Interruptores de alta tensão: classificação, dispositivo, princípio de operação
Os requisitos para os interruptores são os seguintes:
1) confiabilidade no trabalho e segurança para terceiros;
2) resposta rápida — possivelmente curto tempo de desligamento;
3) facilidade de manutenção;
4) facilidade de instalação;
5) operação silenciosa;
6) custo relativamente baixo.
Os disjuntores usados atualmente atendem aos requisitos listados em maior ou menor grau. Os projetistas de disjuntores, no entanto, se esforçam para combinar melhor as características do disjuntor com os requisitos acima.
Interruptores de óleo
Existem dois tipos de interruptores de óleo - reservatório e óleo baixo. Os métodos de deionização do espaço do arco nessas chaves são os mesmos. A única diferença está no isolamento do sistema de contato da base de aterramento e na quantidade de óleo.
Até recentemente, funcionavam tanques para tanques dos seguintes tipos: VM-35, S-35, bem como interruptores da série U com tensões de 35 a 220 kV. Os interruptores de tanque são projetados para montagem externa, não estão atualmente em produção.
As principais desvantagens dos interruptores de tanque: explosão e incêndio; a necessidade de monitoramento periódico da condição e nível de óleo no tanque e entradas; grande volume de petróleo, o que acarreta grande investimento de tempo para sua reposição, necessidade de grandes reservas de petróleo; não é adequado para instalação interna.
Interruptores de óleo baixo
Interruptores de baixo nível de óleo (tipo pote) são amplamente utilizados em aparelhagem fechada e aberta todas as tensões. O óleo nesses interruptores serve principalmente como um meio de arco e apenas parcialmente como isolamento entre contatos abertos.
O isolamento das partes vivas entre si e das estruturas aterradas é feito com porcelana ou outros materiais isolantes sólidos. Os contatos das chaves para montagem interna estão localizados em um tanque de aço (pote), razão pela qual o nome de chaves "tipo pote" é mantido.
Os disjuntores de baixa tensão de 35 kV e acima têm um corpo de porcelana. Os mais utilizados são os pendentes do tipo 6-10 kV (VMG-10, VMP-10). Nestes disjuntores o corpo é fixado em isoladores de porcelana a uma moldura comum para os três pólos. Cada pólo tem uma quebra de contato e uma calha de arco.
Esquemas de design de interruptores de baixo teor de óleo 1 — contato móvel; 2 — calha de arco; 3 — contato fixo; 4 — contatos de trabalho
Em altas correntes nominais, é difícil operar com um par de contatos (atuando como contatos de operação e arco), portanto, os contatos de operação são fornecidos fora do disjuntor e os contatos de arco estão em um tanque de metal. Em altas correntes de interrupção, há duas quebras de arco para cada polo. De acordo com este esquema, as chaves das séries MGG e MG são feitas para tensões de até 20 kV inclusive.Contatos de operação externos maciços 4 permitem que o disjuntor seja projetado para altas correntes nominais (até 9500 A). Para tensões de 35 kV e acima, o corpo da chave é feito de porcelana, a série VMK é uma chave de coluna com baixo teor de óleo). Nos disjuntores automáticos 35, 110 kV, é fornecida uma interrupção por pólo, em alta tensão - duas ou mais interrupções.
Desvantagens das chaves de baixo nível de óleo: risco de explosão e incêndio, embora bem menor que as chaves de tanque; incapacidade de implementar fechamento automático de alta velocidade; a necessidade de controle periódico, reabastecimento, troca de óleo relativamente frequente em tanques de arco; a dificuldade de instalar transformadores de corrente embutidos; capacidade de ruptura relativamente baixa.
O campo de aplicação dos disjuntores de baixo óleo são quadros fechados de usinas e subestações de 6, 10, 20, 35 e 110 kV, quadros completos de 6, 10 e 35 kV e quadros abertos de 35 e 110 kV.
Veja aqui mais detalhes: Tipos de interruptores de óleo
interruptores de ar
Os disjuntores abertos para tensões de 35 kV e acima são projetados para interromper grandes correntes de curto-circuito. O ar é ligado à tensão de 15 kV é usado em usinas de energia como gerador. Suas vantagens: resposta rápida, alta capacidade de interrupção, queima insignificante de contatos, falta de buchas caras e insuficientemente confiáveis, segurança contra incêndio, menor peso em comparação com interruptores de óleo no tanque. Desvantagens: presença de economia de ar pesada, perigo de explosão, falta de transformadores de corrente embutidos, complexidade do dispositivo e operação.
Nos interruptores a ar, o arco é extinto com ar comprimido a uma pressão de 2-4 MPa, e o isolamento das partes vivas e do dispositivo extintor de arco é feito com porcelana ou outro material isolante sólido. Os esquemas de design dos interruptores de ar são diferentes e dependem de sua classificação de tensão, do método de criação de uma lacuna isolante entre os contatos na posição desligada e do método de fornecimento de ar comprimido ao dispositivo de extinção de arco.
Os disjuntores de alta classificação têm um circuito principal e de arco semelhante aos disjuntores MG e MGG com baixo nível de óleo. A parte principal da corrente na posição fechada da chave passa pelos contatos principais 4, que estão abertos. Quando o interruptor é desligado, os contatos principais primeiro se abrem, depois toda a corrente passa pelos contatos do arco fechados na câmara 2. Enquanto esses contatos se abrem, o ar comprimido do tanque 1 é alimentado na câmara, uma explosão poderosa é criada, extinguindo o arco. O sopro pode ser longitudinal ou transversal.
A lacuna de isolamento necessária entre os contatos na posição aberta é criada na calha de arco, separando os contatos por uma distância suficiente. As chaves conforme projeto com separador aberto são produzidas para instalação interna para tensões 15 e 20 kV e correntes até 20.000 A (série VVG). Com este tipo de interruptores, após desligar o separador 5, interrompe-se a alimentação de ar comprimido às câmaras e fecham-se os contactos de arco.
Diagramas de construção de interruptores de ar 1 — tanque para ar comprimido; 2 — calha de arco; 3 — resistor de derivação; 4 — contatos principais; 5 — separador; 6 — divisor de tensão capacitivo para 110 kV — duas quebras por fase (d)
Nos disjuntores abertos para instalação aberta para tensão 35 kV (VV-35), é suficiente haver uma interrupção por fase.
Em interruptores com tensão de 110 kV e mais, após a extinção do arco, os contatos do separador 5 abrem e a câmara do separador permanece cheia de ar comprimido o tempo todo na posição desligada. Nesse caso, o ar comprimido não é fornecido ao chute de arco e os contatos são fechados.
Os disjuntores da série VV para tensões de até 500 kV são criados de acordo com este esquema de projeto. Quanto maior a tensão nominal e maior a potência limitadora, mais interrupções devem ocorrer na calha do arco e no separador.
Os disjuntores a ar da série VVB são fabricados de acordo com o esquema de projeto da Fig., D. A tensão do módulo VVB é de 110 kV a uma pressão de ar comprimido na câmara de extinção de incêndio de 2 MPa. A tensão nominal do módulo do disjuntor VVBK (módulo grande) é de 220 kV e a pressão do ar na câmara de extinção é de 4 MPa. Os disjuntores da série VNV têm um esquema de design semelhante: um módulo com tensão de 220 kV a uma pressão de 4 MPa.
Para disjuntores da série VVB, o número de chutes de arco (módulos) depende da tensão (110 kV - um; 220 kV - dois; 330 kV - quatro; 500 kV - seis; 750 kV - oito) e para grandes módulos de disjuntores (VVBK, VNV), módulos com números duas vezes menores, respectivamente.
Disjuntores SF6
O gás SF6 (SF6 — hexafluoreto de enxofre) é um gás inerte com densidade 5 vezes maior que a do ar. A força elétrica do gás SF6 é 2-3 vezes maior que a força do ar; a uma pressão de 0,2 MPa, a rigidez dielétrica do gás SF6 é comparável à do petróleo.
No gás SF6 à pressão atmosférica, um arco pode ser extinto com uma corrente 100 vezes maior que a corrente interrompida no ar nas mesmas condições. A excepcional capacidade do gás SF6 de extinguir o arco é explicada pelo fato de que suas moléculas capturam os elétrons da coluna do arco e formam íons negativos relativamente imóveis. A perda de elétrons torna o arco instável e facilmente extinto. Em um fluxo de gás SF6, ou seja, durante o jato de gás, a absorção de elétrons da coluna do arco é ainda mais intensa.
Os disjuntores SF6 usam dispositivos de extinção de arco auto-pneumáticos (auto-compressores) onde o gás é comprimido por um dispositivo de pistão durante o disparo e direcionado para a área de arco. O disjuntor SF6 é um sistema fechado sem emissão de gás para o exterior.
Atualmente, os disjuntores SF6 são usados para todas as classes de tensão (6-750 kV) a uma pressão de 0,15 a 0,6 MPa. A pressão aumentada é usada para interruptores com classes de tensão mais altas. Os disjuntores SF6 das seguintes empresas estrangeiras provaram ser bons: ALSTOM; SIEMENS; Merlin Guerin e outros. A produção de disjuntores SF6 modernos da PO «Uralelectrotyazmash» é dominada: disjuntores de tanque da série VEB, VGB e interruptores de coluna da série VGT, VGU.
Como exemplo, considere o projeto de um disjuntor 6-10 kV LF da Merlin Gerin.
O modelo básico do disjuntor consiste nos seguintes elementos:
— o corpo do disjuntor, no qual estão localizados os três pólos, representando um "vaso de pressão", preenchido com gás SF6 a um baixo excesso de pressão (0,15 MPa ou 1,5 atm);
— acionamento mecânico tipo RI;
— painel frontal do atuador com manípulo de carregamento manual da mola e indicadores de estado da mola e do disjuntor;
— almofadas de contato para fonte de alimentação de alta tensão;
— conector multipino para conectar circuitos de comutação secundários.
Disjuntores a vácuo
A rigidez dielétrica do vácuo é significativamente maior do que a de outros meios usados em disjuntores. Isso é explicado pelo aumento do caminho livre médio de elétrons, átomos, íons e moléculas com a diminuição da pressão. No vácuo, o caminho livre médio das partículas excede as dimensões da câmara de vácuo.
Força dielétrica de recuperação de lacuna de 1/4" após corte de corrente de 1600 A no vácuo e vários gases à pressão atmosférica
Nessas condições, os impactos das partículas nas paredes da câmara ocorrem com muito mais frequência do que as colisões entre partículas. A figura mostra a dependência da tensão de ruptura do vácuo e do ar na distância entre eletrodos com um diâmetro de 3/8 « tungstênio. Com uma rigidez dielétrica tão alta, a distância entre os contatos pode ser muito pequena (2 - 2,5 cm), de modo que as dimensões da câmara também podem ser relativamente pequenas...
O processo de restaurar a força elétrica da lacuna entre os contatos quando a corrente está desligada ocorre no vácuo muito mais rápido do que nos gases.O nível de vácuo (pressão de gás residual) em dutos de arco industriais modernos é geralmente Pa. De acordo com a teoria da resistência elétrica dos gases, as propriedades de isolamento necessárias do intervalo de vácuo também são alcançadas em níveis de vácuo mais baixos (da ordem de Pa), mas para o nível atual da tecnologia de vácuo, a criação e manutenção do O nível de Pa ao longo da vida útil da câmara de vácuo não é um problema.Isso fornece às câmaras de vácuo reservas de força elétrica para toda a vida útil (20 a 30 anos).
Um projeto típico de disjuntor a vácuo é mostrado na figura.
Diagrama de blocos de um quebra-vácuo
O projeto da câmara de vácuo consiste em um par de contatos (4; 5), um dos quais é móvel (5), encerrado em um invólucro estanque ao vácuo soldado por isoladores de cerâmica ou vidro (3; 7), metal superior e inferior tampas (2; 8) ) e blindagem metálica (6). O movimento do contato móvel em relação ao fixo é assegurado por meio de uma luva (9). Os cabos da câmera (1; 10) são usados para conectá-la ao circuito do interruptor principal.
Deve-se notar que apenas metais especiais resistentes ao vácuo, purificados de gases dissolvidos, cobre e ligas especiais, bem como cerâmicas especiais, são utilizados para a fabricação do invólucro da câmara de vácuo. Os contatos da câmara de vácuo são feitos de uma composição metalocerâmica (via de regra, é cobre-cromo na proporção de 50%-50% ou 70%-30%), o que proporciona alta capacidade de ruptura, resistência ao desgaste e evita o aparecimento de pontos de solda na superfície de contato. Isoladores cerâmicos cilíndricos, juntamente com uma lacuna de vácuo nos contatos abertos, fornecem isolamento entre os terminais da câmara quando o interruptor está desligado.
A Tavrida-electric lançou um novo projeto de disjuntor a vácuo com trava magnética. Seu design é baseado no princípio de alinhar o eletroímã de acionamento e o quebra-vácuo em cada polo do disjuntor.
O interruptor fecha na seguinte sequência.
No estado inicial, os contatos da câmara do interruptor a vácuo são abertos devido à ação da mola de fechamento 7 sobre eles através do isolador de tração 5. Quando uma tensão de polaridade positiva é aplicada à bobina 9 do eletroímã, o fluxo magnético acumula na lacuna do sistema magnético.
No momento em que a força compressiva da armadura criada pelo fluxo magnético excede a força da mola de parada 7, a armadura 11 do eletroímã, junto com o isolador de tração 5 e o contato móvel 3 da câmara de vácuo, começa a se mover para cima, comprimindo a mola para parar. Nesse caso, ocorre um EMF do motor no enrolamento, o que impede um aumento adicional da corrente e até a reduz um pouco.
No processo de movimento, a armadura ganha uma velocidade de cerca de 1 m / s, o que evita danos preliminares ao ligar e elimina o ressalto dos contatos VDK. Quando os contatos da câmara de vácuo são fechados, uma folga de compressão adicional de 2 mm permanece no sistema magnético. A velocidade da armadura cai drasticamente, pois também tem que superar a força da mola da pré-carga adicional do contato 6. No entanto, sob a influência da força criada pelo fluxo magnético e pela inércia, a armadura 11 continua subindo, comprimindo a mola para o batente 7 e uma mola adicional para os contatos de pré-carga 6.
No momento do fechamento do sistema magnético, a armadura entra em contato com a tampa superior do drive 8 e para. Após o processo de fechamento, a corrente para a bobina de acionamento é desligada. A chave permanece na posição fechada devido à indução residual criada pelo anel imã permanente 10, que mantém a armadura 11 em uma posição puxada para a tampa superior 8 sem alimentação de corrente adicional.
Para abrir a chave, uma tensão negativa deve ser aplicada aos terminais da bobina.
Atualmente, os disjuntores a vácuo tornaram-se os dispositivos dominantes para redes elétricas com tensão de 6-36 kV. Assim, a participação dos disjuntores a vácuo no número total de aparelhos fabricados na Europa e nos EUA chega a 70%, no Japão - 100%. Na Rússia, nos últimos anos, essa participação teve uma tendência constante de crescimento, e em 1997 ultrapassou a marca de 50%. As principais vantagens dos explosivos (em comparação com os interruptores de petróleo e gás) que determinam o crescimento de sua participação no mercado são:
— maior confiabilidade;
— custos de manutenção mais baixos.
Veja também: Disjuntores a vácuo de alta tensão - Projeto e princípio de operação