Intreruptorul de putere cu hexaflorura de sulf (SF6) Folosirea gazului SF6 la stingerea arcului electric si apoi la asigurarea izolatiei intre piesele de contact se justifica prin proprietatile acestui gaz, dupa cum urmeaza:

• Este un gaz electronegativ si isi pastreaza aceasta proprietate pana la cateva mii de grade. Aceasta proprietate determina tensiuni de strapungere mult superioare celor in aer, la aceeasi presiune.

• Poseda proprietati termice remarcabile, si anume: energie de

disociere redusa, temperatura de disociere redusa, si, ca urmare, constanta de timp mai mica cu doua ordine de marime fata de aerul atmosferic.

• Este incolor, fara miros, incombustibil si netoxic. Acest gaz

reactioneaza cu materialele pe baza de formaldehida (pertinax). Izolatia la instalatiile cu SF6 se realizeaza pe baza de rasini de turnare epoxidice, fie pe baza de teflon. La presiuni mari (10 bar) se lichefiaza in jurul temperaturii de – 10 oC, de aceea, in instalatiile de tip exterior gazul trebuie sa se afle la presiuni reduse ( 4...6 bar) sau se poate recurge la incalzirea locala a instalatiei.

• Gazul SF6 este multiatomic. Atomii de fluor se afla in varfurile unui

octaedru iar cel de sulf in centrul octaedrului. Respectiva structura determina un coeficient de dilatare volumica important si, ca urmare, intr-o incinta in care arde arcul electric presiunea gazului creste foarte mult.

Principiul de stingere Principiul de stingere folosit pentru stingerea arcului electric la

intreruptoarele cu SF6 este principiul jetului de gaz sub presiune. Intreruptoarele care folosesc acest gaz pentru stingerea arcului

electric se afla la a treia generatie: • La prima generatie, gazul SF6 sub presiune era furnizat de un

compresor separat; • La a doua generatie, gazul SF6 sub presiune rezulta din

procesul de autocompresie, adica la retragerea tijei mobile din tulipa, un piston comprima gazul, care era dirijat in ajutajul in care se dezvolta arcul electric.

• La a treia generatie, gazul SF6 , in faza initiala, se incalzeste prin preluare de energie din coloana arcului electric. Cum in aceasta faza volumul gazului incalzit este limitat, se produce o crestere a presiunii locale care ingaduie ulterior formarea jetului de gaz. Acesta, in faza stingerii, este dirijat asupra arcului electric.

Observatie: La toate cele trei tipuri de intreruptoare arcul electric

este racit printr-un jet de gaz longitudinal. Fazele stingerii arcului electric intr-un ajutaj in care se dezvolta arcul

electric racit cu SF6 se stabilesc pe baza unui model, ca in Fig. 1. dupa cum urmeaza:

a) Faza curentului intens. In aceasta faza arcul electric consta dintr-o plasma de mare conductivitate electrica de temperatura mare (≈ 25000 K). In aceasta plasma se gasesc si vapori metalici proveniti din piesele de contact.

b) Faza termica. Inainte de trecerea curentului prin zero, diametrul plasmei scade continuu, iar in momentul trecerii curentului prin zero, diametrul arcului este extrem de mic (≈ 1 mm). Sosirea in ajutaj a gazului cu temperatura mica si viteza mica si coliziunea cu plasma caracterizata de temperatura mare si viteza mare duce la producerea intensiva a turbulentei.

c) Faza dielectrica. Dupa ce arcul electric a fost stins, plasma de inalta conductivitate electrica a fost inlocuita de gaz neconductor dar cald, in care exista purtatori de sarcina solitari. Acesti purtatori de sarcina pot distorsiona campul electric in ajutajul izolant. In acest moment, intre contactele intreruptorului apare tensiunea oscilanta de restabilire care constituie solicitarea dielectrica a intreruptorului dupa o intrerupere reusita.

Fig. 1. Faze importante in ajutajul unui intreruptor cu SF6

a) faza curentului intens; b) faza termica; c) faza dielectrica. In constructia intreruptoarelor cu performante mari, camera de stingere se poate reprezenta schematic, in faza de formare a arcului electric, ca in Fig. 2. Se observa diviziunea functiilor la un sistem de contacte, si anume: 1a, 1b sunt piese de contact pentru arcul electric; 2a, 2b sunt piese de contact pentru regimul permanent. Jetul de gaz, obtinut prin autocompresie, este dirijat in zona I in care se divide in doua jeturi longitudinale de sensuri opuse. Camera de stingere prezinta trei zone in ce priveste stingerea arcului electric:

• Zona I corespunde bifurcatiei jetului de gaz. In aceasta zona (se mai numeste zona de stagnare) se poate admite ca exista un echilibru intre puterea dezvoltata de arcul electric si puterea evacuata prin convectie . Aceasta zona are importanta la intreruperea dielectrica (curent mic) si in etapa de refacere a rigiditatii dielectrice.

• Zona II corespunde celor doua intrari in ajutaje, la stanga si la dreapta fata de zona I. In aceasta zona, diametrul arcului este minim si turbulenta foarte mare. Aceasta zona are importanta la intreruperea termica (a curentului de mare intensitate).

• Zona III nu are influenta determinanta asupra stingerii arcului electric, dar contribuie la formarea tensiunii de arc electric si actioneaza in ce priveste stabilitatea acestuia la interactiunea intre arcul electric si retea.

Fig. 7.12. Schita unei camere de stingere cu jet de SF6, de mare

performanta

1a, 1b – piese de contact pentru arcul electric; 2a, 2b – piese de contact pentru regimul permanent; 3 – ajutaj din material

termoizolant (teflon); 4 – anvelopa izolanta

Solutii constructive Solutiile constructive depind de datele nominale ale aparatului (tensiune nominala, curent nominal, capacitate de rupere). Pentru punctele de retea in care puterea de scurtcircuit este redusa, se prefera constructii simple si economice dar cu performante reduse, dar acceptabile.

Intreruptorul de medie tensiune Pentru tensiuni nominale mai mici de 24 kV, curent nominal 630...1250 A si capacitate de rupere < 25 kA, se construiesc intreruptoare la care stingerea arcului electric se bazeaza pe principiul autosuflajului. In acest caz, mecanismul de actionare dezvolta o energie minimala, deoarece acesta nu mai dezvolta si energia de compresie a gazului de stingere ca la intreruptoarele care functioneaza pe baza autocompresiei. In Fig. 3. este prezentata o solutie constructiva.

Fig. 7.13. Intreruptor cu SF6 de medie tensiune

1 – borne 2 – bobina cilindrica 3 – contacte de regim permanent 4 – contact inelar de arc electric 5 – tije cu contact mobil 6 – camera de stingere cu formare de presiune 7 – camera de echilibrare a presiunii 8 – piston pentru compresie auxiliara 9 – ax principal de actionare 10 – ax de transmisie 11 – tija izolanta

Functionare. Camera de stingere este divizata in doua spatii, si anume in camera de presiune 6 si camera de egalizare 7, cu un volum mai mare. La extragerea tijei 5 arcul electric se comuta pe inelul 4, iar bobina 2 este parcursa de curentul ce urmeaza a fi intrerupt. Arcul electric se dezvolta in campul magnetic produs de trecerea curentului prin bobina 2. Din interactiunea intre campul magnetic produs de bobina 2 si coloana arcului electric ia nastere forta Lorenz F = J x B, care determina rotirea arcului electric in jurul axei ajutajului de stingere. Din acest motiv, gazul SF6 se dilata puternic si determina cresterea presiunii in camera 6. Gazul intra in contact cu coloana arcului electric, preia caldura din coloana arcului si este dirijat in camera 7. Prin racirea arcului, acesta se stinge la prima trecere naturala prin zero. In cazul curentilor mici, arcul incalzeste mai putin gazul in camera superioara iar formarea jetului de gaz este incerta. Pentru aceste cazuri, tija mobila 5 este prevazuta cu pistonul 8, care prin retragerea tijei 5, trimite gaz in camera 6 si deci creste presiunea in camera superioara 6.

Intreruptorul de inalta tensiune Pentru tensiuni nominale Un > 245 kV, in constructia intreruptoarelor se foloseste principiul autocompresiei pentru stingerea arcului electric. Prin retragerea tijei mobile gazul SF6 este comprimat si apoi dirijat asupra arcului electric, in vederea racirii si stingerii acestuia. Performantele unei singure camere de stingere pot fi: tensiune nominala, Un = 245 kV; curent nominal, In = 4000 A; capacitate de rupere, Ir = 50 kA.

Pentru curenti mai intensi si tensiuni mai mari se foloseste principiul modulului, conform caruia doua sau mai multe camere de stingere sunt conectate in serie pana la obtinerea tensiunii nominale.

Functionare: In Fig. 4. se prezinta o solutie constructiva a unei

camere de stingere ce functioneaza pe baza autocompresiei. La deschiderea intreruptorului, piesa de contact 3 se deplaseaza impreuna cu cilindrul de compresie fata de pistonul fix 1, astfel incat mai intai se intrerupe contactul 4 al curentului nominal si apoi contactul 3 pentru arc electric. La deschidere gazul SF6 este comprimat in cilindrul 2 si apoi este expulzat sub presiune in ajutajul 5. In cazul curentilor intensi, in spatiul cuprins in interiorul cilindrului 4, se creeaza o presiune foarte mare ceea ce asigura extragere de caldura din coloana arcului electric si deci stingerea acestuia. la curenti mici presiunea este redusa si se conteaza pe jetul de gaz provenit din cilindrul de compresie 2, pentru stingerea arcului electric.

Floururile metalice care apar la deschidere, sub actiunea arcului electric si care nu se recombina complet, sunt fixate de filtrul 9 (Al2O3) care serveste la captarea floururilor metalice si a umiditatii reziduale.

Fig. 7.14. Solutie constructiva a unei camere de stingere cu autocompresie

a) etapa inchis; b) etapa cu arc electric; c) etapa deschis 1 – piston fix; 2 – cilindru de compresie; 3 – piesa de contact pentru arc electric; 4 – contact pentru curentul nominal; 5 – ajutaj izolant; 6 – piesa de contact pentru arc electric; 7 – flanse de racord; 8 – cavitate; 9 – filtru din alumina

In Fig. 5. este schita unui pol de intreruptor pentru gama de tensiuni 72.5 ... 245 kV, curent nominal 3150 si 4000 A, capacitate de rupere 25 ... 50 kA. Pentru tensiuni mai mari, in vederea cresterii vitezei electrice de deschidere se folosesc camere de stingere conectate in serie, adica se aplica principiul modulului. In Fig. 6. se prezinta schita de constructie pentru jumatatea unui pol cu tensiunea nominala 525 ... 765 kV.

Fig. 5. Schita unui pol de intreruptor pentru Un = 72.5 ... 245 kV, In = 3150, 4000 A 1 – camera de stingere; 2 – izolatie fata de pamant; 3 – piesa de distanta; 4 – dispozitiv de actionare; 5 – transmisie.

Fig. 6. Schita unui pol de intreruptor pentru Un = 525...765 kV, In = 4000 A1, 2 – camera de stingere principala; 3, 4 – compartiment cu rezistenta de conectare; 5, 6 – condensatoare; 7 – izolatie fata de pamant; 8 – transmisie mecanica la mecanismul de actionare; A, B – borne.