Yüksek gerilimli SF6 devre kesicilerinin mevcut durumu ve geliştirme eğilimi

Yüksek gerilimli anahtarlar, yüksek gerilimli devre kesiciler olarak da bilinir, yeterli kesme ve yay söndürme yeteneklerine sahiptir. Sadece yüksek gerilimli devrelerin boşta ve yük altındaki akımlarını kesip kapatabilirler, aynı zamanda sistemde bir arıza olduğunda, koruma ve otomatik cihazlarla işbirliği içinde hızlıca arıza akımını keserek güç kesinti alanını azaltabilir ve kazanın büyümesini önleyebilirler. Bu, enerji sisteminin güvenli işlemesi için büyük önem taşır.

Yüksek gerilimli devre kesiciler, yağlı devre kesicilerden, sıkıştırılmış hava devre kesicilerinden, vakum devre kesicilerinden ve SF₆ devre kesicilerine kadar evrimleşmiştir. Bunlardan ilk iki türü yavaş yavaş kullanımdan kaldırılırken, son ikisi arasında SF₆ devre kesicileri daha yaygın uygulamaya konmuştur. SF₆ devre kesicileri 1970'lerin başında yaygınlaşmaya başlamıştır. Sülfür heksaflorür gazını yay söndürme ortamı olarak kullanırlar. Bu tür devre kesiciler, büyük bir kesme kapasitesine sahiptir. Serbest kesme koşullarında, diğer devre kesicilere kıyasla yaklaşık 10 kat daha yüksek kesme kapasitesine sahiptir. Güç sisteminin istikrarlı ve güvenli işletimi için kritik bir rol oynar ve aynı zamanda ekonomik ve sosyal faydalar açısından da büyük önem taşır.

1. SF₆ Devre Kesicilerinin Performansı

SF₆ devre kesicileri, hem yalıtım hem de yay söndürme ortamı olarak SF₆ gazını kullanan yağsız anahtarlama ekipmanlarıdır. Yalıtım performansları ve yay söndürme özellikleri, yağlı devre kesicilere kıyasla çok daha yüksektir. Sülfür heksaflorür devre kesicileri aşağıdaki özelliklere sahiptir:

• Güçlü yay söndürme yeteneği, yüksek dielektrik dayanımı ve yüksek birim parçalanma dayanımı. Bu nedenle, aynı nominal gerilim seviyesinde, gerekli olan seri parçalanma sayısının azalmasıyla birlikte ürünün ekonomik performansı artmaktadır.

• Uzun elektriksel ömrü. 50kA tam kapasite ile 19 kez sürekli kesme yapabilir ve toplam kesme akımı 4200kA'ya ulaşabilir. Bakım döngüsü uzundur ve sıklıkla çalıştırılabilir.

• İyi kesme performansı. SF₆ gazının elektronegatifliği nedeniyle, özgür elektronları emme yeteneği güçlüdür. SF₆'de oluşan yay, "yay sütun yapısı" (yay çekirdeği ve yay kabuğu) oluşmasına yardımcı olur. İyonlaşmış plazmanın difüzyonu kısıtlanır, etkili iyon yeniden birleşmesine olanak tanır. Kesme akımı büyük olup, 80-100kA, hatta 200kA'ya ulaşabilir. Yay söndürme süresi kısa, genellikle 5-15ms arasındadır. Aynı zamanda ters faz kesme, yakın bölge arızaları, boşta uzun hatlar ve dönüşümci boşta durumları için kesme performansı da iyidir.

• Yüksek yalıtım performansı. SF₆'nın yalıtım gücü, havanın yaklaşık 5-10 katıdır.

• SF₆ gazı renksiz, kokusuz, zararsız, yanıcı değil ve diğer maddelerle reaksiyona girmemesi için oldukça istikrarlı bir gazdır. Ayrıca, devre kesicinin açıldığında, yay ısıtmasından kaynaklanan basınç artışı çok küçüktür, güvenli işlemeyi sağlayarak patlama kazalarını önler.

2. Yüksek Gerilimli SF₆ Devre Kesicilerinin Gelişimi
2.1 Çift Basınçlı SF₆ Devre Kesicileri

Devre kesicide iki SF₆ gaz sistemi (yüksek basınçlı sistem ve düşük basınçlı sistem) bulunmaktadır. Sadece açma süreci sırasında, yüksek basınçlı odadan düşük basınçlı odaya doğru üfleme vanası ile kontrol edilen bir yüksek basınçlı gaz akışı oluşur. Kesme tamamlandığında, üfleme vanası kapanır. Yay söndürme odasının prensipi, yüksek basınçlı odadan düşük basınçlı odaya bağlanan bir gaz kompresörü ve borular üzerinden sağlanır. Yüksek basınçlı odadaki gaz basıncı azaldığında veya düşük basınçlı odadaki gaz basıncı belirli bir sınıra ulaştığında, gaz kompresörü çalışıp düşük basınçlı odadaki SF₆ gazını yüksek basınçlı odaya pompalar, bu şekilde otomatik kapalı döngülü bir gaz sistemi oluşturur.

2.2 Tek Basınçlı SF₆ Devre Kesicileri

Tek basınçlı yapı basit olup, geniş bir sıcaklık aralığına uyum sağlar. Gaz kompresyon tipi de bir gelişim süreci geçirmiştir: yay üflemesi açısından, ilk nesil tek basınçlı tipte tek üfleme yapısı vardır, küçük kesme akımı (genellikle 31.5kA) ve düşük parçalama voltajı (genellikle 170kV). İkinci nesil tek basınçlı tipte çift üfleme yapısı bulunur, kesme akımı (40-50kA) artmıştır, ancak parçalama voltajı hala düşüktür. Genellikle 252kV ürünler çift parçalama ağzına sahiptir. Üçüncü nesil tek basınçlı tipte, termal genişleme etkisi ile desteklenen (hibrit yay söndürme) çift üfleme yapısı bulunur. Kesme akımı büyük, 63kA'ya yükselmiştir ve parçalama voltajı yüksek olup, tek parçalama ağzı 252kV, 363kV, 420kV ve hatta 550kV'ye ulaşabilir.

Tek basınçlı tipin gelişimi, yay söndürme odasının bakış açısından, daha küçük bir gaz kompresyon pistonu kullanılmıştır. Yay söndürme odasında pistonun küçülmesiyle getirilen avantajlar şunlardır:

• Ürünün kesme sürecinde tüm hareket sisteminin kütlesi azalmıştır.

• Ürünün çalışma gücü azalmıştır.

• Ürünün amortismanı kolaylaşmış ve mekanik ömrü uzun olmuştur.

2.3 Kendi Enerjili SF₆ Devre Kesicileri

Kendi enerjili SF₆ devre kesicileri, termal genişleme prensibi ve yay dönme prensibi olmak üzere iki yay söndürme prensibine sahiptir. Şu anda, kendi enerjili devre kesicilerin çoğunluğu termal genişleme prensibini kullanmaktadır. Kendi enerjili prensip, yay enerjisini kullanarak genişleme odasındaki SF₆ gazını ısıtma, basınç oluşturma, gaz akışı oluşturma ve yay söndürme şeklinde çalışır. Ancak, küçük akımları keserken, yay enerjisinin az olması nedeniyle, gazı sıkıştırarak yardımcı üfleme oluşturacak küçük bir piston gereklidir. İşlem gücü önemli ölçüde azalması nedeniyle, basit yapıda bir yay mekanizması kullanılabilir. Termal genişleme tipi şu an ikinci nesile kadar geliştirilmiştir. İlk nesil ürünler, yay söndürme için gerekli gaz kompresyon enerjisini azaltarak işlem gücü üzerinde etki yaratmıştır. Gaz kompresyon pistonunun çapı maksimum arıza akımının %30'unun kesilmesine göre tasarlanmıştır ve hareket kütlesi de küçüktür, bu da işlem gücünü azaltır. İkinci nesil ürünler, termal genişleme etkisini ve kesme performansını daha da geliştirmiş, kapasitif akım kesme performansını iyileştirmiş ve ayrıca işlem gücünü daha da azaltılmıştır.

2.4 Akıllı SF₆ Devre Kesicileri

Modern yüksek gerilimli devre kesicilerinin başka bir özelliği de akıllılıklarıdır, geleneksel elektromekanik sistemlerden bilgisayar merkezli modern akıllı sistemlere evrilmişlerdir. Şimdilik, yüksek gerilimli devre kesicilerin çevrimiçi tespit içerikleri şunlardır:

• SF6 gazı;

• Çalışma mekanizma sistemi;

• Serbest bırakma;

• Kontrol ve yardımcı devreler;

• Güç iletim zinciri.

Bu tespitler sayesinde, devre kesicilerin %90'dan fazlası tespit edilebilir. Çevrimiçi tespit, devre kesicilerin düzenli bakımını gerçek zamanlı durum tabanlı bakıma dönüştürebilir.

3. Porselen Kol Tipi ve Tank Tipi SF₆ Devre Kesicileri ve Uygulamaları

Çin, 1970 yılında Siemens tarafından üretilen üç H-912 tipi 220KV çift basınçlı porselen kol tipi SF₆ devre kesicisini Kuzeydoğu Elektrik Yönetimi tarafından ithal etti ve Shenyang'daki HuShitai birincil alt istasyonuna monte edildi. Bunlar bugün hala iyi bir şekilde çalışıyor.

Yüksek gerilimli sülfür heksaflorür devre kesicileri, yapılarına göre porselen kol tipi ve tank tipi olmak üzere ikiye ayrılır. Her ikinin karşılaştırılması, her birinin kendine özgü özelliklerine sahip olduğunu gösterir:

• Porselen kol tipi ve tank tipi yüksek gerilimli SF₆ devre kesicileri, yüksek gerilim ve büyük kapasite taleplerini karşılayabilir. Porselen kol tipi devre kesicilerde, yay söndürme odası yalıtım destek üzerine monte edilir. Yay söndürme odaları seri bağlı olarak uygun yükseklikteki yalıtım destek üzerine monte edilerek, herhangi bir nominal gerilim değeri elde edilebilir. Yalıtım destek çoğunlukla porselen kol, organik bileşik destekler de ortaya çıkmıştır. Tank tipi devre kesicilerde, yay söndürme odası yer potansiyeline bağlı metal tank içine monte edilir. Yüksek gerilim altında, her faz için birden fazla yay söndürme odası aynı tank içinde seri bağlı olarak monte edilmelidir.

• Akım transformatörünün montajı. Akım transformatörünün montajı açısından, porselen kol tipi devre kesiciler dezavantajdadır. Çünkü porselen kol tipi devre kesicilerde, yay söndürme odası yalıtıcı içinde ve yalıtım destek üzerinde monte edilir, bu nedenle akım transformatörü ayrı bir yalıtım destek üzerinde monte edilmelidir. Ancak, tank tipi devre kesicilerde, akım transformatörü tank tipi devre kesicinin bushing'ine monte edilebilir. Bazı uygulama senaryolarında, devre kesicinin akım transformatörüne ihtiyacı olmayabilir, özellikle kondansatör bankaları ve paralel reaktörler için anahtar olarak kullanıldığında. Burada, porselen kol tipi fiyatının tank tipi devre kesicinin fiyatı sadece %60'sıdır ve birden fazla parçalama ağzı kullanımı, yeniden vuruşlara karşı daha iyi dayanabilirliği sağlar.

• Dış dayanıklılık. Dış dayanıklılık açısından, porselen kol tipi devre kesicilerin çoklu serili yay söndürme odaları, herhangi bir nominal gerilim değerini karşılayabilir, ancak dış yalıtım dayanıklılığı, yay söndürme odasının kendi uzunluğu tarafından sınırlıdır. Tank tipi devre kesicilerde, parçalama ağzı sayısını azaltmak için gerekli dayanıklılık geliştirilirse, yalıtım bushing'i üretilebilir. Bu nedenle, tank tipi devre kesiciler, 550kV/63kA tek parçalama ağzı ve 1100kV/50kA çift parçalama ağzı gibi yüksek değerler ulaşabilir.

• SF₆ gazı tüketimi. SP6 gazı tüketimi açısından, porselen kol tipi tank tipine göre üstündür. Tank tipi devre kesicilerin gaz tüketimi, porselen kol tipi devre kesicilere kıyasla çok daha yüksektir.

• Çevresel uyum. Çevresel uyum açısından, büyük hacimli tank tipi devre kesiciler avantaj gösterir. Tank tipi devre kesicilere ısıtıcı monte edilebilir, porselen kol tipi devre kesicilere ise monte edilemez.

• Deprem direnci. Deprem direnci açısından, tank tipi devre kesiciler porselen kol tipine göre çok daha üstün durumdadır. Porselen kol tipi devre kesicilerin yüksek ağırlık merkezi, deprem direncini zayıflatır.

• Fiyat karşılaştırması. Fiyat açısından, aynı kapasitede, porselen kol tipi devre kesiciler, tank tipi devre kesicilere göre daha avantajlıdır. Genellikle, tank tipi devre kesicilerin fiyatı, dış akım transformatörü (örneğin, SF₆ transformatörü) ile birlikte porselen kol tipi devre kesicilerin fiyatının yaklaşık %20'si kadar daha yüksektir.

4. SF₆ Devre Kesicilerinin İşletimi ve Bakımı Sırasında Dikkat Edilmesi Gereken Konular

Gaz sızıntısını sıkı bir şekilde kontrol etmek ve nem ve rutubetin kutuya girmesini önlemek için, genel yüksek gerilimli elektrik ekipmanlarından çok daha yüksek işleme teknolojisi ve malzeme gereksinimleri vardır. Ayrıca, iyi bir mühürleme özelliğine sahip bir valf, sızıntı tespit ekipmanı, gaz geri kazanım cihazı ve basınç izleme dahil olmak üzere özel bir SF₆ gaz sistemi gereklidir. Ayrıca, metallerin büyük miktarlarda tüketilmesi, üretim karmaşıklığını artırır.

Saf SF₆ gazı renksiz, kokusuz, zehirsiz ve yanıcı değildir. Ancak, sülfür heksaflorürün sentezlenmesinde, düşük florür bileşikleri de üretilir ve bu bileşikler zehirlidir. Devre kesicide, yaydan kaynaklanan yüksek sıcaklık altında, ayrışma ve iyonlaşma yoluyla gaz parçalanır ve yüksek zehirli gazlar oluşur. Bu nedenle, devre kesicide bir soğutucu monte edilir ve içine aktive alüminyum yerleştirilir, bu soğutucu bu zehirli gazları emer.

Bununla birlikte, bakım sırasında zehirlenmeye karşı özel dikkat gösterilmelidir. Bu nedenle, işe başlamadan önce gaz temiz bir şekilde tahliye ve boşaltılmalıdır. Eğer hala hoş olmayan bir koku algılanıyorsa, gaz maskesi ve lastik eldiven giyilmelidir. Ayrıca, yay parçalama ürünlerinde bazı metal fluorürleri de bulunan toz halinde dağılmıştır. Bu tozlar, yüksek zehirli maddeler değildir, ancak onların temizlik sırasında solunmasını önlemek için önlemler alınmalıdır.

5. Sonuç

Enerji sisteminin geriliminin sürekli artmasıyla birlikte, porselen kol tipi veya tank tipi SF₆ devre kesicileri, teknolojik ilerlemeyle birlikte sürekli gelişmektedir. Özellikle son yıllarda, kendi enerjili yay söndürme prensibi geliştirilmiş ve uygulanmıştır, yani yüksek basınç kullanılarak bir gaz üflemesi oluşturulur ve yay söndürülür. Parçalama ağzı sayısı azaltılmış ve malzeme tüketimi azaltılmıştır.

Yüksek fiyatı ve SF₆ gazının uygulaması, yönetimi ve işletimi için yüksek gereksinimleri nedeniyle, orta gerilim (35kV, 10kV) düzeyinde yaygın uygulamaya konmamıştır. Genel olarak, yüksek gerilimli SF₆ devre kesicileri geniş bir uygulama potansiyeline sahiptir ve ürünlerin teknolojik araştırma, geliştirme ve yükseltimi, önemli ekonomik ve sosyal faydalar sağlayacaktır.