Внутри лаборатории, которая доводит выключатели Supergrid до предела

Jun 17, 2023

The Guardian: Лаборатории KEMA тестируют автоматический выключатель в экстремальных условиях, чтобы гарантировать, что он не выйдет из строя, когда это действительно важно.

Представьте себе невероятно жаркий день в центральном Китае. когда все кондиционеры в каждом мегаполисе работают на полную мощность. Через отдаленные горы провинции Шаньси основные линии электропередачи, по которым в города подается сверхвысокое напряжение, работают почти на максимальной мощности. Нагретые солнечным светом и текущим током линии электропередачи провисают в опасной близости от верхушек деревьев. Внезапно ток перескакивает с линии на ветку дерева, находя путь наименьшего сопротивления и проникая через дерево в землю. Яркая вспышка, когда ток ионизирует воздух.

Во время этого короткого замыкания резко высвободившийся ток в мгновение ока достигает значения, в 10–20 раз превышающего нормальный уровень. Теперь система защиты электросети должна действовать быстро. В течение миллисекунд реле защиты должны распознать неисправность и дать команду автоматическим выключателям на обоих концах линии отключить ток, изолируя неисправную линию. Ставки высоки: продолжительный ток короткого замыкания может вызвать цепную реакцию сбоев во всей сети и вызвать массовые отключения электроэнергии, серьезно повреждая при этом дорогостоящее оборудование. Отключение электроэнергии на северо-востоке Северной Америки в 2003 году было вызвано контактом дерева с линиями электропередачи в Огайо, что вызвало каскад сбоев, которые привели к остановке более 260 электростанций, прекращению подачи 60 000 мегаватт по всей северо-восточной сети и затемнению Нью-Йорка. Город.

В нашем гипотетическом китайском коротком замыкании все зависит от действия огромных автоматических выключателей. Подобно бытовому выключателю, эти промышленные выключатели размыкают свои контакты за долю секунды, но из-за огромного количества энергии в системе простое размыкание контактов не останавливает ток. Вместо этого ток создает электрическую дугу внутри выключателя. Это небольшое пространство, объём которого составляет всего несколько литров, теперь содержит бурлящую плазму, температура которой может достигать многих тысяч градусов Цельсия. Разрушитель не сможет долго сдерживать эту плазму; если его быстро не убрать, произойдет ужасный взрыв.

Теперь в игру вступает переменный характер переменного тока: каждый раз, когда он меняет направление (каждые 10 миллисекунд в китайской 50-герцовой системе), ток временно становится нулевым, и подача энергии в плазму дуги на мгновение прекращается. Именно в один из таких моментов «нулевого тока» ток повреждения должен быть прерван. В этот решающий момент система охлаждения внутри выключателя впрыскивает в зазор струю газа под высоким давлением, удаляя остатки плазмы горячей дуги.

Сразу после исчезновения дуги и устранения неисправности энергосистема снова набирает обороты. В этом процессе восстановления напряжение на зазоре резко возрастает до более чем 1 миллиона вольт, прежде чем стабилизироваться до нормального рабочего уровня. Таким образом, за микросекунды до и после нулевого тока контакты должны переключиться с пропускания примерно 50 килоампер тока через плазму дуги на выдерживание напряжения в 1 мегавольт. Такое быстрое изменение создает огромную нагрузку на компоненты выключателей.

Большинство систем передачи высокого напряжения защищены от коротких замыканий газовыми выключателями. Эта упрощенная анимация показывает пошаговый процесс, посредством которого автоматический выключатель прерывает опасно высокий ток, создаваемый коротким замыканием. Анимация: Эрик Врилинк

Тем не менее, автоматические выключатели должны работать безупречно, поскольку линия электропередачи должна вернуться в работу. Они должны работать, даже если они простаивали в течение длительного времени и в любую погоду. Так как же оператор сети в нашем примере с Китаем может быть уверен, что эти выключатели сделают свою работу и гарантируют, что мегаполис не останется в темноте? Только тщательное тестирование может обеспечить такое спокойствие. Я работаю директором по инновациям в KEMA Laboratories, голландском подразделении норвежской консалтинговой и сертификационной компании DNV GL. Наша задача: имитировать стрессовые условия работы сверхвысоковольтной системы переменного тока в экстремальных условиях. Воспроизведение этой среды — чрезвычайно сложная инженерная задача, но ее необходимо решить, если мы хотим удовлетворить энергетические потребности предстоящих десятилетий.