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