Wprowadzenie
W systemach energetycznych wyłączniki służą do przełączania urządzeń elektrycznych i sieci w normalnych i awaryjnych warunkach. Główną funkcją wyłącznika jest przerwanie przepływu prądu (obciążenia lub zwarcia) poprzez otwarcie jego styków, co powoduje izolację przełączonych części systemu. Konstrukcja i działanie wyłącznika zależą od jego zastosowania i napięcia znamionowego. Technologia obudowy formowanej (z powietrzem pod ciśnieniem atmosferycznym) jest stosowana przy niskich napięciach (< 1000 V), podczas gdy wyłączniki powietrzne i próżniowe są powszechne przy średnich napięciach (< 72 kV). Wyłączniki SF6 są zazwyczaj stosowane w systemach wysokiego napięcia (> 72 kV).
Odłączanie obciążenia Przerywanie zwarcia
Gaz SF6
Wyłączniki SF6 wykorzystują sześciotlenek siarki (SF6) jako otaczające medium izolacyjne do gaszenia łuku powstałego między ruchomymi stykami wyłącznika. Posiada wiele korzystnych cech, które czynią go idealnym kandydatem na izolację we współczesnych wysokonapięciowych rozdzielnicach:
- Wysoka wytrzymałość dielektryczna (około 8 do 9 razy większa niż powietrze przy ciśnieniu 5 barów).
- Elektroujemny w naturze, tj. łapie wolne elektrony tworząc ciężkie jony o niskiej mobilności, co zapobiega lawinowemu przebiciu.
- Dobre zdolności przewodzenia ciepła, wysoka energia jonizacji i niska temperatura dysocjacji skutkują doskonałymi właściwościami gaszenia łuku.
- Bardzo wysoka przewodność elektryczna w podwyższonych temperaturach zapewniająca niskie napięcie łuku
- Bezbarwny, bezwonny, obojętny i nietoksyczny.
Niektóre z wad gazu SF6 to jego wysoki koszt, tendencja do tworzenia korozyjnych fluorków metali podczas łukowania oraz fakt, że jest gazem cieplarnianym.
Rodzaje wyłączników SF6
Obecnie wyłączniki SF6 można podzielić na dwie główne kategorie:
- Martwy zbiornik – obudowa na potencjale ziemi.
- Żywy zbiornik – obudowa na potencjale linii.
Martwe zbiorniki mogą oferować większą zdolność przerywania prądu zwarciowego i odporność sejsmiczną ale są stosunkowo masywne (wymagają więcej gazu SF6), podczas gdy żywe zbiorniki są modułowe i bardziej kompaktowe.
Wyłącznik zbiornika żywego
Wyłącznik zbiornika martwego
Istnieje również kilka różnych sposobów, w jakie prąd elektryczny (i wynikający łuk) w wyłączniku SF6 może być przerwany. Te typy obejmują: podwójne ciśnienie (obecnie przestarzałe), pojedyncze ciśnienie (zwane również puffer), samowybuchowe (gdzie energia łuku wspiera wzrost ciśnienia w komorze łukowej), obracający się łuk (łuk obraca się elektrodynamicznie w chłodnym gazie tła) i technologia podwójnego ruchu (z dwoma ruchomymi stykami). Dodatkowo, mechanizm napędowy wyłącznika może być typu hydraulicznego lub sprężynowego.
W dalszej części tego artykułu przyjrzymy się bliżej podstawowej konstrukcji i działaniu wyłącznika gazowego SF6 z pojedynczym ciśnieniem (technologia puffer) z mechanizmem sprężynowym; jest to najczęściej stosowany typ w przemyśle wysokiego napięcia.
Podoba Ci się ten artykuł? Koniecznie sprawdź nasz Kurs wideo o transformatorach elektrycznych. Kurs zawiera ponad dwie godziny wideo, quiz i otrzymasz certyfikat ukończenia po zakończeniu kursu. Miłej nauki!
Konstrukcja i główne komponenty
Kompletna konstrukcja wyłącznika SF6 typu puffer z pojedynczym ciśnieniem składa się z następujących części:
Jednostka wyłączająca
Rozdzielenie styków wyłącznika, gaszenie powstałego łuku i przerwanie prądu odbywa się w jednostce wyłączającej. Zawiera ona dwa zestawy styków, które są powszechnie nazywane „głównymi” lub „normalnymi stykami prądowymi” oraz „stykami łukowymi”. Oba typy tych zestawów styków mają jeden styk nieruchomy, podczas gdy drugi styk jest ruchomy. Przewodniki prądowe (zapewniające połączenie z zewnętrznymi zaciskami wyłącznika) są połączone z nieruchomymi i ruchomymi głównymi stykami. Końcówki wszystkich styków wyłącznika są pokryte materiałem odpornym na łuk miedziano-wolframowy.
Główna część jednostki wyłączającej (która jest wypełniona gazem SF6) zawiera ruchomy cylinder puffer, który może przesuwać się osiowo w górę i w dół wzdłuż styków. Wewnątrz cylindra znajduje się nieruchomy tłok, który jest zamocowany z innymi nieruchomymi częściami wyłącznika SF6, w taki sposób, że nie może zmieniać swojej pozycji podczas ruchu cylindra. Na otwarciu cylindra znajduje się dysza.
Główne komponenty wyłącznika SF6
Stos izolacyjny
Jednostka wyłączająca jest pionowo zamontowana na szczycie stosu izolacyjnego, który składa się z pustego izolatora otaczającego pręt napędowy, który łączy mechanizm operacyjny wyłącznika z ruchomymi stykami umieszczonymi w jednostce wyłączającej. W zależności od napięcia znamionowego systemu, stos izolacyjny może być jednoczęściowy lub składać się z kilku segmentów mechanicznie połączonych w szereg. Podobnie jak każdy inny izolator, zapewnia odpowiednią suchą odległość łukową i odległość pełzania w celu zapobiegania przebiciom związanym z przejściowymi przepięciami i zanieczyszczeniem otoczenia. Cała jednostka wyłącznika jest zazwyczaj zamocowana na stalowej konstrukcji, która zabezpiecza ją na wmurowanym fundamencie betonowym.
Mechanizm operacyjny
Urządzenie napędowe dostarcza energii kinetycznej niezbędnej do otwierania i zamykania styków wyłącznika. Składa się z zestawu sprężyn otwierających i zamykających, które są ładowane ręcznie lub za pomocą małego silnika elektrycznego.
Panel sterowania
Szafka sterownicza komunikuje się między mechanizmem operacyjnym wyłącznika, ochroną systemu (przekaźniki) a urządzeniami nadzorczymi. Może być skonfigurowana do pracy w trybie „zdalnym” lub „ręcznym”.
245-kV (pojedynczy wyłącznik) wyłącznik zbiornika żywego SF6
Dodatkowe komponenty
Przy bardzo wysokim napięciu (zwykle 380-kV i więcej), ze względu na ekonomię produkcji i wymagania projektowe, wyłącznik SF6 może mieć zauważalne różnice w konstrukcji i może również zawierać dodatkowe komponenty:
- Zamiast pojedynczej jednostki wyłączającej, dwie lub więcej jednostek wyłączających są połączone w szereg (i zamontowane poziomo na stosie izolacyjnym). Dla takich wyłączników kondensatory wyrównawcze (C) są podłączone równolegle do wyłączników, aby wyrównać napięcie na nich.
- Dla zastosowań przełączania linii przesyłowych, te wyłączniki mogą być wyposażone w rezystory wstępnego włączenia (PIR) w celu tłumienia wysokich wartości przejściowych przepięć. Te PIR (zwykle 300 do 600 omów) są podłączone równolegle do głównych styków wyłącznika. Są one włączane do obwodu na określony czas (8 do 12 ms) przed zamknięciem głównych styków wyłącznika.
Różne konfiguracje wyłącznika SF6
- Zewnętrzne zaciski przyłączeniowe są wyposażone w pierścienie wyrównawcze w celu zapewnienia, że napięcia pola elektrycznego na powierzchni zacisku nie przekraczają początku korony
550-kV (dwa wyłączniki w szeregu) wyłącznik zbiornika żywego SF6
Jak działają wyłączniki SF6
Normalne warunki
W normalnych warunkach styki wyłącznika są zamknięte i prąd płynie od jednego przewodnika stykowego do drugiego przez główne styki i przesuwający się cylinder puffer.
Operacja otwierania wyłącznika
Kiedy panel sterowania wyłącznika otrzymuje polecenie otwarcia (w celu usunięcia awarii lub odłączenia części sieci), wysyła sygnał do cewki wyzwalającej mechanizmu operacyjnego, który z kolei zwalnia zatrzask utrzymujący naładowaną sprężynę otwierającą. Gdy sprężyna otwierająca się rozładowuje, pociąga pręt napędowy (połączony z jednostką wyłączającą) w kierunku liniowym, co powoduje, że ruchome styki i cylinder puffer przesuwają się w dół.
Ruch cylindra puffer przeciwko nieruchomemu tłokowi prowadzi do zmniejszenia wewnętrznej objętości cylindra puffer, co powoduje sprężenie gazu SF6 wewnątrz cylindra. Ze względu na nakładanie się styków, sprężenie gazu rozpoczyna się przed otwarciem jakichkolwiek styków. W miarę kontynuacji ruchu w dół główne styki rozłączają się, a prąd przechodzi na styki łukowe, które są nadal w pozycji zamkniętej (ze względu na ich fizycznie dłuższą konstrukcję). Podczas dalszego otwierania styki łukowe zaczynają się rozłączać i powstaje łuk między nimi.
Działanie wyłącznika typu puffer SF6
Gdy łuk płynie, blokuje przepływ gazu SF6 przez dyszę do pewnego stopnia. W ten sposób ciśnienie gazu w cylindrze puffer nadal rośnie. Gdy sinusoidalna fala prądu zbliża się do zera, łuk staje się stosunkowo słaby, a sprężony gaz SF6 wewnątrz cylindra puffer płynie osiowo (przez dyszę) nad długością łuku. Ten wybuch gazu SF6 usuwa energię cieplną w szczelinie stykowej i zmniejsza stopień jonizacji (przewodność elektryczna), co powoduje zgaszenie łuku.
Gdy łuk zostaje przerwany, przejściowe napięcie powrotne (TRV) zaczyna pojawiać się na stykach; prędkość otwierania styków wyłącznika powinna być wystarczająco szybka, aby stworzyć odpowiednią odległość rozdzielającą styki, aby wytrzymać to napięcie. W przypadku, gdy wytrzymałość dielektryczna szczeliny stykowej jest niższa niż napięcie TRV, łuk zostanie ponownie nawiązany w zjawisku, które jest powszechnie nazywane ponownym zapłonem lub ponownym uderzeniem.
Operacja zamykania wyłącznika
Podczas sekwencji zamykania wyłącznika cewka zamykająca zwalnia energię sprężyny zamykającej, co powoduje, że styki przesuwają się ku sobie, ostatecznie przywracając je do normalnej pozycji zamkniętej. Jednocześnie gaz SF6 jest ponownie wciągany do cylindra puffer, przygotowując wyłącznik do kolejnej operacji.
Podczas zamykania wyłącznik może czasami doświadczyć zjawiska znanego jako przedwczesny zapłon. Gdy styki przesuwają się ku sobie podczas zamykania, wytrzymałość dielektryczna szczeliny stykowej maleje. W pewnym momencie napięcie na szczelinie stykowej przekracza jej wytrzymałość dielektryczną, co powoduje powstanie „przedwczesnego zapłonu” łuku, który łączy styki.
Wymagania projektowe
Oprócz ogólnych cech zwykle związanych z przełącznikiem elektrycznym, tj. niskiej rezystancji styków w stanie zamkniętym i niemal doskonałej izolacji w stanie otwartym, wyłącznik wysokiego napięcia SF6 musi spełniać dodatkowe wymagania projektowe. Wśród nich najważniejsze są krótko opisane poniżej:
- Prąd znamionowy – części przewodzące prąd wyłącznika powinny być w stanie przenosić maksymalny przewidywany prąd obciążenia bez przekraczania wzrostu temperatury
- Znamionowy prąd przerywania zwarcia – wyłącznik powinien mieć zdolność przerywania maksymalnego prądu zwarciowego sieci (typowe wartości standardowe to 25, 40 i 63 kA).
- Znamionowe napięcie i poziom izolacji – izolacja wyłącznika zewnętrznie i na stykach powinna być w stanie wytrzymać określone wartości niskiej częstotliwości i przejściowych przepięć.
- Ponowne zapłony – podczas przerywania prądu pojemnościowego prawdopodobieństwo ponownego zapłonu (ponownego uderzenia) między stykami wyłącznika powinno być bardzo niskie.
- Wytrzymałość mechaniczna – wyłącznik powinien być w stanie przejść dużą liczbę operacji (od 2 000 do 10 000) przy bardzo ograniczonej konserwacji.
- Czas otwarcia – aby osiągnąć odpowiednią odległość między stykami i wytrzymać TRV, wyłącznik musi otwierać się z bardzo dużą prędkością (w granicach 40 do 60 ms).
- Znamionowa sekwencja operacyjna – wyłącznik musi pomyślnie zakończyć określoną sekwencję operacyjną. Dla wyłączników szybkiego ponownego zamykania typowa sekwencja to: O-0,3sek-CO-3min-CO (gdzie O i C oznaczają otwarcie i zamknięcie odpowiednio, a 0,3sek i 3min to opóźnienia czasowe).
- Obciążenie przełączania – w trakcie swojego okresu eksploatacji wyłącznik powinien być w stanie pomyślnie przeprowadzić różnorodne przełączania (przerwania) obciążenia, które obejmują przede wszystkim: zwarcia końcowe i zwarcia krótkiej linii, przełączanie transformatora i reaktora, oraz przerwanie prądu pojemnościowego. W odniesieniu do wymagań stawianych wyłącznikowi, te różne rodzaje obciążeń przełączania zmieniają wielkość prądu i TRV, które wyłącznik musi wytrzymać.