Societatea Comercial ă de Formare a Energeticienilor Energeticienilor din România "FORMENERG" - S.A. Bd. Gheorghe Şincai nr. 3; RO-040311; sector 4; Bucure şti Cod de înregistrare fiscal ă: RO 14529126; J40/2265/2002 Tel.: +40 21.306.99.00; Fax: +40 21.306.99.01 / 306.99.21 E-mail:
[email protected] ; www.formenerg.ro
Vasile TUDORA
ÎNTRERUPTOARE DE PUTERE ÎN VID Ete44-37
2008
Verificator: exp. instr. Corneliu Orezeanu Tehnoredactare: tehnored. Gabriela Dron Grafică: tehn. Stefan Zaharoiu
Revizia nr. 0 1 2 3 4 5 6 7
Avizat CTA nr. 64/2007
Reproducerea integral ă sau par ţi al ă a textului din aceast ă broşur ă este permisă numai cu acordul prealabil scris al S.C. FORMENERG S.A.
Cuprins
1. PRINCIPIUL DE FUNCŢIONARE AL ÎNTRERUPTORULUI ÎN VID............................... 5 2. ÎNTRERUPTORUL DE PUTERE ÎN VID......................................................................... 7 2.1. Camera de stingere ............................................................................................. 7 2.2. Pol de întreruptor fabricat AEG.......................................................................... 8 2.3. Întreruptor cu vid fabricat ABB .......................................................................... 8 3. PERFORMANŢE........................................................................................................... 11 4. ACTIVITATEA DE MENTENANŢĂ ............................................................................... 12 5. ACŢIONAREA ÎNTRERUPTORULUI ........................................................................... 13 6. COMPARAŢIE ÎNTRE TEHNICA RUPERII IN SF6 ....................................................... 14 7. DOMENIUL DE APLICAŢIE AL RUPERII ÎN VID ŞI SF6.............................................. 14 Bibliografie....................................................................................................................... 16
Ete44-37
Intreruptoare de putere în vid
1. PRINCIPIUL DE FUNCŢIONARE AL ÎNTRERUPTORULUI ÎN VID La un aparat de comuta ţie în vid piesele de contact se afl ă într-o incintă vidată şi etanşă faţă de mediul ambiant. Funcţionarea unui astfel de aparat se bazează pe următoarele considerente:
a) Presiunea în camera de stingere În principiu, vidul este un mediu dielectric ideal, nefiind materie, nu prezintă conduc ţie electrică. Însa vidul nu este niciodată perfect, totuşi un vid de 10-4 – 10-6 bar are performanţe deosebite; rigiditatea dielectrica în câmp omogen poate atinge valoarea de 200 kV la o distan ţă între electrozi de 12 mm. Rigiditatea dielectric ă a vidului este mult superioar ă rigidităţii dielectrice a altor medii ca aerul atmosferic sau gazul SF6 În figura 1.1. sunt date curbele comparative ale rigidităţii dielectrice pentru vidul avansat 10 -7-10-10, aerul la presiunea de 1 bar şi SF6 la presiunea de 1 bar. La presiuni de ordinul 10 -7- 10-10 bar în poziţia deschis a aparatului, distan ţa între piesele de contact este cuprins ă între 2 mm (la Un = 1000 V) şi 22 mm (la tensiunea Un= 24 kV). În aceste condi ţii parcursul mediu liber al particulelor de gaz este sensibil mai mare decât distan ţa între piesele de contact şi ca urmare probabilitatea ionizării prin şoc scade considerabil, iar rigiditatea dielectric ă va creşte sensibil. Datorită presiunii reduse şi rigidităţii dielectrice crescute, în vid se realizeaz ă camere de stingere miniaturale.
Figura 1.1
1 – în aer la p = 1 bar; 2 – în SF6 la p = 1 bar; 3 – în vid avansat
b) Arcul electric se dezvoltă în vapori metalici La separarea pieselor de contact curentul electric se scurge prin punctele de contact, care pe măsura îndepărtării pieselor se reduc ca num ăr si suprafaţă, iar densitatea de curent cre şte. Ca urmare se produce topirea si vaporizarea punctelor de contact. Arcul electric are drept suport vaporii metalici proveniţi din piesele de contact. Aceşti vapori metalici difuzeaz ă în vid, o parte se condenseaz ă pe piesele de contact iar restul pe un ecran de protec ţie a izolaţiei electrice împotriva depunerilor metalice. Prin condensarea vaporilor metalici, vidul este ref ăcut cu condi ţia să nu se elimine gaz din metalul vaporizat . 5
Ete44-37
Intreruptoare de putere în vid
c) Arcul electric difuz, arcul electric autocompresat Până la aproximativ 10 KA arcul electric este difuz, se extinde pe toat ă suprafaţa pieselor de contact. Solicitarea termic ă si eroziunea sunt relativ reduse (figura 1.2 a). La valori ale curentului in arc peste 10 KA apare fenomenul de autocompresie. În coloana de plasm ă a arcului electric de curent intens se face sim ţită for ţa Lorentz, ca urmare a interac ţiunii între densitatea de curent si inducţia magnetică proprie. Într-un arc electric de form ă cilindrică, for ţa Lorentz este dirijat ă spre axul coloanei, astfel încât aceasta sufer ă o compresie. Piciorul arcului electric, dac ă acesta r ămâne imobil, solicită puternic piesa de contact care va suferi o eroziune important ă. Întreruptoarele de putere întrerup curenţi de scurtcircuit mari şi deci arcul electric are o for ţă de autocompresie, astfel c ă apare necesitatea ca piciorul arcului electric s ă se deplaseze pe suprafa ţa de contact, pentru a nu solicita excesiv piesa de contact. În acest scop piesele de contact iau forma unor pahare prevăzute cu tăieturi înclinate pentru ca for ţa electrodinamică Lorentz să vehiculeze arcul electric pe marginea piesei de contact. (Fig. 1.2b)
Figura 1.2 a b
d) Curentul tăiat Ca urmare a difuziei rapide a vaporilor metalici în camera de stingere, arcul electric se stinge înainte de trecerea curentului electric, în mod natural, prin valoarea zero. Stingerea arcului este precedat ă de apariţia unei instabilităţi înainte de t ăierea curentului la valoarea i 0 (fig. 1.3.) Curenţii critici care determină curenţi tăiaţi relativ mari au valori reduse şi anume I = 40..... 80A. Curenţii mai mari produc o cantitate mai mare de vapori metalici, ceea ce conduce la men ţinerea arcului electric c ătre valori mai mici ale curentului electric. Curentul t ăiat i0 determină o supratensiune în re ţea de mărimea: u = i0
L C
unde inductivitatea L şi capacitatea C sunt parametrii re ţelei.
Figura 1.3
6
Ete44-37
Intreruptoare de putere în vid
2. ÎNTRERUPTORUL DE PUTERE ÎN VID În domeniul tensiunilor 12… 36 kV sunt trei variante de întreruptor de putere şi anume: a) întreruptorul cu ulei puţin, în reţelele de distribuţie a energiei electrice având curen ţi de scurtcircuit mici (sub 15 kA) Costul de fabricaţie al aparatului este cel mai mic dintre cele trei variante. Necesitatea reviziei aparatului (schimbarea uleiului, a pieselor de contact) dup ă un număr de declanşări pe scurtcircuit determină limitarea folosirii lui în reţelele cu defecţiuni frecvente. b) întreruptorul cu SF6 cu autosuflaj în reţele cu curenţi de scurtcircuit mai mari (15- 25kA) ca varianta mai fiabil ă şi cu cheltuieli de între ţinere mai reduse decât la prima variant ă. c) întreruptorul în vid ca variantă universală cu capacitate de rupere pân ă la 50 kA la 12 kV si 31,5 kA la 36 kV. Acest aparat este considerat a fi „f ăr ă întreţinere” are o durată de viaţă confirmată la 20 ani. Aparatul este folosit în instalaţii cu număr mare de conect ări pe scurtcircuit (cuptoare electrice cu arc) şi cu curenţi de scurtcircuit importanţi. Până la tensiuni de 24 kV inclusiv întreruptorul are o singur ă camer ă de stingere pe pol; pentru tensiuni de 36 kV şi 52 kV există două camere de stingere conectate în serie şi acţionate de acelaşi dispozitiv.
2.1. Camera de stingere În figura 2.1. este prezentată schiţa de construcţie a unei camere de stingere de fabrica ţie Siemens. Izolaţia este divizată şi realizată cu două elemente ceramice 3 şi 7. Piesele de contact 4 şi 6 sunt realizate conform schi ţei (fig. 1.2 b) dintr-un suport din Cu O FHC de forma unui pahar pe care se aplică elemente active din aliajul sinterizat Cu – Cr 50. La deconectarea curen ţilor de scurtcircuit (I > 10 KA) arcul electric, care se dezvolt ă în vaporii metalici se deplaseaz ă pe suprafeţele active sub ac ţiunea for ţei Lorentz în scopul reducerii eroziunii locale de metal. Înveli şul 5 realizat din oţel inoxidabil constituie un ecran pe care se condenseaz ă vaporii metalici proveniţi din acţiunea arcului electric asupra pieselor de contact. Burduful 8 , realizat din oţel inoxidabil permite deplasarea piesei mobile de contact.
Figura 2.1
7
Ete44-37
Intreruptoare de putere în vid
2.2. Pol de întreruptor fabricat de AEG - este prezentat într-o viziune funcţională cu ecranul şi izolatoarele ceramice transparente în fig. 2.2. Camera de stingere este fixat ă într-un cadru izolat rigid (2,15). Pentru a nu solicita lipiturile metal – ceramică, for ţa care acţionează asupra piesei mobile de contact 13 are (practic) numai componente longitudinale. Cinematica dispozitivului de ac ţionare se poate urmări în fig. 2.3. Axul O1 este rotit de mecanismul de ac ţionare cu aproximativ 48º transmi ţând mişcarea către contact prin mecanismul biel ă-manivelă 1,2 şi prin intermediul triunghiurilor nedeformabile 4,5 cuplate între ele prin resortul 3, care asigur ă for ţa în contact. Se obţine astfel : a) asigurarea unei pozi ţii stabile în poziţia închis, prin depăşirea unui punct mort f ăr ă folosirea unui clichet . b) transferul for ţei de acţionare, către piesa mobilă de contact, f ăr ă componenta radial ă care să solicite lipiturile metal-ceramică şi sudurile metalice.
Figura 2.2
Figura 2.3
2.3. Întreruptor cu vid, fabricat de ABB Din punct de vedere constructiv întreruptoarele sunt realizate din trei poli construi ţi în formă de coloană (fig. 2.4.a b c) montaţi pe partea dorsală a carcasei mecanismului (1). Fiecare pol este fixat pe câte un izolator suport . Camera de stingere a întreruptorului este prezentat ă în fig. 2.5. Păr ţile sub tensiune ale polilor întreruptorului se afl ă în tuburile izolante 12. Când întreruptorul este închis, calea de curent duce de la terminalul superior 13 şi un suport al camerei de stingere fixat în tubul protector la contactul fix, apoi prin contactul mobil şi contactul cu degete sau contactul cu role (în funcţie de curentul nominal al întreruptorului 630A respective 1250 A) până la terminalul inferior 14). Mişcarea păr ţii de comutaţie este asigurată printr-o bielă izolantă 18, care are un resort interior pentru asigurarea for ţei de contact 17. 8
Ete44-37
Intreruptoare de putere în vid
a)
b)
c) Figura 2.4. a, b, c
Figura 2.5
9
Ete44-37
Intreruptoare de putere în vid
este de tip cu resort de stocare a energiei şi operează simultan asupra celor 3 poli ai întreruptorului. In principal const ă din tamburul 3.3 ce con ţine arcul spiral, sistemul de armare, mecanismul de control şi blocare, şi legăturile care transmit mişcarea la polii întreruptorului. În plus sunt componente suplimentare precum motorul de armare, declanşatoarele, contactele auxiliare şi comenzile poziţionate pe frontul carcasei mecanismului fig. 2.6. Mecanismul de ac ţi onare
a)
b) Figura 2.6.
În tabelul 2.1 sunt prezentate datele tehnice pentru variantele constructive ale întreruptorului în vid Tabel 2.1 tip VD 4
10
Ete44-37
Intreruptoare de putere în vid
3. PERFORMANŢE Întreruptorul cu vid este considerat ca fiind un aparat “f ăr ă întreţinere”. Durata de viaţă este influenţată de numărul de comutaţii, de intensitatea curentului comutat. La fiecare deconectare sub curent se produce procesul de topire şi de vaporizare a metalului din piesele de contact precum şi o degradare a vidului prin eliberarea unor molecule de gaz incluse piesele de contact. La stadiul actual al tehnologiei comportamentul întreruptorului in vid este definit prin: - 100 de conectori la curentul nominal de scurtcircuit care poate fi de 20, 31,5, 40 KA - 20. 000 de conectori la curentul nominal care poate fi de exemplu 630 sau 1250 A Pentru întrerupătoarele de fabricaţie ABB sunt prezentate în fig. 3.1. a, b, c, d, diagramele din care rezultă, funcţie de curentul de rupere, num ărul de cicluri de operare.
Figura 3.1. a, b
11
Ete44-37
Intreruptoare de putere în vid
Figura 3.1. c, d
4. ACTIVITATE DE MENTENANŢĂ Dispozitive de comutaţie în general Se fac inspecţii periodice care presupun examin ări asupra contaminării izolaţiei, coroziuni, umezeală/condens si fenomene de arc liber (conturnări). Dacă se descoper ă situaţii incorecte, trebuie sa fie luate m ăsuri de service corespunz ătoare pentru cur ăţarea zonelor de praf, uscate, pu ţin aderente, se cur ăţă cu o cârpa moale, curat ă si uscată. Dacă este contaminare cu aderen ţă mai mare se foloseşte substanţă de cur ăţat de casa, uşor alcalină. Nu este permisă folosirea substanţelor pe bază de halogeni şi în nici un caz tricloretilena. Polii întreruptorului împreună cu camera de stingere nu necesit ă mentenanţa până la atingerea numărului maxim de cicluri de operare specificat mai sus. Când este atins num ărul maxim permis de ciclul de operare, polii întreruptorului trebuie sa fie înlocui ţi.
12
Ete44-37
Intreruptoare de putere în vid Verificarea calităţii vidului
Menţinerea presiunii, în limite acceptate, în interiorul unei camere de stingere asigur ă funcţionalitatea aparatului, dar în decursul timpului, gazele p ătrund în camera de stingere, vidat ă, eventual apariţia de gaze în procesul de vaporizare a metalului contactelor la ruperea curen ţilor, iar presiunea internă creşte (vidul se deteriorează). Această presiune, poate creşte, odată cu timpul, până la 10-2 bar, valoare la care propriet ăţile dielectrice sunt încă menţinute în limite. Practic testarea vidului f ăr ă a demonta întreruptorul se face prin încercarea cu tensiune continu ă mărită după cum urmează : Tensiune nominală ( KV) 12 17.5 24
Tensiune de încercare în curent continuu (KV) 40 40 60
Testarea trebuie f ăcută cu contactele în pozi ţie deschis, la distanţa nominală. Verificarea calităţii vidului este necesara doar atunci când se suspecteaz ă că o for ţă externă aplicată cilindrului izolant a provocat o distrugere a camerei de stingere din interior. Dac ă cilindrul izolant este afectat poate fi necesar să se înlocuiască întregul pol. Inspectarea şi revizia mecanismului de ac ţionare sunt necesare dup ă 10 000 de cicluri de operare.
5. ACŢIONAREA ÎNTRERUPTORULUI Armarea resortului de stocare a energiei : a) Întreruptoare cu motoare de armare. Armarea are loc automat. Dac ă motorul de armare se defecteaz ă, procesul de armare poate fi continuat manual. b) Întreruptoare cu mecanism de ac ţ ionare manual Se introduce tija de armare 9, în loca şul 6 si se mişcă în sus şi în jos până când este afişată condiţia de resort armat. Când se ajunge in situa ţia „armat”, mecanismul se deconecteaz ă automat si acţiunea după aceea asupra tijei nu mai are nici un efect. Ca o condiţie preliminara pentru secvenţa de reanclanşare, mecanismul este, fie rearmat după operaţia de închidere, automat, de c ătre motorul de armare sau necesita rearmarea manuala, daca mecanismul de armare este de tip manual. Închiderea şi deschiderea întreruptorului se realizeaz ă prin acţionare pe butoanele corespunzătoare. Contorul de funcţionari înregistrează numărul ciclurilor de acţionare. •
Defecte posibile Potrivit datelor furnizorilor, probabilitatea de apari ţie a defectelor este foarte redus ă, totuşi, în timpul exploatării pot apărea inerent defecte constând în principal din arderea siguran ţelor sau a motorului de acţionare; în acest ultim caz, pân ă la înlocuirea motorului (de c ătre personalul de service) se recurge la acţionarea armării manuale. În caz de nefunc ţionare a întreruptorului, remedierea trebuie f ăcută numai de personal specializat. 13
Ete44-37
Intreruptoare de putere în vid
6. COMPARAŢIE ÎNTRE TEHNICA RUPERII IN SF6 ŞI ÎN VID În tabelul 6.1 sunt rezumate calităţile respective ale fiecăreia dintre aceste tehnici.
Aplicaţii : motoare, cuptoare cu arc electric, linii electrice, transformatoare Caracteristici :
anduranţa supratensiune
izolaţia ieşire
intrare-
SF6 Toate. Mai degrab ă adaptate la ruperi ridicate (I şi U) Satisf ăcătoare pentru toate aplica ţiile curente. Nu este risc la curen ţi capacitivi slabi. Foarte slabă probabilitate de reamorsare la curen ţi capacitivi Foarte reproductibil ă permiţând funcţionări de secţionare
Dimensiuni Siguranţa in funcţionare :
Pierderi etanşeitate
Vid Toate. Mai degrab ă adaptate tensiunilor reduse cu tensiune tranzitorie de restabilire foarte rapidă. Poate fi foarte ridicat ă pentru anumite aplicaţii curente Recomandat protec ţie împotriva supratensiunilor pentru manevrarea motoarelor a treptelor de şi condensatoare.
Foarte compact in tensiunile joase de
Mentenanţa
Număr defecte
Tabel 6.1
de
Până la 80% menţinerea performanţelor la Patm . Supaveghere posibil ă în mod continuu. Controlul sistemului de comandă Controlul permanent posibil al presiunii gazului Foarte jos (< 4/10 000), în principal datorate p ăr ţilor auxiliare
Controlul sistemului de comanda Control ocazional posibil al vidului Foarte jos dacă procesul de fabricaţie a recipien ţilor este bine condus
7. DOMENIUL DE APLICARE AL RUPERII ÎN VID Tehnica de rupere în vid permite realizarea de aparate având o mare anduran ţă electrică la tensiuni tranzitorii de restabilire cu front de cre şteri foarte rapide. Este cea mai utilizat ă în M.T. - întreruptoare de folosin ţă generală sunt acum disponibile pentru toate puterile de rupere obi şnuite (până la 63 kA). Sunt utilizate pentru protecţia şi comanda: cable şi linii aeriene; transformatoare; baterii de condensatoare; motoare electrice.
14
Ete44-37
Intreruptoare de putere în vid
La J.T. folosirea acestei tehnici r ămâne marginală din motive de cost; utilizarea sa se limiteaz ă la curenţi cuprinşi între 800 – 2500 A şi pentru puteri de rupere inferioare sub 75 kA. La I.T. (U ≥52 kV) utilizarea acestei tehnici r ămâne domeniului de perspectiv ă.
Remarci Pentru ruperea curen ţilor capacitivi în vid refacerea rigidit ăţii dielectrice după rupere este întâmplătoare şi se traduce printr-un risc de reamorsare important. La întrerupătoarele cu contacte în vid exist ă riscuri de sudare a contactelor mai ales după o închidere pe scurtcircuit. Deteriorarea stării suprafeţei de contact facilitează preamorsajul în timpul închiderilor succesive şi amplifică importanţa sudurilor, cu riscul unei suduri definitive. Pentru comanda motoarelor trebuie luate m ăsuri de precauţie pentru că întrerupătoarele în vid taie curenţi de înaltă frecvenţă (fenomene de reaprindere) ceea ce conduce la apari ţia supratensiunilor; este preferabil să se prevadă aparate de protecţie împotriva supratensiunilor de tip ZnO
Comparaţie între diferite tehnici de rupere a arcului electric Azi, în domeniul tensiunilor joase, ruperea în aer este, în afara câtorva cazuri rare, singura folosită. La tensiuni înalte, tehnica de rupere SF 6 este practic singura implementat ă Pentru medie tensiune, unde toate tehnicile pot fi utilizate, cele cu rupere SF 6 şi în vid au înlocuit pe cele în aer din motive de cost şi volum (ancombrante) şi pe cele în ulei din motive de fiabilitate, securitate şi reducerea mentenan ţei.
Figura 7.1.
Tehnicile ruperii în vid sau SF 6 au performanţe comparabile, calităţile lor fac, ca una sau alta să fie mai adaptată la unele aplicaţii.
15
BIBLIOGRAFIE
1.
Hortopan Gh.
Aparate electrice, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1967
2.
Hortopan Gh.
Aparate electrice de comutaţ ie, Vol.1-2, Editura Tehnică, Bucureşti, 2000
3.
Babicov M.
Aparate electrice, Editura Tehnică, Bucureşti, 1965
4.
Groupe Schneider
Cahier technique no. 193 (Tehnici de rupere în medie tensiune)
4.
xxx
Documentaţ ia de fabric ă a întreruptoarelor în vid
