Wyłączniki SF6: kryteria wyboru i zasady podłączenia

Funkcjonowanie wysokonapięciowych sieci elektrycznych pod względem charakterystyk prądowych nie jest porównywalne z pracą analogów domowych. W związku z tym w przypadku awarii do wyłączenia urządzeń i gaszenia łuku elektrycznego potrzebne są potężniejsze urządzenia niż standardowe aparaty automatyczne.

Jako konstrukcje ochronne stosuje się wyłączniki SF6 (WSF6), które można sterować zarówno ręcznie, jak i za pomocą automatyki. Szczegółowo opisaliśmy cechy konstrukcyjne i zasadę działania urządzeń. Przedstawiliśmy zalecenia dotyczące montażu, podłączenia i obsługi.

Definicja i zastosowanie SF6

SF6 to sześciofluorek siarki, który zalicza się do gazów elektrotechnicznych. Dzięki właściwościom izolacyjnym jest aktywnie stosowany w produkcji urządzeń elektrotechnicznych.

W stanie neutralnym SF6 jest niepalnym gazem bez barwy i zapachu. Jeśli porównać go z powietrzem, można zauważyć wysoką gęstość (6,7) i masę cząsteczkową przekraczającą pięciokrotnie masę powietrza.

Jedną z zalet SF6 jest odporność na czynniki zewnętrzne. Nie zmienia on swoich właściwości w żadnych warunkach. Jeśli podczas wyładowania elektrycznego nastąpi rozpad, wkrótce następuje pełna, niezbędna do pracy regeneracja.

Sekret polega na tym, że cząsteczki SF6 wiążą elektrony i tworzą jony ujemne. Jakość „elektroujemności” nadała sześciofluorkowi siarki taką cechę jak wytrzymałość elektryczna.

W praktyce wytrzymałość elektryczna powietrza jest 2-3 razy słabsza niż ta sama właściwość SF6. Ponadto jest on bezpieczny pożarowo, ponieważ należy do substancji niepalnych i posiada zdolność chłodzenia.

Kiedy pojawiła się potrzeba znalezienia gazu do gaszenia łuku elektrycznego, zaczęto badać właściwości SF6 (sześciofluorku siarki), czterochlorku węgla i freonu. W testach zwyciężył SF6

Wymienione cechy sprawiły, że SF6 jest najbardziej odpowiedni do zastosowań w elektrotechnice, w szczególności w następujących urządzeniach:

• transformatory mocy działające na zasadzie indukcji magnetycznej;
• rozdzielnice zespolone;
• linie wysokiego napięcia łączące zdalne instalacje;
• wyłączniki wysokiego napięcia.

Jednakże niektóre właściwości SF6 wymusiły udoskonalenie konstrukcji wyłącznika. Główny mankament dotyczy przejścia z fazy gazowej w ciekłą, co jest możliwe przy określonych relacjach między ciśnieniem a temperaturą.

Aby sprzęt działał bez zakłóceń, należy zapewnić odpowiednie warunki. Załóżmy, że do działania urządzeń SF6 w temperaturze -40º wymagane jest ciśnienie nie większe niż 0,4 MPa i gęstość mniejsza niż 0,03 g/cm³. W praktyce w razie potrzeby gaz jest podgrzewany, co zapobiega przejściu w fazę ciekłą.

Konstrukcja wyłącznika SF6

Porównując urządzenia SF6 z analogami innych typów, pod względem konstrukcji są one najbliższe aparatom olejowym. Różnica polega na wypełnieniu komór gaszenia łuku.

Jako wypełniacz w wyłącznikach olejowych stosuje się mieszaninę olejową, a w wyłącznikach SF6 – sześciofluorek siarki. Zaletą drugiej opcji jest trwałość i minimalna konieczność konserwacji.

Schemat urządzenia SF6 typu kolumnowego. Moduły gaszenia łuku zamocowane na wysokim stojaku znajdują się w górnej części, szafa sterownicza – w dolnej.

Sposoby gaszenia łuku elektrycznego zależą od wielu czynników, z których decydujące znaczenie mają prąd znamionowy i napięcie, a także warunki użytkowania urządzenia.

Wyróżnia się cztery typy wyłączników SF6:

• z przedmuchem elektromagnetycznym;
• z przedmuchem w SF6 – z 1 stopniem ciśnienia;
• z przedmuchem wzdłużnym – z 2 stopniami ciśnienia;
• z przedmuchem autogenerowanym.

Jeśli w aparatach powietrznych w procesie gaszenia łuku gaz uchodzi do atmosfery, to w wyłącznikach SF6 pozostaje on w zamkniętej przestrzeni wypełnionej mieszaniną gazową. Przy tym utrzymywane jest niewielkie nadciśnienie.

Urządzenia kolumnowe i zbiornikowe

W praktyce stosuje się dwa typy układów SF6:

• zbiornikowe;
• kolumnowe.

Różnice dotyczą zarówno cech konstrukcyjnych, jak i zasady gaszenia łuku elektrycznego. Pod względem budowy zewnętrznej wyłączniki kolumnowe przypominają małoolejowe odpowiedniki: składają się z dwóch części funkcjonalnych – gaszącej łuk i stykowej, mają jednakowo duże wymiary.

Urządzenia wyłączające są przystosowane do pracy z siecią 220 V i należą do urządzeń jednofazowych. Przykładem wyłącznika SF6 typu kolumnowego – LF 10 Schneider Electric.

Sterowanie urządzeniem może odbywać się na dwa różne sposoby: ręcznie, gdy regulacja i kontrola realizowane są za pomocą urządzeń mechanicznych, oraz zdalnie, automatycznie.

Aparaty SF6 typu zbiornikowego są mniejsze i wyposażone w napęd wielofazowy. Takie rozwiązanie pozwala lepiej kontrolować i płynnie regulować parametry napięcia.

Jedną z zalet wyłączników zbiornikowych SF6 jest zdolność do wytrzymywania zwiększonych obciążeń. Taką cechę zapewnia zastosowany w konstrukcji przekładnik prądowy.

Przykładem urządzenia zbiornikowego jest instalacja SF6 DT2-550 F3 Alstom Grid. Podobne urządzenia sprawdziły się pozytywnie w systemach elektroenergetycznych o napięciu 500 kV.

Konstrukcja jest zmontowana i wyposażona w taki sposób, że działa bez awarii w niskich (krytycznych) temperaturach, podwyższonej wilgotności, a także w regionach o aktywności sejsmicznej i podwyższonym zanieczyszczeniu atmosfery.

Zasada gaszenia łuku

Jak działa urządzenie, rozważymy na przykładzie wyłącznika LW36 chińskiego producenta CHINT.

Podczas wyłączania sprężyna oddziałuje na dynamiczne elementy cylindra, które opuszczają się w dół. Wszystkie styki, oprócz gaszących łuk, rozwierają się. Gdy rozłączają się również styki gaszące łuk, przez które przepływa prąd, powstaje łuk elektryczny.

Gorący gaz przemieszcza się do komory termicznej, zadziała zawór zwrotny. Gdy gaz z komory termicznej jest wydmuchiwany w szczelinę, następuje gaszenie łuku.

Jeśli następuje wyłączenie prądów o małej wartości, ciśnienie w komorze termicznej jest niewystarczające, dlatego wykorzystywane jest ciśnienie z komory sprężania (zawsze wyższe). Otwiera się zawór zwrotny, gaz swobodnie wpływa w szczelinę i przy przejściu przez zero gasi łuk.

Schemat wewnętrznego rozmieszczenia i działania ruchomych, nieruchomych zaworów, dekompresyjnych, zwrotnych zaworów. Pozycja 1 – załączenie; pozycja 2 – wyłączenie dużych prądów; pozycja 3 – wyłączenie małych prądów; pozycja 4 – wyłączenie urządzenia

Nowoczesne urządzenia kolumnowe charakteryzują się ulepszonymi parametrami. Obsługa techniczna została zredukowana do minimum, zwiększono zasób łączeniowy. Wyłączniki SF6 cechują się niskim poziomem hałasu, niezawodną mechaniką, prostotą prac montażowych i testowych.

Regulacja modeli zbiornikowych odbywa się za pomocą napędu i transformatorów. Napęd sprężynowy lub sprężynowo-hydrauliczny kontroluje procesy załączania/wyłączania, poziom utrzymania łuku elektrycznego.

Do czego służy napęd?

Napęd ma za zadanie wykonywać wszystkie operacje związane z załączaniem/wyłączaniem lub utrzymywaniem urządzenia w określonej pozycji. Na schemacie pokazano, gdzie dokładnie może być umieszczony napęd. Zazwyczaj jest to powierzchnia ziemi lub niska podpora, zapewniająca personelowi obsługującemu łatwy dostęp do urządzeń regulacyjnych.

Schemat konstrukcji wyłącznika zbiornikowego: 1 – moduły porcelanowe lub polimerowe; 2 – transformatory; 3 – zbiornik z urządzeniem do gaszenia łuku; 4 – komora z gazem; 5 – napęd typu hydraulicznego; 6 – rama metalowa; 7 – złącze do wprowadzania SF6

Napęd składa się z mechanizmu załączania, urządzenia blokującego – zapadki, mechanizmu wyzwalającego. Proces załączania powinien przebiegać jak najszybciej, aby uniknąć przyspawania styków.

Podczas załączania przykładane są duże siły w celu pokonania tarcia wszystkich zaangażowanych elementów. Wyłączanie jest prostsze i polega na ruchu powrotnym zapadki, która zapewnia załączenie i jego utrzymanie.

Sposobów załączania/wyłączania jest kilka:

• mechaniczny;
• sprężynowy;
• grawitacyjny;
• pneumatyczny;
• elektromagnetyczny.

W przypadku układów małej mocy stosuje się sterowanie ręczne. Wystarczy wtedy siła jednego operatora. Wyłączanie mechanizmów ręcznych odbywa się zazwyczaj automatycznie. Napęd sprężynowy również uruchamiany jest ręcznie, ale czasami wykorzystuje się silniki elektryczne małej mocy.

Tradycyjne umiejscowienie napędu znajduje się w pobliżu montażowej ramy metalowej. Integralność i działanie mechanizmu zapewnia wytrzymała metalowa obudowa – skrzynia z wygodnymi drzwiczkami dla operatora.

Do zastosowania napędu elektromagnetycznego potrzebna jest większa ilość energii, dlatego wymagane jest stałe źródło prądu o natężeniu około 58 A i napięciu 220 V. Jako rezerwowy mechanizm wyłączania dostępna jest dźwignia ręczna. Urządzenia elektromagnetyczne charakteryzują się niezawodnością, dlatego z powodzeniem są eksploatowane w strefach o surowych zimach. Wadą jest konieczność posiadania wydajnego akumulatora.

Napęd pneumatyczny różni się tym, że zamiast elektromagnesu głównym elementem roboczym jest para cylinder/tłok. Dzięki sprężonemu powietrzu prędkość załączania jest znacznie wyższa niż w poprzednich modelach.

Zalety i wady stosowania wyłączników SF6

Wyłączniki SF6, podobnie jak inne typy urządzeń rozdzielczych, mają szereg zalet i wad. Przy wyborze instalacji przeprowadza się niezbędne obliczenia, a oprócz parametrów technicznych i cech konstrukcyjnych uwzględnia się plusy i minusy modeli.

Wyłączniki typu SF6 działają w trudnych warunkach z okresowymi wibracjami, niskimi temperaturami (z ogrzewaniem), w strefach zagrożonych pożarem.

Do wad zalicza się wysoki koszt wypełniacza – SF6, specyfikę montażu na tablicy rozdzielczej lub fundamencie, konieczność posiadania określonych kwalifikacji personelu operatorskiego.

Zasady podłączania i obsługi wyłączników SF6

Wszystkie czynności związane z montażem, włączaniem/wyłączaniem, naprawą i obsługą urządzeń SF6 podlegają ścisłym zasadom, które są określone w PUE 1.8.21.

Aby podłączyć instalację, należy sprawdzić, czy w komorze wypełnionej gazem panuje minimalne ciśnienie, w przeciwnym razie wyłącznik ulegnie awarii. Aby zapobiec uszkodzeniom, zainstalowano alarm, który uruchamia się przy krytycznym spadku parametrów ciśnienia. Poziom ciśnienia można monitorować za pomocą manometru.

W szafie napędu zainstalowane są elementy grzewcze, które skutecznie zapobiegają powstawaniu kondensatu na elementach mechanizmu. Operator musi pilnować, aby grzałki były stale włączone.

Przegląd instalacji przeprowadza się codziennie w ciągu dnia i około 2 razy w miesiącu w nocy. Jeśli nastąpiło awaryjne wyłączenie z jednej z przyczyn, wymagany jest przegląd nadzwyczajny.

Podczas przeglądu wyłącznika należy sprawdzić zabezpieczenia zewnętrzne, usunąć zanieczyszczenia, naprawić uszkodzenia. Jeśli styk się nagrzewa, należy ustalić przyczynę.

W przypadku trzasków, podejrzanych hałasów należy zidentyfikować źródło. Metalowa konstrukcja montażowa jest jednocześnie częścią obwodu uziemiającego, dlatego należy sprawdzać jej integralność.

Obowiązkowo odczytuje się wskazania manometru. Ciśnienie powinno odpowiadać normie obliczonej przez producenta. Należy sprawdzić sprawność przyrządów regulacyjnych i kontrolnych, a w przypadku awarii jednego lub kilku elementów podjąć działania – wymienić lub oddać do naprawy.

Jeśli ciśnienie gazu spadło, należy uzupełnić komorę SF6. Izolacja nie wymaga czyszczenia, ponieważ konstrukcja jest całkowicie szczelna.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Jak zbudowane są wyłączniki SF6, na jakiej zasadzie następuje gaszenie łuku i jakie są rodzaje urządzeń, można dowiedzieć się z pomocnego i informacyjnego filmu.

Film #1. Przegląd wyłączników SF6 z opisem budowy i zasady działania:

Film #2. Cechy konstrukcji instalacji:

Film #3. Jak wykonywany jest montaż wyłącznika:

Wyłączniki SF6 opuszczają taśmę produkcyjną w pełnej gotowości eksploatacyjnej i są przeznaczone do pracy w różnych strefach klimatycznych, od tropikalnej po zimną, dlatego są aktywnie wykorzystywane przez firmy przemysłowe w różnych krajach.