1. PRINCIPIUL DE FUNCŢIONARE AL ÎNTRERUPTORULUI ÎN VID

La un aparat de comutaţie în vid piesele de contact se află într-o incintă vidată şi etanşă faţă de mediul ambiant. Funcţionarea unui astfel de aparat se bazează pe următoarele considerente:

a) Presiunea în camera de stingere

În principiu, vidul este un mediu dielectric ideal, nefiind materie, nu prezintă conducţie electrică.

Însa vidul nu este niciodată perfect, totuşi un vid de 10-4 – 10-6 bar are performanţe deosebite; rigiditatea dielectrica în câmp omogen poate atinge valoarea de 200 kV la o distanţă între electrozi de 12 mm. Rigiditatea dielectrică a vidului este mult superioară rigidităţii dielectrice a altor medii ca aerul atmosferic sau gazul SF6

În figura 1.1. sunt date curbele comparative ale rigidităţii dielectrice pentru vidul avansat 10-7-10-10, aerul la presiunea de 1 bar şi SF6 la presiunea de 1 bar. La presiuni de ordinul 10-7- 10-10 bar în poziţia deschis a aparatului, distanţa între piesele de contact este cuprinsă între 2 mm (la Un = 1000 V) şi 22 mm (la tensiunea Un= 24 kV). În aceste condiţii parcursul mediu liber al particulelor de gaz este sensibil mai mare decât distanţa între piesele de contact şi ca urmare probabilitatea ionizării prin şoc scade considerabil, iar rigiditatea dielectrică va creşte sensibil. Datorită presiunii reduse şi rigidităţii dielectrice crescute, în vid se realizează camere de stingere miniaturale.

Figura 1.1

1 – în aer la p = 1 bar; 2 – în SF6 la p = 1 bar;3 – în vid avansat

b) Arcul electric se dezvoltă în vapori metalici

La separarea pieselor de contact curentul electric se scurge prin punctele de contact, care pe măsura îndepărtării pieselor se reduc ca număr si suprafaţă, iar densitatea de curent creşte.

Ca urmare se produce topirea si vaporizarea punctelor de contact. Arcul electric are drept suport vaporii metalici proveniţi din piesele de contact.

Aceşti vapori metalici difuzează în vid, o parte se condensează pe piesele de contact iar restul pe un ecran de protecţie a izolaţiei electrice împotriva depunerilor metalice. Prin condensarea vaporilor metalici, vidul este refăcut cu condiţia să nu se elimine gaz din metalul vaporizat .

c) Arcul electric difuz, arcul electric autocompresat

Până la aproximativ 10 KA arcul electric este difuz, se extinde pe toată suprafaţa pieselor de contact. Solicitarea termică si eroziunea sunt relativ reduse (figura 1.2 a). La valori ale curentului in arc peste 10 KA apare fenomenul de autocompresie. În coloana de plasmă a arcului electric de curent intens se face simţită forţa Lorentz, ca urmare a interacţiunii între densitatea de curent si inducţia magnetică proprie. Într-un arc electric de formă cilindrică, forţa Lorentz este dirijată spre axul coloanei, astfel încât aceasta suferă o compresie. Piciorul arcului electric, dacă acesta rămâne imobil, solicită puternic piesa de contact care va suferi o eroziune importantă.

Întreruptoarele de putere întrerup curenţi de scurtcircuit mari şi deci arcul electric are o forţă de autocompresie, astfel că apare necesitatea ca piciorul arcului electric să se deplaseze pe suprafaţa de contact, pentru a nu solicita excesiv piesa de contact. În acest scop piesele de contact iau forma unor pahare prevăzute cu tăieturi înclinate pentru ca forţa electrodinamică Lorentz să vehiculeze arcul electric pe marginea piesei de contact. (Fig. 1.2 b)

Figura 1.2 a b

d) Curentul tăiat

- 2 -

Ca urmare a difuziei rapide a vaporilor metalici în camera de stingere, arcul electric se stinge înainte de trecerea curentului electric, în mod natural, prin valoarea zero.

Stingerea arcului este precedată de apariţia unei instabilităţi înainte de tăierea curentului la valoarea i0 (fig. 1.3.) Curenţii critici care determină curenţi tăiaţi relativ mari au valori reduse şi anume I = 40..... 80A. Curenţii mai mari produc o cantitate mai mare de vapori metalici, ceea ce conduce la menţinerea arcului electric către valori mai mici ale curentului electric.

Curentul tăiat i0 determină o supratensiune în reţea de mărimea:

unde:inductivitatea L şi capacitatea C sunt parametrii reţelei.

Figura 1.3

2. ÎNTRERUPTORUL DE PUTERE ÎN VID

- 3 -

În domeniul tensiunilor 12… 36 kV sunt trei variante de întreruptor de putere şi anume:

a) întreruptorul cu ulei puţin, în reţelele de distribuţie a energiei electrice având curenţi de scurtcircuit mici (sub 15 kA) Costul de fabricaţie al aparatului este cel mai mic dintre cele trei variante. Necesitatea reviziei aparatului (schimbarea uleiului, a pieselor de contact) după un număr de declanşări pe scurtcircuit determină limitarea folosirii lui în reţelele cu defecţiuni frecvente.

b) întreruptorul cu SF6 cu autosuflaj în reţele cu curenţi de scurtcircuit mai mari (15- 25kA) ca varianta mai fiabilă şi cu cheltuieli de întreţinere mai reduse decât la prima variantă.

c) întreruptorul în vid ca variantă universală cu capacitate de rupere până la 50 kA la 12 kV si 31,5 kA la 36 kV. Acest aparat este considerat a fi „fără întreţinere” are o durată de viaţă confirmată la 20 ani.

Aparatul este folosit în instalaţii cu număr mare de conectări pe scurtcircuit (cuptoare electrice cu arc) şi cu curenţi de scurtcircuit importanţi. Până la tensiuni de 24 kV inclusiv întreruptorul are o singură cameră de stingere pe pol; pentru tensiuni de 36 kV şi 52 kV există două camere de stingere conectate în serie şi acţionate de acelaşi dispozitiv.

2.1. Camera de stingereÎn figura 2.1. este prezentată schiţa de construcţie a unei camere de stingere

de fabricaţie Siemens. Izolaţia este divizată şi realizată cu două elemente ceramice 3 şi 7.

Piesele de contact 4 şi 6 sunt realizate conform schiţei (fig. 1.2 b) dintr-un suport din Cu O FHC de forma unui pahar pe care se aplică elemente active din aliajul sinterizat Cu – Cr 50.

La deconectarea curenţilor de scurtcircuit (I > 10 KA) arcul electric, care se dezvoltă în vaporii metalici se deplasează pe suprafeţele active sub acţiunea forţei Lorentz în scopul reducerii eroziunii locale de metal. Învelişul 5 realizat din oţel inoxidabil constituie un ecran pe care se condensează vaporii metalici proveniţi din acţiunea arcului electric asupra pieselor de contact.

Burduful 8, realizat din oţel inoxidabil permite deplasarea piesei mobile de contact.

- 4 -

Figura 2.1

- 5 -

2.2. Pol de întreruptor fabricat de AEG - este prezentat într-o viziune funcţională cu ecranul şi izolatoarele ceramice transparente în fig. 2.2 şi 2.3.

Camera de stingere este fixată într-un cadru izolat rigid (2, 15). Pentru a nu solicita lipiturile metal – ceramică, forţa care acţionează asupra piesei mobile de contact 3 are (practic) numai componente longitudinale.

Figura 2.2.

- 6 -

Figura 2.3.

Cinematica dispozitivului de acţionare se poate urmări în fig. 2.4. Axul O1 este rotit de mecanismul de acţionare cu aproximativ 48º

transmiţând mişcarea către contact prin mecanismul bielă-manivelă 1,2 şi prin intermediul triunghiurilor nedeformabile 4,5 cuplate între ele prin resortul 3, care asigură forţa în contact.

Se obţine astfel :

a) asigurarea unei poziţii stabile în poziţia închis, prin depăşirea unui punct mort fără folosirea unui clichet .

b) transferul forţei de acţionare, către piesa mobilă de contact, fără componenta radială care să solicite lipiturile metal-ceramică şi sudurile metalice.

Figura 2.4.

- 7 -

2.3. Întreruptor cu vid, fabricat de ABB

Din punct de vedere constructiv întreruptoarele sunt realizate din trei poli construiţi în formă de coloană (fig. 2.5 a b c) montaţi pe partea dorsală a carcasei mecanismului (1). Fiecare pol este fixat pe câte un izolator suport. Camera de stingere a întreruptorului este prezentată în fig. 2.6.

Părţile sub tensiune ale polilor întreruptorului se află în tuburile izolante 12. Când întreruptorul este închis, calea de curent duce de la terminalul superior 13 şi un suport al camerei de stingere fixat în tubul protector la contactul fix, apoi prin contactul mobil şi contactul cu degete sau contactul cu role (în funcţie de curentul nominal al întreruptorului 630A respective 1250 A) până la terminalul inferior 14). Mişcarea părţii de comutaţie este asigurată printr-o bielă izolantă 18, care are un resort interior pentru asigurarea forţei de contact 17.

a)

b) c)

- 8 -

Figura 2.5. a, b, c

Figura 2.6

Mecanismul de acţionare este de tip cu resort de stocare a energiei şi operează simultan asupra celor 3 poli ai întreruptorului. In principal constă din tamburul 3.3 ce conţine arcul spiral, sistemul de armare, mecanismul de control şi blocare, şi legăturile care transmit mişcarea la polii întreruptorului. În plus sunt componente suplimentare precum motorul de armare, declanşatoarele, contactele auxiliare şi comenzile poziţionate pe frontul carcasei mecanismului fig. 2.7.

a) b)

Figura 2.7.

- 9 -

În tabelul 2.1 sunt prezentate datele tehnice pentru variantele constructive ale întreruptorului în vid tip VD 4.

Tabel 2.1

- 10 -

3. PERFORMANŢE

Întreruptorul cu vid este considerat ca fiind un aparat “fără întreţinere”. Durata de viaţă este influenţată de numărul de comutaţii, de intensitatea curentului comutat. La fiecare deconectare sub curent se produce procesul de topire şi de vaporizare a metalului din piesele de contact precum şi o degradare a vidului prin eliberarea unor molecule de gaz incluse piesele de contact.

La stadiul actual al tehnologiei comportamentul întreruptorului in vid este definit prin:

- 100 de conectori la curentul nominal de scurtcircuit care poate fi de 20, 31,5, 40 KA

- 20. 000 de conectori la curentul nominal care poate fi de exemplu 630 sau 1250 A

Pentru întrerupătoarele de fabricaţie ABB sunt prezentate în fig. 3.1. a, b, c, d, diagramele din care rezultă, funcţie de curentul de rupere, numărul de cicluri de operare.

Figura 3.1. a, b

- 11 -

Figura 3.1. c, d

- 12 -

4. ACTIVITATE DE MENTENANŢĂ

Dispozitive de comutaţie în general

Se fac inspecţii periodice care presupun examinări asupra contaminării izolaţiei, coroziuni, umezeală/condens si fenomene de arc liber (conturnări).

Dacă se descoperă situaţii incorecte, trebuie sa fie luate măsuri de service corespunzătoare pentru curăţarea zonelor de praf, uscate, puţin aderente, se curăţă cu o cârpa moale, curată si uscată.

Dacă este contaminare cu aderenţă mai mare se foloseşte substanţă de curăţat de casa, uşor alcalină. Nu este permisă folosirea substanţelor pe bază de halogeni şi în nici un caz tricloretilena.

Polii întreruptorului împreună cu camera de stingere nu necesită mentenanţa până la atingerea numărului maxim de cicluri de operare specificat mai sus. Când este atins numărul maxim permis de ciclul de operare, polii întreruptorului trebuie sa fie înlocuiţi.

Verificarea calităţii vidului

Menţinerea presiunii, în limite acceptate, în interiorul unei camere de stingere asigură funcţionalitatea aparatului, dar în decursul timpului, gazele pătrund în camera de stingere, vidată, eventual apariţia de gaze în procesul de vaporizare a metalului contactelor la ruperea curenţilor, iar presiunea internă creşte (vidul se deteriorează). Această presiune, poate creşte, odată cu timpul, până la 10-2 bar, valoare la care proprietăţile dielectrice sunt încă menţinute în limite.

Practic testarea vidului fără a demonta întreruptorul se face prin încercarea cu tensiune continuă mărită după cum urmează :

Tensiune nominală ( KV) Tensiune de încercare în curent continuu (KV)12 4017.5 4024 60

Testarea trebuie făcută cu contactele în poziţie deschis, la distanţa nominală.Verificarea calităţii vidului este necesara doar atunci când se suspectează că

o forţă externă aplicată cilindrului izolant a provocat o distrugere a camerei de stingere din interior. Dacă cilindrul izolant este afectat poate fi necesar să se înlocuiască întregul pol. Inspectarea şi revizia mecanismului de acţionare sunt necesare după 10 000 de cicluri de operare.

- 13 -

5. ACŢIONAREA ÎNTRERUPTORULUI

Armarea resortului de stocare a energiei :

a) Întreruptoare cu motoare de armare.

Armarea are loc automat. Dacă motorul de armare se defectează, procesul de armare poate fi continuat manual.

b) Întreruptoare cu mecanism de acţionare manual Se introduce tija de armare 9, în locaşul 6 si se mişcă în sus şi în jos până

când este afişată condiţia de resort armat. Când se ajunge in situaţia „armat”, mecanismul se deconectează automat si

acţiunea după aceea asupra tijei nu mai are nici un efect. Ca o condiţie preliminara pentru secvenţa de reanclanşare, mecanismul

este, fie rearmat după operaţia de închidere, automat, de către motorul de armare sau necesita rearmarea manuala, daca mecanismul de armare este de tip manual.

Închiderea şi deschiderea întreruptorului se realizează prin acţionare pe butoanele corespunzătoare. Contorul de funcţionari înregistrează numărul ciclurilor de acţionare.

Defecte posibile

Potrivit datelor furnizorilor, probabilitatea de apariţie a defectelor este foarte redusă, totuşi, în timpul exploatării pot apărea inerent defecte constând în principal din arderea siguranţelor sau a motorului de acţionare; în acest ultim caz, până la înlocuirea motorului (de către personalul de service) se recurge la acţionarea armării manuale. În caz de nefuncţionare a întreruptorului, remedierea trebuie făcută numai de personal specializat.

- 14 -

6. COMPARAŢIE ÎNTRE TEHNICA RUPERII IN SF6 ŞI ÎN VID

În tabelul 6.1 sunt rezumate calităţile respective ale fiecăreia dintre aceste tehnici.

Tabel 6.1

SF6 VidAplicaţii : motoare, cuptoare cu arc electric, linii electrice, transformatoare

Toate. Mai degrabă adaptate la ruperi ridicate (I şi U)

Toate. Mai degrabă adaptate tensiunilor reduse cu tensiune tranzitorie de restabilire foarte rapidă.

Caracteristici : anduranţa Satisfăcătoare pentru toate aplicaţiile curente.

Poate fi foarte ridicată pentru anumite aplicaţii curente

supratensiune

Nu este risc la curenţi capacitivi slabi. Foarte slabă probabilitate de reamorsare la curenţi capacitivi

Recomandat protecţie împotriva supratensiunilor pentru manevrarea motoarelor şi a treptelor de condensatoare.

izolaţia intrare-ieşire

Foarte reproductibilă permiţând funcţionări de secţionare

Dimensiuni Foarte compact in tensiunile joase

Siguranţa infuncţionare :

Pierderi de etanşeitate

Până la 80% menţinerea performanţelor la Patm .Supaveghere posibilă în mod continuu.

Mentenanţa Controlul sistemului de comandă Controlul permanent posibil al presiunii gazului

Controlul sistemului de comandaControl ocazional posibil al vidului

Număr de defecte

Foarte jos (< 4/10 000), în principal datorate părţilor auxiliare

Foarte jos dacă procesul de fabricaţie a recipienţilor este bine condus

- 15 -

7. DOMENIUL DE APLICARE AL RUPERII ÎN VID

Tehnica de rupere în vid permite realizarea de aparate având o mare anduranţă electrică la tensiuni tranzitorii de restabilire cu front de creşteri foarte rapide.

Este cea mai utilizată în M.T. - întreruptoare de folosinţă generală sunt acum disponibile pentru toate puterile de rupere obişnuite (până la 63 kA).Sunt utilizate pentru protecţia şi comanda:

cable şi linii aeriene; transformatoare; baterii de condensatoare; motoare electrice.

La J.T. folosirea acestei tehnici rămâne marginală din motive de cost; utilizarea sa se limitează la curenţi cuprinşi între 800 – 2500 A şi pentru puteri de rupere inferioare sub 75 kA.

La I.T. (U 52 kV) utilizarea acestei tehnici rămâne domeniului de perspectivă.

Remarci

Pentru ruperea curenţilor capacitivi în vid refacerea rigidităţii dielectrice după rupere este întâmplătoare şi se traduce printr-un risc de reamorsare important.

La întrerupătoarele cu contacte în vid există riscuri de sudare a contactelor mai ales după o închidere pe scurtcircuit.Deteriorarea stării suprafeţei de contact facilitează preamorsajul în timpul închiderilor succesive şi amplifică importanţa sudurilor, cu riscul unei suduri definitive.

Pentru comanda motoarelor trebuie luate măsuri de precauţie pentru că întrerupătoarele în vid taie curenţi de înaltă frecvenţă (fenomene de reaprindere) ceea ce conduce la apariţia supratensiunilor; este preferabil să se prevadă aparate de protecţie împotriva supratensiunilor de tip ZnO.

- 16 -

Comparaţie între diferite tehnici de rupere a arcului electric

Azi, în domeniul tensiunilor joase, ruperea în aer este, în afara câtorva cazuri rare, singura folosită.

La tensiuni înalte, tehnica de rupere SF6 este practic singura implementată.Pentru medie tensiune, unde toate tehnicile pot fi utilizate, cele cu rupere

SF6 şi în vid au înlocuit pe cele în aer din motive de cost şi volum (ancombrante) şi pe cele în ulei din motive de fiabilitate, securitate şi reducerea mentenanţei.

Figura 7.1.

Tehnicile ruperii în vid sau SF6 au performanţe comparabile, calităţile lor fac, ca una sau alta să fie mai adaptată la unele aplicaţii.

- 17 -