1

6.3.3. Tipuri de instalaţii cu SF6

În cadrul echipamentului electric cu SF6 pentru instalaţiile de înaltă tensiune, trebuie făcută distincţie între domeniul tensiunilor medii (1 kV < Um < 52 kV) şi cele superioare acestui domeniu, deoarece între cele două categorii de echipament există adesea diferenţe semnificative în ceea ce priveşte proiectarea (soluţiile constructive şi gabaritul) şi construirea (realizarea practică). Din punct de vedere al soluţiilor constructive, se disting următoarele variante: - Echipament capsulat: echipamentul la care mediul izolant primar este în principal aerul. Gazul 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. În funcţie de modul în care se asigură presiunea gazului SF6 în interiorul incintelor, acestea se clasifică astfel: - 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. Dintre avantajele majore ale acestui tip de instalaţii se impun a fi menţionate în primul rând următoarele: - Calităţile dielectrice excelente ale SF6, superioare celor ale aerului atmosferic, permit - prin folosirea acestei tehnologii - o compactare accentuată a instalaţiilor electrice de înaltă tensiune, astfel încât soluţia - deşi scumpă - este totuşi de preferat acolo unde spaţiul este deficitar sau are un preţ deosebit de ridicat (staţii - interioare sau exterioare - în mari aglomerări urbane sau la marii consumatori). - Izolarea completă a circuitelor primare faţă de mediul ambiant, face ca instalaţiile cu SF6 să-şi găsească o largă utilizare în ţările cu condiţii climatice defavorabile (ţările arabe şi cele din sud-estul Asiei). - Legarea la pământ a tuturor anvelopelor metalice şi numărul ridicat de separatoare de legare la pământ, conferă staţiilor ce folosesc SF6 o deosebită siguranţă pentru personalul de exploatare şi întreţinere.

6.3.4. Tipuri de întreruptoare cu SF6

O sinteză a principalelor tipuri de camere de stingere folosite pentru construcţia întreruptoarelor cu SF6 poate fi urmărită în tabelul 6.1 Camerele de stingere prezentate în table vor fi comentate în continuare.

2

Tabel 6.1 - Tehnici de stingere a arcului pentru întreruptoare cu SF6 (sinteză)

cu dublă presiune

Gazul, comprimat într-un rezervor de "înaltă presiune", este eliberat prin deschiderea unui ventil acţionat de comanda de deschidere transmisă întreruptorului; jetul de gaz care curge prin contactele tubulare suflă arcul şi este recuperat într-un rezervor de "joasă presiune"

cu autocompresie "puffer"

Gazul este comprimat prin mişcarea unui piston care se pune în mişcare o dată cu deschiderea contactelor. Suflă arcul curgând prin interiorul contactelor care sunt tubulare.

cu autocompresie şi două volume de compresie

Acelaşi principiu de autocompresie dar cu două volume de compresie diferite: •••• un volum în care presiunea gazului este

mică, adecvată întreruperii curenţilor de mică intensitate

•••• un volum în care presiunea gazului este mare, adecvată întreruperii curenţilor intenşi.

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.

cu suflaj magnetic

Arcul este răcit în timpul mişcării de rotaţie în care este antrenat datorită interacţiunii cu un câmp magnetic radial produs chiar de circulaţia curentului care trebuie să fie întrerupt

cu autoexpansiune şi suflaj magnetic

Combină efectul de răcire a arcului obţinut prin suflaj magnetic cu răcirea obţinută prin "spălarea" arcului cu jetul de gaz care curge prin contactele tubulare

6.3.5. Întreruptoare cu dublă presiune

Primul studiu experimental pentru introducerea gazului SF6 ca mediu de stingere a arcului electric a fost raportat de H. J. Lingal în 1952, marcând astfel începutul unei perioade de intense cercetări a

3

proprietăţilor speciale ale acestui gaz. Întreruptorul pe care s-au început aceste cercetări a fost de tipul cu

dublă presiune (tabelul 6.1 prima poziţie), cu anvelopă metalică legată la pământ şi borne cu izolatoare de trecere (figura 6.36) Indiferent de tipul constructiv al întreruptorului, configuraţia de principiu a zonei de contact este cea din fig. 6.35 în care se disting contactul de serviciu şi cel de arc, alături de ajutajul izolant (de regulă, din tereftalat de polietilenă = teflon) aflat pe contactul mobil.

Figura 6.35

Configuraţia contactelor întreruptoarelor cu SF6 Figura 6.36

Secţiune printr-un întreruptor cu SF6 cu dublă presiune; cuva la potenţialul pământului, borne cu

izolatoare de trecere

Figura 6.37 a Figura 6.37 b La primele modele de întreruptoare cu SF6 stingerea arcului electric se făcea cu metode similare celor folosite la întreruptoarele cu aer comprimat: gazul stocat în rezervoare de 1,5…2 MPa, se folosea pentru răcirea şi stingerea arcului electric în camere de stingere cu suflaj axial (figura 6.37 a şi b), prin vehicularea sa spre un rezervor de joasă presiunea (circa 0,3 MPa). Când în rezervorul de înaltă presiune aceasta scade sub o anumită valoare minim admisibilă, readucerea presiunii la valoarea menţionată se

4

asigură cu un compresor, care pompează SF6 din rezervorul de joasă presiune. Astfel de întreruptoare au fost înlocuite astăzi cu variante constructive care nu necesită instalaţii externe, auxiliare, pentru stocarea SF6 la cele două presiuni . Conform diagramei de stare din figura 6.25 la 1,7 MPa gazul începe să se lichefieze de la temperaturi de ordinul 13°C. Pentru a evita lichefierea întreruptoarele de acest tip sunt prevăzute cu instalaţii auxiliare de încălzire deoarece lichefierea SF6 modifică drastic performanţele dielectrice. Toate celelalte tipuri de întreruptoare care vor fi prezentate în continuare nu au rezervoare de înaltă presiune; diferenţele de presiune care apar în interiorul camerei de stingere pe durata stingerii arcului apar datorită caracteristicilor constructive ale camerei.

6.3.6. Întreruptoare cu auto-compresie

La a doua generaţie de întreruptoare cu SF6 s-a renunţat la rezervoarele exterioare de înaltă presiune, aceasta fiind asigurată la declanşare chiar de mişcarea contactului mobil (1956: 110 kV, 1000 MVA). Schema de principiu, care descrie modul de funcţionare a întreruptoarelor cu auto-compresie sau cu suflaj autopneumatic (denumiri utilizate în limba română) sau puffer, auto pneumatic, self-blowing

(variante utilizate în limba engleză) este prezentată în figura 6.38. La depărtarea contactului mobil în sensul indicat pe figură se deplasează odată cu acesta ajutajul dielectric şi cilindrul de compresie, pistonul din interiorul său fiind fix. Jetul de gaz care părăseşte camera de compresie este dirijat de ajutaj şi asigură un suflaj axial al arcului electric. Pentru curenţii de defect foarte intenşi, se recurge şi la deplasarea celuilalt contact, în sens opus, ceea ce echivalează cu dublarea vitezei de depărtare a celor două contacte. Întrucât la întreruptoarele cu autocompresie presiunea necesară stingerii arcului trebuie asigurată chiar şi pentru cazurile de defect cu curenţi de valori extreme (deci pentru cele mai grele condiţii de scurtcircuit), energia mecanică necesară a fi furnizată de mecanismul de acţionare trebuie să fie deosebit de mare şi conduce la însemnate forţe de reacţie.

Figura 6.38 Principiul de funcţionare al

întreruptorului cu autocompresie

Astfel de întreruptoare pot întrerupe curenţi de sarcină de până la 600 A, la tensiuni Um de până la 161 kV. Curenţii de defect pe care îi poate întrerupe pot atinge valori de până la 80 kA sau chiar 100 kA, în cazul întreruptoarelor de generator. Din cauza vitezelor de suflaj relativ scăzute, aceste întreruptoare sunt folosite cu succes la întreruperea curenţilor inductivi mici (cum ar fi curenţii de magnetizare la transformatoare), fără riscul apariţiei unor supratensiuni periculoase ce ar rezulta din întreruperi premature ale curentului.

O imagine mai completă a procesului de întrerupere a arcului poate fi urmărită în figura 6.39 a pentru un pol al întreruptorului reprezentat în secţiune în figura 6.39 b Mişcarea solidară a contactului mobil cu pistonul determină creşterea presiunii în interiorul camerei de compresie. 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, diametrul arcului poate să fie mai mare decât diametrul ajutajului; se crează o situaţie denumită "refulare de curent" (current choking).

5

Figura 6.39.a

Figura 6.39.b

6

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. O variantă a acestei soluţii constructive o constituie întreruptorul cu dublu suflaj (figura 6.40) la care gazul autocomprimat sub cilindrul ataşat contactului mobil tubular este admis în zona mediană a coloanei arcului electric producând asupra acestuia un suflaj longitudinal (axial) bidirecţional: spre partea superioară, prin ajutajul izolant şi spre partea inferioară prin interiorul contactului mobil.

Figura 6.40

Pentru garantarea unor performaţe sporite şi în cazul unor curenţi puţin intenşi este necesar a se genera în cilindrul de compresie suprapresiuni sporite. În acest scop se poate apela fie la un cilindru de diametru mai mare, fie - într-o manieră mai economică - la un lanţ cinematic de tipul celui din figura 6.41. Se obţin astfel întreruptoarele cu dublă mişcare, la care pistonul şi cilindrul de compresie execută două mişcări în sensuri opuse. Soluţia contribuie la reducerea energiei cinetice necesare acţionării contactelor, deoarece se poate obţine aceeaşi viteză totală de alungire a arcului asigurată de soluţia convenţională , deplasând de fapt fiecare piesă de contact cu o viteză de două ori mai mică (viteza relativă rezultând din compunerea celor două viteze individuale).

7

Fig.6.41 - Lanţul cinematic al camerei de stingere cu mişcare dublă

6.3.7. Întreruptoare cu SF6 şi auto-suflaj

Pentru rezolvarea dezavantaje menţionate pentru întreruptoarele cu autocompresie, s-a căutat o soluţie alternativă în direcţia micşorării presiunii necesare şi în crearea acesteia chiar cu ajutorul energiei termice a arcului electric însuşi. Rezultatul a fost apariţia întreruptoarelor cu SF6 şi autosuflaj (numite şi întreruptoare cu compresie hibride sau cu expansiune termică, cu autoexpansiune self-blast), a căror funcţionare este descrisă în schema de principiu din figura 6.42

Figura 6.41 Întreruptorul cu autosuflaj a-simplu; b-parţial dublu; c-dublu, cu ajutaj metalic; d-dublu, cu ajutaj izolant

Figura 6.42 - Întreruptorul cu autosuflaj trei etape în procesul de stingere a arcului : întreruptor închis, întreruptor în curs de deschidere, întreruptor deschis (arc stins) 7-contact mobil; 8-contactul fix: 9-ajutaj; 10-capac.

În prima parte a cursei de deschidere, o parte din gazul care a preluat energie termică de la arcul electric este reintrodus în cilindrul de autocompresie (fig. 6.42 a ). În a doua parte a cursei, cilindrul continuă

8

comprimarea gazului din camera de compresie. Sporirea acţiunii de răcire a coloanei arcului electric de către fluxul de gaz comprimat creat de creşterea de presiune, depăşeşte scăderea puterii de răcire prin încălzirea acestui gaz, astfel încât - în ansamblu, eficienţa răcirii arcului electric creşte totuşi. Efectul direct (în comparaţie cu soluţia cu autocompresie simplă) este o creştere a puterii de rupere cu circa 20% , în timp ce energia mecanică necesară pentru acţionare este redusă cu circa 40% . O imagine în

6.3.8. Controlul arcului în interiorul camerei de stingere.

Întreruptoarele cu autosuflaj se pot completa cu ghidarea traseului arcului electric, fie cu pereţi izolanţi fie cu ajutorul câmpului magnetic al unei bobine parcursă chiar de curentul de defect (figura 6.43).

Exemplu de arc cu evoluţie necontrolată

Arc controlat cu pereţi izolanţi

Arc controlat cu bobină de suflaj

magnetic Figura 6.43 – Modalităţi de control a arcului electric în întreruptoare cu autosuflaj

În varianta prezentată în figura 6.44 arcul electric se formează între două piese de contact, inelare, iar în circuit este înseriată o bobină. Curentul din bobină produce un câmp magnetic care va roti arcul electric ce se sprijină pe cele două contacte inelare. În acelaşi timp câmpul magnetic al bobinei induce în piesa inelară adiacentă un curent apreciabil ("spiră" în scurtcircuit), defazat faţă de curentul din bobină. Ca urmare, când curentul prin arc se apropie de valoarea zero, câmpul magnetic va fi susţinut în continuare de curentul din inel. Defazajul optim între cei doi curenţi este de 30…60° .

Figura 6.44 - Întreruptor cu SF6 şi autosuflaj, cu contacte inelare şi bobină de suflaj magnetic 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 defect puţin intenşi, 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.

Secvenţa fenomenelor care se petrec la declanşare pentru momente t0 < t1 < t2 este următoarea:

9

•••• la depărtarea contactelor A şi B la momentul t0 dezvoltarea progresivă a unui arc electric va refula curentul de sarcină prin bobină.

•••• apare un câmp magnetic care va roti arcul electric •••• la momentul t1 întregul curent circulă prin bobină şi arcul electric AB este stins. •••• la scurt timp după ce se deschid contactele A şi B se deschid şi contactele B şi C, arcul electric BC

fiind şi el rotit, iar la trecerea prin zero a curentului, acesta va fi stins la momentul t2 .

Figura 6.46 - Întreruptor cu SF6 autosuflaj şi suflaj

magnetic. Vedere în 3D

Figura 6.45 - Întreruptor cu SF6 şi autosuflaj – secţiune prin pol. 1 - cameră de stingere tubulară; 2 - contact fix; 3 - bobină cilindrică; 4 - contact tulipă; 5 - electrod inelar; 6 - ajutaj metalic; 7 - contact mobil; 8 - spaţiu presurizat; 9 - camera de compresie pentru suflaj suplimentar; 10 - spaţiu de detentă; 11 - etanşare faţă de atmosferă.

6.3.9. Variante de ajutaje

Ajutajele folosite în prezent la întreruptoarele cu SF6 sunt confecţionate de regulă din teflon. Caracteristice acestei răşini izolante sunt: o mare rezistenţă mecanică, o prelucrabilitate bună şi rezistenţa bună la acţiunea unor temperaturi relativ înalte. Sub acţiunea directă şi de scurtă durată a arcului electric teflonul generează vapori, fără a se carboniza, deşi carbonul este prezent în molecula sa. Se pare că procesul de comutaţie este favorabil influenţat de prezenţa acestui material, în timp ce alte materiale refractare (ceramică) sunt mecanic fragile, tind să-şi piardă proprietăţile izolante la şocuri termice produse de acţiunea localizată a arcului electric şi sunt vulnerabile la acţiunea produselor de descompunere a SF6 . Reducerea gabaritului întreruptoarelor (mai ales la unităţile trifazate, în anvelopă comună) recomandă folosirea ajutajelor axiale izolante, dar principalul motiv al evitării ajutajelor metalice este următorul: acestea din urmă necesită o protecţie termică contra acţiunii directe a arcului electric, printr-un flux rapid şi continuu al mediului de stingere urmat de o eşapare în mediul ambiant (ca la întreruptoarele cu aer). Deoarece SF6 este un gaz mai greu decât aerul şi relativ scump, el se foloseşte la întreruptoarele ce-i asigură un circuit închis, viteza lui de destindere este mai redusă, din cauza densităţii mai mari, ceea ce poate conduce la imposibilitatea protejării ajutajelor metalice faţă de acţiunea directă a arcului electric. În cazul ajutajelor din teflon, acestea s-au dovedit capabile a se comporta satisfăcător şi în urma unui mare număr de declanşări repetate a unor curenţi de defect care ating valori de 70 kA. Ele au şi rolul de ghidare mecanică a traseului arcului electric.