View
264
Download
8
Category
Preview:
Citation preview
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.
2
6.3.4. Tipuri de întreruptoare cu SF6
O sinteză a principiilor aplicate în principalele tipuri de camere de stingere folosite pentru construcţia întreruptoarelor cu SF6 poate fi urmărită în
tabelul 6.1
Detaliile tehnice referitoare la unele dintre tipurile de camere de stingere prezentate în tabel vor fi comentate în continuare.
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"
3
cu autocompresie
"puffer"
Gazul este comprimat cu ajutorul 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.
4
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
5
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
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 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). În primele
întreruptoare construite, stingerea arcului electric se făcea cu metode similare celor folosite la
întreruptoarele cu aer comprimat: gazul stocat în rezervoare la presiune înaltă, se folosește
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 presiune. Când în rezervorul de înaltă
presiune aceasta scade sub o anumită valoare minim admisibilă, readucerea presiunii la
valoarea menţionată se 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 curbei de
lichefiere din figura 6.35, 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.
Figura 6.37 - Principiul camerei de stingere cu dublă presiune
6.3.6. Întreruptoare cu auto-compresie (puffer)
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
7
forţe de reacţie.
Astfel de înrtreruptoare 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.
Figura 6.38 Principiul de funcţionare al întreruptorului cu autocompresie
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).
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.
8
(a) (b)
Figura 6.39
(Reperele marcate pe figura 6.39.a sunt explicate în figura 6.39.b)
9
Figura 6.40 Etape ale stingerii arcului în camera de stingere cu dublu suflaj Fig.6.41 - Lanţul cinematic al camerei de stingere cu mişcare dublă
10
Pentru garantarea unor performaţe sporite şi în cazul unor curenţi mai 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).
6.3.7. Întreruptoare cu auto-suflaj (self-blast, arc-assisted or self-extinguishing)
Pentru rezolvarea dezavantajelor 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
11
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 (fig. 6.42 a ), o parte din gazul care a preluat energie termică de la
arcul electric (volumul marcat cu Vt pe figură) este reintrodus în cilindrul de autocompresie (volumul
marcat cu Vp); se poate observa orificiul deschis între cele două volume prin care gazul din Vt poate
pătrunde în Vp. În a doua parte a cursei (fig. 6.42.b) cilindrul continuă comprimarea gazului din camera
de compresie (comparați Vp în fig. 6.42.a cu Vp în fig. 6.42.b). Intensificarea 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 curentului de
rupere cu circa 20% , în timp ce energia mecanică necesară pentru acţionare este redusă cu circa 40% .
12
6.3.8. Controlul arcului în interiorul camerei de stingere.
Întreruptoarele cu autosuflaj realizate pentru medie tensiune 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 .
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 capacitatea de rupere necesară
Recommended