Gasgevulde schakelaars (SF6): richtlijnen voor selectie en aansluitregels

Het functioneren van hoogspanningsnetten wat betreft stroomkarakteristieken is niet vergelijkbaar met het functioneren van huishoudelijke equivalenten. Bij het optreden van een noodsituatie zijn daarom voor het uitschakelen van apparatuur en het doven van de elektrische boog krachtigere apparaten nodig dan standaard automatische toestellen.

Als beveiligingsconstructies worden SF6-schakelaars gebruikt, die zowel handmatig als automatisch kunnen worden bediend. Wij hebben de constructiedetails en het werkingsprincipe van de apparaten in detail beschreven. We hebben aanbevelingen gegeven voor installatie, aansluiting en onderhoud.

Definitie en toepassing van SF6-gas

SF6-gas is zwavelhexafluoride, dat tot de elektrotechnische gassen wordt gerekend. Vanwege de isolerende eigenschappen wordt het actief gebruikt bij de productie van elektrotechnische apparaten.

In neutrale toestand is SF6-gas een niet-brandbaar gas zonder kleur of geur. Als men het met lucht vergelijkt, kan men een hoge dichtheid (6,7) en een molecuulgewicht opmerken dat 5 keer hoger is dan dat van lucht.

Een van de voordelen van SF6-gas is de weerstand tegen invloeden van buitenaf. Het verandert onder alle omstandigheden niet van karakteristieken. Als er tijdens een elektrische ontlading ontleding optreedt, volgt snel een volledig herstel dat noodzakelijk is voor de werking.

Het geheim is dat de moleculen van SF6-gas elektronen binden en negatieve ionen vormen. De eigenschap 'elektronegativiteit' heeft zwavelhexafluoride voorzien van een kenmerk als elektrische sterkte.

In de praktijk is de elektrische sterkte van lucht 2-3 keer zwakker dan dezelfde eigenschap van SF6-gas. Bovendien is het brandveilig, omdat het tot niet-brandbare stoffen behoort, en heeft het een koelend vermogen.

Toen de noodzaak ontstond om een gas te vinden voor het doven van de elektrische boog, werden de eigenschappen van SF6 (zwavelhexafluoride), tetrachloorkoolstof en freon bestudeerd. In de tests won SF6.

De genoemde kenmerken hebben SF6-gas maximaal geschikt gemaakt voor toepassing in de elektrotechnische sector, met name in de volgende apparaten:

• vermogenstransformatoren die werken volgens het principe van magnetische inductie;
• complete schakelinstallaties;
• hoogspanningslijnen die verafgelegen installaties verbinden;
• hoogspanningsschakelaars.

Maar sommige eigenschappen van SF6 hebben ertoe geleid dat de constructie van de schakelaar moest worden verbeterd. Het belangrijkste nadeel betreft de overgang van de gasfase naar de vloeibare fase, wat mogelijk is bij bepaalde verhoudingen van druk- en temperatuurparameters.

Om de apparatuur zonder onderbrekingen te laten werken, moeten er comfortabele omstandigheden worden geboden. Stel dat voor het functioneren van SF6-apparaten bij -40° een druk van niet meer dan 0,4 MPa en een dichtheid van minder dan 0,03 g/cm³ nodig is. In de praktijk wordt het gas indien nodig verwarmd, wat de overgang naar de vloeibare fase voorkomt.

Constructie van een SF6-schakelaar

Als men SF6-apparaten vergelijkt met soortgelijke apparaten van andere typen, dan lijken ze qua constructie het meest op olie-apparaten. Het verschil zit in de vulling van de kamers voor het doven van de boog.

Als vulmiddel wordt bij olie-schakelaars een oliemengsel gebruikt, en bij SF6-schakelaars wordt zwavelhexafluoride gebruikt. Het voordeel van de tweede optie is de duurzaamheid en minimale onderhoudsbehoefte.

Schema van een SF6-apparaat van het kolomtype. De boogdovingsmodules, bevestigd op een hoge kolom, bevinden zich in het bovenste gedeelte, de besturingskast in het onderste gedeelte.

De methoden voor het doven van de elektrische boog zijn afhankelijk van vele factoren, waarvan de nominale stroom en spanning, evenals de gebruiksomstandigheden van het apparaat, bepalend zijn.

In totaal worden er vier soorten SF6-schakelaars onderscheiden:

• met elektromagnetische blussing;
• met blussing in SF6 – met 1 druktrap;
• met longitudinale blussing – met 2 druktrappen;
• met zelfgenererende blussing.

Als bij luchtapparaten tijdens het doven van de boog het gas in de atmosfeer terechtkomt, blijft het bij SF6-apparaten in een afgesloten ruimte gevuld met een gasmengsel. Hierbij blijft een kleine overdruk behouden.

Kolom- en tankapparaten

In de praktijk worden twee soorten SF6-installaties gebruikt:

• tanktype;
• kolomtype;

De verschillen hebben betrekking op zowel constructiekenmerken als het principe van het doven van de elektrische boog. Qua uiterlijk lijken kolomtypes op hun oliearme tegenhangers: ze bestaan uit twee functionele delen – een boogdovend en een contactdeel, en hebben dezelfde volumeafmetingen.

De uitschakelapparaten zijn ontworpen voor gebruik op een 220 V-net en behoren tot eenfasige apparatuur. Een voorbeeld van een SF6-schakelaar van het kolomtype is – LF 10 Schneider Electric.

De bediening van de apparatuur kan op twee verschillende manieren plaatsvinden: handmatig, waarbij afstelling en controle met behulp van mechanische apparaten plaatsvindt, en op afstand, automatisch.

Tanktype SF6-apparaten zijn kleiner van formaat en uitgerust met een aandrijving met meerdere fasen. Een dergelijke verdeling maakt het mogelijk om de spanningsparameters beter te bewaken en soepel te regelen.

Een van de voordelen van tank-type schakelaars is het vermogen om verhoogde belastingen te weerstaan. Deze eigenschap wordt mogelijk gemaakt door de in de constructie geïntegreerde stroomtransformator.

Een voorbeeld van een tank-type apparaat is de SF6-installatie DT2-550 F3 van Alstom Grid. Dergelijke apparaten hebben zich positief bewezen in elektrische systemen met een spanning van 500 kV.

De constructie is zodanig samengesteld en uitgerust dat deze zonder storingen functioneert bij lage (kritische) temperaturen, hoge luchtvochtigheid, evenals in regio's met seismische activiteit en een verhoogde luchtvervuiling.

Principe van het doven van de boog

Hoe het apparaat werkt, bekijken we aan de hand van de schakelaar LW36 van de Chinese fabrikant CHINT.

Bij uitschakeling werkt de veer op de dynamische elementen van de cilinder, en ze zakken naar beneden. Alle contacten, behalve de boogdovende, worden geopend. Wanneer ook de boogdovende contacten, waar de stroom doorheen gaat, worden losgekoppeld, ontstaat er een elektrische boog.

Het hete gas beweegt naar de thermische kamer, de terugslagklep wordt geactiveerd. Wanneer het gas uit de thermische kamer in de tussenruimte wordt geblazen, vindt boogdoving plaats.

Als er kleine stromen worden uitgeschakeld, is de druk in de thermische kamer onvoldoende, dus wordt er druk uit de compressiekamer gebruikt (deze is altijd hoger). De terugslagklep opent, het gas stroomt ongehinderd naar de tussenruimte en bij het passeren van het nulpunt dooft het de boog.

Schema van de interne opstelling en werking van beweegbare, vaste kleppen, decompressie- en terugslagkleppen. Positie 1 – inschakeling; positie 2 – uitschakeling van grote stromen; positie 3 – uitschakeling van kleine stromen; positie 4 – uitschakeling van het apparaat.

Moderne kolom-type installaties beschikken over verbeterde eigenschappen. Het onderhoud is tot een minimum beperkt, het schakelvermogen is verhoogd. SF6-schakelaars kenmerken zich door een laag geluidsniveau, betrouwbare mechanica en eenvoudige montage- en testwerkzaamheden.

De afstelling van tank-type modellen gebeurt met behulp van de aandrijving en transformatoren. Een veer- of veer-hydraulische aandrijving regelt de in-/uitschakelprocessen en het niveau van de boogbeheersing.

Waar dient de aandrijving voor?

De aandrijving is bedoeld om alle handelingen uit te voeren die verband houden met het in-/uitschakelen of het in een bepaalde positie houden van de installatie. In het schema is te zien waar de aandrijving zich kan bevinden. Doorgaans is dit het maaiveld of een lage steun, die het onderhoudspersoneel gemakkelijke toegang tot de regelapparatuur biedt.

Constructieschema van een tank-type schakelaar: 1 – porseleinen of polymeer modules; 2 – transformatoren; 3 – tank met gasdovende inrichting; 4 – gaskamer; 5 – hydraulische aandrijving; 6 – metalen frame; 7 – aansluiting voor het inbrengen van SF6.

De aandrijving bestaat uit een inschakelmechanisme, een vergrendelingsinrichting – een pal, en een uitschakelmechanisme. Het inschakelproces moet zo snel mogelijk plaatsvinden om het aan elkaar lassen van de contacten te voorkomen.

Tijdens het inschakelen worden grote krachten uitgeoefend om de wrijvingskracht van alle betrokken onderdelen te overwinnen. Uitschakelen is eenvoudiger en gebeurt door de omgekeerde beweging van de pal, die het inschakelen en vasthouden mogelijk maakt.

Er zijn verschillende manieren van in-/uitschakelen:

• mechanisch;
• veermechanisme;
• met gewicht;
• pneumatisch;
• elektromagnetisch.

Voor laagvermogensystemen wordt handbediening gebruikt. In dat geval is de kracht van één operator voldoende. Uitschakeling van handmatige mechanismen gebeurt meestal automatisch. De veeraandrijving wordt ook handmatig bediend, maar soms worden kleine elektromotoren ingezet.

De traditionele plaatsing van de aandrijving is nabij het metalen montageframe. De integriteit en werking van het mechanisme wordt gewaarborgd door een stevige metalen behuizing – een kast met een handige deur voor bedieningswerkzaamheden.

Voor het gebruik van een elektromagnetische aandrijving is meer energie nodig, daarom is een constante stroombron van ongeveer 58 A met een spanning van 220 V vereist. Als reserve-uitschakelmechanisme is er een handhevel. Elektromagnetische apparaten staan bekend om hun betrouwbaarheid, waardoor ze met succes worden gebruikt in gebieden met strenge winters. Het nadeel is de behoefte aan een krachtige accu.

Pneumatische aandrijving onderscheidt zich doordat in plaats van een elektromagneet het belangrijkste werkelement een cilinder/zuiger-paar is. Dankzij perslucht is de inschakelsnelheid veel hoger dan bij eerdere modellen.

Voordelen en nadelen van het gebruik van SF6-schakelaars

Gasgeïsoleerde schakelaars hebben, net als andere soorten elektrische verdeelinrichtingen, een aantal voor- en nadelen. Bij de keuze van een installatie worden de benodigde berekeningen gemaakt en worden, naast technische specificaties en constructiekenmerken, de voor- en nadelen van modellen in overweging genomen.

Gasgeïsoleerde schakelaars functioneren onder zware omstandigheden met periodieke trillingen, lage temperaturen (met verwarming) en in brandgevaarlijke zones.

Tot de nadelen behoren de hoge kosten van het vulmiddel – SF6-gas, de specifieke montage op een paneel of fundering, en de noodzaak van een bepaalde kwalificatie van het bedienend personeel.

Regels voor aansluiting en onderhoud van SF6-schakelaars

Alle handelingen met betrekking tot montage, in-/uitschakeling, reparatie en onderhoud van SF6-apparatuur zijn onderworpen aan strikte regels, vastgelegd in PUE 1.8.21.

Voor het aansluiten van de installatie moet u controleren of er een minimale druk in de gasgevulde kamer aanwezig is, anders raakt de schakelaar defect. Om schade te voorkomen, is er een alarm geïnstalleerd dat afgaat bij een kritische daling van de drukomstandigheden. Het drukniveau kunt u volgen met behulp van een manometer.

In de aandrijfkast zijn verwarmingselementen geïnstalleerd die effectief condensatie op de mechanismeonderdelen voorkomen. U dient erop toe te zien dat de verwarmingselementen continu ingeschakeld blijven.

De inspectie van de installatie wordt elke dag gedurende de lichte uren uitgevoerd en ongeveer tweemaal per maand gedurende de donkere uren. Indien er een nooduitschakeling heeft plaatsgevonden om een van de redenen, is een ongeplande inspectie vereist.

Tijdens de inspectie van de schakelaar dient u de externe bescherming te controleren, verontreinigingen te verwijderen en beschadigingen te herstellen. Indien de contacten opwarmen, dient u de oorzaak te achterhalen.

Bij gekraak of verdacht geluid moet de bron worden opgespoord. De metalen montagestructuur is tegelijkertijd onderdeel van het aardingscircuit, dus de integriteit ervan moet worden gecontroleerd.

De manometerwaarden dienen te worden afgelezen. De druk dient overeen te komen met de door de fabrikant berekende norm. U dient de goede werking van de regel- en controleapparatuur te controleren, en bij defect van een of meerdere onderdelen maatregelen te nemen – deze te vervangen of ter reparatie aan te bieden.

Indien de gasdruk is gedaald, dient u de kamer met SF6-gas bij te vullen. De isolatie behoeft geen reiniging, aangezien de constructie volledig gasdicht is.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

Hoe SF6-schakelaars zijn opgebouwd, volgens welk principe de boogdoving plaatsvindt en welke soorten apparaten er bestaan, kunt u uit een nuttige en informatieve video vernemen.

Video #1. Overzicht van SF6-schakelaars met beschrijving van de opbouw en het werkingsprincipe:

Video #2. Kenmerken van de constructie van de installaties:

Video #3. Hoe wordt de schakelaar gemonteerd:

SF6-schakelaars verlaten de fabriek in volledige bedrijfsgereedheid en zijn ontworpen om te werken in diverse klimaatzones, van tropisch tot koud, en worden daarom actief gebruikt door industriële bedrijven in verschillende landen.