РАЗРАБОТКА И ПРОИЗВОДСТВО СОВРЕМЕННЫХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ
И. Алексеева, зав. лабораторией защитной аппаратуры АООТ «НИИВА», г. С.-Петербург

Высоковольтные токоограничивающие предохранители - аппараты массового применения, предназначенные для защиты воздушных и кабельных линий, силовых трансформаторов от 10 до 1000 кВА при 6-10 кВ, 1600 кВА при 35 кВ, электродвигателей до 2000 кВт, конденсаторов до 150 квар и другого оборудования. Достоинства предохранителей - малогабаритность, быстродействие, способность отключать большие токи к.з. с существенным ограничением их максимального значения. В электрических сетях предохранители применяются в КТП, на открытых подстанциях, в КРУ, КРУН и КСО, в комбинации с выключателями нагрузки, способными заменять дорогостоящие силовые выключатели. В работе распределительных сетей указанных объектов предохранители играют ключевую роль, поэтому от них требуется высокая надежность. Отказ предохранителя в отключении токов короткого замыкания приводит к повреждению дорогостоящего оборудования, перерыву в электроснабжении с соответствующими последствиями. Особенности работы высоковольтных токоограничивающих предохранителей, влияющие на их конструкцию Конструирование токоограничивающих высоковольтных предохранителей имеет серьезные трудности. Проблемы вызваны тем, что от предохранителя требуется отключать токи от нескольких единиц ампер до нескольких десятков килоампер. Проще было бы разработать и изготовить предохранитель, отключающий только большие или только малые токи. Трудность отключения малых токов состоит в том, что отключение этих токов требует длительного времени. Выделяющееся при этом тепло в патроне предохранителя может привести к его разрушению до момента отключения. Малые токи могут иметь место, например, при достаточно удаленном коротком замыкании (КЗ) на тупиковой линии. Замыкание на землю воздушной линии КЗ со стороны низкого напряжения силового трансформатора может также привести к протеканию через предохранитель сравнительно небольшого тока перегрузки, если номинальный ток предохранителя выбран в несколько раз больше, чем номинальный ток трансформатора для отстройки от броска тока намагничивания холостого трансформатора. Например, для трансформатора Du = 5 %, ток КЗ на выводах обмотки низшего напряжения будет двадцатикратным по отношению к номинальному току. Если предохранитель выбран с двукратным запасом, то для него это 10-кратный ток по отношению к его номинальному току. Фактически же, необходимо считаться с тем, что вследствие дополнительного сопротивления цепи КЗ ток будет меньше, т.е. необходимо, чтобы предохранитель смог отключить, по крайней мере, семикратный ток. Если предохранитель выбран с трёхкратным запасом, он должен отключать 5-кратный ток по отношению к его номинальному току и т.д. Таким образом, для повышения надежности является совершенно несомненным требование, чтобы предохранители отключали надежно и без внешних повреждений также и небольшие токи перегрузки. Трудности отключения больших токов состоят в том, что в процессе отключения этих токов в патроне предохранителя выделяется энергия в несколько сотен килоджоулей, что приводит к тепловому удару и значительному повышению давления внутри патрона. Кроме того, значительных величин могут достигать перенапряжения, что вызвано спецификой отключения тока предохранителем, а именно резким обрывом тока, наличием индуктивностей в сети и другими факторами. Чтобы обеспечить надежное отключение предохранителем токов перегрузки, плавкая вставка выполняется из нескольких параллельно включенных проводников переменного сечения. Для уменьшения времени плавления плавкой вставки используется т. н. «металлургический эффект». Плавкие вставки располагаются внутри патрона или в виде спиралей, расположенных параллельно друг другу, или наматываются на керамический звездообразный сердечник для более полного соприкосновения с кварцевым песком, используемым в качестве дугогасящей среды. Конструктивные материалы и их изготовление. Качество предохранителей определяется в решающей степени качеством его конструктивных элементов. Основными конструктивными элементами предохранителя являются: заменяемый элемент (один или два патрона), контакты и опорные изоляторы. Заменяемый элемент состоит из изоляционного корпуса, армированного с обеих сторон контактными колпаками, заполненного дугогасящим наполнителем, внутри которого находится плавкий элемент. Корпуса патронов предохранителей испытывают воздействие высокого напряжения, высоких температур и значительных давлений. Наихудшими характеристиками, с точки зрения перечисленных выше воздействий, обладают корпуса, изготовленные из стеклянных трубок. Так, для стеклянных трубок, по сравнению с фарфоровыми, выдерживаемое испытательное давление почти в два раза меньше, стойкость к температурам в два раза ниже. Следствием этого является крайняя нежелательность применения стекла для предохранителей, т.к. его применение приводит к существенному ухудшению значений удельных характеристик (номинальных и отключаемых токов на единицу объема и т.д.). Стекло обладает и многими другими недостатками, например, нетехнологичностью, с точки зрения заделки концевых колпаков. Поэтому в зарубежной практике в качестве основного материала для корпусов патронов предохранителей применяется фарфор, а некоторые фирмы используют даже стеатит (например, фирма Driescher для предохранителей с номинальным током выше 25 А) и стеклопластиковые трубы. Вынужденное применение стекла в России привело почти к двойному снижению номинальных токов и токов отключения для более чем двадцати типоисполнений предохранителей. Установлено существенное влияние водонепроницаемости патронов предохранителей на их отключающую способность и другие характеристики, поэтому водонепроницаемость является важнейшим параметром, характеризующим качество изготовления патронов предохранителей. Наиболее надежным для обеспечения водонепроницаемости решением является изготовление патрона предохранителя с применением фарфоровой трубы, имеющей с двух сторон канавки, на которые завальцовываются колпаки с применением соответствующих герметиков. Ранее фарфоровые трубки выпускалась только Славянским заводом высоковольтных изоляторов. В настоящее время фарфоровые трубки выпускают ОАО «Камышловский фарфоровый завод» (Свердловская обл.), ОАО «Элиз»( г.Пермь). Однако указанные заводы изготавливают трубки по ГОСТ 5862, требования которого гораздо ниже требований, указанных в чертеже на трубу, предназначенную для изготовления предохранителей, в частности, по допускам на прогиб, овальность и т. п. По имеющимся сведениям, возобновить выпуск фарфоровой трубки намеревается Великолукский завод высоковольтной аппаратуры. Многие изготовители в целях выхода из создавшегося положения в качестве альтернативы стали применять любые предлагаемые трубки из различных материалов, например, боросиликатного стекла, кварцевого стекла, стеклопластика и т.д., что, несомненно, без соблюдения определенных рекомендаций по их применению приводит к ухудшению качества патронов в целом. В последнее время неплохо зарекомендовали себя трубки для предохранителей из кварцевого стекла, выпуск которых наладило ЗАО «ИКОСИЛ» в г.С.-Петербург. Трубки из прозрачного кварцевого стекла, изготовленные этим предприятием для применения в предохранителях ПКТ101, по большинству физико-химических показателей не уступают трубкам из фарфора, а по стойкости к термоударам превосходят их более чем в три раза. Однако кварцевое стекло несколько уступает фарфору по ударной прочности. ЗАО «ИКОСИЛ» продолжает совершенствовать свою продукцию и в ближайшее время намерено наладить выпуск трубок для предохранителей ПКТ102. Что касается стеклопластиковых корпусов, то можно рассматривать их применение в перспективе, поскольку такая конструкция корпуса качественно изменяет предохранители в целом, а значит и технологию их сборки. Кроме того, стоимость таких предохранителей примерно в 1,5 раза превышает стоимость предохранителей с трубками из фарфора. Годовая потребность в предохранителях может быть оценена, исходя из общего числа предохранителей, находящихся в эксплуатации и необходимого числа подлежащих замене из-за срабатывания при отключении аварийных токов и истечения срока службы. Общее число предохранителей, находящихся в эксплуатации в России и странах СНГ, по данным бывшего Союзтехэнерго и отдельных энергосистем, с учетом прироста новых мощностей, оценивается примерно в 15 млн.шт., в том числе 6 млн. предохранителей установлено для защиты 2 млн. трансформаторов. Число патронов предохранителей, подлежащих замене, определяется необходимостью их замены 1 раз в 10 лет; соответствующая годовая потребность составляет 10% от установленного числа предохранителей, т.е. 1,5 млн. патронов. Таким образом, для нормальной эксплуатации энергосистем в России и странах СНГ необходимо обеспечить производство патронов не менее 1 млн. патронов шт. в год.только для плановой замены. Сердечники Составной частью целого ряда предохранителей, например для железнодорожного транспорта, является сердечник. Достоинством такого предохранителя является то, что плавкие элементы, навитые на сердечник, не смещаются с места при трясках и вибрациях. До недавнего времени предохранители, выпускаемые в России, комплектовались сердечниками, изготовленными на керамическом заводе в г. Бендеры. Но после того, как этот завод выпуск сердечников практически прекратил, их производство, после некоторого перерыва, было возобновлено тамбовским заводом «Революционный труд». Плавкие элементы Наиболее подходящим материалом для плавкого элемента является серебро. Это обусловлено тем, что серебро имеет высокую и стабильную электрическую проводимость. Серебряные плавкие элементы хорошо работают в непрерывном режиме, при циклических нагрузках и перегрузках, на воздухе и в песчаном наполнителе. После окончания этих воздействий электрическое сопротивление серебряного плавкого элемента возвращается к исходному значению. Плавкие элементы из серебра имеют максимальный, по сравнению со всеми другими использующимися материалами, срок службы. Серебро обладает физическими свойствами, положительно влияющими на защитные характеристики предохранителей - низкие значения удельной теплоемкости, удельной теплоты плавления, удельной теплоты испарения, удельного сопротивления, интеграла плавления, высокий потенциал ионизации и т.д. Серебро обладает хорошими технологическими свойствами: легко поддается точной штамповке, сварке и пайке, не требует при этом дополнительной обработки. При воздействии высоких температур серебро может окисляться, но окислы серебра неустойчивы, и при температуре выше 180о С они восстанавливаются до чистого серебра. Поэтому, исходя из вышесказанного, все без исключения зарубежные фирмы применяют именно серебро, несмотря на то, что оно значительно дороже других материалов Другим, наиболее близким к серебру по физическим свойствам материалом, является медь. Однако медь интенсивно окисляется, а ее окись стабильна вплоть до температуры плавления меди. Благодаря стабильности пленка могла бы быть защитной, если бы не механические повреждения, возникающие при изменении температуры и препятствующие адгезии пленки к чистому металлу. Вследствие воздействия этих сил окисная пленка растрескивается и отслаивается, облегчая тем самым развитие коррозии. Для предотвращения этого разрушительного явления традиционно используется гальваническое серебрение. Однако и оно не позволяет надежно защитить плавкий элемент из меди от окисления. Применение других материалов, например, цинка или алюминия, не нашло достаточного воплощения в высоковольтных предохранителях из-за несоответствия ряду параметров. Поэтому использование в отечественной практике плавких элементов из серебра позволило бы не только улучшить характеристики предохранителей, но и повысить их качество. Однако высокие цены на серебро, необходимость ведения строгой отчетности по использованию драгметалла, наличие специальных разрешений и т.п. сдерживают его широкое применение. Материалы для изготовления контактов В России для изготовления колпаков к предохранителям, применяется латунь с покрытием «олово-висмут», химическим пассивированием или никелированием. В зарубежной практике в качестве материала колпаков используется только медь с покрытием серебром (фирма Wickmann, Германия), сплав «Е-СИ» (фирма SIBA, Германия), а иногда алюминий (фирма EJF, Чехия). Применение меди для колпаков обусловлено лучшей ее теплопроводностью по сравнению с латунью, что ведет за собой уменьшение температуры как на колпаках, так и на корпусе предохранителя. Положение с изготовлением и разработкой новых серий предохранителей Исторически сложилось так, что в течение многих лет базовым предприятием по изготовлению высоковольтных предохранителей в бывшем СССР являлось предприятие учреждения ЯЛ 61/3, находящееся в поселке Идрица Псковской области, годовой объем производства предохранителей которого вместе с патронами составлял 800 тыс.шт. В настоящее время это предприятие, несмотря на все трудности постперестроечного периода, смогло не только сохранить производственную базу по выпуску высоковольтных предохранителей, но и освоило выпуск защитных вставок для низковольтных предохранителей типа ПН2. Ряд предприятий, которые недавно приобрели лицензии на изготовление высоковольтных предохранителей, также постепенно начинают заявлять о себе на рынке, например, фирма ОАО «Самарский трансформатор», ОАО «Нижегородэнергосервис» (Россия), ЗАО «ЭВНА» (г.Кизилюрт, Дагестан). Новые отечественные разработки по высоковольтным предохранителям В последнее время лабораторией защитной аппаратуры АООТ НИИВА разработана новая серия высоковольтных токоограничивающих предохранителей на номинальное напряжение 10 кВ и номинальные токи до100 А, внешний вид которых удовлетворяет международному стандарту МЭК 282-1. По сравнению с серийно выпускаемыми предохранителями ПКТ103-10-100-12,5У3, состоящими из двух патронов длиной 464 мм диаметром 72 мм, новый предохранитель имеет один патрон длиной 358 мм, диаметром 75 мм. При этом максимальный отключаемый ток составляет 20 кА (по требованию заказчика), вместо 12,5 кА, как у прежнего предохранителя. За счет чего удалось достичь такого результата? Известны высоковольтные токоограничивающие предохранители, содержащие заполненный кварцевым песком изоляционный корпус, внутри которого размещена плавкая вставка, представляющая собой сердечник с намотанным на него по спирали плавкими элементами (ПЭ), выполненными из круглой проволоки. Однако в таких предохранителях большая длина намотанного на сердечник плавкого элемента увеличивает габариты предохранителя. Кроме того, круглое сечение проволочных ПЭ обуславливает минимальное отношение периметра ПЭ к его сечению, снижает плотность номинального тока и приводит к необходимости увеличения количества параллельно включенных ПЭ, что в свою очередь, приводит к увеличению количества патронов в предохранителе. Технической задачей в данном случае являлось создание нового плавкого элемента, позволяющего значительно улучшить удельные параметры предохранителей и технологичность их изготовления. Для ее решения плавкий элемент выполнен из круглой, специальным образом прокатанной проволоки в виде повторяющихся одинаковых участков, состоящих из двух переходящих одна в другую частей. Сечение первой плавно увеличивается в осевом направлении от минимального до максимального значения с последующим плавным уменьшением вновь до минимального, а отношение периметра плавкого элемента к его сечению в осевом направлении плавно меняется от минимального значения в максимальном сечении до максимального - в минимальном. Сечение второй части минимальное, при этом отношение максимального значения сечения к минимальному составляет 1,3-1,5, а отношение длины всего участка к длине его части с минимальным сечением 5-10 в зависимости от длины проволоки. На рис.1 приведен патрон высоковольтного токоограничивающего предохранителя. Высоковольтный токоограничивающий предохранитель содержит заполненный кварцевым песком изоляционный корпус 1, закрытый по концам колпачками 2, внутри которого размещена плавкая вставка 3. Плавкая вставка 3 представляет собой сердечник 4, с намотанным на него по спирали плавким элементом 5, выполненным из круглой проволоки. Работа предохранителя осуществляется следующим образом. При возникновении короткого замыкания первыми одновременно расплавляются и испаряются участки ПЭ 5 с минимальным сечением. При этом не происходит резкого обрыва тока. Ток в течение некоторого времени продолжает нарастать до расплавления участков с максимальным сечением, а затем начинает плавно уменьшаться до нуля. Напряжение на дуге развивается плавно и не превышает допустимых значений. При отключении токов перегрузки расплавление происходит в том месте, где температура имеет наибольшее значение, а именно там, где минимальное сечение начинает переходить в максимальное, т.к. отношение периметра плавкого элемента к его сечению в осевом направлении плавно изменяется от максимального значения в минимальном сечении до минимального - в максимальном. Плотность тока плавно изменяется от максимальной в минимальном сечении до минимальной - в максимальном. Возникшая затем дуга развивается в сторону минимального сечения, являющегося своего рода радиатором. Напряжение на ней быстро растет, приводя к быстрому ее погасанию. При такой форме ПЭ, его часть с максимальным сечением, как правило, остается нерасплавленной. При отключении токов большой кратности по отношению к номинальному, вплоть до токов КЗ, для надежного гашения дуги достаточно, чтобы отношение интеграла отключения ПЭ к его интегралу плавления находилось в пределах от 2 до 3. При этом оптимальное отношение максимального сечения к номинальному лежит в пределах 1,25-1,7. Указанные выше пределы отношений (1,3-1,5) были получены экспериментальным путем при прокате проволоки диаметром соответственно 0,15-0,6. Выбор отношения длины всего участка к длине его части с минимальным сечением обусловлен технологией прокатки проволоки различного исходного диаметра в валках определенной конфигурации. Использование данного плавкого элемента позволяет повысить технологичность и уменьшить трудоемкость изготовления ПЭ, повысить их механическую прочность, уменьшить длину ПЭ и их количество в расчете на один и тот же номинальный ток и тем самым снизить габариты самих предохранителей, а также улучшить их отключающую способность. Выпуск осуществляется пока небольшими партиями на производственной базе АООТ «НИИВА», Санкт-Петербург. В качестве заключения хочется дать несколько рекомендаций: 1. Проектирование новых серий предохранителей, отвечающих современным требованиям, невозможно без соответствующей организации производства комплектующих изделий. 2. Необходим отказ от перезарядки патронов в кустарных условиях, когда нет соответствующей возможности проверки использованных трубок высоким давлением, а повторная перезасыпка патронов осуществляется уже использованным песком. 3. Только приобретение предохранителей, имеющих соответствующие сертификаты, выданные на основании сертификационных испытаний аккредитованными для этих целей испытательными центрами высоковольтного оборудования, например ИЦВА АООТ «НИИВА», НИИ «Уралэлектротяжмаш», обеспечит надежную защиту дорогостоящего оборудования. «Научно-исследовательский институт высоковольтного аппаратостроения» (НИИВА) был создан более чем 120 лет назад. Входил в состав объединения «Электроаппарат». С 1952 года выделился в самостоятельную структуру. Институт занимается разработкой высоковольтной, коммутационной и измерительной аппаратура на напряжение 6-750 кВ. Воздушные и масляные выключатели, элегазовые КРУ, трансформаторы тока, высоковольтные предохранители, изготовленные по разработкам института, эксплуатируются в 30 странах мира. Институт включает в себя комплексный сертификационный Испытательный Центр Госстандарта России, а также представляет в своей отрасли Россию в МЭК, является также членом СИГРЭ (Международной конференции по большим энергосистемам).