La situazione attuale e la tendenza di sviluppo degli interruttori ad alta tensione a SF6

Gli interruttori ad alta tensione, anche noti come interruttori ad alta tensione, possiedono capacità sufficienti di interruzione e spegnimento dell'arco. Non solo possono interrompere e chiudere la corrente vuota e la corrente di carico dei circuiti ad alta tensione, ma in caso di guasto nel sistema, possono collaborare con dispositivi di protezione e dispositivi automatici per interrompere rapidamente la corrente di guasto, riducendo l'area di interruzione della corrente e prevenendo l'espansione dell'incidente. Questo è di grande significato per garantire il funzionamento sicuro del sistema di potenza.

Gli interruttori ad alta tensione sono evoluti attraverso interruttori ad olio, interruttori ad aria compressa, interruttori a vuoto e interruttori SF₆. Tra questi, i primi due tipi sono stati gradualmente messi fuori uso, e gli interruttori SF₆ sono più comunemente applicati rispetto ai due ultimi. Gli interruttori SF₆ sono stati ampiamente adottati all'inizio degli anni '70. Utilizzano esafluoruro di zolfo come mezzo di spegnimento dell'arco. Questo tipo di interruttore ha una grande capacità di interruzione. In condizioni di interruzione libera, la sua capacità di interruzione è circa 10 volte superiore a quella di altri interruttori. Svolge un ruolo cruciale per il funzionamento stabile e sicuro del sistema di potenza ed è anche di grande significato in termini di benefici economici e sociali.

1. Prestazioni degli interruttori SF₆

Gli interruttori SF₆ sono apparecchiature di commutazione senza olio che utilizzano il gas SF₆ sia come mezzo isolante che come mezzo di spegnimento dell'arco. Le loro prestazioni isolate e le caratteristiche di spegnimento dell'arco sono significativamente superiori a quelle degli interruttori ad olio. Gli interruttori ad esafluoruro di zolfo hanno le seguenti caratteristiche:

• Forte capacità di spegnimento dell'arco, elevata resistenza dielettrica e alto valore di tensione di rottura unitaria. Di conseguenza, allo stesso livello di tensione nominale, il numero di interruzioni in serie richieste è ridotto, migliorando le prestazioni economiche del prodotto.

• Lunga vita elettrica. Può interrompere continuamente a piena capacità di 50kA per 19 volte, e la corrente di interruzione cumulativa può raggiungere 4200kA. Il ciclo di manutenzione è lungo e si presta a operazioni frequenti.

• Ottima performance di interruzione. A causa dell'elettronegatività del gas SF₆, ha una forte capacità di adsorbire elettroni liberi. L'arco formato in SF₆ favorisce la formazione della "struttura a colonna d'arco" (nucleo d'arco e involucro d'arco). La diffusione del plasma ionizzato è limitata, consentendo una ricombinazione efficace degli ioni. La corrente di interruzione è elevata, raggiungendo 80-100kA, e persino 200kA. Il tempo di spegnimento dell'arco è breve, generalmente 5-15ms. Allo stesso tempo, la performance di interruzione per interruzioni in fase inversa, guasti in prossimità, linee lunghe scariche e condizioni di no-carico del trasformatore è anch'essa buona.

• Alta prestazione isolante. La resistenza dielettrica dello SF₆ è circa 5-10 volte quella dell'aria.

• Il gas SF₆ è incolore, inodore, non tossico, non infiammabile e un gas molto stabile che non reagisce facilmente con altre sostanze. Inoltre, quando l'interruttore si apre, l'aumento di pressione causato dal riscaldamento dell'arco è estremamente piccolo, assicurando un funzionamento affidabile e prevenendo incidenti esplosivi.

2. Sviluppo degli interruttori ad alta tensione SF₆
2.1 Interruttori SF₆ a doppia pressione

All'interno dell'interruttore sono presenti due sistemi di gas SF₆ (sistema ad alta pressione e sistema a bassa pressione). Solo durante il processo di apertura, la camera ad alta pressione fluisce verso la camera a bassa pressione attraverso il controllo della valvola soffiante per formare un flusso di gas ad alta pressione. Dopo l'interruzione, la valvola soffiante viene chiusa. Il principio della camera di spegnimento dell'arco è che un compressore di gas e tubi sono collegati tra la camera ad alta pressione e quella a bassa pressione. Quando la pressione del gas nella camera ad alta pressione diminuisce o la pressione del gas nella camera a bassa pressione aumenta fino a un certo limite, il compressore di gas si attiva per pompare il gas SF₆ dalla camera a bassa pressione alla camera ad alta pressione, formando un sistema di gas automatico e chiuso.

2.2 Interruttori SF₆ a singola pressione

La struttura a singola pressione è semplice e può adattarsi a un'ampia gamma di temperature ambientali. Il tipo a compressione del gas ha anche attraversato un processo di sviluppo: in termini di soffiatura dell'arco, il primo tipo a singola pressione ha una struttura a soffiatura singola, con una corrente di interruzione piccola (generalmente 31.5kA) e una tensione di rottura unitaria bassa (generalmente 170kV). Il secondo tipo a singola pressione ha una struttura a soffiatura doppia, con la corrente di interruzione aumentata a (40-50kA), e la tensione di rottura unitaria è ancora bassa. Generalmente, i prodotti da 252kV hanno interruzioni doppie. Il terzo tipo a singola pressione ha una struttura a soffiatura doppia integrata da un effetto di espansione termica (spegnimento dell'arco ibrido). La corrente di interruzione è grande, aumentata a 63kA, e la tensione di rottura unitaria è alta. Un'interruzione singola può raggiungere 252kV, 363kV, 420kV e persino 550kV.

Lo sviluppo del tipo a singola pressione, dal punto di vista della camera di spegnimento dell'arco, ha adottato un pistone di compressione del gas più piccolo. I vantaggi derivanti dalla riduzione del pistone nella camera di spegnimento dell'arco sono i seguenti:

• Si riduce la massa del sistema di movimento durante il processo di interruzione del prodotto.

• Si riduce la potenza di funzionamento del prodotto.

• Il prodotto diventa più facile da smorzare e ha una lunga vita meccanica.

2.3 Interruttori SF₆ autoenergetici

Gli interruttori SF₆ autoenergetici hanno due principi di spegnimento dell'arco: il principio di espansione termica e il principio di rotazione dell'arco. Attualmente, la maggior parte degli interruttori autoenergetici utilizza il principio di espansione termica. Il principio autoenergetico consiste nell'utilizzare l'energia dell'arco per riscaldare il gas SF₆ nella camera di espansione, creare pressione, formare un flusso di gas e spegnere l'arco. Tuttavia, quando si interrompono correnti piccole, a causa dell'energia dell'arco piccola, è necessario un piccolo pistone per comprimere il gas e formare un soffio ausiliario. A causa della significativa riduzione della potenza di funzionamento, può essere utilizzato un meccanismo di funzionamento a molla con struttura semplice. Il tipo a espansione termica si è ora sviluppato alla seconda generazione. I prodotti della prima generazione riducono la potenza di funzionamento riducendo l'energia di compressione del gas richiesta per lo spegnimento dell'arco. Il diametro del pistone di compressione del gas è progettato in base all'interruzione del 30% della corrente di guasto massima, e la massa del movimento è anche piccola, riducendo la potenza di funzionamento. I prodotti della seconda generazione migliorano ulteriormente l'effetto di espansione termica e le prestazioni di interruzione, non solo migliorando l'interruzione della corrente capacitiva, ma anche riducendo ulteriormente la potenza di funzionamento.

2.4 Interruttori SF₆ intelligenti

Un'altra caratteristica degli interruttori ad alta tensione moderni è l'intelligenza, evolvendo da sistemi elettromeccanici tradizionali a sistemi intelligenti moderni centrati sui computer. Attualmente, i contenuti di rilevamento in linea degli interruttori ad alta tensione sono i seguenti:

• Gas SF6;

• Sistema di meccanismo di funzionamento;

• Rilascio;

• Circuiti di controllo e ausiliari;

• Catena di trasmissione di potenza.

Attraverso questi rilevamenti, si possono scoprire oltre il 90% dei guasti. Il rilevamento in linea può cambiare la manutenzione regolare degli interruttori in una manutenzione basata sulle condizioni in tempo reale.

3. Interruttori SF₆ a colonna di porcellana e a serbatoio e le loro applicazioni

La Cina ha applicato per la prima volta gli interruttori SF₆ nel 1970, quando l'Amministrazione Elettrica del Nord-Est ha importato tre interruttori SF₆ a colonna di porcellana H-912 da 220KV a doppia pressione prodotti da Siemens dall'estero e li ha installati nella sottostazione principale HuShitai a Shenyang. Stanno ancora funzionando bene oggi.

Gli interruttori ad alta tensione a esafluoruro di zolfo sono suddivisi in a colonna di porcellana e a serbatoio in base alla loro struttura. Nel confronto tra i due, ciascuno ha le proprie caratteristiche:

• Entrambi gli interruttori SF₆ a colonna di porcellana e a serbatoio possono soddisfare i requisiti di alta tensione e grande capacità. La camera di spegnimento dell'arco del tipo a colonna di porcellana è installata sul supporto isolante. Collegando le camere di spegnimento dell'arco in serie e installandole su un supporto isolante ad un'altezza appropriata, si può ottenere qualsiasi valore di tensione nominale. Il supporto isolante è in genere una colonna di porcellana, e sono emersi anche supporti composti organici. La camera di spegnimento dell'arco del tipo a serbatoio è installata in un serbatoio metallico collegato al potenziale di terra. Sotto alta tensione, è necessario collegare in serie più camere di spegnimento dell'arco e installarle nello stesso serbatoio per ogni fase.

• Installazione dei trasformatori di corrente. In termini di installazione dei trasformatori di corrente, gli interruttori a colonna di porcellana sono svantaggiati. Poiché la camera di spegnimento dell'arco del tipo a colonna di porcellana è installata all'interno dell'isolatore e sopra il supporto isolante, il trasformatore di corrente deve essere installato separatamente sul proprio supporto isolante. Tuttavia, il trasformatore di corrente a galletto può essere installato sul galletto dell'interruttore a serbatoio. In alcuni scenari di applicazione, l'interruttore non ha bisogno di essere dotato di un trasformatore di corrente, specialmente quando viene utilizzato come interruttore per la commutazione di banchi di condensatori e reattanze shunt. In questo caso, il prezzo del tipo a colonna di porcellana è solo il 60% di quello dell'interruttore a serbatoio, e grazie all'uso di interruzioni multiple, può meglio sopportare i restriki.

• Capacità di resistenza alle tensioni esterne. Dal punto di vista della resistenza alle tensioni esterne, le camere di spegnimento dell'arco multiple in serie dell'interruttore a colonna di porcellana possono soddisfare qualsiasi valore di tensione nominale, ma la sua capacità di resistenza isolante esterna è limitata dalla lunghezza stessa della camera di spegnimento dell'arco. Per l'interruttore a serbatoio, purché si sviluppi la capacità di resistenza necessaria per ridurre il numero di interruzioni, si può produrre un galletto isolante. Quindi, l'interruttore a serbatoio può raggiungere un'interruzione singola di 550kV/63kA e un'interruzione doppia di 1100kV/50kA.

• Consumo di gas SF₆. In termini di consumo di gas SP6, il tipo a colonna di porcellana è superiore al tipo a serbatoio. Il consumo di gas dell'interruttore a serbatoio è molto maggiore di quello del tipo a colonna di porcellana.

• Adattabilità ambientale. Dal punto di vista dell'adattabilità ambientale, l'interruttore a serbatoio di grandi dimensioni mostra i suoi vantaggi. Un riscaldatore può essere installato nell'interruttore a serbatoio, mentre non può essere installato nel tipo a colonna di porcellana.

• Resistenza sismica. Dal punto di vista della resistenza sismica, l'interruttore a serbatoio è molto migliore del tipo a colonna di porcellana. Poiché l'interruttore a colonna di porcellana ha un centro di gravità elevato, la sua resistenza sismica è scarsa.

• Confronto dei prezzi. In termini di prezzo, per la stessa capacità, l'interruttore a colonna di porcellana è migliore del tipo a serbatoio. In genere, il prezzo dell'interruttore a serbatoio è circa il 20% superiore a quello dell'interruttore a colonna di porcellana con un trasformatore di corrente esterno (come un trasformatore SF₆).

4. Aspetti da considerare durante l'operazione e la manutenzione degli interruttori SF₆

Per controllare rigorosamente le perdite di gas e prevenire l'invasione di umidità e umidità nella scatola, le tecniche di lavorazione e i requisiti di materiale sono molto più elevati rispetto a quelli di normali apparecchi elettrici ad alta tensione. Inoltre, è necessario un sistema speciale di gas SF₆, compresi valvole con buone prestazioni di sigillaggio, apparecchi di rilevamento delle perdite, dispositivi di recupero del gas e monitoraggio della pressione. Inoltre, a causa del grande consumo di metalli, la complessità di fabbricazione aumenta.

Il gas puro SF₆ è incolore, inodore, non tossico e non infiammabile. Tuttavia, nella sintesi dell'esafluoruro di zolfo, vengono anche prodotti composti fluorurati di zolfo a basso contenuto, che sono tossici. Nell'interruttore, il gas verrà decomposto ad alta temperatura dell'arco attraverso dissociazione e ionizzazione, producendo gas altamente tossici. Pertanto, nell'interruttore è installato un assorbitore, e all'interno è posto alluminio attivo per assorbire questi gas tossici.

Nonostante ciò, è necessario prestare particolare attenzione a prevenire l'avvelenamento durante la manutenzione. Pertanto, il gas deve essere evacuato e scaricato completamente prima di iniziare il lavoro. Se si sente ancora un odore sgradevole, si devono indossare maschera antigas e guanti di gomma. Inoltre, i prodotti di decomposizione dell'arco contengono anche alcuni fluoruri metallici, che sono dispersi nell'interruttore sotto forma di polvere. Anche se queste polveri non sono sostanze altamente tossiche, è comunque necessario prendere precauzioni per prevenire l'inalazione durante la pulizia.

5. Conclusione

Con l'aumento continuo della tensione del sistema di potenza, sia il tipo a colonna di porcellana che il tipo a serbatoio degli interruttori SF₆ stanno costantemente evolvendo con il progresso tecnologico. In particolare, negli ultimi anni, è stato sviluppato e applicato il principio di spegnimento dell'arco autoenergetico, ovvero l'uso di alta pressione per formare un soffio di gas per spegnere l'arco. Il numero di interruzioni è ridotto e il consumo di materiali diminuito.

A causa del suo prezzo relativamente elevato e dei requisiti elevati per l'applicazione, la gestione e l'operazione del gas SF₆, non viene ampiamente applicato in media tensione (35kV, 10kV). In generale, gli interruttori ad alta tensione SF₆ hanno un ampio spettro di applicazione, e la ricerca, lo sviluppo e l'aggiornamento tecnologico dei prodotti porteranno benefici economici e sociali significativi.