SF6 stikala: smernice za izbiro in pravila priključitve

Delovanje visokonapetostnih električnih omrežij glede na tokovne značilnosti ni primerljivo z delovanjem gospodinjskih analogov. Zato so v primeru izrednih razmer za izklop opreme in gašenje električnega loka potrebne močnejše naprave od standardnih avtomatskih aparatov.

Kot zaščitne konstrukcije se uporabljajo SF6 stikala (SF6S), ki jih je mogoče upravljati ročno ali z avtomatiko. Podrobno smo opisali konstrukcijske značilnosti in princip delovanja naprav. Podali smo priporočila za namestitev, priključitev in vzdrževanje.

Opredelitev in uporaba SF6

SF6 je žveplov heksafluorid, ki ga uvrščamo med elektrotehniške pline. Zaradi izolacijskih lastnosti se aktivno uporablja pri izdelavi elektrotehniških naprav.

V nevtralnem stanju je SF6 negorljiv plin brez barve in vonja. V primerjavi z zrakom lahko opazimo visoko gostoto (6,7) in molekulsko maso, ki je 5-krat večja od zračne.

Ena od prednosti SF6 je odpornost na zunanje vplive. Ne spreminja lastnosti v nobenih pogojih. Če med električnim razelektritvijo pride do razpada, kmalu nastopi popolna obnova, potrebna za delovanje.

Skrivnost je v tem, da molekule SF6 vežejo elektrone in tvorijo negativne ione. Lastnost 'elektronegativnosti' je žveplovemu heksafluoridu dala značilnost, kot je električna trdnost.

V praksi je električna trdnost zraka 2–3-krat šibkejša od enake lastnosti SF6. Poleg tega je negorljiv, saj spada med negorljive snovi, in ima hladilno sposobnost.

Ko je nastala potreba po plinu za gašenje električnega loka, so začeli preučevati lastnosti SF6 (žveplovega heksafluorida), ogljikovega tetraklorida in freona. V preizkusih je zmagal SF6.

Naštete lastnosti so SF6 naredile izjemno primernega za uporabo v elektrotehniški sferi, zlasti v naslednjih napravah:

• močnostni transformatorji, ki delujejo po principu magnetne indukcije;
• razdelilne naprave kompletnega tipa;
• visokonapetostni vodi, ki povezujejo oddaljene naprave;
• visokonapetostna stikala.

Vendar so nekatere lastnosti SF6 privedle do tega, da je bilo treba izboljšati konstrukcijo odklopnika. Glavna pomanjkljivost se nanaša na prehod iz plinske faze v tekočo, kar je možno pri določenih razmerjih tlačnih in temperaturnih parametrov.

Da bi oprema delovala brez motenj, je treba zagotoviti udobne pogoje. Predpostavimo, da za delovanje SF6 naprav pri -40 °C potrebujemo tlak največ 0,4 MPa in gostoto manj kot 0,03 g/cm³. V praksi se plin po potrebi segreva, kar preprečuje prehod v tekočo fazo.

Konstrukcija SF6 stikala

Če primerjamo SF6 naprave z analogi drugih vrst, so po konstrukciji najbližje oljnim napravam. Razlika je v polnjenju komor za gašenje obloka.

Kot polnilo se pri oljnih odklopnikih uporablja oljna mešanica, pri SF6 odklopnikih pa žveplov heksafluorid. Prednost druge možnosti je v trajnosti in minimalnem vzdrževanju.

Shema SF6 naprave stebrnega tipa. Moduli za gašenje obloka, pritrjeni na visokem stebru, so v zgornjem delu, omarica za upravljanje pa v spodnjem.

Načini gašenja električnega obloka so odvisni od številnih dejavnikov, med katerimi so odločilni nazivni tok in napetost ter pogoji uporabe naprave.

Skupaj ločimo štiri vrste SF6 odklopnikov:

• z elektromagnetnim pihanjem;
• s pihanjem v SF6 – z 1 stopnjo tlaka;
• z vzdolžnim pihanjem – z 2 stopnjama tlaka;
• s samogenerativnim pihanjem.

Če pri zračnih napravah med gašenjem obloka plin uhaja v ozračje, pri SF6 napravah ostane v zaprtem prostoru, napolnjenem s plinsko mešanico. Pri tem se ohranja rahel nadtlak.

Stebrične in posodne naprave

V praksi se uporabljata dve vrsti SF6 naprav:

• bakove;
• stebrne.

Razlike zadevajo tako konstrukcijske značilnosti kot načelo gašenja električnega obloka. Po zunanji izvedbi stebrne naprave spominjajo na malooljne analoge: sestavljene so iz dveh funkcionalnih delov – za gašenje obloka in kontaktnega dela, ter imajo enako obsežne dimenzije.

Izklopne naprave so zasnovane za delovanje iz omrežja 220 V in spadajo med enofazno opremo. Primer SF6 odklopnika stebrnega tipa – LF 10 Schneider Electric.

Upravljanje opreme se lahko izvaja na dva različna načina: ročno, kjer se nastavljanje in nadzor izvajata z mehanskimi napravami, ter daljinsko, samodejno.

Bakovne SF6 naprave so manjših dimenzij in opremljene s pogonom z več fazami. Takšna razporeditev omogoča boljši nadzor in gladko uravnavanje napetostnih parametrov.

Ena od prednosti rezervoarskih SF6-stikal je zmožnost prenašanja povečanih obremenitev. To kakovost zagotavlja v konstrukcijo vgrajen tokovni transformator.

Primer rezervoarske naprave je SF6-naprava DT2-550 F3 podjetja Alstom Grid. Tovrstne naprave so se pozitivno izkazale v elektroenergetskih sistemih z napetostjo 500 kV.

Konstrukcija je sestavljena in opremljena tako, da deluje brezhibno pri nizkih (kritičnih) temperaturah, povečani vlažnosti, pa tudi v regijah s potresno dejavnostjo in povečano onesnaženostjo ozračja.

Princip gašenja loka

Kako deluje naprava, si oglejmo na primeru stikala LW36 kitajskega proizvajalca CHINT.

Pri izklopu vzmet deluje na dinamične elemente cilindra, ti pa se spustijo navzdol. Vsi kontakti, razen dušilnih oblokov, se razklenejo. Ko se ločijo tudi dušilni kontakti, po katerih teče tok, nastane električni oblok.

Vroči plin se premakne v toplotno komoro, sproži se povratni ventil. Ko plin iz toplotne komore izpihuje v režo, pride do gašenja obloka.

Če pride do izklopa majhnih tokov, je tlak v toplotni komori nezadosten, zato se uporabi tlak iz kompresijske komore (ta je vedno višji). Odpre se povratni ventil, plin neovirano vstopi v režo in pri prehodu skozi ničlo pogasi oblok.

Shema notranje razporeditve in delovanja premičnih, nepremičnih ventilov, dekompresijskih in povratnih ventilov. Položaj 1 – vklop; položaj 2 – izklop velikih tokov; položaj 3 – izklop majhnih tokov; položaj 4 – izklop naprave.

Sodobne stebrne naprave imajo izboljšane lastnosti. Vzdrževanje je zmanjšano na minimum, preklopna življenjska doba je povečana. SF6-stikala se odlikujejo po nizki ravni hrupa, zanesljivi mehaniki, preprostosti montažnih in preskusnih del.

Nastavitev rezervoarskih modelov se izvaja s pomočjo pogona in transformatorjev. Vzmetni ali vzmetno-hidravlični pogon nadzira procese vklopa/izklopa in raven zadrževanja obloka.

Čemu služi pogon?

Pogon je namenjen izvajanju vseh operacij, povezanih z vklopom/izklopom ali zadrževanjem naprave v določenem položaju. Shema prikazuje, kje natančno se lahko nahaja pogon. Običajno je to površina tal ali nizek podstavek, ki vzdrževalnemu osebju omogoča lahek dostop do nastavitvenih naprav.

Shema konstrukcije rezervoarskega stikala: 1 – porcelanski ali polimerni moduli; 2 – transformatorji; 3 – rezervoar z napravo za gašenje plina; 4 – komora s plinom; 5 – hidravlični pogon; 6 – kovinski okvir; 7 – priključek za vnos SF6.

Pogon je sestavljen iz mehanizma za vklop, fiksirne naprave – zaskočke, in mehanizma za izklop. Postopek vklopa mora potekati čim hitreje, da se prepreči privaritev kontaktov.

Pri vklopu se uporabljajo velike sile za premagovanje tornih sil vseh vključenih elementov. Izklop je enostavnejši in poteka s povratnim gibanjem zaskočke, ki zagotavlja vklop in njegovo zadrževanje.

Obstaja več načinov vklopa/izklopa:

• mehanski;
• vzmetni;
• težnostni;
• pnevmatski;
• elektromagnetni.

Za nizkomočne sisteme se uporablja ročno krmiljenje. V tem primeru zadostuje sila enega operaterja. Izklop ročnih mehanizmov običajno poteka samodejno. Vzmetni pogon se prav tako aktivira ročno, včasih pa se uporabljajo tudi nizkomočni elektromotorji.

Tradicionalno je pogon nameščen ob montažnem kovinskem okvirju. Celovitost in delovanje mehanizma zagotavlja trden kovinski ohišje – omara s priročnimi vrati za operatersko delo.

Za uporabo elektromagnetnega pogona je potrebno več energije, zato je potreben stalen vir toka približno 58 A z napetostjo 220 V. Kot rezervni mehanizem za izklop je na voljo ročna ročica. Elektromagnetne naprave so zanesljive, zato jih uspešno uporabljajo v območjih z ostrimi zimami. Slabost je potreba po močni bateriji.

Pnevmatski pogon se razlikuje po tem, da je namesto elektromagneta glavni delovni element par cilinder/bat. Zahvaljujoč stisnjenemu zraku je hitrost vklopa veliko večja kot pri prejšnjih modelih.

Prednosti in slabosti uporabe SF6 stikal

SF6 odklopniki imajo, tako kot druge vrste elektrorazdelilnih naprav, vrsto prednosti in slabosti. Pri izbiri namestitve se izvajajo potrebni izračuni, poleg tehničnih značilnosti in konstrukcijskih posebnosti pa se upoštevajo prednosti in pomanjkljivosti modelov.

SF6 odklopniki delujejo v zahtevnih pogojih z občasnimi vibracijami, nizkimi temperaturami (z ogrevanjem) in v območjih, nevarnih za požar.

K pomanjkljivostim spadajo visoki stroški polnila – SF6, specifičnost montaže na omarico ali temelj ter potreba po določeni usposobljenosti operaterjev.

Pravila priključitve in vzdrževanja SF6 stikal

Vsa dejanja v zvezi z montažo, vklopom/izklopom, popravilom in vzdrževanjem SF6 naprav so podvržena strogim pravilom, ki so določena v PUE 1.8.21.

Za priključitev naprave je treba preveriti, ali je v plinski komori minimalni tlak, sicer bo stikalo odpovedalo. Za preprečitev poškodb je nameščen alarm, ki se sproži ob kritičnem znižanju parametrov tlaka. Raven tlaka je mogoče spremljati z manometrom.

V omarici pogona so nameščeni grelni elementi, ki učinkovito preprečujejo nastajanje kondenza na delih mehanizma. Operater mora paziti, da so grelniki ves čas vklopljeni.

Pregled naprave se izvaja vsak dan v dnevnem času in približno dvakrat na mesec v nočnem času. Če je prišlo do izklopa v sili iz katerega koli razloga, je potreben izredni pregled.

Med pregledom stikala je treba preveriti zunanjo zaščito, odstraniti umazanijo, popraviti poškodbe. Če se kontakti segrevajo, je treba ugotoviti vzrok.

Ob prisotnosti pokanja, sumljivega hrupa je treba ugotoviti vir. Kovinska montažna konstrukcija je hkrati del ozemljitvenega kroga, zato je treba preveriti njeno celovitost.

Obvezno se odčitajo vrednosti manometra. Tlak mora ustrezati normi, ki jo je izračunal proizvajalec. Preveriti je treba delovanje regulacijskih in krmilnih naprav, v primeru okvare enega ali več elementov pa sprejeti ukrepe – zamenjati ali poslati na popravilo.

Če se je tlak plina zmanjšal, je treba komoro napolniti s SF6. Izolacija ne potrebuje čiščenja, saj je konstrukcija popolnoma tesnilna.

Zaključki in koristen video na to temo

Kako so zgrajena SF6 stikala, po kakšnem principu poteka gašenje obloka in kakšne vrste naprav obstajajo, lahko izveste iz koristnega in informativnega videoposnetka.

Video #1. Pregled SF6 stikal z opisom zgradbe in načela delovanja:

Video #2. Značilnosti konstrukcije naprav:

Video #3. Kako poteka montaža stikala:

SF6 stikala zapustijo tovarniški trak v popolni obratovalni pripravljenosti in so namenjena delovanju v različnih klimatskih območjih, od tropskega do hladnega, zato jih aktivno uporabljajo industrijska podjetja različnih držav.