержек, резервирование при отказах выключателя «УРОВ»;
• функция сигнализации срабатывания  защит с отображением на индикации и выдачей сигнала во внешние цепи;
• местное задание уставок защит, выбор количества ступеней и блокировку защит.