A situación actual e a tendencia de desenvolvemento dos interruptores de alta tensión SF6

Os interruptores de alta tensión, tamén coñecidos como interruptores de alta tensión, posúen capacidade suficiente de interrupción e extinción do arco. Non só poden cortar e pechar a corrente en raxa e a corrente de carga dos circuitos de alta tensión, senón que, cando ocorre un fallo no sistema, poden cooperar con dispositivos de protección e dispositivos automáticos para cortar rapidamente a corrente de fallo, reducindo o alcance do apagado e evitando a expansión do accidente. Isto é de gran significado para garantir a operación segura do sistema eléctrico.

Os interruptores de alta tensión evolucionaron a través de interruptores de aceite, interruptores de aire comprimido, interruptores de vacío e interruptores SF₆. Destes, os dous primeiros tipos foron gradualmente descontinuados, e os interruptores SF₆ son máis comúnmente aplicados en comparación cos dous últimos. Os interruptores SF₆ foron ampliamente adoptados a principios dos anos 70. Utilizan hexafluoruro de azufre como medio de extinción do arco. Este tipo de interruptor ten unha gran capacidade de interrupción. Nas condicións de interrupción libre, a súa capacidade de interrupción é aproximadamente 10 veces maior que a de outros interruptores. Xoga un papel crucial na operación estable e segura do sistema eléctrico e tamén é de gran significado en termos de beneficios económicos e sociais.

1. Rendemento dos interruptores SF₆

Os interruptores SF₆ son equipos de conmutación libres de aceite que utilizan o gas SF₆ como medio de aislamento e extinción do arco. O seu rendemento de aislamento e características de extinción do arco son significativamente superiores aos dos interruptores de aceite. Os interruptores de hexafluoruro de azufre teñen as seguintes características:

• Forte capacidade de extinción do arco, alta resistencia dieléctrica e alto valor de resistencia de ruptura. Como resultado, ao mesmo nivel de voltaxe nominal, o número de portos de ruptura en serie necesarios é reducido, mellorando o rendemento económico do produto.

• Larga vida eléctrica. Pode interromper continuamente a plena capacidade de 50kA 19 veces, e a corrente de interrupción acumulada pode chegar a 4200kA. O ciclo de manutención é longo e é axeitado para operación frecuente.

• Bo rendemento de interrupción. Debido á electronegatividade do gas SF₆, ten unha forte capacidade de adsorber eléctrons libres. O arco formado no SF₆ favorece a formación da "estrutura de columna de arco" (núcleo de arco e capa de arco). A difusión do plasma ionizado está restrinxida, permitindo a recombinación efectiva de íons. A corrente de interrupción é grande, alcanzando 80-100kA, e incluso 200kA. O tempo de extinción do arco é curto, xeralmente 5-15ms. Ao mesmo tempo, o rendemento de interrupción para interrupción inversa, fallos próximos, liñas largas sen carga e condicións de transformador sen carga tamén é bo.

• Alta capacidade de aislamento. A resistencia dieléctrica do SF₆ é aproximadamente 5-10 veces a do aire.

• O gas SF₆ é incoloro, inodoro, non tóxico, non inflamable e un gas moi estable que non reacciona facilmente con outras substancias. Ademais, cando o interruptor está aberto, o aumento de presión causado polo aquecemento do arco é extremadamente pequeno, garantindo a operación fiable e previndo accidentes por explosión.

2. Desenvolvemento dos interruptores de alta tensión SF₆
2.1 Interruptores SF₆ de dobre presión

Dentro do interruptor están configurados dous sistemas de gas SF₆ (sistema de alta presión e sistema de baixa presión). Só durante o proceso de apertura, a cámara de alta presión fluye á cámara de baixa presión a través do control da válvula de soplado para formar un flujo de gas de alta presión. Unha vez completada a interrupción, a válvula de soplado está pechada. O principio da cámara de extinción do arco é que un compresor de gas e tubos están conectados entre a cámara de alta presión e a cámara de baixa presión. Cando a presión de gas na cámara de alta presión diminúe ou a presión de gas na cámara de baixa presión aumenta ata un límite determinado, o compresor de gas comeza a bombear o gas SF₆ da cámara de baixa presión á de alta presión, formando un sistema de gas cerrado automático.

2.2 Interruptores SF₆ de simple presión

A estrutura de simple presión é simple e pode adaptarse a unha ampla gama de temperaturas ambientais. O tipo de compresión de gas tamén pasou por un proceso de desenvolvemento: en termos de soplado do arco, o tipo de simple presión de primeira xeración ten unha estrutura de soplado único, con unha corrente de interrupción pequena (xeralmente 31.5kA) e unha baixa tensión de ruptura (xeralmente 170kV). O tipo de simple presión de segunda xeración ten unha estrutura de soplado dobre, coa corrente de interrupción aumentada a (40-50kA), e a tensión de ruptura aínda baixa. Xeralmente, os produtos de 252kV teñen dous portos de ruptura. O tipo de simple presión de terceira xeración ten unha estrutura de soplado dobre complementada por un efecto de expansión térmica (extinción híbrida do arco). A corrente de interrupción é grande, aumentada a 63kA, e a tensión de ruptura é alta. Un solo porto de ruptura pode chegar a 252kV, 363kV, 420kV e incluso 550kV.

O desenvolvemento do tipo de simple presión, desde o punto de vista da cámara de extinción do arco, adoptou un pistón de compresión de gas menor. As vantaxes traidas pola redución do pistón na cámara de extinción do arco son as seguintes:

• A masa do sistema de movemento completo durante o proceso de interrupción do produto é reducida.

• O poder de operación do produto é reducido.

• O amortiguamento do produto é máis fácil, e a vida mecánica é longa.

2.3 Interruptores SF₆ de autoenerxía

Os interruptores SF₆ de autoenerxía teñen dous principios de extinción do arco: o principio de expansión térmica e o principio de rotación do arco. Actualmente, a vasta maioría dos interruptores de autoenerxía utilizan o principio de expansión térmica. O principio de autoenerxía é utilizar a enerxía do arco para calentar o gas SF₆ na cámara de expansión, construír presión, formar un flujo de gas e extinguir o arco. Pero, ao interromper correntes pequenas, debido á pequena enerxía do arco, é necesario un pistón pequeno para comprimir o gas e formar un soplado auxiliar. Debido á significativa redución do poder de operación, pode utilizarse un mecanismo de operación de molla con estructura simple. O tipo de expansión térmica desenvolveuse xa ata a segunda xeración. Os produtos de primeira xeración logran o efecto de reducir o poder de operación diminuíndo a enerxía de compresión de gas necesaria para a extinción do arco. O diámetro do pistón de compresión de gas está deseñado segundo a interrupción do 30% da corrente máxima de fallo, e a masa de movemento tamén é pequena, o que reduce o poder de operación. Os produtos de segunda xeración melloran ademais o efecto de expansión térmica e o rendemento de interrupción, non só mellorando a interrupción de corrente capacitiva, senón que tamén reducen aínda máis o poder de operación.

2.4 Interruptores SF₆ inteligentes

Outra característica dos interruptores de alta tensión modernos é a súa intelixencia, evolucionando dende sistemas electromecánicos tradicionais a sistemas inteligentes modernos centrados en ordenadores. Actualmente, os contidos de detección en liña dos interruptores de alta tensión son os seguintes:

• Gas SF₆;

• Sistema de mecanismo de operación;

• Liberación;

• Circuitos de control e axuda;

• Cadea de transmisión de potencia.

Mediante estas deteccións, pódense descubrir máis do 90% dos fallos. A detección en liña pode cambiar a manutención regular dos interruptores a unha manutención baseada en estado en tempo real.

3. Interruptores SF₆ de tipo poste de porcelana e tanque e as súas aplicacións

China aplicou primeiro interruptores SF₆ en 1970, cando a Administración Eléctrica do Nordeste importou tres interruptores SF₆ de tipo poste de porcelana H-912 de 220KV de dobre presión producidos por Siemens do extranxeiro e os instalou na subestación primaria de HuShitai en Shenyang. Aínda funcionan ben hoxe en día.

Os interruptores de alta tensión de hexafluoruro de azufre divídense en tipo poste de porcelana e tipo tanque segundo a súa estrutura. Ao comparalos, cada un ten as súas propias características:

• Tanto o tipo poste de porcelana como o tipo tanque de interruptores de alta tensión SF₆ poden satisfacer os requisitos de alta tensión e gran capacidade. A cámara de extinción do arco do tipo poste de porcelana está instalada no soporte de aislamento. Ao conectar as cámaras de extinción do arco en serie e instalarlas no soporte de aislamento a unha altura adecuada, pódese obter calquera valor de tensión nominal. O soporte de aislamento é, en moitas ocasións, un poste de porcelana, e tamén emerxeron soportes compósitos orgánicos. A cámara de extinción do arco do tipo tanque está instalada nun tanque metálico conectado ao potencial de terra. Baixo alta tensión, múltiples cámaras de extinción do arco deben estar conectadas en serie e instaladas no mesmo tanque para cada fase.

• Instalación de transformadores de corrente. En termos de instalación de transformadores de corrente, os interruptores de tipo poste de porcelana están en desvantaxe. Porque a cámara de extinción do arco do tipo poste de porcelana está instalada dentro do aislante e no topo do soporte de aislamento, o transformador de corrente debe instalarse separadamente no seu propio soporte de aislamento. Pero, o transformador de corrente de tipo bushing pode instalarse no bushing do interruptor de tipo tanque. En algúns escenarios de aplicación, o interruptor non necesita estar equipado con un transformador de corrente, especialmente cando se utiliza como interruptor para conmutar bancos de condensadores e reactores en paralelo. Aquí, o prezo do tipo poste de porcelana é só o 60% do prezo do interruptor de tipo tanque, e debido ao uso de múltiples portos de ruptura, pode resistir mellor os rechoques.

• Capacidade de resistencia a tensión externa. Desde o punto de vista da resistencia a tensión externa, múltiples cámaras de extinción do arco en serie do interruptor de tipo poste de porcelana poden satisfacer calquera valor de tensión nominal, pero a súa capacidade de aislamento externo está limitada polo comprimento da cámara de extinción do arco en si. Para o interruptor de tipo tanque, sempre que se poida desenvolver a capacidade de resistencia necesaria para reducir o número de portos de ruptura, pódese fabricar un bushing de aislamento. Polo tanto, o interruptor de tipo tanque pode lograr un porto de ruptura único de 550kV/63kA e un porto de ruptura dobre de 1100kV/50kA.

• Consumo de gas SF₆. En termos de consumo de gas SP6, o tipo poste de porcelana é superior ao tipo tanque. O consumo de gas do interruptor de tipo tanque é moito maior que o do tipo poste de porcelana.

• Adaptabilidade ao medio ambiente. Desde o punto de vista da adaptabilidade ao medio ambiente, o interruptor de tipo tanque de gran volume mostra as súas vantaxes. Pode instalarse un calefactor no interruptor de tipo tanque, mentres que non se pode instalar no tipo poste de porcelana.

• Resistencia a sismos. Desde o punto de vista da resistencia a sismos, o interruptor de tipo tanque é moito mellor que o tipo poste de porcelana. Porque o interruptor de tipo poste de porcelana ten un centro de gravidade alto, a súa resistencia a sismos é mala.

• Comparación de prezos. En termos de prezos, para a mesma capacidade, o interruptor de tipo poste de porcelana é mellor que o tipo tanque. Xeralmente, o prezo do interruptor de tipo tanque é aproximadamente un 20% máis alto que o do interruptor de tipo poste de porcelana con un transformador de corrente externo (como un transformador SF₆).

4. Cuestións a ter en conta durante a operación e manutención dos interruptores SF₆

Para controlar estritamente a fuga de gas e evitar a invasión de humidade e humedad na caixa, a tecnoloxía de procesamento e os requisitos de material son moito máis altos que os de electrodomésticos de alta tensión xerais. Ao mesmo tempo, é necesario un sistema de gas SF₆ especial, incluíndo unha válvula con boa capacidade de sellado, equipo de detección de fugas, dispositivo de recuperación de gas e monitorización de presión. Ademais, debido ao gran consumo de metal, a complexidade de fabricación aumenta.

O gas SF₆ puro é incoloro, inodoro, non tóxico e non inflamable. Pero, na síntese de hexafluoruro de azufre, tamén prodúcense compuestos de baixa fluoración de azufre, que son tóxicos. No interruptor, o gas será descomposto a alta temperatura do arco a través da disociación e ionización, xerando gases altamente tóxicos. Polo tanto, está instalado un adsorbedor no interruptor, e aluminio activado está colocado nel para absorber estes gases tóxicos.

Aínda así, debe prestarse atención especial para evitar a intoxicação durante a manutención. Polo tanto, o gas debe ser evacuado e despregado limpiamente antes de traballar. Se aínda se sente un olor desagradable, debe usarse unha máscara de gas e guantes de látex. Ademais, os produtos de descomposición do arco tamén contén algunhas fluoruros metálicos, que están dispersos no interruptor en forma de polvo. Aínda que estes polvos non son substancias altamente tóxicas, aínda así deben tomarse precaucións para evitar que se inhalen durante a limpeza.

5. Conclusión

Con o aumento continuo da tensión do sistema eléctrico, xa sexa o tipo poste de porcelana ou o tipo tanque de interruptores SF₆, están en constante evolución co progreso tecnolóxico. En particular, nos últimos anos, o principio de extinción do arco de autoenerxía foi desenvolvido e aplicado, é dicir, a alta presión se usa para formar un soplado de gas para extinguir o arco. O número de portos de ruptura é reducido, e o consumo de materiais diminúe.

Debido ao seu prezo relativamente alto e aos altos requisitos para a aplicación, xestión e operación do gas SF₆, non se aplica ampliamente en media tensión (35kV, 10kV). En xeral, os interruptores de alta tensión SF₆ teñen un amplo horizonte de aplicación, e a investigación, desenvolvemento e actualización tecnolóxica dos produtos traerán significativos beneficios económicos e sociais.