Intreruptoare cu SF6

2

SF6 este un gaz ale cărui proprietăți îl califică drept

un mediu aproape ideal pentru stingerea arcului

electric și un mediu cu proprietăți dielectrice

deosebite

(se recapitulează proprietățile fizice și electrice ale

gazului din fișierul EE_SF6_proprietati.pdf)

Dezavantaje

- Gaz cu efect de seră cu un potențial de încălzire

globală (GWP***) de 24900 de ori mai mare decât

cel al CO2. Din acest motiv se produce în cantități

limitate și se reciclează. Emisia în atmosferă este

drastic controlată.

- Nu poate fi utilizat la temperaturi scăzute (se

lichefiază)

- Prezența vaporilor de apă determină apariția unor

compuși chimici cu potențial coroziv

*** Efectul de seră produs de un gaz emis în atmosferă se

măsoară cu ajutorul indicatorului GWP (potential de incalzire

globala), care include atât gradul de interacțiune cu radiația

infraroșie, cât și perioada de staționare în atmosferă până la

disipare

3

Coordonatele punctului critic în diagrama p-T a fazelor pentru SF6

O dată cu creșterea presiunii de utilizare tranziția de la faza gazoasă la cea lichidă se produce la

temperaturi din ce în ce mai mari, în gama temperaturilor de utilizare (de exemplu pentru 15 atm

temperatura de lichefiere este 10°C). O dată cu lichefierea, propritățile fizice și dielectrice ale SF6 sunt

alterate. Pentru a evita producerea lichefierii este controlată temperatura gazului. Echipamentele sunt

prevăzute cu instalații de încălzire şi senzori pentru detectarea fazei lichide.

4

Tipuri de instalaţii cu SF6

► Soluţii constructive

- Echipament capsulat: echipamentul la care mediul izolant primar este în

principal aerul. SF6 se află în incinte destinate comutării (camere de

stingere) realizate din metal sau răşini sintetice. Este cazul întreruptoarelor

de putere sau cel al separatoarelor de sarcină

- Dulapuri cu izolaţie din SF6: Este cazul ministaţiilor de distribuţie (Ring

Main Units - RMU), ce conţin - într-o incintă comună din oţel inoxidabil - un

număr de celule de transformator, o celulă de măsură şi câteva celule de

alimentare, cu plecare în cablu)

- Echipament cu izolaţie gazoasă (Gas Insulated System - GIS):

echipamentul la care mediul izolant primar este în principal gazul SF6.

Compartimente distincte ale ale unui ansamblu cu izolaţie gazoasă,

conţinând diferite module funcţionale (întreruptor, separatoare, bare

colectoare) pot fi izolate fizic între ele, astfel încât fiecare poate fi considerat

o incintă separată.

5

► modul în care se asigură presiunea gazului SF6 în interiorul incintelor

-Sisteme presurizate controlate: ansamble la care completările cu gaz se

fac în mod automat, de la o sursă de gaz internă sau externă acestora.

Numărul acestor sisteme este foarte redus.

-Sisteme presurizate închise: incintele la care pot fi necesare completări

impuse de eventuale scurgeri şi la care sunt posibile revizii periodice ce

presupun evacuarea gazului sau înlocuirea sa. Completările se fac prin

racordarea manuală la o sursă de gaz externă. Astfel de sisteme sunt folosite

de majoritatea echipamentului de comutaţie de înaltă tensiune. Exemplul tipic îl

constituie echipamentul de medie tensiune cu izolaţie gazoasă.

- Sisteme presurizate sigilate: incintele care conţin gazul SF6 şi sunt

"sigilate pe viaţă"; ele nu se deschid niciodată, pe întreaga durată de viaţă a

echipamentului. Se livrează asamblate, montate şi testate de către producător.

Exemplele tipice sunt echipamentul de medie tensiune capsulat în metal sau

material electroizolant, respectiv echipamentul cu izolaţie gazoasă ce conţine

unele elemente asamblate la locul de producere.

6

cu dublă

presiune

Gazul, comprimat într-un rezervor de "înaltă

presiune“ (de ex. 1,7 MPa), este eliberat prin

deschiderea unui ventil acţionat de comanda de

declanșare transmisă întreruptorului; jetul de gaz

răcește arcul după care este extras din zonă prin

prin contactele tubulare fiind recuperat într-un

rezervor de "joasă presiune“ (de ex. 0,2 MPa) de

unde, după finalizarea operației de declanșare,

este repompat în rezervorul de înaltă presiune.

Acest rezervor trebuie să fie prevăzut cu

instalație de încălzire pentru menținerea

temperaturii peste cea de lichefiere.

Secţiune printr-un întreruptor cu SF6 cu dublă presiune; cuva

la potenţialul pământului, borne cu izolatoare de trecere

În prezent, în întreruptoarele cu SF6 de tipul dead tank

stingerea arcului se face folosind tehnicile moderne bazate

pe autocompresie și autosuflaj prezentate în continuare

Camere de stingere cu dublă presiune

7

Întreruptoare cu autocompresie

Tehnica autocompresiei a fost introdusă în 1967. Se bazează pe creşterea presiunii gazului prin reducerea

volumului camerei de compresie formată de ansamblul cilindru + piston (a se vedea) figura de mai sus.

Reducerea volumului camerei de compresie se realizează prin mişcarea relativă a pistonului respectiv

cilindrului, în corelaţie cu mişcarea contactului mobil (în varianta din figură pistonul este fix în timp ce

cilindrul este solidar cu contactul mobil). La creşterea suficientă a presiunii supapele de suprapresiune se

deschid şi gazul se destinde formând un jet longitudinal (în raport cu axa arcului electric). Jetul de gaz care

părăseşte camera de compresie este dirijat de ajutaj şi asigură răcirea arcului electric prin suflaj longitudinal.

8

Întreruptor cu autocompresie și dispozitiv de acționare cu aer comprimat

Zona de stingere a arcului - detaliu

Mişcarea contactului mobil antrenează ajutajul dielectric

şi cilindrul de compresie. Camera de compresie, creată

între cilindru şi piston îşi reduce volumul deoarece

pistonul este fix. Jetul longitudinal este iniţiat la

desprinderea ajutajului de teflon de contactul fix de arc

(construcție optimizată din care s-a eliminat supapa de

suprapresiune).

Deoarece gazul trebuie comprimat până la presiuni suficiente

stingerii arcului chiar şi pentru cele mai grele condiţii de

scurtcircuit, dispozitivele de acționare ale acestor întreruptoare

sunt de putere mare. Energia mecanică furnizată în timpul

declanșării conduce la apariția unor însemnate forţe de reacţie

(deci solicitări dinamice importante și vibrații)

9

Idem slide 8

Dispozitiv unic

de acționare

Modul în care

este transmisă

mişcarea

simultan celor

trei poli ai

întreruptorului

10

principalele etape de

funcționare pot fi urmărite

în slide-ul 11 iar

explicațiile în slide-ul 12

Întreruptor cu

autocompresie

construcție ABB

11

12

Funcționarea unei camere de stingere cu autocompresie

Mişcarea solidară a contactului mobil cu cilindrul de compresie determină creşterea presiunii în

interiorul camerei de compresie prin micșorarea volumului acesteia.

În momentul în care vârful contactului mobil iese din ajutaj se iniţiază jetul de gaz care va sufla

longitudinal arcul răcindu-l.

Trebuie menţionat că în cazul întreruperii unor curenţi de intensitate mare, arcul poate bloca ajutajul

(diametrul arcului este proporţional cu valoarea instantanee a curentului); se creează o situaţie

denumită "refulare de curent" (current choking). Când se produce refularea curentului, jetul de gaz nu

poate să fie iniţiat întrucât cele două spaţii (cel de compresie şi cel de detentă rămând izolate).

Mişcarea până la cap de cursă a contactului mobil determină creşterea presiunii în spaţiul de

compresie datorită micşorării volumului (prin compresie) şi încălzirii (prin aportul de căldură din

coloana arcului). Pentru evitarea acestei situaţii se optimizează forma ajutajului pentru ca acesta, la

curenţi intenşi să se deschidă mai mult asigurând iniţierea sigură a jetului de gaz şi eliminarea

posibilităţii de apariţie a refulării curentului

13

Avantaje ale întreruptoarelor cu SF6 şi autocompresie:

camera de stingere are o construcţie simplă

presiunea din camera de compresie nu depinde de intensitatea curentului întrerupt

o singură cameră de stingere pe pol asigură curenţi de rupere până la 63 kA

durata întreruperii poate fi de 2...2.5 perioade (40... 50 ms la frecvenţa de 50 Hz)

durate de viaţă de până la 25 de ani fără reparaţii capitale

nivel redus de zgomot în timpul manevrelor de anclanşare-declanşare

nu este nevoie de compresor pentru comprimarea gazului

fiabilitate bună faţă de alte tipuri de întreruptoare

14

Întreruptoare SF6 cu autosuflaj (numite şi întreruptoare cu compresie

hibride sau cu expansiune termică, cu autoexpansiune self-blast)

cu autosuflaj

Arcul este răcit prin suflajul produs de gazul

care curge prin piesa de contact tubulară.

Mişcarea gazului se face sub acţiunea

gradientului de temperatură generat în

prezenţa arcului în zona contactelor.

Soluție alternativă care rezolvă dezavantajele menţionate pentru întreruptoarele cu autocompresie

(legate de energiile mari necesare declanşării).

Presiunea necesară stingerii arcului este creată chiar cu ajutorul energiei termice a arcului electric

însuşi. Funcţionare este descrisă în schema de principiu din slide-ul 14

Camera de stingere este împărțită în două compartimente în care gazul are, inițial aceeași presiune

(cca. 5 bar). Pe durata întreruperii arcului presiunea gazului din zona de arc crește datorită aportului

de căldură din coloana arcului ; gradientul de temperatură determină apariția unui gradient de

presiune, sub acțiunea căruia gazul din zona de arc este antrenat, prin piesele de contact tubulare,

generând un jet care spală axial și transversal arcul răcindu-l suplimentar. Principiul este înrudit cu

cel folosit în întreruptoarele cu ulei mult.

Creșterea temperaturii gazului determină creșterea presiunii sale (R- constanta

termodinamică a gazelor perfecte, V- volumul ocupat de gaz)

15

16

17

Detaliile reprezentate în figură ilustrează funcţionarea supapei de suprapresiune: aceasta se deschide din

momentul în care presiunea gazului în compartimentul de compresie depăşeşte valoarea pre-reglată a

presiunii. Gazul este eliberat în interiorul camerei de stingere, iniţiind procesul de egalizare a presiunilor în

interiorul camerei de stingere (situaţie care se produce după stingerea arcului). După egalizarea presiunilor,

supapa de suprapresiune revine la poziţia închis, supapa de autosuflaj revine la poziţia deschis,

întreruptorul este pregătit pentru manevra de anclanşare.

curenți inductivi mici sau curenți capacitivi

18

Exemplu de arc cu evoluţie

necontrolată

Arc controlat cu pereţi izolanţi

Arc controlat cu bobină de suflaj

magnetic

Controlul arcului în camera de stingere Condițiile de stingere ale arcului existente în camerele de stingere cu autosuflaj sunt îmbunătățite prin

menținerea traseului arcului electric în zona axială a camerei de stingere, acolo unde parametrii dinamici

ai jetului de gaz (presiunea și viteza) au valori optime pentru a asigura stingerea rapidă a arcului.

Menținerea arcului în această zonă se obține folosind sisteme de ghidare mecanice sau magnetice

În absența unei metode de control a poziției

arcului în camera de stingere acesta, sub

acțiunea forței Lorentz (**), se poate

îndepărta din poziția axială, migrând către

zone în care viteza și presiunea jetului de

gaz sunt prea mici pentru a mai asigura

stingerea rapidă a arcului

(**) – subiect tratat in semestrul I în capitolul FED

(a)- sistem mecanic de ghidaj cu pereţi izolanţi,

rezultă din însăși construcția camerei de stingere

deoarece ajutajul de teflon este și incinta în

interiorul căreia se găsește o mare parte din arc.

Este un dispozitiv simplu și fiabil.

Dezavantaje:

prezența unei piese din material izolant, cu

permitivitate dielectrică mai mare decât a gazului,

deformează câmpul electric în această zonă și

influențează caracteristica de restabilire a rigidității

dielectrice a izolației longitudinale deci

comportarea la solicitarea cu TTR.

În consecință, trebuie să crească:

- viteza de mișcare a contactului mobil (corelat

crește puterea dispozitivului de acționare),

-distanța maximă dintre piesele de contact în

poziția deschis (izolația longitudinală)

cea mai mare parte a arcului se menține în interiorul

ajutajului, în zona în care viteza gazului este mai mică

decât în exteriorul ajutajului iar suflajul este redus la suflaj

axial; apar probleme de stingere a arcului pentru curenții

de intensitate mică

19

Exemplu de arc cu evoluţie

necontrolată

Arc controlat cu pereţi izolanţi

Arc controlat cu bobină de suflaj

magnetic

(b) sistem magnetic de ghidaj

Realizat cu ajutorul unei bobine parcurse de o parte din curentul ce urmează a fi întrerupt.

Inducția magnetică în zona de arc poate fi descompusă într-o componentă axială (în raport

cu arcul) care tinde să mențină arcul în zona centrală a intervalului intercontacte și o

componentă radială în raport cu arcul, care pune în mișcare arcul rotindu-l pe piesele inelare

de contact (interacțiunea inducției cu curentul din arc generează forță Lorentz).

Mişcarea rapidă a arcului electric relativ la gazul din camera de stingere este echivalentă cu

un "suflaj transversal" şi conduce la răcirea rapidă a coloanei sale şi apoi la stingerea sa la

trecerea prin zero a curentului.

Rotirea este cu atât mai rapidă, cu cât curentul de defect este mai intens, putând atinge

viteze de până la 1000 m/s. În cazul curenţilor de intensitate mică (de mers în gol sau

capacitivi), acest suflaj este ineficient, deci pentru corectarea situaţiei se impune ca

solenoidul să fie astfel dimensionat încât câmpul său magnetic să asigure chiar şi pentru

curenţii puţin intenşi puterea de rupere necesară

Liniile de câmp ale

inducției magnetice în

zona în care există arcul

20