کلیدهای گازی sf6
کلیدهای قدرت:
منظور از یک کلید قدرت،وسیله ای است که بتواند مدار الکتریکی فشار قوی را در شرائط عادی و شرایط خطا (با زمان تعریف شده محدود)قطع و وصل نماید و در این حالت طوری عمل کند که خود آسیب ندیده و شبکه نیز به نحو مطلوبی کنترلشود. تقسیم بندی کلیدها از نقطه نظر محفظه قطع قوس کلیدهای فشار قوی از نقطه نظر محفظه قطع جرقه الکتریکی (ARC)به انواع مختلفی تقسیم می شود که عبارت است از : الف - کلیدهای قدرت روغنی(oil circuit breker)
ب - کلیدهای قدرت با محفظه آبی(expansion)
ج - کلیدهای قدرت قطع بادی (AIRBLAST) د- کلیدهای قدرت کم روغن (MINIMUMOIL) و- کلیدهای خلاء (VACUUM) ه- کلیدهای گازی SF6
نوع الف و ب از انواع بسیار قدیمی می باشند و هم اکنون کاربردی ندارند،کلیدهای نوع ج و د با وجود اینکه در شبکه ایران نیز وجود دارندلکن در حال خارج شدن از رده هستند و کلید نوع ه نیز در سطوح63KV به بالا کاربرد ندارند.در حال حاظر تنها کلید مطرح در ولتاژهای 63KVبه بالا کلید SF6 می باشد،لذا در این مقاله به این نوع کلیدها توجه خواهد شد. البته این موضوع مورد تاکید استانداردهای وزارت نیرو نیز می باشد.
ذیلا توضیح مختصری در مورد کلیدهای فوق عنوان می شود ولی به علت عملیات مختلف از جمله نیاز به عملیات نگهداری بیشتر ، حجم بزرگتر کلیدها ،نیاز به تعمیرات اساسی در دوره های زمان کمتر ، قابلیت اطمینان پائین تر و ارتباط زمان قطع جرقه با جریان عبوری ،به طوری که قبلا نیز عنوان گردید،در سطوح ولتاژی 63KVو بالتر منحصرا کلیدهای SF6 به کار می روند
الف - کلیدهای روغنی : در این نوع کلیدها روغن بیشتر وظیفه عایقی را بر عهده دارد واز مکانیزم خاصی برای قطع جرقه استفاده نمی شود و جرقه در اثر ازدیاد طول حادث از جدا شدن کنتاکتها از بین می رود. این کلیدها دارای فضای خالی بالای روغن هستند تا در اثر انبساط حجم روغن بعلت بخار شدن روغن در لحظات قطع اتصال کوتاه و بروز جرقه از انفجار جلوگیری می شود. ب -کلیدها با محفظه قطع آبی:
در این کلیدها از آب به عنوان ماده خاموش کننده جرقه استفاده می شود و در این کلیدها ابتدا ،حرارت جرقه موجب تبخیر و تجزیه آب می گردد و با خاموشی جرقه در نقطه صفر جریان،قطرات آب به داخل محیط یونیزه پاشیده می شود که این امر موجب خنک شدن جرقه و جذب یونهای آزاد شده و جرقه در حالت خاموش باقی می ماند. ج - کلیدهای قطع بادی:
در این کلیدها بعد از ایجاد فاصله کمی مابین کنتاکتهای کلید با دمیدن باد با سرعت بالا ، یونها و گازهای داغ از محیط خارج می شود و با خاموش شدن جرقه به طور همزمان فاصله کنتاکتها افزایش می یابد و دریچه دمش باد نیز مسدود می شود.در این کلیدها از انرژی جرقه برای خاموش کردن آن استفاده نمی شود و هوا توسط کمپرسوری دمیده می شود این کلیدها معمولا مجهز به خازنهای موازی با کنتاکتها هستند.
د - کلیدهای کم روغن: در این کلیدها روغن تنها وظیفه خنک کردن جرقه و خارج کردن یونها را بر عهده دارد و مستقیما وظیفه عایقی بین دو کنتاکت را نخواهد داشت ،نتیجتا حجم روغن در این کلید بسیار کمتر از کلید روغنی است.در این کلید در واقع محفظه جرقه حجم کمی دارد که در اثر حرارت جرقه،روغن موجود در آن بسیار گرم شده و فشار بخار متصاعد شده بسیار بالا می رود نتیجتا استقامت الکتریکی کنتاکتها در مقابل ولتاژ سیستم و ولتاژ برگشتی افزایش می یابد،همزمان با زیاد شدن فاصله کنتاکتها با محفظه بندی خاص کلید ، روغن به صورت مخصوصی در آن به جریان می افتد و موجب خنک شدن گازها در محفظه جرقه و خروج یونها از آن می شود و در فاصله زمانی کوچک اطراف نقطه صفر ، جرقه یا قوس خاموش می شود.بعضی از انواع این کلیدها به پمپ گردش روغن جهت خاموش کردن جرقه یا قوس مربوط به جریانهای کوچک مجهز می باشند. ه-کلیدهای خلاء: اصولا عاملی که باعث هدایت جریان و ایجاد قوس الکتریکی در هنگام جدا شدن کنتاکتها از یکدیگر می باشد ، حاملهای باردار یا یونها هستند،در خلاء کامل چون هیچ ماده یونیزه یا حامل باردار وجود ندارد ، لذا جدا شدن کنتاکتها بصورت تئوریک می بایستی بدون ایجاد قوس باشد،البته در عمل به علت تبخیر مختصر سطوح کنتاکتها ،محیط حامل یونها باردار ، که مناسب برقراری قوس الکتریکی است ایجاد می شود.با عبور جریان از نقطه صفر ، این ذرات معلق فلز ، سریعا سرد شده و بر روی کنتاکتها می نشینند و نتیجتا جرقه خاموش می شود. در واقع در کلید خلاء از مقاومت بالای خلاء در مقابل بازگشت ولتاژ و نبود یا کمبود ذرات هادی جریان در فضای مابین کنتاکتها استفاده می شود.در عمل این کلیدها تا ولتاژ63KV بکار می روند و- کلیدهای گازیSF6:
در کلیدهایSF6 از گاز SF6 به عنوان عایق مابین قطعات مختلف و همچنین به عنوان خاموش کننده جرقه یا قوس الکتریکی استفاده می شود.در حال حاضر کلیدهایSF6 بعنوان مطمئن ترین ومناسب ترین کلید در شبکه های فشار قوی شناخته شده و بکار می روند و می توان گفت که هیچ یک از کلیدهای دیگر قابلیت رقابت کیفی با این کلید را ندارند . نکته مهم دیگر نیز قیمت اقتصادی این کلیدها می باشد . هم اکنون در شبکه ایران ، تمام تقاضاهای جدید این نوع کلید را مد نظر دارند و یکی از شرکتهای داخلی نیز تحت لیسانس یکی از سازندگان معتبر نسبت به ساخت این کلیدها تا سطح ولتاژ 400KV اقدام می نماید
گاز SF6 در صنعت برق، به عنوان يك ماده عايقي در تجهيزات فشار قوي و در سطوح ولتاژ بالا بسيار كاربرد دارد.اگرچه SF6 خالص به لحاظ شيميايي خنثي مي باشد، اما در عين حال يك گاز گلخانه اي قوي با يك شبكه مولكولي است كه خواص آن در شرايط گرما، بسيار فراتر از دي اكسيد كربن خواهد بود. ساختمان مولکولی گاز SF6 به صورت یک هشت ضلعی است که در هر گوشه آن یک اتم فلوئور و در مرکز آن یک اتم گوگرد قرار گرفته و فاصله هر اتم از اتم فلوئور 58آنگستروم است .
n وزن اتمی این گاز برابر با 146.06و در فرمول شیمیایی آن 21.95گوگرد و 78.05فلوئور موجود است .در حالت گازی از قانون گازهای طبیعی پیروی میکند و لذا تغییر فشار فقط با تغییر درجه حرارت و آن هم در محدوده به نسبت بزرگی از آن صورت می گیرد . ویژگی فشار- حرارت گاز SF6 نمایانگر حالت تعادل بین گاز و مایع است یعنی در همان حالتی که در سیلندرهای حامل خود وجود دارد.
n SF6 يكي از نادرترين عناصر غير اكتيو در شرايط معمولي است . در يك محفظه كوارتز تا 500درجه سانتي گراد هيچ تجزيه اي روي آن صورت نمي گيرد . در درجات بالاتر از 150درجه سانتي گراد بعضي از فلزات به عنوان كاتاليزور در جهت تجزيه حرارتي به تدريج روي آن موثر واقع ميشود ، لذا بايد در انتخاب يك فلز مناسب جهت محفظه SF6 دقت لازم صورت گيرد . SF6 غير سمي ، غير قابل اشتعال و داراي خاصيت خوب حرارتي و انتقال حرارتي (1.6برابر هوا) است
گاز هگزا فلوئوريد گوگرد ( SF6) يك دي الكتريك عالي با خواص بي نظير در قطع كنندگي ( خاموش كردن ) قوس مي باشد و اين ويژگي منجر به كاربرد وسيع و موفقيت آميز در كليدهاي قدرت پستهاي گازي شده است . معرفي و شناخت آن در سال 1960بوده و تجهيزات گازي SF6 تا سال 1980ساخته شده اند . امروزه ، كاربرد اين گاز به حد مطلوبي رسيده و تعداد تجهيزات تعويضي ( تجهيزات روغني جايگزين شده با گازي ) ، افزايش يافته است . تحت شرايط ايده آل ، وقتي يك عمل تخليه در كليد رخ مي دهد ، هركدام از اتمهاي فلوئور موجود در گاز SF6 يك الكترون گرفته و از اتم گوگرد جدا مي شوند و هنگام پايان عمل ، آن الكترون بدست آورده را از دست داده و با تركيب با يك اتم گوگرد ، دوباره گاز SF6 را تشكيل ميدهد كه به اين مراحل “ خودسازي ” و يا “ خواص بازيابي ” گاز SF6 گويند . اين واكنش در تجهيزات الكتريكي گازي ( SF6 ) فشار قوي رخ ميدهد و وقتي كه ذرات ديگري از قبيل اكسيژن ، آب حاصل از آلودگي اتمسفري ، كربن موجود در مؤلفه هاي تفلوني كليد ، مس ، تنگستن موجود در كنتاكتها و همچنين آلومينيوم ، با ذرات گوناگوني كه از تجزيه SF6 بوجود آمده اند برخورد نمايد ، واكنش ميدهد علاوه بر مزاياي فوق ، تجهيزات تزريق شده با گاز SF6 ، نيازي به تعميرات و نگهداري نداشته و بدون دردسر مي باشد . شايان توجه اينكه SF6 توانسته استفاده از تجهيزات روغني را محدود سازد ، از اينرو با توجه به نياز صنعت ، دستورالعملهاي جديد مطابق با آنها ( تجهيزات گازي ) با موارد جديد بايد تطابق يابد. ايمني، نوع عملكرد آنها در خاموش كردن قوس و در نظر گرفتن اثر گلخانه اي محيط زيست اين گاز ( عدم تاثير در سوراخ شدن لايه ازن ) ، از جمله اين موارد است كه علاوه بر ايجاد تغيير كاربري قديمي گاز SF6 ، انگيزه زيادي در ارزيابي فرآيند گاز و استفاده مجدد از گازهاي ذخيره شده بوجود آورده است در استفاده از اين گاز ، كاهش هزينه تعميرات ( به جهت اينكه كليدهاي گازي در مقايسه با ديگر كليدها ، به تعميرات كمتري نياز دارند ) ، امكان مونيتورينگ اجزاء داخلي كليد و كاهش هزينه بازرسي مؤلفه هاي داخلي كليد، هزينه هاي راه اندازي در فرايندهاي گازي كم مي شود ، قابليت اطمينان بهبود ميابد ، ايمني بالا از جمله مزاياي اين گاز است
استحكام الكتريكي SF6 به اضافه خواص بالا كاربرد آن را در برق فشار قوي در دامنه بسيار گسترده اي امكان پذير ساخته است زيرا استحكام الكتريكي اين گاز در فشار يك اتمسفري و در شرايط كاملاً برابر چند برابر استحكام الكتريكي هوا يا ازت است . لذا تقليل حجم و وزن دستگاههاي مورد كاربرد SF6 از يك اندازه حد اقل برخوردار است . به عبارت ديگر ، با در نظر گرفتن يك فشار برابر براي هوا و SF6 فاصله بين دو نقطه ار سطوح پتانسيل تقليل پيدا مي كند يا با در نظر گرفتن يك استحكام الكتريكي براي اين دو فشار مورد نياز و وزن دستگاه ها كمتر ميشود و يا با در نظر گرفتن عايق روغن از نظر كاربرد نه تنها SF6 سبكتر از روغن است بلكه از نظر حجم نيز امكان بكار گيري يك حجم كوچكتر براي SF6 وجود خواهد داشت ; زيرا موقع بروز قوس الكتريكي در محفظه هاي حاوي SF6 و روغن افزايش فشار در محفظه SF6 فقط به اندازه يك عدد اعشاري خواهد بود حال آنكه فشار توليدي توسط قوس الكتريكي و احياناً تجزيه مقدار كمي از روغن سبب افزايش بسيار زياد فشار محفظه روغن ميشود هر گاز داراي يك منحني خاص خود در اين نوع است و براي مقايسه بين گازها از اين محنحني استفاده مي كنند . مقدار مينيمم ولتاژ شكست براي SF6 برابر 507 ولت در p.d = 0.00035 {bar.cm} و براي هوا 352 ولت در p.d = 0.00073{bar.cm} است
کاربرد گاز SF6 درتجهیزات فشار قوی به علت خواص عایقی وخاموش کنندگی قوی از این گاز درتجهیزات فشار قوی بسیار استفاده میشود مورد استفاده اصلی گا ز SF6 در کلیدهای قدرت یا د ژ نگتورها می باشد که این کلیدها برای قطع جریان درولتا ژ های بالا مورد استفاده قرار میگیرد از جمله مزایای این کلید عبارت است از سیکل بسته گاز در داخل محفظه کلید همراه با سرعت حرکت کم گاز که منجر به کارکرد بدون صدای این کلید می شود در داخل محفظه کلید به دنبال یک قوس الکتریکی هیچ گونه رسوب کربنی به وجود نمی اید به خاطر خاصیت عایقی خوب این گاز فواصل مجاز به طور قابل در سطح زمین همچنین زیرزمین وزیرابگیربکارمیروداین خطوط انتقال نزدیک به یکدیگرقرارداده شده و فضای مورد نیاز برای انها 0.01تا0.05 فضای مورد نیاز خطوط هوائئ میباشد ازعایق SF6 میتوان برای عایق کاری بوشینگهای فشار قوی نیز استفاده نمود استفاده از گاز SF6 میتوان در ترانسفورماتور های جریان و ولتا ژ به جای مواد عایقی مانند رزین و کاغذ میتوان مورد استفاده قرار میگیرد استفاده .قرار گیرد استفاده از گاز SF6 در ترانس های قدرت به جای روغن که خطر اتش سوزی را کاهش میدهد جایگزین خوبی برای روغن اسکارل میباشد این نو ترانس در معادن زیاد مورد استفاده قرار میگیرد استفاده از SF6 در پستهای بسته GIS است استفاده از گاز SF6 در پست های بستیه GIS افزایش مداوم تقضا برای انری الکتریکی همزمان با افزایش تراکم در مناطق مسکونی وصنعتی همراه است
معایب گاز SF6 از معایب این گاز این است که اگر بخار اب وارد محفظه شود احتمال می رود که هیدرو فلوراید تولید شود که به شدت خاصیت خورندگی مواد را دارد . تخلیه کرونا تا ثیر کمی روی تجزیه گاز SF6دارد .این گاز در دمای بالا به مایع تبدیل می شود و هزینه تولید ان زیاد است و با وجود انکه غیر سمی است انتشار ان در محیط کار مناسب نیست چرا که از هوا سنگینتر است و طبق استاندارد کشور المان حدود این گاز تا 0.001موجود در هوا بدون ضرر می باشد
اين جدول مربوط به يك كليد 161كيلوولتي و 2000آمپري از نوع SF6 تك فشار ، تانك تحت ولتاژ و با مكانيزم عملكرد فنر است كه جهت برقراري مدار يك بانك خازني 168 مگاواري ، 2 تا 3 بار در روز عمل مي كند . گازهاي نامبرده در اين جدول ، گازهائي هستند كه هنگام عملكرد يك كليد گازي SF6 ، در محفظه قطع آن كليد متصاعد ميشوند . درصد اين گازها در هر فاز قابل ملاحظه است . بعنوان مثال، 8/99% از گاز داخل محفظه فاز 1 كليد مورد نظر ، گاز SF6 است ( جمع هر ستون ، مقدار 100000 است ) . در 20 سپتامبر 1997 ، يك واحد توزيع كنترل از راه دور ، اين كليد را بكار انداخت . فاز دوم اين كليد ، دچار اشكال شد و نتوانست عمل كند و نتيجتا رله جريان زياد و رله خطاي كليد فعال شده و عملكرد اين رله ها باعث ايزوله شدن باس سكشن هائي كه نقش تغذيه كليد را بعهده داشتند، گرديد . پس از اين فاصله زماني مجاز ، مركز توزيع ( ديسپاچينگ ) قادر به برقدار كردن از راه دور باس سكشن ها، گرديد. اين شكست تاثيري در گسيختگي اين كليد قطع جريان نداشت. كليد از نظر معيوب بودن ، بازبيني شد . فشار گاز در تمام فازها نرمال بود و بعد از آخرين عمل وصل كليد ، فنرها دشارژ شدند . تمامي آزمايش ها ، عايقي ، زمانبندي، عملكردها و مقاومت كنتاكتها با نتايج رضايت بخشي بدست آمد و هيچ مشكلي در كليد مشاهده نشد
کلید با چندین محفظه قطع با افزایش ولتا ژخط و جریان عیب لازم است تا فاصله بین کنتاکتهای ثابت و متحرک متناسب با مقدار ولتاژ افزایش یافته و محفظه قطع توسعه یابد که این باعث افزایش طول مسیر حرکت کنتاکت متحرک و زمان طی ان افزایش یافته و مدت برقراری قوس و قطع جریان عیب راطولانی تر میکند برای جلوگیری از این از کلید با چند محفظه قطع که با هم به طور سری قرار میگیرندکه این باید دارای شرایط زیر باشد 1.حرکت کنتاکتهای متحرک در کلیه محفظه های قطع به طور همزمان باشند 2.ولتاژ تقسیم شده روی محفظه های قطع با هم برابر باشند برقراری شرط اول بستگی به شرایط مکانیکی کلید دارد ولی شرط دوم بستگی به شرایط خازنی محفظه های قطع و مشخصات الکتریکی ستون مقره دارد که این شامل ظرفیت خازنی کلید (ck)و ظرفیت خازنی فاز با زمین (ce)داردبرای توزیع یکنواخت ولتا ژخازنهایی که ظرفیت انها بین چندصد تا 3000PF تغییر میکند و به طور موازی با محفظه قطع وصل میشود در این خاصیت خازنی موجود بین کنتاکتها قطع که در حدود 30-60PFمیباشد فوق العاده افزایش می یابد که تقسیم و توزیع یکسان ولتا ژرا ممکن میسازد در پاره ای از کلیدها از مقاومتهای چندصد کیلو اهم به جای خازن استفاده می شود
تعییین مقدار خازن موازی برای توزیع یکنواخت ولتا ژ چنانچه CKظرفیت خازنی موازی نصب شده با هر یک از محفظه های قطع و Cg خازن معادل ظرفیت خازنی نقطه وسط محفظه های قطع با زمین فرض شود ضریب توزیع یکنواخت ولتاژ از رابطه زیر بدست می اید K=2*U1/U K=2*(ck+cg)/2ck+cg مثال:اگریک کلیدSF6 بدون خازن موازی را در نظر بگیریم اگر ظرفیت خازنی بین کنتاکتهای کلید CK=100Pfباشد و مقدار100pf cg= باشد در اینصورت ضریب توزیع ولتا ژ u2=0.33u u1=0.67u k=1.34
و اگر یک خازن ck=1300pfبا کلید موازی کنیم ضریب توزیع ولتا ژ
u1=u2=0.50u k=1.036
نصب مقاومت موازی با محفظه قطع کلید
به طور کلی نصب مقاومت موازی از دو نظر در کلیدهاانجام می شود 1.کاهش دامنه موجهای اضافه ولتا ژ ناشی از قطع و وصل کلید 2.افزایش قدرت قطع کلید که این مقاومت از طریق یک سری کنتاکت موقع وصل و قطع کلید وارد مدار می شوند که نوع این مقاومتها از سرامیکی یا فلزی که نوع فلزی میتواند از نوع فنری یا صفحه ای باشد و نوع سرامیکی به شکل صفحات بشقابی که داخل ستون مقره قرار می گیرد و نوع مقاوتها باید دارای اندوکتانس خیلی کم باشد که مقاوتهای جدید از نوعی بتن خاص ساخته می شود با نامbetelaکه این به صورت استوانه به ابعاد 25*100cmساخته می شود
تعیین مقدار مقاومت به منظور افزایش قدرت قطع کلید که مقدار این مقاومت بر اساس سرعت افزایش ولتا ژ مقاوم کلید(Sp) صورت می پذیرد Rp n روشهاي رايج براي بازرسي نشتي SF6 ، شامل استفاده از صابون است كه با اين عمل، در صورت وجود نشتي، حبابهاي گاز در محل نشتي ظاهر مي شوند و بدين ترتيب نشتي تشخيص داده مي شود. اين روش نسبتا" زمان بر بوده و بدليل اينكه لازم است تا تجهيزات مورد بازرسي بي برق گردند، پر هزينه مي باشد. n اخيرا" مؤسسهEPRI براي تشخيص نشتي گاز SF6 ، روش جديدي مبتني بر استفاده از دوربين “GasVue”،براي انجام بازرسي در محل تجهيزات ارائه نموده است. دوربين ليزري“GasVue” يك فناوري جديد در بازرسي و آشكار سازي نشتي گاز SF6مي باشد. اساس كار اين دوربين بر تركيب Co2laser (قسمتي كه طول موجهاي مادون قرمز را براي جذب و شناسايي SF6هماهنگ مي نمايد)با يك سيستم تصويري مادون قرمز مي باشد و بدين ترتيب، امكان مشاهده نشتي SF6 كه براي چشم غير مسلح و ديگر تجهيزات بازرسي بصري، غير محسوس است، فراهم مي گردد. n اين دوربين با سرعت و دقتي فراوان و بي نياز از خروج تجهيزات تحت بازرسي از حالت بهره برداري، حتي نشتي ناشي از يك سوراخ ريز را نشان مي دهد. استفاده از اين دوربين سبب ميگردد كه شركتهاي برق، نشتي هاي مربوط به گاز SF6 را سريعتر و صحيحتر از روشهاي رايج تشخيص دهند. در نتيجه با استفاده از اين سيستم، هزينه هاي مربوط به عيب يابي كاهش يافته و ميزان اتلاف گاز SF6 نيز كمتر مي گردد. n بعلاوه مي توان نشتي روي سطوحي را كه به سختي در دسترس مي باشند شناسايي كرد و نيز با توجه به ساير تكنيكها، حتي طيفهاي ضعيف گاز و يا نشتيهاي پالسي را كه در حال خروج هستند، نشان داد. دوربين مذكور، ايمني عمليات بازرسي را بهبود مي بخشد چرا كه كاربر دوربين مي تواند از يك فاصله امن از تجهيزات و نيز در ارتفاع معيني از زمين كه عموما" بر روي نردبانها و چوب بستها مي باشد، عمل بازديد را هدايت نمايد. n براي آشكار سازي نشتي گاز SF6 در كليدها و ديگر تجهيزات يك پست در ايالت ايلي نويز( آمريكا) ، بجاي آزمايشات مرسوم، از دوربين ليزري“GasVue” استفاده گرديد. با صرف نظر از هزينه هاي مشترك بين اين روش و آزمايشهاي مرسوم حبابي(صابوني)، برآورد بعمل آمده نشان داد كه هزينه صرفه جويي شده به واسطه اين روش كاربردي ساده، معادل 12 هزار دلار مي باشد. پس از سرمايه گذاري مؤسسه EPRI در امر پيشرفت دوربين مورد نظر، شركت "اديسون" در نيويورك، در چند نوبت از ماه، از اين دوربين استفاده كرده است.همچنين شركت برق آفريقاي جنوبيEskom از اين دوربين در چهار پست خود استفاده كرده است