SF6-afbrydere: valgkriterier og tilslutningsregler

Driften af højspændings elektriske netværk med hensyn til strømkarakteristika kan ikke sammenlignes med driften af husholdningsanaloger. Derfor, i tilfælde af en nødsituation, kræves der mere kraftfulde enheder end standard automatiske enheder for at afbryde udstyret og slukke lysbuen.

Som beskyttelseskonstruktioner anvendes SF6-afbrydere (SF6-breakers), som kan betjenes både manuelt og automatisk. Vi har detaljeret beskrevet konstruktionsegenskaberne og driftsprincippet for enhederne. Givet anbefalinger til installation, tilslutning og vedligeholdelse.

Definition og anvendelse af SF6

SF6 er svovlhexafluorid, som betragtes som en elektroteknisk gas. På grund af dens isolerende egenskaber anvendes den aktivt i produktionen af elektrotekniske enheder.

I neutral tilstand er SF6 en ikke-brændbar gas uden farve og lugt. Hvis man sammenligner den med luft, kan man bemærke en høj densitet (6,7) og en molekylvægt, der er 5 gange større end luftens.

En af fordelene ved SF6 er modstandsdygtighed over for ydre påvirkninger. Den ændrer ikke sine egenskaber under nogen forhold. Hvis der sker nedbrydning under en elektrisk udladning, følger der snart en fuld, nødvendig rekonstitution for driften.

Hemmeligheden er, at SF6-molekyler binder elektroner og danner negative ioner. Kvaliteten af 'elektronegativitet' har givet svovlhexafluorid en egenskab som elektrisk styrke.

I praksis er luftens elektriske styrke 2-3 gange svagere end den samme egenskab for SF6. Derudover er den brandsikker, da den tilhører ikke-brændbare stoffer, og har en kølende evne.

Da behovet opstod for at finde en gas til lysbueslukning, begyndte man at studere egenskaberne for SF6 (svovlhexafluorid), koltetrachlorid og freon. I testene vandt SF6.

De nævnte egenskaber gjorde SF6 yderst egnet til anvendelse inden for elektroteknik, især i følgende enheder:

• krafttransformere, der fungerer efter princippet om magnetisk induktion;
• koblingsanlæg af kompakt type;
• højspændingsledninger, der forbinder fjerne anlæg;
• højspændingsafbrydere.

Men nogle egenskaber ved svovlhexafluorid førte til, at man måtte forbedre afbryderens konstruktion. Den største ulempe vedrører overgangen fra gasfase til væskefase, hvilket er muligt ved bestemte forhold mellem tryk og temperatur.

For at udstyret skal fungere uden afbrydelser, skal der sikres komfortable forhold. Antag, at for at SF6-enheder skal fungere ved -40º kræves et tryk på højst 0,4 MPa og en densitet på mindre end 0,03 g/cm³. I praksis opvarmes gassen om nødvendigt, hvilket forhindrer overgang til væskefase.

Konstruktion af SF6-afbryder

Hvis man sammenligner SF6-enheder med andre typer, er de konstruktionsmæssigt tættest på olieapparater. Forskellen ligger i fyldningen af lysbueslukningskamrene.

Som fyldstof i olieafbrydere anvendes en olieblanding, mens SF6-afbrydere bruger svovlhexafluorid. Fordelen ved sidstnævnte er holdbarhed og minimal vedligeholdelse.

Diagram over SF6-enhed af søjletype. Lysbueslukningsmodulerne, monteret på en høj søjle, er i den øverste del, og styreskabet er i den nederste.

Metoderne til slukning af lysbuen afhænger af mange faktorer, blandt hvilke de afgørende er nominel strøm og spænding samt enhedens brugsbetingelser.

Der skelnes i alt mellem fire typer SF6-afbrydere:

• med elektromagnetisk blæsning;
• med blæsning i SF6 – med 1 tryktrin;
• med langsgående blæsning – med 2 tryktrin;
• med selvgenererende blæsning.

Hvis gas i luftapparater under slukning af lysbuen slipper ud i atmosfæren, forbliver den i SF6-apparater i et lukket rum fyldt med gasblanding. Samtidig opretholdes et lille overtryk.

Søjle- og tankanordninger

I praksis anvendes to typer SF6-anlæg:

• tanktype;
• søjletype.

Forskellene vedrører både konstruktionsspecifikationer og princippet for lysbueslukning. Udvendigt ligner søjletypen småolieanaloger: de består af to funktionelle dele – lysbuesluknings- og kontaktdelen, og har samme dimensioner.

Afbryderenhederne er designet til drift fra et 220 V-net og hører til enfaset udstyr. Et eksempel på en SF6-afbryder af søjletype er – LF 10 Schneider Electric.

Styring af udstyret kan ske på to forskellige måder: manuelt, hvor justering og kontrol foretages ved hjælp af mekaniske anordninger, og fjernstyret, automatisk.

SF6-apparater af tanktype er mindre i størrelse og er udstyret med et drev med flere faser. Denne fordeling giver bedre kontrol og jævn regulering af spændingsparametrene.

En af fordelene ved tankafbrydere er evnen til at modstå øgede belastninger. Denne egenskab sikres af den indbyggede strømtransformator.

Et eksempel på en tankenhed er SF6-anlægget DT2-550 F3 Alstom Grid. Sådanne enheder har bevist sig selv i elsystemer med 500 kV spænding.

Konstruktionen er samlet og udstyret på en sådan måde, at den fungerer uden fejl ved lave (kritiske) temperaturer, høj luftfugtighed, samt i regioner med seismisk aktivitet og forhøjet luftforurening.

Princippet for lysbueslukning

Hvordan enheden fungerer, ser vi på eksemplet med afbryderen LW36 fra den kinesiske producent CHINT.

Ved frakobling virker fjederen på cylinderens dynamiske elementer, og de bevæger sig nedad. Alle kontakter undtagen lysbuekontakterne åbnes. Når lysbuekontakterne, som fører strøm, også adskilles, opstår der en elektrisk lysbue.

Den varme gas bevæger sig ind i varmekammeret, og en kontraventil aktiveres. Når gassen fra varmekammeret blæses ud i mellemrummet, slukkes lysbuen.

Hvis der frakobles små strømme, er trykket i varmekammeret utilstrækkeligt, så der benyttes tryk fra kompressionskammeret (som altid er højere). Kontraventilen åbner, og gassen strømmer uhindret ind i mellemrummet og slukker lysbuen ved nulgennemgang.

Diagram over indvendig placering og funktion af bevægelige, faste ventiler, dekompressionsventiler, kontraventiler. Position 1 – tilslutning; position 2 – frakobling af store strømme; position 3 – frakobling af små strømme; position 4 – afbryderens frakobling.

Moderne søjleanlæg har forbedrede egenskaber. Vedligeholdelse er reduceret til et minimum, og kontaktlevetiden er øget. SF6-afbrydere kendetegnes ved lavt støjniveau, pålidelig mekanik, enkel montage og testarbejde.

Justering af tankmodeller sker ved hjælp af aktuator og transformatorer. En fjeder- eller fjederhydraulisk aktuator styrer tænd/sluk-processer og lysbueholdningsniveauet.

Hvad er drevet til?

Aktuatoren skal udføre alle operationer i forbindelse med tænd/sluk eller fastholdelse af enheden i en bestemt position. Diagrammet viser, hvor aktuatoren kan placeres. Normalt er det jordoverfladen eller en lav støtte, der giver servicepersonale let adgang til reguleringsenhederne.

Konstruktionsdiagram for tankafbryder: 1 – porcelæns- eller polymermoduler; 2 – transformatorer; 3 – tank med gasafbryderenhed; 4 – gaskammer; 5 – hydraulisk aktuator; 6 – metalramme; 7 – stik til indføring af SF6

Betjeningen består af en tændingsmekanisme, en låseanordning – en lås, og en udløsningsmekanisme. Tændingsprocessen skal ske så hurtigt som muligt for at undgå, at kontakterne svejses fast.

Under tænding påføres stor kraft for at overvinde friktionskræfterne fra alle involverede elementer. Afbrydelsen er lettere og består i en baglæns bevægelse af låsen, som sikrer tænding og fastholdelse.

Der findes flere måder at tænde/slukke på:

• mekanisk;
• fjederbetjent;
• tyngdekraftbetjent;
• pneumatisk;
• elektromagnetisk.

Til systemer med lav effekt anvendes manuel betjening. I dette tilfælde er styrken fra én operatør tilstrækkelig. Afbrydelse af manuelle mekanismer sker normalt automatisk. Fjederbetjente aktuatorer aktiveres også manuelt, men der anvendes undertiden små elektriske motorer.

Traditionelt placeres aktuatoren nær den monterede metalramme. Mekanismens integritet og funktion sikres af et robust metalhus – en kasse med en bekvem låge til operatørens arbejde.

Brug af en elektromagnetisk aktuator kræver mere energi, derfor er en konstant strømkilde på ca. 58 A med en spænding på 220 V nødvendig. Som reserveafbrydningsmekanisme findes et manuelt håndtag. Elektromagnetiske enheder er pålidelige, så de bruges med succes i områder med strenge vintre. Ulempen er behovet for et kraftigt batteri.

En pneumatisk aktuator adskiller sig ved, at hovedarbejdsenheden i stedet for en elektromagnet er et cylinder/stempel-par. Takket være trykluft er tændingshastigheden meget højere end hos tidligere modeller.

Fordele og ulemper ved at bruge SF6-afbrydere

Gasisolerede afbrydere har, ligesom andre typer af elektriske fordelingstavler, en række fordele og ulemper. Ved valg af installation foretages de nødvendige beregninger, og ud over tekniske specifikationer og designegenskaber tages modelens fordele og ulemper i betragtning.

Gasisolerede afbrydere fungerer under vanskelige forhold med periodiske vibrationer, lave temperaturer (med opvarmning) og i brandfarlige områder.

Ulemperne omfatter den høje pris på SF6-gassen, den specifikke montering på panel eller fundament samt behovet for en bestemt kvalifikation af operatørpersonalet.

Regler for tilslutning og vedligeholdelse af SF6-afbrydere

Alle handlinger vedrørende montering, tænd/sluk, reparation og vedligeholdelse af SF6-enheder er underlagt strenge regler, som er reguleret af PUE 1.8.21.

For at tilslutte enheden skal man kontrollere, at der er et minimalt tryk i gaskammeret, ellers vil afbryderen gå i stykker. For at forhindre skader er der installeret en alarm, som udløses ved kritisk trykfald. Trykniveauet kan overvåges med en manometer.

I drivskabet er der installeret varmelegemer, der effektivt forhindrer kondensdannelse på mekanismens dele. Operatøren skal sørge for, at varmelegemerne altid er tændt.

Inspektion af enheden udføres hver dag i dagslys og cirka 2 gange om måneden i mørke. Hvis der er sket en nødafbrydelse af en eller anden årsag, kræves en ekstraordinær inspektion.

Under inspektionen af afbryderen skal man kontrollere den ydre beskyttelse, fjerne snavs og udbedre skader. Hvis kontakterne bliver varme, skal man finde årsagen.

Hvis der er knirk eller mistænkelig støj, skal kilden identificeres. Metalmonteringskonstruktionen er samtidig en del af jordingskredsen, så dens integritet skal kontrolleres.

Manometeraflæsninger skal tages. Trykket skal svare til den norm, som producenten har beregnet. Det er nødvendigt at kontrollere funktionen af regulerings- og kontrolinstrumenter, og hvis en eller flere komponenter svigter, skal der træffes foranstaltninger – udskiftning eller reparation.

Hvis gastrykket er faldet, skal kammeret fyldes med SF6-gas. Isoleringen behøver ikke rengøring, da konstruktionen er helt tæt.

Konklusioner og nyttig video om emnet

Hvordan SF6-afbrydere er opbygget, efter hvilket princip lysbueslukning sker, og hvilke typer enheder der findes, kan du lære af en nyttig og informativ video.

Video #1. Oversigt over SF6-afbrydere med beskrivelse af opbygning og funktionsprincip:

Video #2. Konstruktionsegenskaber ved enhederne:

Video #3. Hvordan afbryderen monteres:

SF6-afbrydere forlader fabrikssamlebåndet i fuld driftsklar stand og er designet til at fungere i forskellige klimazoner, fra tropisk til koldt, og anvendes derfor aktivt af industrivirksomheder i forskellige lande.