avantaje intreruptoare cu sf6.pdf

12
MONITORIZAREA ECHIPAMENTELOR CU SF 6 Evolu ia construc iei de întreruptoare pentru sta iile de distribu ie de medie i ț ț ț ț ș înaltă tensiune i mare putere a avut la bază trei obiective majore: cre terea capacită ii ș ș ț de rupere, reducerea gabaritelor i fiabilitate crescută. ș Dezavantajele întreruptoarelor cu ulei, cum ar fi, inflamabilitatea i costul de ș mentenan ă ridicat, au for at producătorii să caute alte medii de stingere a arcului ț ț electric. Pe lângă întreruptoarele cu aer i suflaj magnetic s-au dezvoltat întreruptoarele șș ce folosesc SF 6 ca mediu de stingere i întreruptoarele având vidul ca mediu de stingere. ș În consecin ă, având în vedere condi iile de func ionare ale noilor tipuri de ț ț ț întreruptoare, avantajele i dezavantajele acestora, întreruptoare cu SF ș 6 s-au impus în sta ii de distribu ie de înaltă tensiune iar întreruptoarele cu vid la medie tensiune. În ț ț ultimii 30 de ani, folosirea echipamentelor de comuta ie cu SF ț 6 , în substa iile de înaltă ț tensiune, a crescut considerabil, datorită duratei de via ă ridicate, volumului i suprafe ei ț ș ț reduse ocupate i ciclurilor de mentenan ă mai mari. ș ț Echipamentele izolate cu SF 6 sunt utilizate, în special, în sisteme de transmisie de înaltă tensiune. Cea mai mare utilizare o au întreruptoarele cu SF 6 unde este folosit i ca ș mediu de stingere. Separatoarele i comutatoarele la pământ utilizează SF ș 6 doar pentru izolare. Cantită i însemnate de SF ț 6 con in substa iile izolate cu gaz (GIS). ț ț La întreruptoarele cu SF 6 arcul electric de deconectare apare după separarea contactelor, prin ionizarea gazului SF 6 . Cât timp se dezvoltă arcul electric, acesta este „spălat” longitudinal de un flux rece de gaz SF 6 , care are rolul de a extrage căldura din arc producând stingerea acestuia. Fluxul axial de gaz produce o turbulen ă a coloanei de ț arc, având loc o permanentă interac iune între gaz i plasmă, astfel că se întrerupe ț ș curentul la trecerea prin zero.

Upload: adrian-herisanu

Post on 10-Aug-2015

103 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

Page 1: Avantaje intreruptoare cu SF6.pdf

MONITORIZAREA ECHIPAMENTELOR CU SF6

Evolu ia construc iei de întreruptoare pentru sta iile de distribu ie de medie iț ț ț ț ș

înaltă tensiune i mare putere a avut la bază trei obiective majore: cre terea capacită iiș ș ț

de rupere, reducerea gabaritelor i fiabilitate crescută.ș

Dezavantajele întreruptoarelor cu ulei, cum ar fi, inflamabilitatea i costul deș

mentenan ă ridicat, au for at producătorii să caute alte medii de stingere a arculuiț ț

electric. Pe lângă întreruptoarele cu aer i suflaj magnetic s-au dezvoltat întreruptoareleșș

ce folosesc SF6 ca mediu de stingere i întreruptoarele având vidul ca mediu de stingere.ș

În consecin ă, având în vedere condi iile de func ionare ale noilor tipuri deț ț ț

întreruptoare, avantajele i dezavantajele acestora, întreruptoare cu SFș 6 s-au impus în

sta ii de distribu ie de înaltă tensiune iar întreruptoarele cu vid la medie tensiune. Înț ț

ultimii 30 de ani, folosirea echipamentelor de comuta ie cu SFț 6, în substa iile de înaltăț

tensiune, a crescut considerabil, datorită duratei de via ă ridicate, volumului i suprafe eiț ș ț

reduse ocupate i ciclurilor de mentenan ă mai mari.ș ț

Echipamentele izolate cu SF6 sunt utilizate, în special, în sisteme de transmisie de

înaltă tensiune. Cea mai mare utilizare o au întreruptoarele cu SF6 unde este folosit i caș

mediu de stingere. Separatoarele i comutatoarele la pământ utilizează SFș 6 doar pentru

izolare. Cantită i însemnate de SFț 6 con in substa iile izolate cu gaz (GIS).ț ț

La întreruptoarele cu SF6 arcul electric de deconectare apare după separarea

contactelor, prin ionizarea gazului SF6. Cât timp se dezvoltă arcul electric, acesta este

„spălat” longitudinal de un flux rece de gaz SF6, care are rolul de a extrage căldura din

arc producând stingerea acestuia. Fluxul axial de gaz produce o turbulen ă a coloanei deț

arc, având loc o permanentă interac iune între gaz i plasmă, astfel că se întrerupeț ș

curentul la trecerea prin zero.

Page 2: Avantaje intreruptoare cu SF6.pdf

După stingerea arcului electric, fluxul de gaz deionizează spa iul dintre contacteț

restabilind rigiditatea dielectrică i prevenind reaprinderea arcului. Presiuneaș

excedentară a fluxului de gaz SF6 se ob ine cu ajutorul unui piston, ata at contactuluiț ș

mobil, care comprimă arcul într-un mic cilindru, la deschiderea întreruptorului.

Dezavantajul unui astfel de piston este necesitatea unui mecanism de ac ionare cuț

energie mare la deschidere.

Probleme tehnologice specifice echipamentelor cu SF6

Specificul tehnologiei de construc ie a echipamentelor capsulate cu SFț 6 este impus

de problema compatibilită ii dintre materialele componente i gazul SFț ș 6, problema

etan eită ii (men inerii presiunii) i tehnologia intervalelor de izola ie.ș ș ț ș ț

Probleme deosebite apar în compartimentele de comuta ie, sub sarcină. Subț

ac iunea arcului electric, SFț 6 se descompune par ial în produ i gazo i (tetrafluorura deț ș ș

carbon - CF4, tetrafluorura de sulf – SF 4) i produ i solizi (fluorura de cupru - CuFș ș 2,

fluorura de aluminiu - AlF3). Tipul i concentra ia produ ilor de descompunere depindeș ț ș

de prezen a umidită ii în gaz, a oxigenului din aerul rezidual precum i de diferiteț ț ș

materiale de construc ie.ț

Produsele primare de descompunere (CuF2, AlF3 i CF4 - tetrafluorura de carbon)

sunt stabile chimic, în timp ce altele (tetrafluorura de sulf - SF4 i hexafluorura deș

wolfram - WF6) sunt extrem de reactive. Acestea din urmă reac ionează cu aerulț

rezidual sau umiditatea i cu suprafe ele materialelor de construc ii care con in SiOș ț ț ț 2,

aluminiu, o el. Aceste reac ii secundare se produc în timpi de reac ie diferi i iț ț ț ț ș

evoluează în func ie de cantitatea produ ilor de reac ie prezen i. Ca rezultat se ob in:ț ș ț ț ț

oxizi de wolfram (WO3), oxifluoruri de wolfram (WOF4, WOF2), oxifluoruri de sulf

(SO2F, SOF2), tetrafluorura de siliciu (SiF4) i acidul fluorhidric (HF).ș

Page 3: Avantaje intreruptoare cu SF6.pdf

Cantitatea totală de gaz descompusă sub ac iunea arcului electric esteț

propor ională cu energia arcului electric. Experimental s-a stabilit că o energie de 1kJț

descompune aproximativ 2,7cm3 de SF6 i conduce la formarea de 1,5cmș 3 de SOF2.

Produ ii de descompunere pot avea ca efect primar reducerea rigidită iiș ț

dielectrice a gazului. Ca efect secundar, se subliniază influen a produ ilor deț ș

descompunere asupra mediului ambiant, în condi ii de evacuare a gazului dinț

echipamente.

Pentru re inerea produselor toxice de descompunere, compartimenteleț

echipamentelor capsulate sunt prevăzute cu filtre de alumină activată (Al2O5) care

fixează, în acela i timp, umezeala din gaz i contribuie la stabilizarea chimică a gazului.ș ș

Măsurătorile efectuate au demonstrat că 1g de alumină activată poate absorbi până la

14cm3 de SF6.

Monitorizarea gazului

Dezavantajul principal al echipamentelor de înaltă tensiune cu SF6 a fost lipsa

dispozitivelor de monitorizare i diagnoză care să fie capabile să determine stareaș

gazului în scopul prevenirii unor defecte majore.

Prezen a arcului electric în compartimentele de comuta ie generează produse deț ț

descompunere ceea ce conduce la modificarea caracteristicilor gazului. În scopul

monitorizării calită ii gazului în exploatare, firme de prestigiu au dezvoltat dispozitiveț

bazate pe metoda spectrometriei mobilită ii ionilor (IMS) – Ion Mobility Spectrometry.ț

Spectrometria mobilită ii ionilor (IMS)ț

Este o tehnică proiectată pentru detec ia compu ilor în gaz, de exemplu poluan iț ș ț

gazo i în aer. Aceasta combină înalta senzitivitate i cheltuieli tehnice relativ reduse cuș ș

achizi ii de date cu viteză mare. Principalul avantaj fa ă de alte metode de detec ie esteț ț ț

Page 4: Avantaje intreruptoare cu SF6.pdf

faptul că instrumentul poate lucra on-line în mod continuu i supravegheat. Există totu iș ș

diferen e esen iale datorită aplicării în industrie fa ă de func ionarea tradi ională aț ț ț ț ț

dispozitivului IMS.

Spectrul mobilită ii ionilor con ine informa ii despre natura diferitelor componduriț ț ț

prezente în mostra de gaz. Pe spectru apar vârfuri, dar deplasarea pozi iei vârfurilor esteț

corelată cu numărul total de produse de descompunere.

Modificarea caracteristicilor gazului datorită produ ilor de descompunere se ob ineț ț

comparând spectrul de mobilitate al ionilor pentru gazul din exploatare cu spectrul de

referin ă al gazului pur. Are loc, prin urmare, o deplasare a vârfului spectrului spre timpiț

de devia ie mai mici sau mai mari, cauzată de ioni cu mobilită i diferite. În acela i timp,ț ț ș

lărgirea vârfului spectrului este rezultatul unei varieta i mai mari de ioni forma i deț ț

produsele de descompunere a SF6 în timpul descărcărilor. Deplasarea vârfului este

par ial dependentă de energia arcului electric, sau a descărcărilor par iale.ț ț

Instrumentul se bazează pe o devia ie a ionilor la presiune atmosferică subț

influen a câmpului electric. Ionii suferă un proces de separa ie datorită vitezelor deț ț

devia ie diferite datorate maselor i sarcinilor diferite.ț ș

În aplica iile industriale a fost construit un IMS de rezolu ie mai mică având loculț ț

de plecare a ionilor necunoscut. În mod normal se folose te un shutter Bradbury-Nielsen

(poarta de ioni electrici)) care se deschide pentru intervale scurte de timp (între câteva s

i 1 ms) i doar atunci le este permisă ionilor intrarea în zona de devia ie. În cazulș ș ț

nostru, un volum de gaz SF6 contaminat va pătrunde în zona de ionizare i de devia ie.ș ț

Prin urmare, reac iile de transfer de sarcină apar în zona de devia ie. Mecanismulț ț

formării ionilor în gazul SF6 este actualmente cercetat folosind un IMS de rezolu ieț

mare.

Page 5: Avantaje intreruptoare cu SF6.pdf

Rezultate

IMS a fost conectat la compartimentul de gaz printr-un tub de polietilenă sub ireț

care a permis ca un mic volum de gaz să treacă prin instrument, ajustabil printr-o

supapă. Pentru a asigura condi ii comparabile, s-a ob inut local un spectru de referin ă aț ț ț

gazului pur care a arătat că nu există diferen e semnificative fa ă de spectrul ob inut înț ț ț

laborator. Timpul de achizi ie a datelor, inclusiv procesarea lor, a fost numai de câtevaț

minute, ceea ce face ca această metodă să fie interesantă din punct de vedere al

utilizatorilor. Debitul de gaz a fost ajustat la 2l/h la presiune ambiantă. Timpul total de

măsurare a fost sub 5 minute. Valva de umplere a fost conectată la IMS (vezi figura 1)

prin intermediul unui adaptor special i a unei evi de teflon cu diametrul interior deș ț

1mm.

Page 6: Avantaje intreruptoare cu SF6.pdf

În mod normal spectrul mobilită ii ionilor con ine informa ii despre naturaț ț ț

diferitelor compounduri prezente în mostra de gaz. Pe spectru apar vârfuri, dar

deplasarea pozi iei vârfurilor este corelată cu numărul total de produse deț

descompunere.

Modificarea caracteristicilor gazului datorită produ ilor de descompunere se ob ineț ț

comparând spectrul de mobilitate al ionilor al gazului din exploatare cu spectrul de

referi ă al gazului pur. Are loc o deplasare a vârfului spectrului spre timpi de devia ieț ț

mai mici sau mai mari, cauzată de ioni cu mobilită i diferite. În acela i timp, lărgireaț ș

vârfului spectrului este rezultatul unei varietă i mai mari de ioni forma i de produsele deț ț

descompunere a SF6 în timpul descărcărilor. Deplasarea vârfului este par ial dependentăț

de energia arcului electric, sau a descărcărilor par iale.ț

În figura 2 se observă

schimbarea pozi iei vârfurilor calculate din spectrul gazului SF6 al fiecăruiț

Page 7: Avantaje intreruptoare cu SF6.pdf

compartiment de fază A, B, C (sau R, S, T).

Page 8: Avantaje intreruptoare cu SF6.pdf

Cele mai importante produse de decompozi ie, ce apar în camerele de descărcareț

cu electrozi de cupru, sunt SOF2 (fluorura de tionil), SOF4 (tetrafluorura de tionil) i SOș

2F2 (fluorura sulfurică).

Valorile recomandate de CIGRE pentru concentra ia totală a produselor deț

descompunere variază între 500ppmv(păr i pe milion din volum) i 2000ppmv.ț ș

Dispozitivele de monitorizare bazate pe IMS sunt echipamente compacte iș

portabile, i deci, utilizabile în măsurători în exploatare. Ele se conectează laș

compartimentele de comuta ie umplute cu gaz printr-un tub sub ire de polietilenă, careș ș

limitează cantitatea de SF6, analizată de instrument. Se ob ine astfel un raport asupraș

stării actuale a gazului. Prin calibrarea condi iilor de func ionare i scalarea timpului deș ș ș

devia ie, se poate estima durata de via ă, rămasă, a echipamentului aflat în exploatare.ș ș

În baza de date a dispozitivului sunt cuprinse informa ii privind: tipulș

producătorului, presiunea gazului, frecven a de comuta ie, tensiunea nominală, curentulș ș

nominal, ceea ce permite, ca la cerere să se realizeze o compara ie între producători ș

Page 9: Avantaje intreruptoare cu SF6.pdf

Proprietă ile gazului SFș 6

Datorită proprietă ilor, SFș 6 este mediul gazos ideal pentru stingerea arcului

electric având rigiditatea dielectrică mai mare decât a oricărui alt mediu gazos, cu aceea

i densitate. Masa moleculară a SFș 6 este 146 în compara ie cu 28 - masa moleculară aș

azotului i 32 - masa moleculară a oxigenului. Acest fapt reduce mobilitatea electronilorș

liberi. Este un gaz electronegativ.

SF6 are proprietă i termice neobi nuite, ce contribuie la stingerea arculuiș

electric.

La temperaturi scăzute are o conductivitate termică ridicată. Dependen aț

conductivită ii termice func ie de temperatură pentru SFț ț 6 i azot este prezentată înș

Figura 1. Valorile de vârf ale conductivită ii sunt rezultatul schimbării stării gazului.ț

Disocierea, ca i vaporizarea necesită un anumit aport de energetic ceea ce faciliteazăș

transferul de căldură de la arc la gaz, reducând temperatura plasmei de arc.

Page 10: Avantaje intreruptoare cu SF6.pdf

Figura 1. Conductivitatea termică pentru SF6 i Nș 2

Ca i alte gaze biatomice (Oș 2 sau N2), SF6 devine conductor când este ionizat, dar

rămâne, în principal, izolator îmbunătă ind proprietă ile dielectrice i de rupere.ț ț ș

Disocierea gazului produce fluorina, cel mai electronegativ element de la 3950K.

Aceasta facilitează captarea electronilor liberi i reduce conductivitatea. Pe măsură ceș

temperatura arcului scade, ionii de fluorină (cu viteza mai mică decât 1% din viteza

medie a electronilor) captează ionii liberi i reduce semnificativ densitatea de curent.ș

Cele două proprietă i, electronegativitatea ridicată, care determină o absorb ie aț ț

electronilor, i conductivitatea termică ridicată la temperaturi scăzute, fac ca SFș 6 să fie

gazul ideal pentru

întreruperea

arcului electric.

Principalul

dezavantaj este

punctul relativ ridicat

de lichefiere care

apare între -23,3oC iș

-34,4 oC, depinzând

de densitate iș

presiune, a aș

cum se observă din

figura 3.

La densită i iț ș presiuni ridicate are loc cre terea temperaturii de lichefiere, ceea ce constituie un efect nedorit. De aceea, înș locurile de exploatare unde temperatura poate să scadă sub -23,3oC, este necesar să se asigure încălzirea gazul

Page 11: Avantaje intreruptoare cu SF6.pdf

Figura 3. Varia ia presiunii i densită ii pentru SFț ș ț 6

Implica ia SFț 6 în schimbările climatice globale

S-a descoperit că SF6 are un poten ial important în crearea efectului de seră. ț Într-o

perioadă de 100 de ani SF6 are o capacitate de a atrage radia iile infraro ii de 23900 deț ș

ori mai mare decât aceea i cantitate de COș 2. Fiind stabil din punct de vedere chimic iș

cu o durată de via ă în atmosferă de 3200 de ani, SFț 6 dacă este emis, se acumulează în

atmosferă, în straturile joase (fiind mai greu decât aerul), pentru multe secole. Deci o

cantitate redusă de SF6 poate avea un impact semnificativ asupra climei.

Privitor la cre terea temperaturii medii a planetei, cercetătorii au ajuns la concluziaș

Page 12: Avantaje intreruptoare cu SF6.pdf

că o cauză majoră o reprezintă emisiile de gaze care determină efectul de seră: CO2,

metan (CH4, Fluoro-carbon - PFCs, HFCs, protoxid de azot - N2O) i SFș 6. Prin

acumularea în atmosferă ele se comportă ca o pătură, încălzind planeta, prin men inereaț

căldurii, pe care altfel pământul ar

radia-o în spa iu. Prin urmare, datorită absorb iei radia iilor infraro iiț ț ț ș

SF6 conduce

laepuizarea ozonului atmosferic.Emisiile de SF6 sunt determinate de tipul i vechimea echipamentelor i protocoaleleș ș

deîntre inere. Întreruptoarele vechi pot con ine până la 2000 pounds (909 Kg) de SFș ț 6 iar

cele moderne 100 pounds (45.5 Kg) de SF6 (1 pounds/2.2=0.5 Kg) .

Pentru a preveni emisiile de SF6 în atmosferă i a conserva gazul, acesta trebuieș

stocat, recondi ionat sau purificat i repus în echipamente. ț ș În acest scop se folosesc

reciclatoarele de gaz.

Schimbările climatice conduc la evenimente meteorologice extreme: valuri de

căldură i secetă, modificarea distribu iei precipita iilor, cre terea nivelului mărilor iș ț ț ș ș

răspândirea bolilor.

Scopul sistemelor de monitorizare este de a furniza informa ii on/line cătreț

utilizatorul de sistem. Aceste informa ii vor constitui baza unui program de mentenan ă,ț ț

repara ii i modernizare a echipamentelor din sistem.ț ș