Technologie

Czy łączniki próżniowe mogą zapewnić bezpieczną przerwę izolacyjną?

Streszczenie: W Laboratorium Urządzeń Rozdzielczych Instytutu Energetyki prowadzone były prace badawcze reklozerów, które wykazały, że nie jest możliwe zapewnienie bezpiecznej przerwy izolacyjnej przez otwarte styki łączników próżniowych. Przyczyną tego stanu mogą być zarówno procesy łączeniowe, dekondycjonujące układ stykowy w próżni, jak też brak możliwości detekcji rozszczelnienia komory  próżniowej.

Wprowadzenie  

Próżniowa technika izolacyjna i gaszeniowa jest jednym z najstarszych rozwiązań stosowanych w elektrotechnice zawodowej. Wyłączniki próżniowe są najczęściej stosowane w sieciach średnich napięć, są wciąż rozwijane, budząc chyba największe nadzieje jako alternatywne dla cieplarnianego gazu SF6, również na poziomie najwyższych napięć [1,2]. Powszechne dążenie do miniaturyzacji i bezobsługowości przy jedynym kryterium podejmowania decyzji o zakupie na podstawie najniższej ceny sprawiają, że włączniki próżniowe zdominowały energetykę zawodową na poziomie średnich napięć (rys.1).

Rys. 1. Procentowy udział nowo instalowanych wyłączników w sieciach średnich napięć na świecie w latach 1980 -2010 [1]

Dążenie do skracania zaników i zapadów napięcia, w duchu poprawiania wyznaczników jakości energii elektrycznej, sprawia, że łączniki próżniowe są chętnie wykorzystywane w sieciach dystrybucyjnych jako reklozery, które są w stanie dokonać szybkich wielokrotnych łączeń prądów zwarciowych o stosunkowo niskich wartościach, błyskawicznie odstawiając odcinek linii z zakłóceniem. Trwałość reklozerów z komorami próżniowymi jest wyraźnie większa niż rozłączników ze stykami w powietrzu. Dotyczy to zarówno łączenia prądów roboczych jak i przede wszystkim prądów zwarciowych.

Bezpieczna przerwa izolacyjna, przypisywana odłącznikom, zapewnia wyższą wytrzymałość dielektryczną między otwartymi stykami łącznika niż wytrzymałość doziemna czy między biegunami. Gwarantuje tym samym brak możliwości pojawienia się napięcia na instalacji odłączonej łącznikami z bezpieczną przerwą izolacyjną. Przebicie izolacji wyłącznika wskutek wadliwej izolacji może być katastroficznym zdarzeniem prowadzącym do śmierci obsługi lub poważnych uszkodzeń urządzeń [3]. Stan układu izolacyjnego zależy od poziomu, gęstości lub ciśnienia danego medium. Dla większości wyłączników pomiary tych wielkości możliwe są w sposób ciągły przy zastosowaniu odpowiednich przetworników lub wskaźników [4]. W wyłącznikach pneumatycznych i gazowych z SF6 mierzy się głównie ciśnienie lub gęstość gazu. W wyłącznikach mało i pełno olejowych – poziom oleju. Pomiar stanu próżni wewnątrz wyłączników próżniowych stanowi do tej pory trudność i nie jest praktycznie możliwy w sposób ciągły, podczas normalnej pracy łącznika, mimo wielu prac badawczo rozwojowych w tej dziedzinie [5,6]. Praktykowaną metodą są testy napięciowe komory próżniowej, mające na celu określenie jej wytrzymałości. Testy te jednak mogą odbywać się wyłącznie na odłączonym od systemu łączniku. Dodatkowo podczas tych testów komora próżniowa ulega kondycjonowaniu, co poprawia izolacyjność komory i jednocześnie przekłamuje wyniki pomiarów.

Rys. 2. Wytrzymałość napięciowa między stykami płaskimi w funkcji ciśnienia gazu dla różnych odległości międzystykowych

Wyładowanie łukowe w próżni

Proces palenia się łuku w wyłącznikach próżniowych przebiega zupełnie inaczej niż w środowisku gazowym. W gazie następuje dysocjacja a następnie jonizacja cząsteczek gazu, w skutek zwiększenia energii zderzeń cząsteczek gazu wywołanego wzrostem temperatury. Wzrost ciśnienia gazu zmniejsza energię zderzających się cząsteczek gazu poprzez skrócenie drogi między zderzeniami co zwiększa wytrzymałość napięciową gazowych układów izolacyjnych. W komorze próżniowej ilość gazu resztkowego jest na tyle mała, że nie jest możliwa jonizacja zderzeniowa, gdyż średnia droga swobodna, czyli droga jaką przemierzy cząsteczka gazu zanim zderzy się z inną cząsteczką, jest wielokrotnie większa od odległości międzystykowej. Ładunki, głównie elektrony, zapewniające przepływ prądu w fazie łukowej – gdy styki łącznika są otwarte, pochodzą z powierzchni elektrod- przeważnie z katody, a o wytrzymałości przerwy międzystykowej decyduje strefa przykatodowa, na którą największy wpływ mają właściwości elektrod takie jak materiał i stan powierzchni styków.

Izolacja próżniowa cechuje się bardzo szybkim wzrostem wytrzymałości dielektrycznej przerwy międzystykowej dla małych odległości międzystykowych, czyli w początkowej fazie rozchodzenia się styków, oraz stabilizacją poziomu napięcia wytrzymywanego wraz z dalszym rozchodzeniem się styków (rys. 3).  Dzięki temu wyłącznik próżniowy gasi łuk elektryczny zawsze przy pierwszym przejściu prądu przez zero oraz możliwe jest skrócenie wymaganej odległości międzystykowej w stosunku do układów gazowych.  Swoistą wadą takiego rozwiązania jest fakt, że w komorze próżniowej na tej samej powierzchni styków przebiega proces przewodzenia prądu gdy styki są zamknięte oraz palenia się łuku podczas zamykania i otwierania styków. W układach gazowych, gdzie stosowane są styki tulipanowe, funkcje przewodzenia prądu i palenia się łuku elektrycznego są rozdzielone na styki główne i opalne.

Rys. 3. Charakterystyki wytrzymałości przerwy międzystykowej układów stykowych w zależności od medium izolacyjnego. Cecha ta determinuje też budowę układów stykowych, które dla wyłączników próżniowych są stykami czołowymi (rys. 4.)
Rys. 4. Widok układów stykowych wyłączników wysokiego napięcia: gazowego – tulipanowego (a) i próżniowego – czołowego (b).

Kondycjonowanie i dekondycjonowanie 

Wytrzymałość dielektryczna przerwy międzystykowej komory próżniowej ma charakter losowy i dodatkowo silnie zależy od historii łączeniowej. Zamykanie styków łącznika wiąże się z silnym zderzeniem mas metalowych styków i ma szczególnie intensywny charakter dla styków czołowych. Takie zderzenie może prowadzić do mikro pęknięć i rozwarstwień stopów na powierzchniach styków ułatwiając tym samym emisję par metali. Zamknięcie styków w obecności dużej wartości prądu, np. zwarciowego czy przetężeniowego podczas łączenia obwodów reaktancyjnych, może prowadzić do szczepienia się styków wskutek  zapłonu łuku przed metalicznym zejściem styków prowadzącego do punktowego rozgrzania powierzchni styków. Następujące po takim zamknięciu otwarcie styków powoduje rozerwanie szczepionych styków, wprowadzając do przestrzeni międzystykowej cząstki metali oraz tworząc na powierzchni mikronierówności na kształt kraterów. Mikronierówności powstające na powierzchniach stykowych, adsorpcja gazów resztkowych, bryłki/cząsteczki metali przylepione do ekranu kondensacyjnego czy powierzchni styków a także rozwarstwienie struktury powierzchni prowadzi do obniżenia wytrzymałości dielektrycznej i może być określone jako proces dekondycjonowania komory. Proces odwrotny – kondycjonowanie, mający miejsce chociażby podczas palenia się łuku próżniowego dyfuzyjnego, prowadzi do eliminacji mikronierówności oraz wolnych nośników ładunku z przestrzeni międzyelektrodowej. Przykładowe przebiegi procesu kondycjonowania pokazano na rysunku 5. Prezentowane charakterystyki zostały wyznaczone przy zmniejszonej odległości międzystykowej ze względu na niedostateczną wartość napięcia źródła którym dysponowano.

Rys. 5. Przykładowa charakterystyka wytrzymałości dielektrycznej przerwy międzystykowej w próżni w funkcji liczby przeskoków

Charakterystyki te są zgodne z tymi spotykanymi w literaturze i zakładając, że o wytrzymałości dielektrycznej w największym stopniu decyduje strefa przykatodowa, można zaobserwować, że początkowa wartość napięcia wytrzymywanego przez komorę próżniową jest wyraźnie niższa od tej która się pojawia po wystąpieniu wielokrotnych przeskoków.

Podsumowanie

Niezwykle ryzykowne jest używanie terminu „bezpieczna przerwa izolacyjna” w kontekście łączników z komorami próżniowymi. Podobnie zresztą dla przerw w środowisku gazowym, szczególnie o podwyższonym ciśnieniu, gdzie nie jest kontrolowany poziom medium izolacyjnego. W przypadku próżni określenie takie jest tym bardziej niewłaściwe, gdyż wytrzymałość przerwy międzystykowej komór próżniowych jest silnie zależna od ich warunków pracy. Zamykanie styków łącznika a także otwieranie styków bez obciążenia  lub przy stosunkowo małych prądach, prowadzi do dekondycjonowania komory próżniowej, drastycznie obniżając wytrzymałość napięciową. To może prowadzić do występowania pojedynczych przeskoków między otwartymi stykami i impulsowego pojawiania się napięcia. Przeskoki te mogą występować bezpośrednio po przerwaniu prądu ale też znacznie później. Nie bez znaczenia jest też fakt braku możliwości oceny poziomu próżni wewnątrz komory próżniowej łącznika. W przypadku rozszczelnienia komory, ciśnienie w jej wnętrzu może mieć wartość pośrednią między ciśnieniem sprawnej komory a ciśnieniem atmosferycznym, osiągając wartości na poziomie pojedynczych paskali, czyli tzw. ‚dołek’ krzywej Paschena. Wtedy, wytrzymałość napięciowa rozrzedzonego gazu wewnątrz komory jest na tyle mała, że może dojść do trwałego snopienia, czyli przenoszenia ładunków z katody na anodę, przenosząc tym samym potencjał na drugi styk otwartego łącznika. Zjawisko takie zostało zaobserwowane podczas badań reklozera próżniowego 24 kV po kilku latach eksploatacji przeprowadzonych przez Instytutu Energetyki.

W celu zapewnienia bezpiecznej przerwy izolacyjnej podczas eksploatacji,  łącznik z komorami próżniowymi powinien współpracować z odłącznikiem, którego otwarcie gwarantuje bezpieczną przerwę izolacyjną na stykach otwartego łącznika.

Literatura:

[1] Slade P. G. The Vacuum Interrupter Theory, Design, and Application, CRC Press 2007
[2] GIGRE, “Paper 589: The Impact of the Application of Vacuum Switchgear at Transmission Voltages,” 2014.
[3] M. Lechman, P. Mański ‘Doświadczenia z uruchomienia i eksploatacji wyłącznika próżniowego na napięcie 110 kV’ Urządzenia dla Energetyki Nr. 2/2018 s. 49-55
[4] CIGRÉ Technical Brochure 167 ‘User guide for the application of monitoring and diagnostic techniques for switching equipment for rated voltages of 72,5 kV and above’, 2000.
[5] W. Chmielak and Z. Pochanke, “Analiza możliwości diagnostyki próżniowych komór gaszeniowych poprzez pomiar prądów i napięć podczas procesów łączeniowych,” 2013.
[6] W. Chmielak ‘Nowoczesne technologie w energetyce – SF6 czy próżnia”, inpe, 190, pp. 15-50, 2015

Waldemar S. Chmielak, Lidia Gruza
Instytut Energetyki – Instytut Badawczy
Laboratorium Urządzeń Rozdzielczych

Click to comment

Leave a Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

To Top