La situació actual i la tendència de desenvolupament dels interruptors de corrent de màxima tensió SF6

Els interruptors de alta tensió, també coneguts com a commutadors d'alta tensió, tenen capacitat suficient per interrompre i extinguir l'arc. No només poden tallar i tancar la corrent sense càrrega i la corrent de càrrega dels circuits d'alta tensió, sinó que, quan es produeix un defecte en el sistema, col·laboren amb dispositius de protecció i dispositius automàtics per tallar ràpidament la corrent de defecte, reduint l'àmbit de la interrupció de la corrent elèctrica i prevenint l'ampliació de l'accident. Això és d'una gran importància per assegurar el funcionament segur del sistema elèctric.

Els interruptors de alta tensió han evolucionat a través d'interruptors d'oli, interruptors d'aire comprimit, interruptors al buit i interruptors SF₆. D'aquests, els dos primers tipus s'han anat eliminant gradualment, i els interruptors SF₆ són més sovint utilitzats en comparació amb els dos últims. Els interruptors SF₆ van ser ampliament adoptats a principis dels anys setanta. Utilitzen hexafluorure de sò com a medi d'extinció d'arc. Aquest tipus d'interruptor té una gran capacitat d'interrupció. En condicions d'interrupció lliure, la seva capacitat d'interrupció és aproximadament 10 vegades superior a la d'altres interruptors. Juga un paper crucial en el funcionament estable i segur del sistema elèctric i també té una gran importància en termes d'beneficis econòmics i socials.

1. Prestacions dels Interruptors SF₆

Els interruptors SF₆ són equips de commutació sense oli que utilitzen el gas SF₆ com a medi d'isolació i extinció d'arc. Les seves prestacions d'isolació i característiques d'extinció d'arc són significativament superiors a les dels interruptors d'oli. Els interruptors d'hexafluorure de sò tenen les següents característiques:

• Capacitat d'extinció d'arc forta, resistència dielèctrica alta i valor de tensió de ruptura elevat de la fractura unitària. Com a resultat, en el mateix nivell de tensió nominal, el nombre de ports de fractura en sèrie necessaris es redueix, millorant el rendiment econòmic del producte.

• Vida útil elèctrica llarga. Pot interrompre de manera contínua a ple rendiment de 50kA fins a 19 vegades, i la corrent d'interrupció acumulada pot arribar a 4200kA. El cicle de manteniment és llarg, i és adequat per a operacions freqüents.

• Bones prestacions d'interrupció. Gràcies a l'electronegativitat del gas SF₆, té una forta capacitat d'adsorció d'electrons lliures. L'arc format en SF₆ facilita la formació de l'"estructura de columna d'arc" (nucli d'arc i revestiment d'arc). La difusió de plasma ionitzat està restringida, permetent una recombinació efectiva d'ions. La corrent d'interrupció és gran, assolint els 80-100kA, i fins i tot 200kA. El temps d'extinció d'arc és curt, generalment 5-15ms. Alhora, les prestacions d'interrupció per interrupcions en fase inversa, defectes a proximitat, línies llargues sense càrrega i condicions de transformador sense càrrega també són bones.

• Altes prestacions d'isolació. La resistència dielèctrica de SF₆ és aproximadament 5-10 vegades superior a la de l'aire.

• El gas SF₆ és incolor, inodore, no tòxic, no inflamable i un gas molt estable que no reacciona fàcilment amb altres substàncies. A més, quan l'interruptor es tanca, l'augment de pressió causat pel calentament de l'arc és extremadament petit, assegurant un funcionament fiable i prevenint accidents d'explosió.

2. Desenvolupament dels Interruptors SF₆ d'Alta Tensió
2.1 Interruptors SF₆ de doble pressió

Dins de l'interruptor es configuren dos sistemes de gas SF₆ (sistema de pressió alta i sistema de pressió baixa). Només durant el procés d'obertura, el compartiment de pressió alta flueix cap al compartiment de pressió baixa a través del control de la válvula de soplado per formar un flux de gas de pressió alta. Un cop completada l'interrupció, la válvula de soplado es tanca. El principi de la cambra d'extinció d'arc és que hi ha un compresor de gas i tubs connectats entre el compartiment de pressió alta i el de pressió baixa. Quan la pressió de gas en el compartiment de pressió alta disminueix o la pressió de gas en el compartiment de pressió baixa augmenta fins a un cert límit, el compresor de gas comença a bombear el gas SF₆ del compartiment de pressió baixa cap al de pressió alta, formant un sistema de gas tancat automàtic.

2.2 Interruptors SF₆ de pressió única

La estructura de pressió única és simple i pot adaptar-se a un ampli rang de temperatures ambientals. El tipus de compressió de gas també ha passat per un procés de desenvolupament: en termes de soplado d'arc, el primer tipus de pressió única té una estructura de soplado únic, amb una corrent d'interrupció petita (generalment 31,5kA) i una tensió de port de fractura baixa (generalment 170kV). El segon tipus de pressió única té una estructura de doble soplado, amb la corrent d'interrupció incrementada a (40-50kA), i la tensió de port de fractura encara és baixa. Generalment, els productes de 252kV tenen dos ports de fractura. El tercer tipus de pressió única té una estructura de doble soplado complementada per un efecte d'expansió tèrmica (extinció d'arc híbrida). La corrent d'interrupció és gran, incrementada a 63kA, i la tensió de port de fractura és alta. Un sol port de fractura pot assolir 252kV, 363kV, 420kV, i fins i tot 550kV.

El desenvolupament del tipus de pressió única, des del punt de vista de la cambra d'extinció d'arc, ha adoptat un pistó de compressió de gas més petit. Les avantatges aportats per la reducció del pistó a la cambra d'extinció d'arc són els següents:

• Es redueix la massa de tot el sistema de moviment durant el procés d'interrupció del producte.

• Es redueix la potència d'operació del producte.

• El producte es torna més fàcil d'amortitzar, i la vida mecànica és llarga.

2.3 Interruptors SF₆ d'energia pròpia

Els interruptors SF₆ d'energia pròpia tenen dos principis d'extinció d'arc: el principi d'expansió tèrmica i el principi de rotació d'arc. Actualment, la majoria d'interruptors d'energia pròpia utilitzen el principi d'expansió tèrmica. El principi d'energia pròpia consisteix a utilitzar l'energia de l'arc per escalfar el gas SF₆ a la cambra d'expansió, crear pressió, formar un flux de gas i extinguir l'arc. Tanmateix, quan s'interrumpeixen corrents petites, a causa de la petita energia de l'arc, es requereix un pistó petit per comprimir el gas i formar un soplado auxiliar. A causa de la reducció significativa de la potència d'operació, es pot utilitzar un mecanisme d'operació de molla amb una estructura simple. El tipus d'expansió tèrmica ha evolucionat fins a la segona generació. Els productes de la primera generació aconsegueixen l'efecte de reduir la potència d'operació reduint l'energia de compressió de gas necessària per l'extinció d'arc. El diàmetre del pistó de compressió de gas s'ha dissenyat en funció de l'interrupció del 30% de la corrent de defecte màxima, i la massa de moviment també és petita, reduint la potència d'operació. Els productes de la segona generació milloren encara més l'efecte d'expansió tèrmica i les prestacions d'interrupció, no només millorant l'interrupció de la corrent capacitiva, sinó també reduint encara més la potència d'operació.

2.4 Interruptors SF₆ intel·ligents

Una altra característica dels moderns interruptors d'alta tensió és la seva intel·ligència, evolucionant des dels sistemes electromecànics tradicionals als moderns sistemes intel·ligents centrats en ordinadors. Actualment, els continguts de detecció en línia dels interruptors d'alta tensió són els següents:

• Gas SF₆;

• Sistema de mecanisme d'operació;

• Llançament;

• Circuits de control i auxiliars;

• Cadena de transmissió de potència.

A través d'aquestes deteccions, es poden descobrir més del 90% dels defectes. La detecció en línia pot canviar el manteniment regular dels interruptors a un manteniment basat en l'estat en temps real.

3. Interruptors SF₆ de tipus post de porcellana i de tipus tanca i les seves aplicacions

La Xina va aplicar els interruptors SF₆ per primera vegada el 1970, quan l'Administració Elèctrica del Nord-Est va importar tres interruptors SF₆ de doble pressió H-912 de 220kV de producció de Siemens de l'estranger i els va instal·lar a la subestació primària de HuShitai a Shenyang. Encara segueixen funcionant bé avui en dia.

Els interruptors d'hexafluorure de sò d'alta tensió es divideixen en tipus post de porcellana i tipus tanca segons la seva estructura. Comparant els dos, cadascun té les seves pròpies característiques:

• Tots dos, els interruptors SF₆ de tipus post de porcellana i de tipus tanca, poden satisfer les exigències d'alta tensió i gran capacitat. La cambra d'extinció d'arc del tipus post de porcellana està instal·lada en el suport d'isolació. Connectant les cameres d'extinció d'arc en sèrie i instal·lant-les en el suport d'isolació a l'alçada adequada, es pot obtenir qualsevol valor de tensió nominal. El suport d'isolació és principalment un post de porcellana, i també han aparegut suports compostos orgànics. La cambra d'extinció d'arc del tipus tanca està instal·lada en una tanca metàl·lica connectada al potencial de terra. Sota alta tensió, cal connectar en sèrie múltiples cameres d'extinció d'arc i instal·lar-les en la mateixa tanca per cada fase.

• Instal·lació de transformadors de corrent. En termes d'instal·lació de transformadors de corrent, els interruptors de tipus post de porcellana estan en desavantatge. Ja que la cambra d'extinció d'arc del tipus post de porcellana està instal·lada dins de l'aislant i sobre el suport d'isolació, el transformador de corrent ha de ser instal·lat separat en el seu propi suport d'isolació. Tanmateix, el transformador de corrent de tipus bossa es pot instal·lar en la bossa del interruptor de tipus tanca. En alguns escenaris d'aplicació, el interruptor no necessita estar equipat amb un transformador de corrent, especialment quan s'utilitza com a interruptor per commutar bancs de condensadors i reactances en paral·lel. Aquí, el preu del tipus post de porcellana només és el 60% del del interruptor de tipus tanca, i gràcies a l'ús de múltiples ports de fractura, pot suportar millor les reimpulsions.

• Capacitat de resistència a la tensió externa. Des del punt de vista de la resistència a la tensió externa, múltiples cameres d'extinció d'arc en sèrie del interruptor de tipus post de porcellana poden satisfer qualsevol valor de tensió nominal, però la seva capacitat d'isolament extern està limitada per la longitud de la cambra d'extinció d'arc en si. Per al interruptor de tipus tanca, sempre que es pugui desenvolupar la capacitat de resistència necessària per reduir el nombre de ports de fractura, es pot fabricar una bossa d'isolament. Per tant, el interruptor de tipus tanca pot aconseguir un port de fractura únic de 550kV/63kA i un port de fractura doble de 1100kV/50kA.

• Consum de gas SF₆. En termes de consum de gas SF₆, el tipus post de porcellana és superior al tipus tanca. El consum de gas del interruptor de tipus tanca és molt més elevat que el del tipus post de porcellana.

• Adaptabilitat ambiental. Des del punt de vista de l'adaptabilitat ambiental, el gran volum del interruptor de tipus tanca mostra les seves avantatges. Es pot instal·lar un calentador a l'interruptor de tipus tanca, mentre que no es pot instal·lar al tipus post de porcellana.

• Resistència sísmica. Des del punt de vista de la resistència sísmica, el interruptor de tipus tanca és molt millor que el tipus post de porcellana. Ja que el interruptor de tipus post de porcellana té un centre de gravetat elevat, la seva resistència sísmica és dolenta.

• Comparació de preus. En termes de preus, per a la mateixa capacitat, el interruptor de tipus post de porcellana és millor que el de tipus tanca. Generalment, el preu del interruptor de tipus tanca és aproximadament un 20% més elevat que el del interruptor de tipus post de porcellana amb un transformador de corrent extern (com ara un transformador SF₆).

4. Punts a tenir en compte durant l'operació i el manteniment dels interruptors SF₆

Per controlar estrictament la fugida de gas i prevenir l'invasió d'humitat i humidesa a la caixa, la tecnologia de processament i les exigències de material són molt més elevades que les de l'equip elèctric d'alta tensió general. Alhora, es requereix un sistema de gas SF₆ especial, incloent-hi una válvula amb bona hermeticitat, equips de detecció de fugides, dispositius de recuperació de gas i monitorització de pressió. A més, a causa del gran consum de metall, la complexitat de fabricació augmenta.

El gas SF₆ pur és incolor, inodore, no tòxic i no inflamable. Tanmateix, en la síntesi de l'hexafluorure de sò, també es produeixen compostos de fluori de baixa floració, que són tòxics. A l'interruptor, el gas es descompondrà a alta temperatura de l'arc a través de la dissociació i la ionització, generant gases altament tòxics. Per tant, s'instal·la un adsorbent a l'interruptor, i es col·loca aluminis activat dins d'ell per absorir aquests gases tòxics.

Encara així, s'ha de prestar especial atenció a prevenir l'enverinament durant el manteniment. Per tant, el gas ha de ser evacuat i alliberat netament abans de començar a treballar. Si encara es sent un olor desagradable, s'ha de portar una màscara de gas i guants de goma. A més, els productes de descomposició de l'arc també contenen alguns fluorurs metàl·lics, que estan dispersos a l'interruptor en forma de pols. Tot i que aquests polsos no són substàncies altament tòxiques, encara s'han de prendre precaucions per evitar inhalar-los durant la neteja.

5. Conclusió

Amb l'increment continu de la tensió del sistema elèctric, tant els interruptors de tipus post de porcellana com els de tipus tanca SF₆ estan en constant evolució amb el progrés tecnològic. En particular, en els darrers anys, s'ha desenvolupat i aplicat el principi d'extinció d'arc d'energia pròpia, és a dir, es fa servir una pressió alta per formar un soplado de gas per extinguir l'arc. El nombre de ports de fractura es redueix, i el consum de materials disminueix.

Degut al seu preu relativament elevat i les altes exigències per a l'aplicació, gestió i operació del gas SF₆, no es troba ampliament aplicat en mitjana tensió (35kV, 10kV). En general, els interruptors SF₆ d'alta tensió tenen un ampli futur d'aplicació, i la recerca, desenvolupament i actualització tecnològica dels productes portaran beneficis econòmics i socials significatius.