Gasbrytare (SF6): vägledning för val och installationsregler

Funktionen hos högspänningsnätverk med avseende på strömkarakteristik är inte jämförbar med hushållsapparater. Följaktligen, vid en nödsituation, krävs kraftfullare enheter än standard automatiska apparater för att koppla bort utrustning och släcka ljusbågen.

Som skyddskonstruktioner används SF6-brytare (EV), som kan manövreras både manuellt och med automatik. Vi har i detalj beskrivit konstruktionens egenskaper och funktionsprincip för enheterna. Vi har gett rekommendationer för installation, anslutning och underhåll.

Definition och användning av SF6

SF6 är svavelhexafluorid, som klassificeras som elektroteknisk gas. Tack vare dess isolationsegenskaper används den aktivt vid tillverkning av elektrotekniska apparater.

I neutralt tillstånd är SF6 en icke brännbar gas utan färg och lukt. Om man jämför den med luft kan man notera hög densitet (6,7) och en molekylmassa som är 5 gånger större än luftens.

En av fördelarna med SF6 är motståndskraft mot yttre påverkan. Den ändrar inte sina egenskaper under några förhållanden. Om nedbrytning sker under en elektrisk urladdning, återställs den snart fullständigt, vilket är nödvändigt för driften.

Hemligheten är att SF6-molekyler binder elektroner och bildar negativa joner. Egenskapen 'elektronegativitet' har gett svavelhexafluorid egenskapen elektrisk hållfasthet.

I praktiken är luftens elektriska hållfasthet 2–3 gånger svagare än samma egenskap hos SF6. Dessutom är den brandsäker eftersom den tillhör icke brännbara ämnen och har kylande förmåga.

När behovet uppstod att hitta en gas för ljusbågssläckning började man studera egenskaperna hos SF6 (svavelhexafluorid), koltetraklorid och freon. I testerna vann SF6.

De nämnda egenskaperna gjorde SF6 mycket lämplig för användning inom elektroteknik, i synnerhet i följande enheter:

• krafttransformatorer som arbetar enligt principen för magnetisk induktion;
• kopplingsutrustning av kompaktyp;
• högspänningsledningar som kopplar samman avlägsna installationer;
• högspänningsbrytare.

Men vissa egenskaper hos SF6-gas ledde till att man var tvungen att förbättra brytarens konstruktion. Den främsta nackdelen gäller övergången från gasfas till vätska, vilket är möjligt vid vissa tryck- och temperaturförhållanden.

För att utrustningen ska fungera utan avbrott måste man skapa lämpliga förhållanden. Anta att för drift av SF6-enheter vid -40º krävs ett tryck på högst 0,4 MPa och en densitet under 0,03 g/cm³. I praktiken värms gasen upp vid behov, vilket förhindrar övergång till vätskefas.

Konstruktion av SF6-brytare

Om man jämför SF6-enheter med andra typer av motsvarigheter, är de konstruktionsmässigt närmast oljeapparater. Skillnaden ligger i fyllningen av kammarna för ljusbågssläckning.

Som fyllmedel används en oljeblandning hos oljebrytare, medan SF6-brytare använder svavelhexafluorid. Fördelen med det andra alternativet är lång livslängd och minimalt underhåll.

Schema över SF6-enhet av pelartyp. Ljusbågssläckningsmoduler, monterade på en hög pelare, finns i den övre delen, styrenheten i den nedre.

Metoderna för ljusbågssläckning beror på många faktorer, bland vilka de avgörande är nominell ström och spänning, samt användningsvillkoren för enheten.

Totalt urskiljs fyra typer av SF6-brytare:

• med elektromagnetisk blåsning;
• med blåsning i SF6 – med 1 trycksteg;
• med längsgående blåsning – med 2 trycksteg;
• med självgenererande blåsning.

Om gasen i luftapparater under ljusbågssläckning släpps ut i atmosfären, förblir den i SF6-apparater i ett slutet utrymme fyllt med gasblandning. Samtidigt bibehålls ett litet övertryck.

Kolonn- och tankenheter

I praktiken används två typer av SF6-anläggningar:

• tank;
• pelar.

Skillnaderna gäller både konstruktionsdetaljer och principen för ljusbågssläckning. Till det yttre påminner pelartyperna om lågoljeanaloger: de består av två funktionella delar – ljusbågssläcknings- och kontaktdelen, och har lika stora dimensioner.

Frånkopplingsenheterna är avsedda för drift från 220 V nät och tillhör enfasutrustning. Exempel på SF6-brytare av pelartyp – LF 10 Schneider Electric.

Styrning av utrustningen kan ske på två olika sätt: manuellt, där justering och övervakning sker med hjälp av mekaniska enheter, och fjärrstyrt, automatiskt.

SF6-tankapparater är mindre till storleken och utrustade med en drivning med flera faser. En sådan fördelning möjliggör bättre kontroll och jämn reglering av spänningsparametrar.

En av fördelarna med tankbrytare är förmågan att tåla ökade belastningar. Denna egenskap tillhandahålls av en strömtransformator som är inbyggd i konstruktionen.

Ett exempel på en tankbrytare är SF6-installationen DT2-550 F3 från Alstom Grid. Sådana enheter har visat sig fungera väl i elsystem med spänningen 500 kV.

Konstruktionen är sammansatt och utrustad så att den fungerar utan störningar vid låga (kritiska) temperaturer, hög luftfuktighet samt i regioner med seismisk aktivitet och förhöjd luftförorening.

Princip för ljusbågssläckning

Hur enheten fungerar, låt oss titta på exemplet med brytaren LW36 från den kinesiska tillverkaren CHINT.

Vid frånkoppling verkar fjädern på cylinderns dynamiska element, och de rör sig nedåt. Alla kontakter utom ljusbågssläckningskontakterna öppnas. När även ljusbågssläckningskontakterna, genom vilka strömmen passerar, öppnas, uppstår en elektrisk ljusbåge.

Het gas förflyttas till värmekammaren, en backventil aktiveras. När gasen från värmekammaren blåses ut i gapet, släcks ljusbågen.

Om frånkoppling av små strömmar sker, är trycket i värmekammaren otillräckligt, därför används tryck från kompressionskammaren (det är alltid högre). Backventilen öppnas, gasen strömmar fritt in i gapet och släcker ljusbågen när den passerar noll.

Schema över intern placering och funktion för rörliga, stationära ventiler, avlastningsventiler, backventiler. Position 1 – inkoppling; position 2 – frånkoppling av stora strömmar; position 3 – frånkoppling av små strömmar; position 4 – frånkoppling av enheten.

Moderna kolonnbrytare har förbättrade egenskaper. Underhållet är minimerat, kopplingslivslängden är ökad. SF6-brytare kännetecknas av låg ljudnivå, pålitlig mekanik, enkel installation och provning.

Justering av tankmodeller görs med hjälp av drivdon och transformatorer. Ett fjäder- eller fjäderhydrauliskt drivdon styr in- och frånkopplingsprocesser samt ljusbågens hållnivå.

Vad behövs drivanordningen till?

Drivdonet är avsett att utföra alla operationer relaterade till in- och frånkoppling eller hållning av enheten i ett visst läge. Schemat visar var drivdonet kan placeras. Vanligtvis är det på marken eller på ett lågt stöd som ger underhållspersonal enkel åtkomst till regleringsenheterna.

Konstruktionsschema för tankbrytare: 1 – porslins- eller polymermoduler; 2 – transformatorer; 3 – tank med gasbågssläckningsanordning; 4 – kammare med gas; 5 – hydrauliskt drivdon; 6 – metallram; 7 – anslutning för SF6-påfyllning

Drivanordningen består av en tillslagsmekanism, en låsanordning – en spärr, och en frånkopplingsmekanism. Tillslagsprocessen måste ske så snabbt som möjligt för att undvika att kontakterna svetsas fast.

Vid tillslag krävs stora krafter för att övervinna friktionen hos alla delar. Frånkoppling är enklare och sker genom en omvänd rörelse av spärren, som möjliggör tillslag och håller det kvar.

Det finns flera sätt att slå till/från:

• mekaniskt;
• fjädrande;
• tyngd;
• pneumatiskt;
• elektromagnetiskt.

För lågeffektsystem används manuell styrning. I detta fall räcker kraften från en operatör. Avstängning av manuella mekanismer sker vanligtvis automatiskt. Fjädrande drivning aktiveras också manuellt, men ibland används lågeffekts elmotorer.

Traditionellt placeras drivningen nära en metallisk monteringsram. Mekanismens integritet och funktion säkerställs av ett robust metallskåp – en låda med en bekväm dörr för operatörens arbete.

För användning av elektromagnetisk drivning krävs mer energi, så en permanent strömkälla på cirka 58 A med 220 V spänning behövs. Som reservfrånkopplingsmekanism finns en manuell spak. Elektromagnetiska enheter är kända för sin tillförlitlighet, därför används de framgångsrikt i områden med hårda vintrar. Nackdelen är behovet av ett kraftfullt batteri.

Pneumatisk drivning kännetecknas av att istället för en elektromagnet är det huvudsakliga arbetsorganet ett cylinder/kolv-par. Tack vare tryckluft är tillslagshastigheten mycket högre än hos tidigare modeller.

Fördelar och nackdelar med att använda EV

SF6-brytare, liksom andra typer av elkraftfördelningsenheter, har en rad fördelar och nackdelar. Vid val av installation görs nödvändiga beräkningar och förutom tekniska egenskaper och konstruktionsdetaljer beaktas modellernas för- och nackdelar.

SF6-brytare fungerar under svåra förhållanden med periodiska vibrationer, låga temperaturer (med uppvärmning) och i brandfarliga områden.

Nackdelarna inkluderar den höga kostnaden för fyllnadsmedlet – SF6-gas, det specifika montaget på skåp eller fundament, samt kravet på viss kompetens hos operatörerna.

Regler för anslutning och underhåll av EV

Alla åtgärder som rör montering, på/avslagning, reparation och underhåll av SF6-enheter följer strikta regler enligt PUE 1.8.21.

För att ansluta enheten måste man kontrollera att det finns ett minimalt tryck i den gasfyllda kammaren, annars kommer brytaren att gå sönder. För att förhindra skador finns ett larm som aktiveras vid kritiskt låga trycknivåer. Trycknivån kan övervakas med en manometer.

I manöverskåpet finns värmeelement som effektivt förhindrar kondens på mekanismens delar. Operatören måste se till att värmarna alltid är påslagna.

Inspektion av enheten utförs varje dag under dygnets ljusa timmar och ungefär 2 gånger i månaden under dygnets mörka timmar. Om ett oplanerat frånkoppling har inträffat av någon anledning krävs en extra inspektion.

Vid inspektion av brytaren måste yttre skydd kontrolleras, smuts avlägsnas och skador repareras. Om kontakterna blir varma ska orsaken utredas.

Om det finns sprakande eller misstänkt ljud måste källan identifieras. Den metalliska monteringskonstruktionen är samtidigt en del av jordningskretsen, så dess integritet måste kontrolleras.

Manometerns avläsningar måste tas. Trycket ska motsvara den norm som tillverkaren beräknat. Det är nödvändigt att kontrollera regler- och övervakningsinstrumentens funktion, och om en eller flera komponenter är ur funktion måste åtgärder vidtas – byta ut eller skicka på reparation.

Om gastrycket har minskat ska kammaren fyllas på med SF6-gas. Isoleringen behöver inte rengöras eftersom konstruktionen är helt tät.

Slutsatser och användbar video om ämnet

Hur SF6-brytare är konstruerade, vilken princip som används för ljusbågssläckning och vilka typer av enheter som finns, kan du lära dig från en användbar och informativ video.

Video #1. Översikt över SF6-brytare med beskrivning av konstruktion och funktionsprincip:

Video #2. Konstruktionsegenskaper hos enheterna:

Video #3. Hur montering av brytaren utförs:

SF6-brytare lämnar fabrikens löpande band i fullt driftberedd skick och är avsedda att fungera i olika klimatzoner, från tropiskt till kallt, därför används de aktivt av industriföretag i olika länder.