Inleiding
In energiesystemen worden schakelaars gebruikt om elektrische apparatuur en netwerken te schakelen onder normale en foutomstandigheden. De primaire functie van een schakelaar is het onderbreken van de stroom (belasting of kortsluiting) door zijn contacten te openen en zo de geschakelde delen van het systeem te isoleren. Het ontwerp en de werking van een schakelaar zijn afhankelijk van de toepassing en spanningsclassificatie. Gegoten behuizingstechnologie (met lucht bij atmosferische druk) wordt gebruikt bij lage spanningen (< 1000 V), terwijl luchtstoot en vacuümschakelaars voorkomen bij middenspanningen (< 72 kV). SF6-schakelaars worden normaal gebruikt voor hoogspanningssystemen (> 72 kV).
Ontkoppelen van een belasting Onderbreken van een fout
SF6-gas
SF6 schakelaars maken gebruik van zwavelhexafluoride (SF6) gas als het omringende isolatiemedium voor het doven van de boog die ontstaat tussen de bewegende schakelcontacten. Het heeft veel gunstige eigenschappen die het een ideale isolatiekandidaat maken in moderne hoogspanningsschakelapparatuur:
- Hoge diëlektrische sterkte (ongeveer 8 tot 9 keer groter dan lucht bij 5 bar druk).
- Elektronegatief van aard, d.w.z. vangt vrije elektronen op en vormt zware ionen met lage mobiliteit die een lawine-achtige doorslag voorkomen.
- Goede thermische warmteoverdrachtscapaciteit, hoge ionisatie-energie en lage dissociatietemperatuur resulterend in uitstekende boogdovende eigenschappen.
- Zeer hoge elektrische geleidbaarheid bij verhoogde temperaturen, wat zorgt voor een lage boogspanning
- Kleurloos, reukloos, inert en niet-giftig.
Enkele van de nadelen van SF6 gas zijn de hoge kosten, de neiging om corrosieve metaalfluoriden te vormen tijdens het boogschieten en het feit dat het een broeikasgas is.
SF6-schakelaar types
Op dit moment kunnen SF6 schakelaars worden ingedeeld in twee hoofd categorieën:
- Dode tank – behuizing op aardpotentiaal.
- Levende tank – behuizing op lijnpotentiaal.
Dode tank ontwerpen kunnen een grotere kortsluitstroom onderbrekingscapaciteit en seismische classificatie bieden, maar zijn relatief log (vereisen meer SF6 gas), terwijl levende tank ontwerpen modulair en meer compact zijn.
Levende tank schakelaar
Dode tank schakelaar
Er zijn ook verschillende manieren waarop de elektrische stroom (en de resulterende boog) in een SF6 schakelaar kan worden onderbroken. Deze types omvatten: dubbele druk (nu verouderd), enkele druk (ook wel puffer genoemd), zelfblazend (waarbij boogenergie de drukopbouw in de boogkamer ondersteunt), roterende boog (boog roteert elektrodynamisch in koele achtergrondgas) en dubbele bewegingstechnologie (met twee bewegende contacten). Bovendien kan het aandrijfmechanisme van de schakelaar van het hydraulische of veerbelaste type zijn.
Voor de rest van dit artikel zullen we in meer detail kijken naar de basisassemblage en werking van een SF6 gasgeïsoleerde schakelaar die gebruikmaakt van enkele druk (puffertechnologie) met een veerbelast bedieningsmechanisme; dit is het meest gebruikte type in de hoogspanningsindustrie.
Geniet je van dit artikel? Zorg er dan voor dat je onze Elektrische Transformatoren Videocursus bekijkt. De cursus bevat meer dan twee uur video, een quiz, en je ontvangt een certificaat van voltooiing wanneer je de cursus afrondt. Veel plezier!
Constructie en Hoofdcomponenten
Een complete assemblage van een enkele druk puffer type SF6 schakelaar bestaat uit de volgende onderdelen:
Onderbrekingseenheid
De scheiding van schakelcontacten, blussing van de resulterende boog en onderbreking van stroom vindt plaats in de onderbrekingseenheid. Het herbergt twee sets contacten die gewoonlijk de ‘hoofd’ of ‘normale stroomdragende contacten’ en ‘boogcontacten’ worden genoemd. Beide typen contactsets hebben één stationair contact terwijl het andere contact kan bewegen. Stroomdragers (die verbinding maken met de externe schakelaarterminals) zijn verbonden met de stationaire en bewegende hoofdcontacten. De uiteinden van alle schakelcontacten zijn gecoat met een koper-wolfraam boogbestendig materiaal.
Het hoofdlichaam van de onderbreker (dat gevuld is met SF6 gas) bevat een bewegende puffer cilinder die axiaal omhoog en omlaag kan schuiven langs de contacten. Er is één stationaire zuiger in de cilinder die is bevestigd aan andere stationaire delen van de SF6 schakelaar, op zo'n manier dat het zijn positie niet kan veranderen tijdens de beweging van de cilinder. Een mondstuk is geplaatst bij de opening van de cilinder.
Hoofdcomponenten van SF6 schakelaar onderbreker
Isolerende Stapel
De onderbrekingseenheid is verticaal gemonteerd bovenop een isolerende stapel die bestaat uit een holle isolator die de aandrijfstang omsluit, die de mechanische bedieningsmechanisme van de schakelaar verbindt met de bewegende contacten in de onderbreker. Afhankelijk van de spanningsclassificatie van het systeem kan de isolerende stapel uit één stuk bestaan, of uit meerdere segmenten die mechanisch in serie zijn gekoppeld. Net als elke andere isolator, biedt het voldoende lijn-tot-aarde droge boog en kruipafstand om overslagen te voorkomen die verband houden met transiënte overspanningen en omgevingsvervuiling. De complete schakelaarunit is meestal bevestigd op een stalen constructie die het aan een ingebedde betonnen fundering bevestigt.
Mechanisch Bedieningsmechanisme
Het aandrijfapparaat levert de kinetische energie die nodig is om de schakelcontacten te openen en te sluiten. Het bestaat uit een set openings- en sluitveren die handmatig worden opgeladen, of met behulp van een kleine elektromotor.
Bedieningspaneel
De bedieningskast communiceert tussen het mechanische bedieningsmechanisme van de schakelaar, systeembeveiliging (relais) en bewakingsapparaten. Het kan worden geconfigureerd voor zowel ‘afstandsbediening’ als ‘handmatige’ bedieningsinstelling.
245-kV (Enkele Onderbreker) Levende Tank SF6 schakelaar
Aanvullende Componenten
Bij extra hoge spanning (meestal 380-kV en hoger), vanwege economische productie en ontwerpeisen, kan de SF6 schakelaar aanzienlijke verschillen in constructie hebben en ook extra componenten bevatten:
- In plaats van een enkele onderbrekingseenheid, zijn twee of meer onderbrekingseenheden in serie verbonden (en horizontaal gemonteerd op de isolerende stapel). Voor dergelijke schakelaars zijn verdelingscondensatoren (C) aangesloten over de onderbrekers om de spanning over hen te egaliseren.
- Voor transmissielijnschakeltoepassingen, kunnen deze schakelaars zijn uitgerust met voorinvoegweerstanden (PIR) om hoge magnitudes van schakeltransiënte overspanningen te dempen. Deze PIR's (normaal 300 tot 600 ohm) zijn parallel verbonden met de hoofdcontacten van de schakelaar. Ze worden gedurende een bepaalde tijdsinterval (8 tot 12 ms) in het circuit geplaatst voordat de hoofdcontacten van de schakelaar worden gesloten.
Verschillende Configuraties van SF6 schakelaar
- De externe aansluitterminals zijn uitgerust met verdelingsringen om ervoor te zorgen dat de elektrische veldspanningen op het terminaloppervlak niet de corona-aanvang overschrijden
550-kV (Twee Onderbrekers in Serie) Levende Tank SF6 schakelaar
Hoe SF6 schakelaars Werken
Normale Conditie
In de normale conditie zijn de schakelcontacten gesloten en stroomt de stroom van de ene contactdrager naar de andere via de hoofdcontacten en de schuivende puffer cilinder.
Schakelaar Openingsoperatie
Wanneer het bedieningspaneel van de schakelaar een openingscommando ontvangt (om een fout te wissen of een deel van een netwerk los te koppelen), stuurt het een signaal naar de tripspoel van het mechanische bedieningsmechanisme, dat op zijn beurt de vergrendeling loslaat die de geladen openingsveer vasthoudt. Terwijl de openingsveer ontlaadt, trekt het de aandrijfstang (verbonden met de onderbreker) in een lineaire richting, wat ervoor zorgt dat de bewegende contacten en puffer cilinder naar beneden bewegen.
De beweging van de puffer cilinder tegen de stationaire zuiger leidt tot een afname van het interne volume van de puffer cilinder, wat compressie van het SF6 gas in de cilinder veroorzaakt. Vanwege contactoverlap, begint de gascompressie voordat er contacten openen. Terwijl de neerwaartse beweging doorgaat, scheiden de hoofdcontacten en de stroom schakelt over naar de boogcontacten die nog steeds in de gesloten positie zijn (vanwege hun fysiek langere constructie). Tijdens de verdere opening beginnen de boogcontacten te scheiden en wordt er een boog gevestigd tussen hen.
Werking van een Puffer Type SF6 schakelaar
Terwijl de boog stroomt, blokkeert het de stroom van SF6 gas door het mondstuk tot op zekere hoogte. Hierdoor blijft de gasdruk in de puffer cilinder toenemen. Wanneer de sinusvormige stroomgolfvorm nul nadert, wordt de boog relatief zwak en stroomt het onder druk staande SF6 gas in de puffer cilinder axiaal (door het mondstuk) over de booglengte. Deze stroom van SF6 gas verwijdert de thermische energie in de contactopening en vermindert de mate van ionisatie (elektrische geleidbaarheid) zodat de boog wordt gedoofd.
Wanneer de boog is onderbroken, begint de transiënte herstelspanning (TRV) over de contacten te verschijnen; de openingssnelheid van de schakelcontacten moet snel genoeg zijn om een voldoende contactscheidingsafstand te creëren om deze spanningsstress te weerstaan. In het geval dat de diëlektrische sterkte van de contactopening lager is dan de TRV-stress, zal de boog opnieuw worden gevestigd in een fenomeen dat gewoonlijk schakelaar herontsteking of herstrike wordt genoemd.
Schakelaar Sluitingsoperatie
Tijdens de sluitingssequentie van de schakelaar, laat de sluitspoel de energie van de sluitveer los, wat ervoor zorgt dat de contacten naar elkaar toe bewegen, uiteindelijk naar hun normale gesloten positie. Tegelijkertijd wordt SF6 gas opnieuw in de puffer cilinder getrokken, waardoor de schakelaar klaar is voor de volgende operatie.
Bij het sluiten kan een schakelaar soms een gebeurtenis ervaren die bekend staat als voorstrike. Terwijl de contacten naar elkaar toe bewegen tijdens het sluiten, neemt de diëlektrische sterkte van de contactopening af. Op een gegeven moment overschrijdt de spanningsstress over de contactopening zijn diëlektrische sterkte, waardoor een ‘voorstrike’ boog ontstaat die de contacten overbrugt.
Ontwerpvereisten
Naast de algemene kenmerken die normaal geassocieerd worden met een elektrische schakelaar, d.w.z. lage contactweerstand wanneer gesloten en bijna perfecte isolatie in open toestand, moet een hoogspannings SF6 schakelaar voldoen aan aanvullende ontwerpvereisten. Onder deze worden de meest relevante hieronder kort beschreven:
- Nominale stroom – de stroomdragende delen van de schakelaar moeten in staat zijn om de maximaal verwachte belastingstroom te dragen zonder temperatuurstijging te overschrijden
- Nominale kortsluitonderbrekingsstroom – de schakelaar moet in staat zijn om de maximale kortsluitstroom van het netwerk te onderbreken (typische gestandaardiseerde waarden zijn 25, 40 en 63 kA).
- Nominale spanning en isolatieniveau – de isolatie van de schakelaar extern en over de contacten moet in staat zijn om gespecificeerde grootheden van lage frequentie en transiënte overspanningen te weerstaan.
- Herstrikes – tijdens capacitatieve stroomonderbreking moet de kans op herstrike (herontsteking) tussen schakelcontacten zeer laag zijn.
- Mechanische duurzaamheid – de schakelaar moet in staat zijn om een groot aantal operaties (2.000 tot 10.000) te ondergaan met zeer beperkt onderhoud.
- Openingtijd – om voldoende ruimte tussen contacten te bereiken en om TRV te weerstaan, moet een schakelaar met een extreem hoge snelheid openen (in de orde van 40 tot 60 ms).
- Nominale bedieningssequentie – de schakelaar moet in staat zijn om een gespecificeerde bedieningssequentie bevredigend te voltooien. Voor hoogsnelheidsschakelaars is een typische sequentie: O-0,3sec-CO-3min-CO (waarbij O en C respectievelijk openen en sluiten vertegenwoordigen, en 0,3sec en 3min tijdvertragingen zijn).
- Schakelverplichting – tijdens de levensduur moet de schakelaar in staat zijn om succesvol een verscheidenheid aan schakel (onderbrekings) verplichtingen uit te voeren die met name omvatten: terminale en korte lijnfouten, transformator en reactorschakeling, en capacitatieve stroomonderbreking. In termen van eisen aan de schakelaar, variëren deze verschillende soorten schakelverplichtingen de grootte van stroom en TRV die een schakelaar moet weerstaan.
Gerelateerde Online Technische Cursussen
Introductie tot Elektrische Schakelapparatuur
Elektrische Onderstations Uitgelegd
Hoe Elektriciteitsnetwerken Werken
Hoe Elektrische Transformatoren Werken
Aanvullende Bronnen
https://en.wikipedia.org/wiki/Sulfur_hexafluoride_circuit_breaker