Întrerupătoare cu hexafluorură de sulf: criterii de selecție și reguli de conectare

Funcționarea rețelelor electrice de înaltă tensiune, din punct de vedere al caracteristicilor de curent, nu este comparabilă cu cea a omologilor casnici. În consecință, la apariția unei situații de avarie, pentru deconectarea echipamentului și stingerea arcului electric sunt necesare dispozitive mai puternice decât aparatele automate standard.

Ca structuri de protecție se utilizează întrerupătoarele cu SF6 (EV), care pot fi acționate atât manual, cât și cu ajutorul automatizării. Am descris în detaliu particularitățile constructive și principiul de funcționare al dispozitivelor. Am oferit recomandări privind instalarea, conectarea și întreținerea.

Definiția și aplicarea SF6-ului

SF6-ul este hexafluorura de sulf, care este considerat un gaz electrotehnic. Datorită proprietăților sale izolante, este utilizat activ la fabricarea dispozitivelor electrotehnice.

În stare neutră, SF6-ul este un gaz neinflamabil, incolor și inodor. Dacă îl comparăm cu aerul, putem observa o densitate mare (6,7) și o masă moleculară de 5 ori mai mare decât cea a aerului.

Unul dintre avantajele SF6-ului este rezistența la manifestări externe. Nu își modifică caracteristicile în nicio condiție. Dacă are loc o descompunere în timpul descărcării electrice, în curând are loc o refacere completă, necesară funcționării.

Secretul este că moleculele de SF6 leagă electronii și formează ioni negativi. Calitatea de „electronegativitate” a înzestrat hexafluorura de sulf cu o caracteristică precum rezistența electrică.

În practică, rezistența electrică a aerului este de 2-3 ori mai slabă decât aceeași proprietate a SF6-ului. În plus, acesta este ignifug, deoarece aparține substanțelor neinflamabile și are capacitate de răcire.

Când a apărut necesitatea de a găsi un gaz pentru stingerea arcului electric, au început să studieze proprietățile SF6 (hexafluorură de sulf), tetraclorură de carbon și freon. În teste, a câștigat SF6-ul.

Caracteristicile enumerate au făcut ca SF6-ul să fie cât mai potrivit pentru aplicarea în domeniul electrotehnic, în special în următoarele dispozitive:

• transformatoare de putere, care funcționează pe principiul inducției magnetice;
• instalații de distribuție de tip complex;
• linii de înaltă tensiune, care leagă instalații îndepărtate;
• întrerupătoare de înaltă tensiune.

Dar anumite proprietăți ale gazului SF6 au dus la necesitatea de a perfecționa construcția întrerupătorului. Principalul dezavantaj se referă la trecerea fazei gazoase în faza lichidă, iar acest lucru este posibil la anumite raporturi ale parametrilor de presiune și temperatură.

Pentru ca echipamentul să funcționeze fără întreruperi, este necesar să se asigure condiții confortabile. Să presupunem că, pentru funcționarea dispozitivelor cu gaz SF6 la -40º, este necesară o presiune de cel mult 0,4 MPa și o densitate mai mică de 0,03 g/cm³. În practică, la nevoie, gazul este încălzit, ceea ce împiedică trecerea în faza lichidă.

Construcția întrerupătorului cu SF6

Dacă comparăm dispozitivele cu gaz SF6 cu analogii de alte tipuri, atunci, din punct de vedere al construcției, ele sunt cel mai apropiate de aparatele cu ulei. Diferența constă în umplerea camerelor de stingere a arcului.

Ca material de umplere la întrerupătoarele cu ulei se utilizează un amestec de ulei, iar la cele cu gaz SF6 – hexafluorură de sulf. Avantajul celei de-a doua variante constă în durabilitate și un minim de întreținere.

Schema dispozitivului cu gaz SF6 de tip coloană. Modulele de stingere a arcului, fixate pe un suport înalt, se află în partea superioară, iar dulapul de comandă – în partea inferioară.

Metodele de stingere a arcului electric depind de mulți factori, dintre care cei decisivi sunt curentul și tensiunea nominale, precum și condițiile de utilizare a dispozitivului.

În total, se disting patru tipuri de întrerupătoare cu gaz SF6:

• cu suflare electromagnetică;
• cu suflare în gaz SF6 – cu 1 treaptă de presiune;
• cu suflare longitudinală – cu 2 trepte de presiune;
• cu suflare autogeneratoare.

Dacă în aparatele cu aer, în procesul de stingere a arcului, gazul este eliberat în atmosferă, în cele cu gaz SF6 acesta rămâne într-un spațiu închis, umplut cu amestec de gaze. În acest caz, se menține o ușoară suprapresiune.

Dispozitive columnare și cu rezervor

În practică, se utilizează două tipuri de instalații cu gaz SF6:

• cu rezervor;
• de tip coloană.

Diferențele se referă atât la particularitățile constructive, cât și la principiul de stingere a arcului electric. Din punct de vedere al aspectului exterior, cele de tip coloană amintesc de analogii cu puțin ulei: sunt formate din două părți funcționale – de stingere a arcului și de contact, având dimensiuni la fel de voluminoase.

Dispozitivele de deconectare sunt proiectate pentru funcționarea la rețeaua de 220 V și aparțin echipamentelor monofazate. Un exemplu de întrerupător cu gaz SF6 de tip coloană – LF 10 Schneider Electric.

Comanda echipamentului poate fi realizată în două moduri diferite: manual, când reglarea și controlul se efectuează cu ajutorul dispozitivelor mecanice, și la distanță, automat.

Aparatele cu gaz SF6 de tip rezervor sunt mai mici ca dimensiuni și sunt echipate cu o acționare cu mai multe faze. Această distribuție permite un control mai bun și o reglare lină a parametrilor de tensiune.

Unul dintre avantajele întrerupătoarelor cu gaz SF6 de tip rezervor este capacitatea de a suporta sarcini mărite. Această calitate este asigurată de transformatorul de curent integrat în construcție.

Un exemplu de dispozitiv de tip rezervor este instalația cu gaz SF6 DT2-550 F3 Alstom Grid. Astfel de dispozitive s-au dovedit a fi eficiente în sistemele electrice cu tensiunea de 500 kV.

Construcția este asamblată și echipată astfel încât funcționează fără defecțiuni la temperaturi scăzute (critice), umiditate ridicată, precum și în regiuni cu activitate seismică și poluare atmosferică excesivă.

Principiul stingerii arcului

Cum acționează dispozitivul, să analizăm pe exemplul întrerupătorului LW36 al producătorului chinez CHINT.

La deconectare, arcul acționează asupra elementelor dinamice ale cilindrului, iar acestea se deplasează în jos. Toate contactele, cu excepția celor de stingere a arcului, se deschid. Atunci când se deschid și contactele de stingere a arcului, prin care circulă curentul, apare un arc electric.

Gazul fierbinte se deplasează în camera termică, iar supapa de reținere se activează. Când gazul din camera termică este suflat în spațiul dintre contacte, are loc stingerea arcului electric.

Dacă are loc deconectarea unor curenți de mică amploare, presiunea din camera termică este insuficientă, motiv pentru care se utilizează presiunea din camera de compresie (aceasta este întotdeauna mai mare). Supapa de reținere se deschide, gazul pătrunde liber în spațiul dintre contacte și, la trecerea curentului prin zero, stinge arcul electric.

Schema de amplasare interioară și de funcționare a supapelor mobile, fixe, de decompresie și de reținere. Poziția 1 – conectare; poziția 2 – deconectare a curenților mari; poziția 3 – deconectare a curenților mici; poziția 4 – deconectare a aparatului.

Instalațiile moderne de tip coloană dispun de caracteristici îmbunătățite. Întreținerea tehnică este redusă la minimum, iar resursa de comutație este mărită. Întrerupătoarele cu gaz SF6 se remarcă printr-un nivel scăzut de zgomot, mecanică fiabilă și simplitatea lucrărilor de montaj și testare.

Reglarea modelelor de tip rezervor se realizează cu ajutorul acționării și transformatoarelor. Acționarea cu arc sau arc-hidraulică controlează procesele de conectare/deconectare și nivelul de stingere a arcului electric.

La ce servește acționarea?

Acționarea este destinată să efectueze toate operațiile legate de conectare/deconectare sau de menținerea instalației într-o anumită poziție. Pe schemă este arătat unde anume poate fi amplasată acționarea. De obicei, aceasta este la nivelul solului sau pe un suport jos, care asigură personalului de întreținere un acces ușor la dispozitivele de reglare.

Schema de construcție a întrerupătorului de tip rezervor: 1 – module din porțelan sau polimer; 2 – transformatoare; 3 – rezervor cu dispozitiv de stingere a arcului prin gaz; 4 – cameră cu gaz; 5 – acționare de tip hidraulic; 6 – cadru metalic; 7 – conector pentru introducerea gazului SF6

Acționarea constă dintr-un mecanism de cuplare, un dispozitiv de fixare – zăvorul, un mecanism de decuplare. Procesul de cuplare trebuie să aibă loc cât mai rapid posibil, pentru a evita sudarea contactelor.

În timpul cuplării, se depun eforturi mari pentru a depăși forța de frecare a tuturor elementelor implicate. Decuplarea se realizează mai simplu și constă în mișcarea inversă a zăvorului, care asigură cuplarea și menținerea acesteia.

Există mai multe moduri de cuplare/decuplare:

• mecanic;
• cu arc;
• cu greutate;
• pneumatic;
• electromagnetic.

Pentru sistemele de putere redusă se utilizează comanda manuală. În acest caz, este suficientă forța unui singur operator. Deconectarea mecanismelor manuale se realizează de obicei în regim automat. Acționarea cu arc este, de asemenea, acționată manual, dar uneori se folosesc motoare electrice de putere redusă.

Amplasarea tradițională a acționării este lângă cadrul metalic de montare. Integritatea și funcționarea mecanismului sunt asigurate de o carcasă metalică robustă – o cutie cu o ușă convenabilă pentru lucrul operatorului.

Pentru utilizarea acționării electromagnetice este necesară mai multă energie, de aceea este necesară o sursă constantă de curent de aproximativ 58 A la o tensiune de 220 V. Ca mecanism de rezervă pentru deconectare, există o pârghie manuală. Dispozitivele electromagnetice se remarcă prin fiabilitate, motiv pentru care sunt exploatate cu succes în zone cu ierni aspre. Dezavantajul – necesitatea unei baterii puternice.

Acționarea pneumatică se deosebește prin faptul că, în locul electromagnetului, elementul principal de lucru este o pereche cilindru/piston. Datorită aerului comprimat, viteza de cuplare este mult mai mare decât la modelele anterioare.

Avantajele și dezavantajele utilizării EV

Întrerupătoarele cu hexafluorură de sulf, la fel ca și alte tipuri de dispozitive de distribuție electrică, au o serie de avantaje și dezavantaje. La alegerea instalației, se efectuează calculele necesare și, pe lângă caracteristicile tehnice și particularitățile constructive, se iau în considerare avantajele și dezavantajele modelelor.

Întrerupătoarele de tip cu hexafluorură de sulf funcționează în condiții dificile, cu vibrații periodice, temperaturi scăzute (cu încălzire), în zone periculoase de incendiu.

Dezavantajele includ costul ridicat al umpluturii – hexafluorura de sulf, specificul montajului pe panou sau fundație, necesitatea unei anumite calificări a personalului operator.

Reguli de conectare și întreținere a EV

Toate acțiunile referitoare la montaj, pornire/oprire, reparare și întreținere a dispozitivelor cu SF6 se supun unor reguli stricte, reglementate de PUE 1.8.21.

Pentru conectarea instalației, este necesar să verificați existența presiunii minime în camera umplută cu gaz, altfel întrerupătorul se va defecta. Pentru a preveni deteriorările, este instalată o alarmă care se activează la scăderea critică a parametrilor de presiune. Nivelul presiunii poate fi monitorizat cu ajutorul unui manometru.

În dulapul de acționare sunt instalate elemente de încălzire, care previn eficient apariția condensului pe elementele mecanismului. Operatorul trebuie să se asigure că încălzitoarele rămân permanent în stare pornită.

Inspecția instalației se efectuează în fiecare zi în timpul zilei și de aproximativ 2 ori pe lună în timpul nopții. Dacă a avut loc o deconectare de urgență dintr-un motiv oarecare, este necesară o inspecție neprogramată.

În timpul inspecției întrerupătorului, este necesar să verificați protecția exterioară, să îndepărtați murdăria, să reparați deteriorările. Dacă contactele se încălzesc, trebuie să aflați cauza.

În caz de trosnituri, zgomot suspect, trebuie identificată sursa. Construcția metalică de montaj este în același timp o parte a circuitului de împământare, de aceea trebuie verificată integritatea acesteia.

Se citesc obligatoriu indicațiile manometrului. Presiunea trebuie să corespundă normei calculate de producător. Este necesar să verificați funcționarea aparatelor de reglare și control, iar în cazul defectării unuia sau mai multor elemente, să luați măsuri – să le înlocuiți sau să le trimiteți la reparație.

Dacă presiunea gazului a scăzut, trebuie să reumpleți camera cu SF6. Izolația nu are nevoie de curățare, deoarece construcția este complet etanșă.

Concluzii și material video util pe această temă

Cum sunt construite întrerupătoarele cu SF6, după ce principiu are loc stingerea arcului electric și ce tipuri de dispozitive există, puteți afla dintr-un video util și informativ.

Video #1. Prezentare generală a întrerupătoarelor cu SF6 cu descrierea construcției și principiului de funcționare:

Video #2. Caracteristici ale construcției instalațiilor:

Video #3. Cum se efectuează montajul întrerupătorului:

Întrerupătoarele cu SF6 ies de pe linia de asamblare a fabricii în stare deplină de funcționare și sunt destinate funcționării în diverse zone climatice, de la tropicală până la rece, de aceea sunt utilizate activ de companii industriale din diferite țări.