A situação atual e a tendência de desenvolvimento dos disjuntores de alta tensão SF6

Interruptores de alta tensão, também conhecidos como interruptores de alta tensão, possuem capacidade suficiente de interrupção e extinção do arco. Eles não só podem cortar e fechar a corrente sem carga e a corrente de carga dos circuitos de alta tensão, mas também, quando ocorre uma falha no sistema, podem cooperar com dispositivos de proteção e dispositivos automáticos para rapidamente cortar a corrente de falha, reduzindo o alcance da interrupção de energia e impedindo a ampliação do acidente. Isso é de grande importância para garantir a operação segura do sistema de energia.

Os interruptores de alta tensão evoluíram através de interruptores de óleo, interruptores de ar comprimido, interruptores a vácuo e interruptores SF₆. Entre eles, os dois primeiros tipos foram gradualmente descontinuados, e os interruptores SF₆ são mais comumente aplicados em comparação com os dois últimos. Os interruptores SF₆ foram amplamente adotados no início dos anos 1970. Eles usam hexafluoreto de enxofre como meio de extinção do arco. Este tipo de interruptor tem uma grande capacidade de interrupção. Em condições de interrupção livre, sua capacidade de interrupção é aproximadamente 10 vezes maior do que a de outros interruptores. Desempenham um papel crucial na operação estável e segura do sistema de energia e também têm grande significado em termos de benefícios econômicos e sociais.

1. Desempenho dos Interruptores SF₆

Os interruptores SF₆ são equipamentos de comutação sem óleo que usam gás SF₆ tanto como meio isolante quanto de extinção do arco. Seus desempenhos isolantes e características de extinção do arco são significativamente superiores aos dos interruptores de óleo. Os interruptores de hexafluoreto de enxofre têm as seguintes características:

• Capacidade de extinção do arco forte, elevada resistência dielétrica e alto valor de tensão suportável por fratura unitária. Como resultado, para o mesmo nível de tensão nominal, o número de portas de fratura em série necessárias é reduzido, melhorando o desempenho econômico do produto.

• Longa vida elétrica. Pode interromper continuamente com capacidade total de 50kA por 19 vezes, e a corrente de interrupção acumulada pode chegar a 4200kA. O ciclo de manutenção é longo, e é adequado para operações frequentes.

• Bom desempenho de interrupção. Devido à eletronegatividade do gás SF₆, ele tem uma forte capacidade de adsorver elétrons livres. O arco formado no SF₆ favorece a formação da "estrutura de coluna de arco" (núcleo e invólucro do arco). A difusão do plasma ionizado é restrita, permitindo a recombinação eficaz de íons. A corrente de interrupção é grande, atingindo 80-100kA, e até 200kA. O tempo de extinção do arco é curto, geralmente 5-15ms. Ao mesmo tempo, o desempenho de interrupção para interrupção de fase inversa, falhas de zona próxima, linhas longas sem carga e condições de transformador sem carga também é bom.

• Alto desempenho isolante. A resistência dielétrica do SF₆ é aproximadamente 5-10 vezes maior do que a do ar.

• O gás SF₆ é incolor, inodoro, não tóxico, não inflamável e muito estável, não reagindo facilmente com outras substâncias. Além disso, quando o interruptor é aberto, o aumento de pressão causado pelo aquecimento do arco é extremamente pequeno, garantindo a operação confiável e prevenindo acidentes de explosão.

2. Desenvolvimento dos Interruptores de Alta Tensão SF₆
2.1 Interruptores SF₆ de Dupla Pressão

Dois sistemas de gás SF₆ (sistema de alta pressão e sistema de baixa pressão) são instalados dentro do interruptor. Somente durante o processo de abertura, a câmara de alta pressão flui para a câmara de baixa pressão através do controle da válvula de sopro para formar um fluxo de gás de alta pressão. Após a interrupção ser concluída, a válvula de sopro é fechada. O princípio da câmara de extinção do arco é que um compressor de gás e tubos estão conectados entre a câmara de alta pressão e a câmara de baixa pressão. Quando a pressão do gás na câmara de alta pressão diminui ou a pressão do gás na câmara de baixa pressão aumenta a um certo limite, o compressor de gás começa a bombear o gás SF₆ da câmara de baixa pressão para a câmara de alta pressão, formando um sistema de gás fechado automático.

2.2 Interruptores SF₆ de Pressão Única

A estrutura de pressão única é simples e pode se adaptar a uma ampla faixa de temperaturas ambientais. O tipo de compressão de gás também passou por um processo de desenvolvimento: em termos de sopro de arco, o tipo de pressão única da primeira geração tem uma estrutura de sopro único, com uma corrente de interrupção pequena (geralmente 31.5kA) e uma tensão de fratura baixa (geralmente 170kV). O tipo de pressão única da segunda geração tem uma estrutura de sopro duplo, com a corrente de interrupção aumentada para (40-50kA), e a tensão de fratura ainda é baixa. Geralmente, produtos de 252kV têm duas portas de fratura. O tipo de pressão única da terceira geração tem uma estrutura de sopro duplo complementada por um efeito de expansão térmica (extinção de arco híbrida). A corrente de interrupção é grande, aumentada para 63kA, e a tensão de fratura é alta. Uma porta de fratura única pode atingir 252kV, 363kV, 420kV e até 550kV.

O desenvolvimento do tipo de pressão única, do ponto de vista da câmara de extinção do arco, adotou um pistão de compressão de gás menor. As vantagens trazidas pela redução do pistão na câmara de extinção do arco são as seguintes:

• A massa de todo o sistema de movimento durante o processo de interrupção do produto é reduzida.

• A potência de operação do produto é reduzida.

• O amortecimento do produto torna-se mais fácil, e a vida mecânica é longa.

2.3 Interruptores SF₆ de Energia Própria

Os interruptores SF₆ de energia própria têm dois princípios de extinção do arco: o princípio de expansão térmica e o princípio de rotação do arco. Atualmente, a vasta maioria dos interruptores de energia própria utiliza o princípio de expansão térmica. O princípio de energia própria é usar a energia do arco para aquecer o gás SF₆ na câmara de expansão, construir pressão, formar um fluxo de gás e extinguir o arco. No entanto, ao interromper correntes pequenas, devido à pequena energia do arco, é necessário um pequeno pistão para comprimir o gás e formar um sopro auxiliar. Devido à redução significativa na potência de operação, pode ser usado um mecanismo de operação de mola com estrutura simples. O tipo de expansão térmica já evoluiu para a segunda geração. Os produtos da primeira geração alcançam o efeito de reduzir a potência de operação reduzindo a energia de compressão de gás necessária para a extinção do arco. O diâmetro do pistão de compressão de gás é projetado de acordo com a interrupção de 30% da corrente de falha máxima, e a massa de movimento também é pequena, o que reduz a potência de operação. Os produtos da segunda geração aprimoram ainda mais o efeito de expansão térmica e o desempenho de interrupção, não apenas melhorando a interrupção de corrente capacitiva, mas também reduzindo ainda mais a potência de operação.

2.4 Interruptores SF₆ Inteligentes

Outra característica dos modernos interruptores de alta tensão é a inteligência, evoluindo de sistemas eletromecânicos tradicionais para sistemas inteligentes modernos centrados em computadores. Atualmente, os conteúdos de detecção online dos interruptores de alta tensão são os seguintes:

• Gás SF₆;

• Sistema de mecanismo de operação;

• Liberação;

• Circuitos de controle e auxiliares;

• Cadeia de transmissão de energia.

Através dessas detecções, mais de 90% das falhas podem ser descobertas. A detecção online pode mudar a manutenção regular dos interruptores para manutenção baseada em condições em tempo real.

3. Interruptores SF₆ de Tipo Poste de Porcelana e Tipo Tanque e Suas Aplicações

A China primeiro aplicou interruptores SF₆ em 1970, quando a Administração Elétrica do Nordeste importou três interruptores SF₆ de tipo poste de porcelana H-912 de 220KV de dupla pressão produzidos pela Siemens do exterior e os instalou na subestação primária HuShitai em Shenyang. Eles ainda estão operando bem hoje.

Os interruptores de alta tensão de hexafluoreto de enxofre são divididos em tipo poste de porcelana e tipo tanque de acordo com sua estrutura. Ao comparar os dois, cada um tem suas próprias características:

• Tanto o tipo poste de porcelana quanto o tipo tanque de interruptores SF₆ de alta tensão podem atender aos requisitos de alta tensão e grande capacidade. A câmara de extinção do arco do tipo poste de porcelana é instalada no suporte isolante. Conectando as câmaras de extinção do arco em série e instalando-as no suporte isolante em altura apropriada, qualquer valor de tensão nominal pode ser obtido. O suporte isolante é, na maioria das vezes, um poste de porcelana, e suportes compostos orgânicos também surgiram. A câmara de extinção do arco do tipo tanque é instalada em um tanque metálico conectado ao potencial de solo. Sob alta tensão, várias câmaras de extinção do arco precisam ser conectadas em série e instaladas no mesmo tanque para cada fase.

• Instalação de transformadores de corrente. Em termos de instalação de transformadores de corrente, os interruptores do tipo poste de porcelana estão em desvantagem. Porque a câmara de extinção do arco do tipo poste de porcelana é instalada dentro do isolador e no topo do suporte isolante, o transformador de corrente deve ser instalado separadamente em seu próprio suporte isolante. No entanto, o transformador de corrente do tipo terminal pode ser instalado no terminal do interruptor do tipo tanque. Em alguns cenários de aplicação, o interruptor não precisa ser equipado com um transformador de corrente, especialmente quando usado como um interruptor para trocar bancos de capacitores e reatores paralelos. Aqui, o preço do tipo poste de porcelana é apenas 60% do preço do interruptor do tipo tanque, e devido ao uso de múltiplas portas de fratura, ele pode suportar melhor reatuações.

• Capacidade de resistência a tensões externas. Do ponto de vista da resistência a tensões externas, múltiplas câmaras de extinção do arco em série do interruptor do tipo poste de porcelana podem atender a qualquer valor de tensão nominal, mas sua capacidade de resistência a tensões externas é limitada pelo comprimento da câmara de extinção do arco em si. Para o interruptor do tipo tanque, desde que a capacidade de resistência necessária para reduzir o número de portas de fratura possa ser desenvolvida, um terminal isolante pode ser fabricado. Portanto, o interruptor do tipo tanque pode alcançar uma porta de fratura única de 550kV/63kA e duas portas de fratura de 1100kV/50kA.

• Consumo de gás SF₆. Em termos de consumo de gás SF₆, o tipo poste de porcelana é superior ao tipo tanque. O consumo de gás do interruptor do tipo tanque é muito maior do que o do tipo poste de porcelana.

• Adaptabilidade ambiental. Do ponto de vista da adaptabilidade ambiental, o interruptor do tipo tanque de grande volume mostra suas vantagens. Um aquecedor pode ser instalado no interruptor do tipo tanque, enquanto não pode ser instalado no tipo poste de porcelana.

• Resistência a sismos. Do ponto de vista da resistência a sismos, o interruptor do tipo tanque é muito superior ao tipo poste de porcelana. Porque o interruptor do tipo poste de porcelana tem um centro de gravidade alto, sua resistência a sismos é pobre.

• Comparação de preços. Em termos de preço, para a mesma capacidade, o interruptor do tipo poste de porcelana é melhor do que o tipo tanque. Geralmente, o preço do interruptor do tipo tanque é cerca de 20% maior do que o do interruptor do tipo poste de porcelana com transformador de corrente externo (como um transformador SF₆).

4. Questões a Serem Observadas Durante a Operação e Manutenção dos Interruptores SF₆

Para controlar rigorosamente a fuga de gás e evitar a invasão de umidade e umidificação da caixa, a tecnologia de processamento e os requisitos de material são muito maiores do que os de aparelhos elétricos de alta tensão gerais. Ao mesmo tempo, é necessário um sistema de gás SF₆ especial, incluindo uma válvula com boa vedação, equipamento de detecção de vazamentos, dispositivo de recuperação de gás e monitoramento de pressão. Além disso, devido ao grande consumo de metal, a complexidade de fabricação é aumentada.

O gás SF₆ puro é incolor, inodoro, não tóxico e não inflamável. No entanto, na síntese do hexafluoreto de enxofre, também são produzidos compostos de baixo teor de flúor de enxofre, que são tóxicos. No interruptor, o gás será decomposto sob a alta temperatura do arco através de dissociação e ionização, gerando gases altamente tóxicos. Portanto, um adsorvedor é instalado no interruptor, e alumínio ativado é colocado nele para absorver esses gases tóxicos.

Mesmo assim, deve-se prestar atenção especial para evitar o envenenamento durante a manutenção. Portanto, o gás deve ser evacuado e descarregado limpo antes do trabalho. Se ainda for sentido um odor desagradável, uma máscara de gás e luvas de borracha devem ser usadas. Além disso, os produtos de decomposição do arco também contêm alguns fluoruros de metais, que estão espalhados no interruptor na forma de pó. Embora esses pós não sejam substâncias altamente tóxicas, ainda devem ser tomadas precauções para evitar que sejam inalados durante a limpeza.

5. Conclusão

Com o aumento contínuo da tensão do sistema de energia, seja o tipo poste de porcelana ou o tipo tanque de interruptores SF₆, eles estão constantemente evoluindo com o progresso tecnológico. Em particular, nos últimos anos, o princípio de extinção do arco de energia própria foi desenvolvido e aplicado, ou seja, a alta pressão é usada para formar um sopro de gás para extinguir o arco. O número de portas de fratura é reduzido, e o consumo de materiais é diminuído.

Devido ao seu preço relativamente alto e aos altos requisitos para a aplicação, gestão e operação do gás SF₆, ele não é amplamente aplicado em tensões médias (35kV, 10kV). Em geral, os interruptores SF₆ de alta tensão têm um amplo prospecto de aplicação, e a pesquisa, desenvolvimento e atualização tecnológica dos produtos trarão benefícios econômicos e sociais significativos.