Intreruptoarecu SF6

Tipuri de întreruptoare

2

Masa moleculară 146,07 kg/kmol

Punctul de fierbere la 1,013 bar -63,8 °C

Densitatea la 1,013 bari şi 20°C 6,14 kg/m3

Presiunea de vapori la 0°C 1,26 MPa

Presiunea de vapori la 20°C 2,3 MPa

Condiţii de ardere în aer Necombustibil

Conductivitatea termică 0,0136 W/(m-K)

Căldura specifică la presiune constantă 96,60 J/(mol-K)

Volumul specific la 1,013 bar şi 15 °C 0,160 m3/kg

Viteza sunetului la 1,013 bar şi 25 °C 136 m/s

Punctul criticTemperatura criticăDensitate criticăPresiunea critică

46 °C730 kg/m3

3,78 MPa

SF6 – proprietăţi fizice

cel mai greu gaz

Nu există în starelichidă decât la presiuni

mai mari decât ce atmosferică

3

Lichid

GAZ

Ecuaţia de stare

Până la temperaturi de ordinul1200K SF6 respectă ecuaţia destare de tip Beattie-Bridgeman,comportându-se ca un gaz perfect.

( ) abvTRpv2 −+=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅−⋅=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅−⋅=

−−

−−

v110123601103660b

v110106201107815a

33

36

,,

,,

p – presiunea (Pa)v – volumul (m3/mol)R – constanta gazelor ideale (8,3143 J/mol/ K)T – temperatura absolută

0,1 MPa = 1 bar

SF6 – pentru presiunile de utilizare este în stare gazoasăNu se poate utiliza la presiuni prea mari deoarece se lichefiază

la temperaturi care intră în plaja temperaturilor de utilizare

Diagrama de stare a SF6 şi dreptele de echi-densitate.Deasupra curbei de saturaţie SF6 este în stare lichidă

Diagrama de stare: în domeniul temperaturilor de utilizare (- 25 ...+50°) presiunea creşte proporţional cu creşterea temperaturii

Aceasta se bazează în principal pe două mecanisme- captura rezonantă- ataşare disociativă

Datorită afinităţii pentru electron electronii liberi sunt ataşaţi moleculelor de gaz formând ioni negativi mult mai grei şi deci mai dificil de accelerat în câmp electric. Această comportare inhibă dezvoltarea fenomenelor disruptive a căror evoluţie se bazează pe existenţa unei concentraţii importante de electroni liberi.

4

Proprietăţile electroizolante de excepţie ale SF6 se explică prinafinitatea sa pentru electron (electronegativitate).

−− →+ 66 SFeSFFSFeSF 56 +→+ −−

Permitivitatea dielectrică relativăLa 20°C presiune de 1 bar permitivitatea dielectrică relativă este egală cu 1,00133; o creştere a presiunii până la 20 bar determină o creştere cu cca.6% a permitivităţii dielectrice relative. Permitivitatea dielectrică relativă pentr SF6 în stare lichidă este egală cu 1,81±0.02 şi este practic constantă într-o bandă de frecvenţă de la 10 la 500 kHz

5

Rigiditatea dielectrică

Prin rigiditate dielectrică se înţelege intensitatea câmpului electric uniform pentru care, în dielectricul analizat, apare o descărcare disruptivă.După cum rezultă din figura A (slide 6), la aceeaşi presiune(1,0 bar) SF6 are o rigiditate dielectrică de 2,5...3,0 ori mai mare decât aerul. Creşterea presiunii determină creşterea rigidităţii dielectrice astfel încât, pentru a asigura aceeaşi tensiune disruptivă (de exemplu 150 kV) este nevoie de o distanţă de separaţie între electrozi de cca. 24 cm la 1,0 bar şi 8 cm la 5,0 bar.Pentru presiuni mai mari de 1 bar în câmp electric uniform tensiunea disruptivă respectă legea lui Paschen (figura B-slide 5)Alte proprietăți dielectrice – slide 7 figurile A și B

6

Figura AVariaţia tensiunii disruptive cu distanţa pentru SF6 la diferite presiuni. Câmp electric uniform. Tensiune de frecvenţă 50 Hz. Panta fiecărei curbe este egală cu rigiditatea dielectrică

Figura BVariaţia tensiunii disruptive cu produsul între presiune şi distanţă

7

A

B

A-Variaţia cu presiunea a tensiunii disruptive în câmp câmp electric puternic neuniform distanţa disruptivă egală cu 1 cmB-Tensiunea disruptivă în SF6 devine egală cu cea din ulei pentru presiuni mai mari de 3 bar

8

Căldura specifică este de 3,7 ori mai mare decât cea a aeruluiLa aceeaşi cantitate de căldură înmagazinată,temperatura SF6 este mică decât cea a aerului;scad solicitările termice ale echipamentului,

Conductivitatea termică (λ )variază cu temperatura• Pentru SF6 λ are un maxim localizat în jurul temperaturii de 2000 K• Pentru N2 (sau aer) λ est maximă la temperaturi de ordinul a 6000 K• Pentru temperaturi în domeniul în care arde arcul, conductivitatea termică a SF6 este mult mai mică decât cea a N2

Conductivitatea termică: este mai mică decât cea a aerului, însă capacitatea globală de transfer de căldură, în special pentru transfer prin convecţie, este excelentă fiind mai mare decât cea a aerului şi comparabilă cu cea a altor gaze folosite pentru răcire cum ar fi H2 sau He

9

Căldura specifică variază și ea cu temperatura. Prezintă un maxim în jurul temperaturii de 2000 K (comportare similară cu cea pentru λ)

Dependenţa constantei de timp a arcului de presiune (modelul Mayr) în diferite medii de stingere

Pentru SF6 este cu câteva ordine de mărime mai mică în raport cu alte medii de stingere; valoarea este independentă de presiune

10

SF6- capacitatea de stingere a arcului electricProfilul radial al distribuţiei temperaturii în coloana arcului electric pentru două medii de stingere N2 şi SF6(răcire prin conducţie)

Energia necesară menținerii arcului este produsă prin efect Joule in zona centrală a arcului, zonă în care temperatura este mai mare decât cea corespunzătoare pragului de termo-ionizare cca 3000 K. Comparând cele două medii de stingere se observă că la același curent de arc această zonă este mult mai restrânsă în SF6; corespunzător – cantitatea de căldură dezvoltată este mai mică.In SF6 la temperaturi de 3000 K conductivitatea termică λ are valori maxime deci căldura din zona centrală poate fi disipată rapid în direcție radială. In zona în care temperatura coboară sub 3000 K practic nu se mai produce conducție electrică(σ ≈ 0) deoarece electronii liberi sunt atașați moleculei de SF6 formând ioni negativi (mult mai grei deci cu mobilitate mai mică)DECI în SF6 la trecerea prin zero a curentului arcul este concentrat într-o regiune restrânsă cu temperaturi peste 3000K înconjurată de o regiune în care σ ≈ 0 deci nu se produce căldură prin efect Joule.Prin comparație se vede că arcul în azot este mai greu de stins datorită extensiei sale și temperaturilor mai ridicate

11

Tipuri de instalaţii cu SF6► Soluţii constructive

-Echipament capsulat: echipamentul la care mediul izolant primar este în principal aerul. 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.

12

► modul în care se asigură presiunea gazului SF6 în interiorul incintelor

-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.

13

Întreruptoare cu dublă presiune

cu dublă presiune

Gazul, comprimat într-un rezervor de"înaltă presiune", este eliberat prindeschiderea unui ventil acţionat decomanda de deschidere transmisăîntreruptorului; jetul de gaz care curge princontactele tubulare suflă arcul şi esterecuperat într-un rezervor de "joasăpresiune"

Secţiune printr-un întreruptor cu SF6 cu dublă presiune; cuva la potenţialul pământului, borne cu izolatoare de trecere

14

Configuraţia de principiu a zonei de contact (indiferent de tipul constructiv al întreruptorului)

Gazul stocat în rezervoarede 1,5…2 MPa, utilizatpentru răcirea şi stingereaarcului electric în camerede stingere cu suflaj axialsimplu sau dublu prinvehicularea sa spre unrezervor de joasăpresiunea (circa 0,3 MPa)

Când în rezervorul deînaltă presiune aceastascade sub o anumităvaloare minim admisibilă,readucerea presiunii lavaloarea menţionată seasigură cu un compresor,care pompează SF6 dinrezervorul de joasăpresiune.

Jet simplu axial

Jet dublu axial

15

Întreruptoare cu autocompresie

Principiul de funcţionare

Jetul de gaz care părăseşte camera de compresie este dirijat de ajutaj şi asigură un suflaj axial al arcului electric

La depărtarea contactului mobil se deplasează odată cu acesta ajutajul dielectric şi cilindrul de compresie, pistonul din interiorul său fiind fix.

presiunea necesară stingerii arcului trebuie asigurată chiar şi pentru cele mai grele condiţii de scurtcircuit, energia mecanică asigurată de mecanismul de acţionare este deosebit de mare şi conduce la însemnate forţe de reacţie .

16

a) Contacte de lucrub) Contacte de arc

(tubulare)c) Pistond) Camera de compresiee) Ajutaj dielectric (teflon)

1) Întreruptorul este închis2) Contactele de lucru (a) se deschid și curentul este dirijat către contactele de

arc (b) care sunt încă închise . Pistonul (c) solidar cu piesa de contact mobilă comprimă gazul în camera de compresie (d) pe toată cursa acesteia.

3) La separarea contactelor de arc apare arcul electric. Prin retragerea piesei de contact mobile din ansamblul contactelor de arc este deschis ajutajul dielectric prin care o parte din gazul comprimat în camera de compresie formează un jet dirijat către arcul electric

4) Contactele de arc au ajuns la distanța de separație maximă. Arcul s-a stins. În camera de stingere temperatura și presiunea s-au uniformizat.

Pentru curenți de intensitate mică, stingerea arcului se produce prinrăcirea forțată a zonei de arc prin jetul de gaz forma de ajutajPentru curenți de intensitate mare, acțiunea combinată a jetului degaz cu expansiunea termică a arcului contribuie la deplasareaacestuia spre regiuni mai reci ale camerei de stingereÎn cazul întreruperii unor curenţi de intensitate mare, diametrularcului poate să fie mai mare decât diametrul ajutajului; se crează osituaţie denumită "refulare de curent" (current choking)Când se produce refularea curentului, jetul de gaz nu poate să fieiniţiat întrucât cele două spaţii (cel de compresie şi cel de detentărămând izolate). Mişcarea până la cap de cursă a contactului mobildetermină creşterea presiunii în spaţiul de compresie datoritămicşorării volumului (prin compresie) şi încălzirii (prin aportul decăldură din coloana arcului). Pentru evitarea acestei situaţii seoptimizează forma ajutajului pentru ca acesta, la curenţi intenşi săse deschidă mai mult asigurând iniţierea sigură a jetului de gaz şieliminarea posibilităţii de apariţie a refulării curentului.

17

18

Soluţie pentru evitarea fenomenului denumit refulare de curent

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

19

20

Întreruptoare SF6 şi autosuflaj

21

Controlul arcului în camera de stingere prin acțiunea câmpului magnetic

-Curentul din bobină produce un CM care va roti arcul electric ce se sprijină pe cele două contacte inelare. CM al bobinei induce în piesa inelară adiacentă un curent apreciabil ("spiră" în scurtcircuit), defazat faţă de curentul din bobină.

-Când curentul prin arc se apropie de 0, CM va fi susţinut în continuare de curentul din inel. Defazajul optim între cei doi curenţi este de 30…60°

22

Întreruptor cu SF6 autosuflaj şi suflaj magnetic. Vedere în 3D