Naslovna strana Nevena - amforum.orgamforum.org/site/journal/master.pdf · Master rad...

Elektrotehnički fakultet Univerziteta u Beogradu Energetski odsek Katedra za elektroenergetske sisteme

Master rad

“Dijagnostička ispitivanja savremenih SF6 prekidača u prenosnoj mreži Srbije”

Меntor: Dr. Zlatan Stojković red. prof.

Каndidat: Predrag Radosavljević 10/3446

Beograd, septembar 2013.

Sadržaj

1. Uvod

2. Konstrukcija i princip rada savremenih visokonaponskih SF6 prekidača 2.1. Prekidna jedinica 2.2. Pogonski mehanizam 2.3. Električne šeme delovanja komande i signalzacije

3. Naprezanje prekidača pri prekidanju struje

3.1. Termička i dielektrična naprezanja prekidača pri prekidanju struja kratog spoja

3.2. Prekidna moć prekidača 3.3. Tranzijentni prenaponi pri prekidanju struje kratkog spoja 3.4. Prekidnje malih kapacitivnih struja 3.5. Faktor prvog pola

4. Dijagnostičke metode za procenu stanja prekidača

4.1. Ispitivanje mehaničkih parametara prekidača 4.1.1. Merenje operacionih vremena glavnih kontakata 4.1.2. Merenje jednovremenosti prekidnih mesta jednog pola 4.1.3. Merenje jednovremenosti glavnih kontakata između polova 4.1.4. Merenje jednovremenost signalnih i glavnih kontakata 4.1.5. Snimanje hodograma glavnih kontakata 4.1.6. Snimanje hodogram prigušnog mehanizma

4.2. Ispitivanje električnih parametara prekidača. 4.2.1. Snimanje dinamičkog otpora glavnih kontakata 4.2.2. Merenje prelaznog otpora glavnih kontakata 4.2.3. Snimanje struje kalemova za uključenje i isključenje 4.2.4. Snimanje struje motora pogonskog mehanizma

5. Ispitivanje SF6 gasa

5.1. Karakteristike SF6 gasa 5.2. Rukovanje SF6 gasom 5.3. Kontrola pritiska 5.4. Detekcija curenja 5.5. Kontrola fizičko-hemijskih karakteristaka SF6 gasa

5.5.1. Ispitivanje čistoće (odnos SF6/N2) 5.5.2. Ispitivanje vlažnosti 5.5.3. Ispitivanje korozivnosti

5.6. Toksičnost SF6 gasa u kome je goreo električni luk 5.7. Ocena kvaliteta SF6 gasa za upotrebu u prekidačima

6. Zaključak

7. Ispitne liste prijemnih ispitivanja prekidača

8. Literatura

Master rad “Dijagnostička ispitivanja savremenih SF6 prekidača u prenosnoj mreži Srbije“

- 1 -

Uvod

Od 2001. godine započeta je rekonstrukcija prenosnih kapaciteta u prenosnoj mreži elektoenergetskog sistema Srbije. U okviru rekonstrukcije transformatorskih stanica (TS) došlo je do zamene starih malouljnih prekidača snage novim SF6 prekidačima koji se danas dominantno primenjuju na naponskim nivoima iznad 110kV. Razlog za masovnu primenu savremenih visokonaponskih (VN) SF6 prekidača jeste njihov dugačak životni vek i nizak nivo potrebe za preventivnim održavanjem. Prekidači snage predstavljaju jedan od najvažnijih elemenata elektroenergetskog sistema jer je prekidač visokonaponski aparat koji štiti mrežu od kratkih spojeva. Pouzdanost prekidača je veoma važna jer od nje zavisi i rad VN opreme, koju on štiti. Iz tog razloga neophodno je sprovoditi redovni monitoring i preventivno održavanje tokom celog životnog ciklusa. Zajedno sa novim SF6 prekidačima javlja se i novi koncept njihovog održavanja koji se zasniva na “OFF LINE“ dijagnostikovanju stanja prekidača. “OFF LINE“ dijagnostijovanje znači da se merenja na prekidaču sprovode kada je prekidač isključen sa EES-a i stavljen van pogona tj. u beznaponskom stanju. Tradicionalan način monitoringa prekidača baziran je na periodičnom pregledu, redovnom održavanju, servisiranju i revizijama prekidača u unapred definisanim, fiksnim intervalima vremena. Savremeni metod održavanja prekidača se zasniva na kriterijumu procene stanja prekidača za razliku od dosasašnjeg koncepta koji se zasnivao na kriterijumu vremena i koji se primenjivao kod starih malouljnih prekidača. Prema internacionalnom standardu IEC 62271-100 dijagnostička ispitivanja predstavljaju ispitivanja karakterističnih parametara prekidača u cilju potvrđivanja ispravnosti njihovih funkcija. Izvode se merenjem jednog ili više parametara, a rezultati ovih ispitivanja mogu uticati na odluku o remontu prekidača. Osnovni elementi tehnike dijagnostikovanja stanja prekidača su:

• parametri prekidača na osnovu kojih se procenjuje njihovo stanje • metode za merenje tih parametara • tumačenje izmerenih rezultata

U radu su opisane konstruktivne karakteristike savremenih SF6 prekidača. U prenosnim mrežama na visokom naponu danas se koriste kompresioni SF6 prekidači koji su dizajnirani da pouzdano prekidaju struju kratkog spoja pri njenom prolasku kroz nulu tako da ne stvaraju prenapone pri gašenju luka. Da bi mogli da procenimo stanje prekidača neophodno je da znamo njihov princip rada i kako izmereni parametri koji su predmet monitoringa utiču na rad prekidača. Takođe u radu su predstavljene i praktične metode i instrumenti za dijagnostikovanje njihovog stanja. Za svaku metodu tj. parametar koji se meri argumentovano je zašto je baš on izabran kao pokazatelj stanja prekidača. Pored toga dati su i praktični kriterijumi za ocenu rezultata merenja i prikazani su realni rezultati sprovedenih merenja. SF6 gas poseduje karakteristike koje ga čine odličnim medijumom za gašenje električnog luka. Upotreba SF6 gasa za sobom povlači bezbednosne i ekološke rizike. Pogotvo je opasan SF6 gas koji je bio izložen visokoj temperaturi, usled gorenja električnog luka. Zbog toga se posvećuje posebna pažnja kontroli i analizi SF6 gasa.


- 2 -

2. Konstrukcija i princip rada savremenih SF6 prekidača Masovna primena savremenih SF6 prekidača u EES-u Srbije traje duže od 10 godina i za to vreme su se pokazali kao veoma pouzdani a proizvođači deklarišu da im je životni vek duži od 30 godina. Do sada nije poznat ni jedan otkaz savremenog SF6 prekidača i samo nekoliko slučajeva manjih kvarova mehaničke prirode koji nisu ugrožavali rad ostale VN opreme. Životni vek prekidača u najvećoj meri zavisi od broja isključenja struja kratkog spoja i može se aproksimirati sumom proizvoda broja prekinutih struja kratkog spoja i vrednosti struja kratkog spoja:

200002 ≤⋅∑ In (1) n - broj prekinutih struja, I - struja kratkog spoja u kA. Osnovni elemeti savremenih SF6 prekidača su:

• prekidna jedinica koja predstavlja izolovanu komoru za gašenje luka, • pogonski mehanizam koji akumulira i predaje energiju kontaktima za njihovo

uključenje i isključenje i • upravljačko-signalni orman u kome se nalaze signalni elemnti za indikaciju položaja

prekidača i releji zaštitnih funkcije koje obezbeđuju pouzdano uključenje i isključenje prekidača.

2.1. Prekidna jedinica prekidača Prekidnu jedinicu prekidača čini komora za gašenje luka u kojoj se nalaze pokretni i nepokretni kontakti. Komora je smeštena u kućištu keramičkog izolatora koji obezbeđuje izolaciono rastojanje između primarnih priključaka prekidača. Prekidači naponskog nivoa 110kV i 220kV imaju jednu prekidnu jedincu, tj. jedno prekidno mesto po polu. Dok su 400kV prekidači modularnog rešenja, redna veza dve prekidne jedinice od 220kV. Modularno rešenje sa dva prekidna mesta po polu je praktičnije i ima bolje performanse po pitanju prekidanja struje. Dva prekidna mesta koja se istovremeno otvaraju će dvostruko brže da uspostave istu dielektričnu čvrstoću nego jedno prekidno mesto sa dvostruko većim međukontaktnim rastojanjem. Izolaciju unutar komore obezbeđuje SF6 gas odgovarajućeg pritiska koji ima i ulogu da ugasi tj. ohladi električni luk. Na slici br. 1 je dat poprečni presek kompresionog tzv. “puffer“ SF6 prekidača. Energiju za kompresiju SF6 gasa stvara motorno-opružni pogon prekidača koji povlači naniže pokretni kontakti pri operaciji isključenja prekidača. Osnovni delovi komere za gašenje luka su:

• nepokretni kontakt, • pokretni kontakt, • mlaznica za usmeravanje SF6 gasa, • nepovratni ventili.

Nepokretni kontakt je učvršćen za gornji primarni priključak prekidača i ima glavne kontakte i lučni kontakt. Uloga lučnih kontakata je da se na njima odvija gorenje električnog luka pri prekidanju struje. Dok glavni kontakti provode struju u uključenom stanju prekidača. Glavni kontakti su u obliku cilindra u kome je koncentrično smešten lučni kontakt u obliku pina. Glavni i lučni nepokretni kontakti su iste dužine.


- 3 -

Slika br. 1: Poprečni presek prekidne jedinice kompresionog SF6 visokonaponskog prekidača

Pokretni kontakt ujedno predstavlja i kompresioni cilindar u kome se vrši kompresija SF6 gasa pri isključenju prekidača. Glavni pokretni kontakti se konusno sužavaju tako da pri uključenju prekidača ulaze u glavne nepokretne kontakte. Lučni pokretni kontakt je takođe smešten koncentrično unutar glavnih pokretnih kontakata ali je i on sam cilindričnog oblika tako da u njega ulazi lučni nepokretni kontakt pri uključenju prekidača. Lučni pokretni kontakt je duži od glavnih pokretnih kontakat. U komori za gašenje luka imamo dve mlaznice. Izolaciona mlaznica, od teflona (PTFE) koja uma ulogu da usmerava SF6 gas pod pritiskom da struji preko nepokretnog lučnog kontakta. Izolaciona mlaznica se nalazi na vrhu glavnih pokretnih kontakata tako da se gorenje električnog luka odvija u njoj. Metalna mlaznica se nalazi na vrhu lučnog pokretnog kontakta i usmerava SF6 gas pod pritiskom untar lučnog pokretnog kontakta. Time se obezbeđuje dvostrano gašenje električnog luka. Nepovratni ventili se zatvaraju kad je veći pritisak ispred njih nego pritisak iza njih i obrnuto otvaraju kada pritisak iza njih nadvlada pritisak ispred njih. Time se obezbeđuje mehanizam kompresije SF6 gasa u kompresionom cilindru (pokretnom kontaktu) prilikom isključenja prekidača i punjenje kompresionog cilindra novim, svežim SF6 gasom pri uključenju prekidača. Na slici br. 2 je prikazan mehanizam kompresije SF6 gasa i gašenje luka kod “puffer“ prekidača. Tokom razdvajanja kontakata lučni nepokretni kontakt zapušuje mlaznicu a time i kompresioni cilindar sa gornje strane. Sa donje strane kompresioni cilindar zapušuju nepovratni ventili jer oni imaju fiksan položaj. Nakon razdvajanja lučnih kontakata dolazi do paljenja električnog luka. Gorenje električnog luka takođe začepi izolacionu mlaznicu. Pritisak u kompresionom cilindru raste od momenta pokretanja kontakta pa sve dok struje električnog luka prirodno ne prođe kroz nulu. U tom momentu prečnik luka se smanjuje, mlaznica se otpušuje i SF6 gas pod pritiskom struji preko luka hladeći ga. Na taj način je omogućeno da gašenje luka traje dokle god električni luk postoji i da je maksimalna kompresija SF6 gasa postignuta u momentu kada je luk najlakše ugasiti, pri prirodnom prolasku struje kroz nulu.


- 4 -

Na slici br. 3 je prikazan porast pritiska SF6 gasa u kompresionom cilindru u zavisnosti od struje prekidanja. Sa slike br. 3 vidimo da je pritisak SF6 gasa koji stvara kompresija pod dejstvom mehaničke energije motorno-opružnog pogona, dvostruko veći od nominalnog pritiska punjenja prekidača. Kao što se dešava pri isključenju prekidača bez prekidanja struje. U slučaju prekidanja velikih struja kratkog spoja pod dejstvom električnog luka dolazi do kompresije koja stvara i više od četri puta veći pritisak SF6 gasa od nominalnog pritiska punjenja prekidača. Zaključujemo da će snaga gašenja luka biti veća ukoliko je veća i struja koja se prekida. Zato “puffer“ prekidači mogu da prekinu struju i do 80kA na naponskom nivou od 220kV. Pri prekidanju malih struja, reda nekoliko stotina ampera električni luk ne može da stvori dovoljno dodatnu kompresiju SF6 gasa. Snaga gašenja luka slična kao pri isključenju prekidača bez opterećenja jer energiju za gašenje luka dominantno stvara mehanička kompresija pod dejstvom motorno-opružnog pogona. Mana “puffer“ prekidača je što trpe velika mehanička naprezanja pri zaustavljanju kontakata jer motorno-opružni pogon koji ih pokreće ima veliku energiju. Velika energija motorno-opružnog pogona je neophodna da bi se pri prekidanju velikih struja kratkih spojeva savladala sila kompresije SF6 gasa pod dejstvom električnog luka u kompresionom cilindru koja teži da se oslobodi i da vrati pokretni kontakt u prvobitni položaj tj. da uključi prekidač. Zato se u elektroenergetskom sistemu (EES-u) Srbije koriste autokompresioni (tzv. “autopuffer“ ili “self-blast“) SF6 prekidači.

Slika br. 2: Kompresija SF6 gasa kod “puffer“ prekidača pri gašenju luka


- 5 -

Slika br. 3: Pritisak SF6 gasa u kompresionom cilindru pri prekidanju struje k.s. od 40kA

(55% jednosmerne komponente) i pri isključenju bez prekidanja struje

Kod autokompresionih SF6 prekidača kompresioni cilindar je podeljen na dva dela. Na autokompresioni cilindar čija se zapremina ne menja tokom isključenja prekidača i na kompresioni cilindar čija se zaprmeina smanjuje tokom isključenja prekidača kao kod puffer prekidača, kao na slici br. 4 . Samokompresioni ventil i dopunjujući ventil su nepovratni ventili koji rade na istom principu kao kod puffer prekidača. Dok ventil nadpritiska ima oprugu koja dozvoljava otvaranje ventila tek kada pritisak iznad njega nadvlada silu opruge. Kompresija u autokompresionom cilindru nastaje pod dejstvom termičke energija koju stvara električni luk. Dok kompresia u kompresionom cilindru nastaje pod dejstvom mehaničke energije koju stvara motorno-opružni pogon. Pre paljenja električnog luka u autokompresionom i kompresionom cilindru vlada isti pritisak. Nakon paljenja luka u autokompresionom cilindru pritisak raste i samokompresioni ventili se zatvaraju. Dalje pri otvaranju kontakata prekidača, kada pritisak u kompresionom cilindru nadvlada silu opruge na ventilima nadpritiska dolazi do opadanja pritiska u kompresionom cilindru. Time je obezbeđeno da pritisak u kompresionom cilindru ne može da poraste iznad vrednosti koja se ima kao pri isključenju prekidača bez prekidanja struje. Tako da kompresija u kompresionom cilundru pravi minimalan mehanički otpor motorno-opružnom pogonu pri isključenju prekidača. Na taj način je smanjena potrebna energija motorno-opružnog pogona u odnosu na puffer prekidače i do 50% pa samim tim i mehaničko naprezanje prekidača pri zaustavljanju kontakata. Sa druge strane kod autokompresionih prekidača je još više izražena zavisnost snage gašenja luka od vrednosti struje koja se prekida pri prekidanju velikih struja kratkog spoja. Jer se kompresija u autokompresionom cilindru stvara samo termičkim putem jer je zapremina autokompresionog culindra nepromenljiva tokom isključenja prekidača. Pri prekidanju malih struja kod kojih se ne stvara velika kompresija usled termičkog efekta autokompresioni prekidače rade isto kao i kompresioni SF6 prekidači.


- 6 -

U tom slučaju samokompresioni ventili nemaju nikakvu ulogu tj. ne zatvaraju se pa vlada isti pritisak u kompresionom i samokompresionom cilindru.

Slika br. 4: Poprečni presek prekidne jedinice autokompresionog SF6 visokonaponskog prekidača

Slika br. 5: Kompresija SF6 gasa kod “self-blast“ prekidača pri gašenju luka


- 7 -

Slika br. 6: Kompresija SF6 gasa kod “self-blast“ prekidača sa oba pokretna lučna kontakta

(tzv. double-motion prekidači)

Autokompreioni prekidači najvišeg naponskog nivoa 420kV i više su dizajnirani da im se i gornji i donji lučni kontakt pokreću (razdvajaju) pri isključenju prekidača, kao na slici br. 6 . Zato se takvi prekidači zovu “double-motion“ prekidači i kod njih imamo brže uspostavljanje dielektrične čvrstoće međukontaktnog prostora nakon gašenja električnog luka. Prekidna moć autokompresionih prekidača je do 50kA na naponsnkom nivou od 420kV. Iz svega navedenog zaključujemo da su VN prekidači dizajnirani da prekidaju struju pri njenom prirodnom prolasku kroz nulu jer se u tom momentu stvara najveća kompresija SF6 gasa pa se ima i najveća snaga gašenja električnog luka. Dakle kompresija SF6 gasa raste od momenta pokretanja kontakata pri isključenju prekidača pa do momenta gašenja luka tj. do prvog prolaska struje kroz nulu od momenta razdvajanja lučnih kontakata. Ukoliko u tom prvom prolasku struje kroz nulu nakon razdvajanja lučnih kontakata ne dođe do gašenja luka struja se neće ni prekinuti. Jer je kompresija SF6 gase dostigla svoj maksimum i nadalje ne može više da poraste. Za razliku od malouljin prekidača kod kojih gašenje luka nastaje tek nakon više uzastopnih prolazaka struje kroz nulu od momenta razdvajanja lučnih kontakata, kada su kontakti razmaknuti na dovoljnom rastojanju i obezbedili dovoljnu dielektričnu čvrstoću. U prilog tome dati su realni snimci prekidanja struja kratkih spojeva koje su zabeležili snimači događaja (“fault recorder“-i) u mikroprocesorskim jedinicama relene zaštite. Na slici br. 7 je dat realan snima prekidanja struje kratkog spoja reda veličine 5 kA na dalekovodu 220kV (dalekovd br. 250, pravac TS BG5 – TS Obrenovac, 12.4.2013. u 12:45). Kvar na dalekovodu je izazvao kratak spoj u fazi “L2“ pri čemu je napon pao na oko 100 kV i došlo je do pobude mikroprocesorske distantne zaštite (tipa Siemens 7SA612) u prvom stepenu, gledano sa TS BG5 samo u toj fazi. Kvar je isključio novougrađeni SF6 prekidač (tipa AREVA GL 311 F3) čije je deklarisano vreme isključenja 35ms. Sa dijagrama na slici br. 7 vidimo da je vreme otvaranja pomoćnih kontakata prekidača oko 38ms (končanica žute boje) od momenta davanja naloga za isključenje (končanica plave boje) i da posle toga pri prvom prolasku struje kroz nulu dolazi do prekidanja struje kratkog spoja. Dakle vreme prekidanja struje kratkog spoja je oko 45ms.


- 8 -

Slika br. 7: Realan snimak prekidanja struje na dalekovodu u fazi “L2“ sa SF6 prekidačem naponskog nivoa 220kV

Slika br. 8: Realan snimak prekidanja struje na dalekovodu u fazi “L3“ sa malouljnim prekidačem naponskog nivoa 110kV


- 9 -

Na slici br. 8 je dat realan snimak prekidanja struje kratkog spoja reda veličine 5kA na dalekovodu 110kV (dalekovd br. 131/2, pravas TS Pančevo 1 – TS BG33, 7.7.2013. u 15:23). Kvar na dalekovodu je izazvao kratak spoj u fazi “L3“ pri čemu je napon pao na oko 50kV i došlo je do pobude mikroprocesorske distantne zaštite (tipa ABB REL 670) u prvom stepenu, gledano sa TS Pančevo 1, samo u toj fazi. Kvar je isključio stari malouljni prekidač (tipa MINEL VPS) čije je deklarisano vreme isključenja 40ms. Sa dijagrama na slici br. 8 vidimo da je vreme otvaranja pomoćnih kontakata prekidača oko 43ms (končaniva žute boje) od momenta davanja naloga za isključenje (končanica plave boje). Do prekidanja struje kratkog spoja dolazi posle trećeg prolasku struje kroz nulu nakon razdvajanja kontakata prekidača. Vreme prekidanja struje kratokg spoja u ovom slučaju, malouljnim prekidačem iznosi oko 68ms. 2.2. Pogonski mehanizam prekidača Pogonski mehanizam VN SF6 prekidača koji se primenjuju u EES-u. Srbije je motorno opružnog tipa. To znači da se energija za pokretanje kontakata prekidača dobija iz mehaničkih opruga koje navija električni motor. Pogonski mehanizam je smešten u komandni orman prekidača koji se nalazi na čeličnoj nosećoj konstrukciji prekidača. Veza između prekidne jedinice i pogonskog mehanizma prekidača je ostvarena preko horizontalnog pogonskog vratila i bregastih pogonskih osovina. Prilikom transporta prekidača prekidna jedinica i pogonski mehanizam su odvojeni a na mestu ugradnje se vrši montaža horizontalnog vratila i njihovo povezivanje (kuplovanje). Osnovni zadatak motorno opružnog pogona je da u oprugama akomulira dovoljno energije da prekidač može izvršiti ciklu: isključenje-0,3s-uključenje-isključenje tzv. OCO ciklus (OPEN-0,3s-CLOSE-OPEN) bez ponovnog navijanja opruge i da obezbedi prenos eneregije iz opruga na kontakte da bi se oni otvarali i zatvarali u deklarisanom vremenu tj. prema dizajniranim brzinama.

Slika br. 9: Motorno opružni pogon prekidača sa fleksionom helkoidnom oprugom


- 10 -

Slika br. 10: Motorno opružni pogon prekidača sa torzionom spiralnom oprugom

Na slikama br. 9 i br. 10 su prikazani motorno opružni pogonski mehanizmi prekidača za dva različita tipa opruga sa osnovnim elementima:

1. bregasta pogonska osovina, 2. opruga za isključenje, 3. kalem za uključenje, 4. električni motor, 5. amortizer pri uključenju, 6. kalem za isključenje, 7. amortizer pri isključenju, 8. opruga za uključenje.

Motor za navijanje opruge je električni DC motor ili asinhroni monofazni motor. Njegov zadatak je da posredstvom zubčanika i lanaca sabije oprugu za uključenje. Upravljanje motorom vrši signalna sklopka opruge za uključenje. Automatski se startuje kada je opruga razmotana i automatski se zaustavlja kada je opruga namotana. Dakle električni motor posredstvom mehaničkog sklopa električnu energiju prenosi u potencijalnu energiju akumulisanu u opruzi za uključenje. Opruga za uključenje akumulira energiju za uključenje prekidača i za sabijanje opruge za isključenje. Zato je opruga za uključenje veća od opruge za isključenje.


- 11 -

Pri oslobađanju opruge za uključenje posredstvom pogonskih vratila i osovina njena energija se troši na zatvaranje kontakata prekidača i istovremeno sabijanje opruge za isključenje jer prekidač mora biti spreman na isključenje odmah po uključenju. Kalem za uključenje je elektromagnetna kotva za jednosmerni napon. Njegovm pobudom se izdaje nalog za uključenje prekidača. Tada elektromagnet privlači kotvu i oslobađa kočnicu bregastog zamajca koji se pod dejstvo opruge za uključenje okreće i gura pogonske osovine i vratila da zatvori kontakte prekidača. Amortizer za uključenje je hidraulični (uljni) amortizer čija je uloga da zaustavi kontakte pri uključenju. U suprotnom došlo bi do sudara pokretnog i nepokretnog kontakta i do njihovog mehaničkog oštećenja. Amortizer za uključenje nije mehanički povezan sa kontaktima prekidača tj. pogonskim vratilom već je u mehaničkoj vezi sa bregastim zamajcem i usporava njegovo kretanje na kraju hoda tj. pri završetku kretanja pokretnog kontakta prekidača. Opruga za isključenje je uvek fleksionog helkoidnog tipa i može da se nalazi u samom ormanu pogonskog mehanizma ili van njega direktno vezana za bregastu osovinu na polu prekidača (kao na slikama br. 9 i 10). Ona ima zadatak samo da otvori kontakte prekidača. Kada je prekidač uključen ona je uvek sabijena i spremna da isključi prekidač. To je postignuto direktnom mehaničkom vezom između kontakata prekidača i opruge za isključenje. Kalem za isključenje je fizički identičan kao i kalem za uključene. Ali je njegov zadatak da po pobudi njegova kotva oslobodi kočnicu pogonskog mehanizma. Kada se pogonski mehanizam oslobodi opruga za isključenje ga momentalno povlači i pomera kontakte u smeru isključenja (naniže). Na prekidaču uvek postoje dva kalema za isključenje i jedan drugome predstavljaju 100% reduldansu. Amortizer za isključenje je takođe uljni tj. hidraulični amortizer i ima zadatak da zaustavi kontakte pri isključenju tj. da apsorbuje energije iz opruge za isključenje koja se ne koristi za savladavanje kompresije SF6 gasa u prekidaču prilikom razdvajanja kontakata. Amortizer za isključenje je direktno mehanički vezan sa pogonskim mehanizmom tj. kontaktima prekidača. Današnji proizvođači prekidača smatraju da su motorno opružni pogoni najpouzdaniji tipovi pogonskog mehanizma prekidača jer se sastoje od malog broja elemenata i njihov rada ne zavisi od ambijentalnih uslova tj. ne utiču na zahtevane performanse. Deklariše se da je životni vek motorno opružnog pogona prekidača veći od 10.000 operacija uključenja. 2.3. Električne šeme delovanja komandovanja i signalzacije prekidačem Osnovni strujni krugovi upravljanja radom prekidača su:

• komanda uključenja prekidača, • komanda isključenja prekidača od prvog kalema, • komanda isključenja prekidača od drugog kalema, • kontrola pritiska SF6 gasa prekidača i nesimetrije polova, • komanda motorom za navijanje opruge.

Šema delovanja komade uključenja prekidača je data na šemi br. 1. Kalemovi za uključenje polova faze A, B i C imaju oznaku –Y1LA, –Y1LB, –Y1LAC respektivno. Komanda za uključenje prekidača je uvek tropolna tj. sva tri pola istovremeno dobijaju komandu za uključenje bez obzira da li je prekidač tropolni ili jednopolni. Da bi se pobudili kalemovi za uključenje moraju biti ispunjeni određeni uslovi:

• pre svega da je prekidač isključen tj. da su pomoćni kontakti u sva tri pola: -S1LA, -S1LB i –S1LC zatvoreni (na šemi br. 1 u kolonama br. 2, 3 i 5),


- 12 -

• da su namotane opruge za uključenje prekidača kako bi rele –K12 zatvorio svoje kontakte 13-14, 23-24, 33-34 (na šemi br. 1 u koloni br. 3),

• da pritisak SF6 gasa nije pao ispod kritične vrednosti kako bi rele –K10 zatvorio svoj kontakt 13-14 (na šemi br. 1 u koloni br. 4),

• da nije aktivna zaštita od nesimetrije polova prekidača koja bi kada deluje pobudila rele –K61 i otvorila njegov kontakt 61-62 (na šemi br. 1 u koloni br. 4).

Rele – K75 ima funkciju tzv. “antipompaž“ releja. Njegova funkcija je da ne dozvoli ponovno (višestruko) uključenje prekidača na kvar. Ukoliko se prekidač uključi na kvar (u slučaju zaostalog privremenog zaštitnog uzemljenja) relejna zaštita će momentalno isključiti prekidač. Ali ako je nalog za uključenje ostao aktivan (minimalno trajanje naloga za uključenje je 150ms), relejna zaštita ne može da spreči prekidač da se ponovo uključi na kvar. Zato se antipompaž rele pobuđuje kada postoji nalog za uključenje prekidača, a prekidač je već uključen. Tada rele –K75 otvara svoje kontakte 61-62, 71-72, 81-82 (na šemi br. 1 u koloni br. 2) kako ne bi dozvolio da se nalog za uključenje prosledi na kalemove –Y1LA, –Y1LB, –Y1LAC i dođe do ponovnog uključenja na kvar. Komanda za uključenje prekidača može biti jednopolna, kada se prekida samo “+“ pol pobudnog napona ili dvopolna kada se prekidaju i “+“ i “-“ pol pobudnog napona kalemova za uključenje. U generatorskim poljima komanda je uvek dvopolna dok je u dalekovodnim i transformatorskim poljima najčešće jednopolna. Šema delovanja komade isključenja prekidača po I kalemu (-YL3A, -YL3B, -YL3C) je data na šemi br. 2. a po II kalemu (-YL4A, -YL4B, -YL4C) na šemi br. 3. Ukoliko u TS postoje dve odvojene baterije sigurnosnog napona svaka od njih napaja po jedan kalem za isključenje čime je obezbeđena 100% reduldansa isključnih krugova prekidača. Komanda za isključenje prekidača je jednopolna u dalekovdnim poljima i tropolna u generatorskim i transfomatorskim poljima. Da bi prekidač smeo da se isključi, pritisak SF6 gasa ne sme da padne ispod kritične vrednosti u suprotnom se razbuđuje rele –K10 i otvara svoj kontakt 33-34 (na šemi br. 2 u koloni br. 2) tj. kontakt 43-44 (na šemi br. 3 u koloni br. 2) i ne dozvoljava pobudu kalemova za isključenje. Na red sa kalemovima za isključenje ispred njih su vezani pomoćni kontakti prekidača, -S1LA, -S1LB i –S1LC koji se otvaraju čim se prekidač isključi i tako štite kalemove za isključenje od trajne pobude. Na šemi br. 4 su prikazane pobude zaštitnih funkcija prekidača. Rele –K12 će se pobuditi tek kada su namotane opruge u sva tri pola prekidača, zatvoreni pomoćni kontakti opruga, -S16LA, -S16LB, -S16LC (na šemi br. 4 u koloni br. 3). Rele za kontrolu pritiska SF6 gasa, -K10 će se pobuditi ako je pritisak SF6 gasa iznad kritične vrednosti u sva tri pola (na šemi br. 4 u koloni br. 5). Rele –K16 kontroliše nesimetriju polova prekidača preko redno paralelne veze tri mirna i tri radna pomoćna kontakta sva tri pola, -S1LA, -S1LB i –S1LC (na šemi br. 4 u koloni br. 7). U slučaju da pri uključenju prekidača jedan od polova se ne uključi iz mehaničkog razloga, njegov pomoćni kontakt 91-92 se neće otvoriti dok će se u druga dva pola zatvoriti kontakti 83-84 i doći će do pobude releja –K16. Ako se pri isključenju prekidača jedan od polova ne isključi iz mehaničkog razloga, njegov pomoćni kontakt 83-84 se neće otvoriti dok će se u druga dva pola biti zatvoreni kontakti 91-92 i ponovo će se pobuditi rele –K16. Po pobudi rele –K16 odbroji vreme od 500ms do 2s i pošalje nalog za isključenje i I i II kalema prekidača. Napajanje strujnog kola na šemi br. 4 je zbog svoje važnosti dvostrano. Napaja se iz dve nezavisne baterije sigurnosnog napona TS. Klackalica napajanja je ostvarena preko releja –K65 (na šemi br. 4 u koloni br. 2). Prva baterija napaja celu šemu br. 4 preko kontakata 13-14 i 43-44 releja –K65. U slučaju gubitka napona prve baterije rele –K65 će se razbuditi i prepustiti drugoj bateriji da napaja šemu br. 4 preko njegovih kontakata 21-22 i 31-32. Komandovanje motorima za namotavanje opruge za uključenje prekidača vrše kontaktori -K9LA, -K9LB i –K9LC (na šemi br. 5 u kolonama br. 2, 3 i 4).


- 13 -

Pobuda kontaktor (na šemi br. 5 u kolonama br. 5, 6 i 7) je jednosmernim naponom kojim se napajaju i šeme za uključenje i isključenje prekidača. Kada su opruge razmotane njihovi kontakti 51-52 su zatvoreni i kontakori -K9LA, -K9LB i –K9LC su pobuđeni, čime se uključuju motori za namotavanje opruga. Kada se opruge namotaju, pomoćni kontakti 51-52 se otvaraju i isključuju motore.


- 19 -

3. Dielektrična i termička naprezanja SF6 prekidača pri prekidanju struje kratkog spoja

Prilikom prekidanja struje kratkog spoja primarni kontakti VN SF6 prekidača su izloženi prvo ekstremnom termičkom naprezanju a potom i dielektričnom naprezanju. Tokom prekidanja struje kratkog spoja nakon razdvajanja lučnih kontakata dolazi do paljenja električnog luka koji predstavlja provodnu strujnu stazu plazme jonizovanog SF6 gasa. Temperatura plazme jonizovanog SF6 gasa zavisi od vrednosti struje koja se prekida tj. struje električnog luka. Prekidanje struje kratkog spoja od nekoliko desetina kA izazvaće električni luk čija plazma dostiže temperaturu i do 20000K. Prilikom prolaska struje kratkog spoja kroz nulu prečnik električnog luka se smanjuje i temperatura plazme luka se spušta na vrednost reda veličine 2000K. U tom momentu je moguće ugasiti električni luk i prekinuti struju kratkog spoja. Napon električnog luka je reda veličine od nekoliko stotina volti do nekoliko kV i ne zavisi od struje luka tj. struje kratkog spoja već je srazmeran dužini luka:

lll ELU ⋅= (2) gde je:

lL -dužina električnog luka,

lE -gradijent pada napona na električnom luku u SF6 gasu. Nakon gašenja električnog luka između kontakata prekidača uspostavlja se prenapon koji se zove prelazni povratni napon koji dielektrično napreže međukontaktni prostor. Prelazni povratni napon ne samo da može dostići i do dva puta veću amplitudu od maksimalne vrednosti mrežnog napona već zbog prelaznih procesa ima i veću frekfenciju od frekfencije mreže. Tako da se u trenutku gašenja luka između kontakata prekidača stvara napon koji ima

veliku brzinu porasta, tj. uspostavljanja dt

dU koji izaziva ekstremno dielektrično naprezanje

međukontaktnog prostora u SF6 gasu. Dakle proces prekidanja struje kratkog spoja možemo podeliti u dva režima:

• termički režim u kome prekidač ima zadatak da ugasi električni luk pri prirodnom prolasku struje kroz nulu i

• dielektrični režim u kome prekidač treba da nadvlada prelazni povratni napon koji vlada između kontakata a pogotovo tranzijentni povratni napon koji ima veliku brzinu porasata

Pri tome dielektrični režim nastaje istog momenta kada se završi termički režim. Na slici br. 11 je:

1t - momenat razdvajanja lučnih kontakata pri kome se pali električni luk,

2t - momenat prolaska električnog luka kroz nulu pri kome dolazi do njegovog gašenja i uspostavljanja prelaznog povratnog napona.

Sa “S“ je označena brzina porasta prelaznog povratnog napona: dt

dUS = (3)

Zbog dominantno induktivnog karaktera petlje kvara javlja se inercija pri prekidanju struje kratkog spoja odnosno gašenju luka pri prirodnom prolasku kroz nulu. Nakon prolaska struje kroz nulu temperatura međukontaktnog prostora je i dalje visoka i obezbeđuje dovoljno energije u molekulima SF6 gasa da obrazuju sekunadrni ili rezidualni električni luk čija je struja reda nekoliko ampera.


- 20 -

Možemo reći da termički režim nastaje nekoliko μs pre prolaska struje kroz nulu i završava se nekoliko μs nakon prolaska struje kroz nulu, što se jasno vidi na uvećanoj slici prolaska struje kroz nulu, slika br. 12.

Slika br. 11: Momenat nastanka termičkog i dielektričnog režima pri prekidanju struje k.s.

Slika br. 12: Struja električnog luka u termičkom režimu

Parametar od kojeg zavisi uspešnost gašenja luka u termičkom režimu je brzina promene

struje električnog luka dtdi . Što je taj odnos veći pri gašenju luka to će biti veća struja

sekundarnog luka i veća temperatura međukontaktnog prostora pa je dielektrična čvrstoća


- 21 -

manja. Tim pre će prelazni povratni napon lakše savladati dielektričnu čvrstoću međukontaktnog prostora i doći će do ponovnog paljenja luka. Zato je važno da se luk ugasi što bliže njegovom prolasku kroz nulu kako bi temperatura međukontaktnog prostora bila što manja a dielektrična čvrstoća što veća. Jer je brzina uspostavljanaj prelaznog povratnog

napona, dt

dUS = najveća nakon prolaska struje krou nulu, zbog dominantno induktivne petlje

kvara. 3.2. Prekidna moć prekidača Zbog zakona o održanju fluksa struja kratkog spoja ima jednosmernu komponentu na koju se superponira ustaljena vrednost struje kratkog spoja. Vrednost jednosmerne komponente struja kratkog spoja je nekoliko puta veća od vrednosti ustaljene struje kratkog spoja. Ali jednosmerna komponenta struje kratkog spoja opada aperiodično prolazeći kroz tri karakteristična perioda: subtranzijentni, tranzijentni i ustaljeni period. U svakom od ovih perioda ima drugačiju vremensku konstantu. Autopneumatski SF6 prekidači prekidaju struju pri njenom prirodnom prolasku kroz nulu. Dakle da bi se ukupna struja kratkog spoja prekinula jednosmerna komponenta struje kratkog spoja mora biti manja ili najviše jednaka ustaljenoj komponenti struje kratkog spoja. U suprotnom struja kratkog spoja i neće prolaziti kroz nulu tj. može se desit da u subtranzijentnom periodu struja kratkog spoja i ne može biti prekinuta. Vrednost jednosmerne komponente struje kratkog spoja zavisi od režima koji je prethodio kvaru, i najveći je u kapacitivnim režimima rada generatora. Da bi prekidač uspešno prekinuo struju kratkog spoja prekidna moć prekidača treba da je veća od:

)()()(.. OPDCOPsimOPsk tititi += (4) gde su:

−OPt trenutak razdvajanja kontakata,

−..SKi amplituda struje kratkog spoja u trenutku prekidanja struje,

−.simi amplituda ustaljene vrednosti kratkog spoja u trenutku prekidanja struje i

−DCi vrednost jednosmerne komponent struje kratkog spoja u trenutku prekidanja struje. U trenutku nastanka metalnog kratkog spoja napon faze pogođene kvarom je nula. Zato fluks zatečen u sinhronim generatorima u EES-u, teži da ostane konstantan:

constudtd

=⇒== ϕϕ 0 (5)

Zbog toga se u statorskim namotajima indukuje jednosmerna struja koja svojom magnetopobudnom silom teži da kompenzuje promenu fluksa koji neminovno stvara obrtanje rotora, s obzirom da se u trenutku kratkog spoja rotor neće zaustaviti momentalno. Zbog postojanja omskih otpora u petlji struje kvara jednosmerna komponenta struje kvara će opadati sa vremenskom konstantom koja zavisi od odnosa L/R u petlji kvara,

τt

DCDC eIi−

⋅= , RL

=τ (6)

U EES-u. petlje kvara su dominantno induktivne i vremenske konstante prigušenja aperiodične komponente struje kvara se kreću od 20ms do 60ms. Oba standarda, i IEC i ANSI/IEEE za definisanje prekidne moći VN prekidača koriste vrednost od 45ms kao vremensku konstantu prigušenja aperiodične komponente struje kvara.


- 22 -

Standard IEC 62271-100 – “Visokonaponski prekidači naizmenične struje“, (High-voltage alternating-current circuit-breakers) definiše kolika je dozvoljenu asimetriju struje kratkog spoja koju prekidač može da prekine u odnosu na deklarisanu prekidnu moć za koju je prekidač projektovan. Dozvoljena vrednost jednosmerne komponente struje kratkog spoja zavisi od vremena:

2Ttt OPKS += (7)

koja predstavlja zbir minimalnog vremena razdvajanja kontakata prekidača i jedne poluperiode nominalne (mrežne) učestanosti. Sledeća karakteristika (slika br. 13) definiše dozvoljenu vrednost jednosmerne komponente struje kratkog spoja kao procenat od maksimalne vrednosti ustaljene struje kratkog spoja u zavisnosti od trenutka KSt , pri čemu se uzima da je vremnska konstanta ižčezavanja jednosmerne komponente struje kratkog spoja 45ms.

Slika br. 13: Zavisnost udela DC komponente struje kratkog spoja od vremena isključenja prema standardu IEC 62271-100

U konkretnom primeru možemo da kažemo da je za SF6 prekidače u prenosnoj mreži Srbije minimalno deklarisano vreme otvaranja prekidača 25ms plus 10ms koliko je poluperioda osnovne učestalnosti. Za ukupno vreme od 35ms po karakteristici koju definiše standard, dozvoljena vrednost jednosmerne komponente struje kratkog spoja iznosi 47% koliko se upravo i može pročitati na tablicama prekidača (slika br. 14). Vremenska konstanta izčezavanja jednosmerne komponente struje kratkog spoja nije ista u

svim tačkama prenosne mreže već zavisi od odnosa RL

=τ gledano otočno sa mesta kvara.


- 23 -

Ako se prekidač ugrađuje u blizini elektrana onda treba uzimati veću vremensku konstantu pa zato treba birati prekidač sa većim dozvoljenim procentom jednosmerne komponente struje kratkog spoja ili prekidač sa večom prekidnom moći. Za takve slučajeve standard IEC 62271-100 definiše sledeće vremenske konstante:

• ms120=τ za nominalne napone do i 52kV • ms60=τ za nominalne napone od 72,5kV do i 420kV • ms75=τ za nominalne napone veće od 550kV

Slika br. 14: Tablica na SF6 prekidaču sa nominalnim podacima

Pored prekidne moći prekidača definiše se i uklopna moć prekidača. Neposredno pre zatvaranja lučnih kontakata prekidača uspostavlja se tzv. predluk koji traje mnogo kraće nego električni luk kod prekidanja struje iako je vreme uključenja prekidača duže od vremena isključenja. Momenat paljenja predluka zavisi od faze naponskog talasa mrežnog napona. Predluk nastaje kada prelazni povratni napon nadvlada dielektričnu čvrstoću međukontaktnog rastojanja prilikom uključenja prekidača a gasi se kada se lučni kontakti dodirnu. Što je veća struja luka to će lučni kontakti trpeti veće naprezanje. Najgori mogući scenario je da se prekidač uključi na kratak spoj.


- 24 -

Na primer, da je na jednom VN kontaktu prekidača zaboravljeno da se ukloni privremeno zemljovodno uže koje se radi bezbednosti postavlja za vreme remonta i ispitivanja prekidača. Tada bi momenat uspostavljana predluka predstavljalo i momenat nastanka kratkog spoja. Zato prekidači treba da izdrže predluk čija je struja jednaka udarnoj struji kratkog spoja i koja nastaje 10ms nakon uspostavljanja kratkog spoja odnosno u najkritčnijem slučaju 10ms od momenta paljenja predluka. Teorijski maksimalna početna vrednost jednosmerne komponente struje kratkog spoja je:

simDC II ⋅= 2 (8) Udarna struja kratkog spoja nastaje 10ms nakon pojave kratkog spoja pa je njena vrednost:

)10()10( msimsiI DCsimud += . Za vremensku konstantu isčezavanja jednosmerne komponente struje od 45ms dobija da je teoriski maksimalna vrednost udarne struje kratkog spoja:

simsimsimud IeIII ⋅=⋅⋅+⋅=−

5,222 4510

(9) Dakle prekidači treba da su dimenzionosani da im je uklopna moć 2,5 puta veća od prekidne moći tj. da mogu da podnesu predluk čija je struja 2,5 puta veća od dozvoljene ustaljene struje kratkog spoja odnosno njene efektivne vrednosti. Ukoliko se prekidač nalazi blizu elektrana tada je vremenska konstanta isčezavanja jednosmerne komponente struje kvara veća od 45ms, praktično u najgorem slučaju 120ms. Tada se istim proračunom dobija da uklopna moć treba da je 2,7 puta veća od prekidne moći prekidača. Sa druge strane udarna struja kratkog spoja stvara i najveća mehanička naprezanja prekidača. Prekidači se testiraju da li mogu u uključenom položaju da podnesu udarnu struju kratkog spoja u trajanju od 3s. Ali tolika naprezanja u EES-u se praktično ne mogu desiti. Trajanje udarne struje kratkog spoja u tolikom vremenu će dovesti do narušavanja stabilnosti EES-a. Na osnovu izloženog možemo da zaključimo da prilikom ugradnje novog prekidača u prenosnoj mreži EES-a prekidač mora da zadovolji tri kriterijuma po pitanju struje kratkog spoja:

• nominalna vrednost ustaljene struje kratkog spoja mora da je veća od iste za dato čvorište u prenosnoj mreži,

• zbir nominalne vrednosti ustaljene struje kratkog spoja i njene DC komponente za nominalno vreme isključenja mora da je veći od subtranzijentne struje kratkog spoja za dato čorište u prenosnoj mreži,

• nominalna vrednost podnosive struje uključenja na kratak spoja mora da je veća od udarne struje kratkog spoja za dato čvorište u prenosnoj mreži.

Za konkretan primer ugradnje novog prekidača 110kV u TS Sremska Mitrovica 2, služba eksploatacije EMS-a je dostavila studiju o perspektivnim strujama kratkog spoja za čvorište gde se ugrađuje prekidač (sabirnice 110kV u TS Sremska Mitrovica 2). Podaci o perspektivnim strujama kratkog spoja su date u tabeli: Prekidna moć novougrađenog prekidača je 40kA a vreme isključenja je 25ms pa može da prekine struju kratkog spoja od kAkAI KS 8,584047,1" =⋅= i da podnese struju uključenja na kratak spoj od kAkAIud 100405,2 =⋅= . Na osnovu priložene tabele vidi se da novougrađeni prekidač zadovoljava po pitanju prekidne moći i uklopne moći. Čak se može reći da je i predimenzionisan jer bi prekidač čija je prekidna moć 31,5kA (prva niža standardna vrednost) zadovoljio parametre iz tabele br. 1 :

• kAkAI KS 716,265,31 ≥= • kAkAkAI KS 676,303,465,3147,1" ≥=⋅= • kAkAkAIud 488,,7475,785,315,2 ≥=⋅=


- 25 -

Tabela br. 1: Perspektivne struje kratkog spoja na sabirnicama 110kV u TS Sremska Mitrovica 2

3.3. Tranzijentni prenaponi pri prekidanju struje kratkog spoja Dok postoji električni luk, napon između kontakata prekidača je relativno mali, nekoliko kV i određen je tj. raste sa porastom dužine luka. U momentu gašenja luka napon između kontakata prekidača naglo skače na vrednost reda veličine mrežnog napona ili više. Kako je petlja kvara dominantno induktivna u trenutku gašenja luka kada struja prolazi kroz nulu mrežni napon ima vrednost blisku maksimalnoj vrednosti mrežnog napona. Pošto je drugi kraj prekidača pogođen kvarom tj. uzemljen, prelazni povratni napon odmah po gašenju luka teži da postane jednak maksimalnoj vrednosti faznog napona mreže. Zbog velike strmine porasta prelaznog povratnog napona kontakti trpe ekstremno dielektrično naprezanje u momentu gašenja luka. U trenutku gašenja luka ekvivalentna šema koja opisuje postojanje prelaznog povratnog napona koji dielektrično napreže međukontaktni prostor je data na slici br. 15. gde je: u - mrežni napon, L i R - parametri mreže, C - parazitna kapacitivnost sabirnica prema zemlji,

SCi - struja luka i ru - prelazni povratni napon između kontakata prekidača.


- 26 -

Slika br. 15: Zamenska šema za tumačenje nastanka prelaznog povratnog napona.

Pre prekidanja struje u kolu imamo veliku reaktivnu energiju induktivnog tipa jer je struja luka velika, reda kA. Nakon prekidanja struje u kolu teži da se uspostavi velika reaktivna energija kapacitivnog tipa jer je napon na kontaktima veliki, reda stotine kV. Zanemarujući otprnost “R“ imamo redno LC kolo u kome će u trenutku prekidanja struje doći do oscilovanja reaktivne energije između “L“ i “C“ elemenata. Diferencijalna jednačina koja opisuje kolo je:

uuiRt

iL rSC

SC =+⋅+∂∂⋅ (10)

Kako je t

ui rSC ∂

∂= (11)

dobijamo diferencijalnu jednačinu drugog reda:

uutu

CRtu

CL rCC =+

∂∂⋅⋅+

∂∂⋅⋅ 2

2

(12)

Uz početne uslove da je u trenutku prekidanja struje 0)( 0 =tiSC i 0)( 0 =tur tj. struja luka i prelazni povratni napon su nula dobija se rešenje jednačine koja opisuje nastanak prelaznog povratnog napona:

tffr etwUktwUktu ⋅−⋅⋅⋅⋅⋅−⋅⋅⋅= δα )cos(2)cos(2)( 1 (13)

Pri tome je:

2

1

)(1

1

ww

k f

−= -koeficijent Ferantijevog efekta usled proticanja kapacitivne struje kroz

induktivitete,

CLw

⋅=

11 - slobodna kružna učestanost idealnog kola bez gubitaka,

21

2

1wδα −= - koeficijent promene slobodne učestanosti usled gubitaka,

LR⋅

=2

δ - koeficijent prigušenja.


- 27 -

Kada ne bi bilo prigušenja maksimalna vrednost prelaznog povratnog napona bi bila U⋅22 tj. imali bi smo prenapon koji bi bio 100% veći od temene vrednosti mrežnog napona. Zbog prigušenja u realnosti prelazni povratni napon dostiže vrednost 40÷60% veću od temene vrednosti mrežnog faznog napona. Odnos temene vrednosti prelaznog povratnog napona i temene vrednosti mrežnog (faznog) napona se zove faktor prenapona. Učestanost oscilovanja

reaktivne energije između “L“ i “C“ je određena učestanošću: CL

w⋅

=1

1 pa je to ujedno i

učestanost prelaznog povratnog napona. Od nje zavisi brzina uspostavljanja prelaznog povratnog napona, tj. njegova strmina:

dtdU

S r= (14)

koja dielektrično napreže kontakte prekidača tj. određuje težinu uslova prekidanja struje kratkog spoja. Prekidna moć prekidača ne zavisi samo od apsolutne vrednosti struje koja se prekida i vremena isključenja prekidača već zavisi i od prelaznog povratnog napona jer je on uzrok ponovnog paljenja luka koji predstavlja neuspešno prekidanje struje kod SF6 prekidača.

Slika br. 16: Granične krive prekidača koje određuju prekidnu moć.

Zato je prekidna moć prekidača određena graničnim krivama koje predstavljaju zavisnost prelaznog povratnog napona i njegove strmine u funkciji struje kratkog spoja, a da ne dođe do ponovnog paljenja luka. Na slici br. 16 je:

mrU - zavisnost prelaznog povratnog napona koji prekidač može da izdrži u zavisnosti od struje kratkog spoja,

prU - najveća vrednost prelaznog povratnog napona koji se uspostavlja između kontaka,


- 28 -

mrS - zavisnost strmine prelaznog povratnog napona od struje kratkog spoja,

prS - podnosiva strmina prelaznog povratnog napona u zavisnosti od struje kratkog spoja. Neuspešno prekidanje struje tj. ponovno paljenje luka se može desiti u termičkom režimu ili u dielektričnom režimu pa stoga razlikujemo:

• termički ili toplotni proboj kod kojeg je kritična strmina prelaznog povratnog napona i karakterističan je za blizak kratak spoj ili kratak spoj iza transformatora i

• dielektrični proboj kod kojeg je kritična temena vrednost prelaznog povratnog napona i karakterističan je za sabirnički kratak spoj ili kratak spoj u opoziciji faza.

Termički proboj nastaje za one struje za koje je vrednost mrS veća od prS . Što je struja kratkog spoja veće to je veća temperatura luka i prečnik luka pa je teže ugasiti luk i pri njegovom gašenju pri prolasku struje kroz nulu ostaje veća rezidualna energija u međukontaktnom prostoru. Usled povećane temperature sporije se odvija proces regeneracije SF6 gasa te se ima manja dielektrična čvrstoća međukontaktnog prostora koju nadvlada strmina prelaznog povratnog napona i dolazi do ponovnog paljenja luka. U slučaju bliskog kratkog spoja koji je nastao na vodu na udaljenosti od nekoliko stotina do nekoliko kilometara od sabirnica, prelazni povratni napon jednak je razlici napona mreže i napona na delu voda (impedanse) pogođenog kvarom, 21 uuur −= (slika br. 17).

Slika br. 17: Zamenska šema u slučaju bliskog kratkog spoja. Zbog postojanja impedanse Z koju čine redni induktiviteti i otočni kapaciteti napon 2u će imati oblik prigušenih testerastih oscilacija koje nastaju kao posledica reflektovanog talasa na delu voda od mesta kvara do prekidača i nazad tj. oscilovanja energije između L i C u impedansi Z (slika br. 17). Dok će napon sa strane mreže imati oblik kao u slučaju sabirničkog kratkog spoja. Sa slike br. 18 se zaključuje da će impedansa Z smanjiti vrednost struje kratkog spoja. Ali će sa druge strane refleksija naponskog talasa na delu voda pogođenog kvarom tj. na impedansi Z povećati početnu strminu prelaznog povratnog napona koja može dovesti do termičkog proboja međukontaktnog rastojanja. Početnu strminu prelaznog povratnog napona određujemo iz uslova:

002 )()( == ⋅= tt dt

diZdt

du (15)

Sledi da je početna strmina:

BKSKSCmr kIZS ⋅⋅⋅⋅= ω2 (16) pri čemu je Ω= 450CZ karakteristična impedansa voda;

KSI - efektivna vrednost struje kratkog spoja; ω - kružna učestanost mreže;

BKSk - faktor redukcije struje kod bliskog kratkog spoja. Vidimo da je početna strmina mrS linearno zavisna od struje kratkog spoja.


- 29 -

Slika br. 18: Tranzijentni prelazni povratni napon u slučaju bliskog kratkog spoja.

Učestanost oscilovanja napona 2u je određena vremenom za koje reflektovani talas pređe

dužinu dela voda pogođenu kvarom. Kako je brzina talasa 300s

mμ

a dužina pogođena kvarom

par kilometara, sledi da će prvi lokalni maksimum (pik) prelaznog povratnog napona tj. tranzijentni prelazni povratni napon, nastati posle par μs tj. u termičkom režimu prekidanja struje kratkog spoja. Što je dužina voda pogođena kvarom manja to je amplituda napona 2u manja a učestanost veća i obrnuto. Zaključujemo da će postojati kritična dužina dela voda pogođena kvarom pri kojoj ćemo imati najveću strminu tranzijentnog prelaznog povratnog napona .tj. najveće naprezanje prekidača u termičkom režimu. Dielektrični proboj nastaje takođe kao posledica smanjene dielektrične čvrstoće međukontaktnog prostora koji se nije dovoljno ohladio pri prekidanju struje kratkog spoja. Ali dielektrični proboj se javlja u ms području pa njega ne izaziva prvi lolani maksimum (pik) prelaznog povratnog napona već temena vrednost prelaznog povratnog napona za koju smo već obajsnili da može da dostigne U⋅22 , gde je U efektivna vrednost mrežnog napona. 3.4. Prekidanje malih kapacitivnih struja: Iako su kapacitivne struje na visokom naponu male, njihovo prekidanje predstavlja težak zadatak za SF6 prekidače zbog velikog prelaznog povratnog napona koji se javlja pri njihovom prekidanju.


- 30 -

Na tablicama prekidača sa nominalnim podacima može se uočiti da je vrednost struje punjenja voda ili kabla koju prekidač može da prekine i nekoliko desetina puta manja od nazivne struje prekidača (videti sliku br. 14). Naime pri prekidanju malih kapacitivnih struja prekidač trpi najveća dielektrična naprezanja. Prekidači koji se koriste u visokonaponskoj (VN) mreži EMS-a su autopneumatski pa im je snaga gašenja luka tj. pritisak SF6 gasa koji gasi luk zavisi od struje koja se prekida. Pri prekidanju malih kapacitivnih struja snaga kojom se gasi luk je mala pa je proces dejonizacije međukontaktnog prostora spor tj. brzina uspostavljanja dielektrične čvrstoće međukontaktnog prostora je mala.

Slika br. 19: Zamenska šema i vremenski tok napona pri prekidanju kapacitivnih struja

Sa slike br. 19 se vidi da sam proces prekidanja kapacitivne struje nije kritičan za prekidač jer su napon na vodu i ems (ems-elektomotorna sila) mreže približno isti. Ali nakon 10ms prelazni povratni napon je jednak razlici zaostalog napona voda i ems mreže koji su tada u opoziciji, pa je međukontaktni prostor koji nije intenzivno ohlađen usled prekidanja male struje izložen prelaznom povratnom naponu čija je vrednost duplo veća od ems mreže. Nakon

ponovnog paljenja luka jednačina koja opisuje stanje u kolu je: euiRti

L C =+⋅+∂

∂⋅

odnosno eutu

CRtu

CL CCC =+

∂∂⋅⋅+

∂∂⋅⋅ 2

2

(17)

uz početne uslove: 0)( 0 =ti i EtuC =)( 0 njeno rešenje je:

( ) tTt

fffC etweEkEktwEktuP

⋅−−⋅⋅⋅⋅⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅⋅−⋅⋅−+⋅⋅⋅= δαϕϕ )cos(cos)cos()( 1 (18)

gde je : ωϕ ⋅= Pt - ugao ponovnog paljenja luka

Pt - trenutak ponovnog paljenja luka T – vremenska konstanta iščezavanja zaostalog napona voda. Do ponovnog uspostavljanja strujnog kola može doći samo u perodu koji je kraći od 10ms od trenutka gašenja luka. Pri tome razlikujemo dva različita slučaja:

• ponovno paljenje luka koje se može desiti za manje od 5ms t.j za vreme kraće od jedne četvrtine periode i


- 31 -

• ponovni proboj koji se dešava u periodu nakon jedne četvrtine periode ali ne posle 10ms

Ponovno paljenje luka nastaje usled termičkog proboja i stvara prenapone do 1,5 ems. Ponovni proboj nastaje mehanizmom dielektričnog proboja koji stvara prenapone i do 3 puta veće od ems mreže (videti sliku br. 20).

Slika br. 20: Ponovni proboj posle prekidanja male kapacitivne struje

Nakon ponovnog paljenja luka na struju industrijske učestanosti superponira se viokofrekfentna struja kao posledica rednog LC oscilatornog kola pa je učestalnost te struje

određena sa: CL

w⋅

=1

1 .

Slika br. 21: Prelazni povratni napon kod višestrukog proboja pri prekidanju malih

kapacitivnih struja


- 32 -

Visokofrekfentna struja je fazno pomerena u odnosu na prelazni povratni napon za 2π pa se

može desiti da pri njenom gašenju pri prolasku kroz nulu zaostali napon voda bude veći od ems mreže kao što je to slučaj kod prvog proboja. Zato se u slučaju višestrukih ponovnih proboja pri prekidanju malih kapacitivnih struja mogu javiti prenaponi i veći od trostruke ems mreže (videti sliku br. 21). Takvi prenaponi ne samo da su opasni za prekidač već i za celokupnu opremu u EES-u. Zato je i vrednost kapacitivne struje koju prekidač može da prekine i do 15 puta manja od nazivne struje prekidača. 3.5. Faktor prvog pola: Trofazni kratak spoj dovodi do najvećih naprezanja prekidača. Iako je najređi kvar prekidači moraju biti dizajnirani da podnesu takva naprezanja. Pri tome najveća naprezanja trpi pol one faze u kojoj je prvo došlo do gašenja luka. Analizu ćemo sprovesti u slučaju trofaznog kratkog spoja bez zemlje koji je pogodio mrežu sa direktno uzemljenim zvezdištem.

Slika br. 22: Trofazni kratak spoj bez zemlje pri kome se luk gasi prvo u fazi “A“

Ako se luk prvo ugasi u fazi “A“ gubi se simetrija kvara i struja kratkog spoja protiče samo kroz faze “B“ i “C“. Tada se po II Kirkohovom zakonu može napisati:

0=−⋅−⋅− cTKSTKSb UZIZIU odakle sledi: T

cbKS Z

UUI

⋅

−=

2 (19)

Mesto kvara je izolovano od zemlje pa je :

0=−⋅− nTKSb UZIU , sledi: 22

cbT

T

cbbn

UUZ

ZUU

UU−

=⋅⋅

−−= (20)

Dakle posledica gašenja luka u fazi “A“ pre nego što se luk ugasi i u ostale dve faze je da će mesto kvara doći na potencijal koji je na polovini između napona faza “B“ i “C“. Sa vektorskog dijagrama na slici br. 23 se vidi da će nakon gašenja luka prvo u fazi “A“ pol prekidača u fazi “A“ naprezati prelazni povratni napon koji je 50% veći od faznog napona:

anara UUUU ⋅=−= 5,1 (21) Verovatnoća da se dogodi kratak spoj bez zemlje je veoma mala. Ali nakon gašenja luka prvo u fazi “A“ bi imali isti prenapon na polu faze “A“ da je zvezdište transformatora izolovano a trofazni kratak spoj bio sa zemljom.


- 33 -

Povećanje napona na polu prekidača koji je prvi isključio u slučaju izolovanog zvezdišta

naziva se “faktor prvog pola“: a

raPP U

Uk = (22)

Slika br. 23: Vektorski dijagram kada se luk ugasio prvo u fazi “A“

Vrednost faktora prvog pola zavisi od načina uzemljenja zvezdišta i maksimalna vrednost koju može dostići je 1,5 u slučaju izolovanog zvezdišta. U slučaju mreže sa direktno uzemljenim zvezdištem vrednost faktora prvog pola je manja i zavisi od odnosa reaktanse

nultog redosleda i reaktanse direktnog redosleda: 01

0

23

XXX

kPP ⋅+⋅

= (23)

Kod VN mreža sa direktno uzemljenim zvezdištem transformatora reaktansa nultog redosleda je oko tri puta veća od reaktanse direktnog redosleda pa su prekidaći za takve mreže dizajnirani da podnesu faktor prvog pola od 1,3 što se može i pročitati na njihovim tablicama sa nazivnim podacima (videti sliku br. 14).

Slika br. 24: Zavisnost faktora prvog pola od odnosa reaktanse direktnog i nultog redosleda


- 34 -

4. Dijagnostičke metode za procenu stanja prekidača “OFF LINE“ neinvazivne metode za dijagnostikovanje stanja VN prekidača se mogu podeliti u tri grupe prema parametrima prekidača koji se ispituju:

1. ispitivanje mehaničkih karakteristika prekidača, 2. ispitivanje električnih karakteristika prekidača, 3. ispitivanje SF6 gasa u komori za gašenje luka.

Navedena ispitivanja čine “OFF LINE“ dijagnostikovanje prekidača jer zahtevaju da prekidač bude van pogona (isključen sa visokog napona) da bi se sprovela sledeća ispitivanja:

• mehanički parametri koji se neinvazivno mogu dijagnostikovati su: 1. vremena tj. brzina uključenja i isključenja glavnih kontakata, 2. jednovremenost prekidnih mesta jednog pola prekidača, 3. jednovremenost polova prekidača, 4. jednovremenost glavnih i pomoćnih kontakata, 5. hodogram glavnih kontakata tj. hod kontakata pri uključenju i isključenju

prekidača, 6. hod prigušnog mehanizma za zaustavljanje glavnih kontakata tj. odskok

glavnih kontakata pri uključenju i isključenju. • električni parametri koji se neinvazivno mogu dijagnostikovati su:

1. prelazni otpor glavnih kontakata, 2. dinamički otpor glavnih kontakata, 3. struje kalemova za uključenje i isključenje prekidača, 4. struje motora za namotavanje opruge pogonskog mehanizma.

• parametri SF6 gasa koji se kontrolišu su: 1. čistoća SF6 gasa tj. udeo azota (vazduha) u SF6 gasu, 2. vlažnost SF6 gasa tj. tačka rose SF6 gasa, 3. kiselost SF6 gasa tj. prisustvo produkata razlaganja kao što su HF i SO2.

Sva navedena ispitivanja su neinvazivna tj. ne zahtevaju rasklapanje i otvaranje prekidača kao što je to bio slučaj do sada pri remontu malouljnih prekidača. Održavanje prekidača po metodi dijagnostikovanja stanja u odnosu na dosadašnje remonte u fiksnim vremenskim intervalima ima mnogobrojne prednosti. Najveća prednost je što se stanje prekidača procenjuje na osnovu rezultata merenja, a ne na osnovu subjektivne vizuelne procene. Na taj način se povećava pouzdanost prekidača i bolji uvid u raspoloživost elementa EES-a. Dijagnostička ispitivanja prekidača se sprovode simultano pa se procena stanja prekidača donosi na osnovu analize svih rezultata merenja a ne na osnovu jednog parameta. Izmereni rezultati se mogu čuvati u bazama podataka u kojima se mogu pratiti trendovi promene rezultata tokom celog životnog veka prekidača. Na osnovu analize trendova promene parametara prekidača može se zaključiti kakvim uslovima rada je izložen prekidač i na osnovu toga proceniti koji prekdači treba da se češće održavaju, a koji ređe. Navedena ispitivanja se sprovde relativno brzo, u roku od par sati pa se smanjuje vreme za koje je prekidač van pogona i smanjuju se troškovi održavanja prekidača jer se u jednom danu može ispiati nekoliko prekidača.


- 35 -

4.1.1. Vremena uključenja i isključenja prekidača Vremena uključenja i isključenja prekidača su definisana Internacionalnim standardom IEC 62271-100 “Visokonaponski prekidači naizmenične struje“.

Slika br. 25: Karakteristična vremena pri isključenju prekidača

Vreme isključenja prekidača se definiše kao period od momenta izdavanja komande za isključenje prekidača do trenutka kada su se razdvojili lučni kontakti u poslednjem polu prekidača.

Slika br. 26: Karakteristična vremena pri uključenju prekidača

Vreme uključenja prekidača se definiše kao period od momenta izdavanja komande za uključenje prekidača do trenutka kada su se glavni kontakti prekidača dodirnuli u svim polovima prekidača. Očito je da su vremena uključenja i isključenja pojedinačnih polova kraća ili najviše ista kao vremena definisana standardom za prekidač kao celinu. Te razlike predstavljaju rasipanje operacionih vremena, tj. nejednovremenost između polova prekidača. Nakon isključenja prekidača glavni kontakti će nastaviti i dalje da se razdvajaju i to je period gorenja električnog


- 36 -

luka. Na visokom naponu i pri uključenju prekidača imamo pojavu predluka koji se pali nekoliko milisekundi neposredno pre dodira glavnih kontakata prekidača. Zaključujemo da se pravilno merenje vremena uključenja i isključenja može sprovesti jedino ako se prekidač isključi sa VN mreže tj. stavi van pogona. U suprotnom pojava luka i predluka će maskirati stvarne momente otvaranja i zatvaranja glavnih kontakata prekidača i imaćemo merenje dužih vremena uključenja i isključenja prekidača nego što oni stvarno jesu. Zato se test sprovodi uz pomoć DC napona reda veličine par volti čime se eliminiše pojava luka. Cilj sprovođenja testa je verifikacija rada prekidača prema performansama za koje je dizajniran. Vreme uključenja je uvek veće od vremena isključenja jer se mehanizmu za uključenje suprotstavlja opruga za isključenje prekidača i prigušni mehanizam prekidača koji treba da apsorbuje veliku energiju pri zaustavljanju kontakata prekidača prilikom uključenja. Tipične vrednosti vremena uključenja i isključenja kod vioskonaponskih SF6 prekidača na naponskom nivou 110 kV su 35ms za isključenje i 65 ms za uključenje, i imaju trend porasta sa povećanjem naponskog nivoa prekidača. Za sprovođenje merenja uključenja i isključenja prekidač mora biti isključen sa VN mreže. Šema veze analizatora i prekidača prilikom merenja vremena uključenja i isključenja prekidača je data na slici br. 27.

Slika br. 27: Šema veze analizatora i prekidača pri merenju operacionih vremena prekidača

Analizator automatski daje nalog za uključenje ili isključenje prekidača a pri tome svaki njegov kanal prati po jedno prekidno mesto na svakom polu prekidača. Svaki kanal analizatora šalje električni signal veličine par volti na svom izlazu kako bi prepoznao stanje glavnih kontakata prekidača. Ako je električni signal u prekidu, glavni kontakti su otvoreni i obrnuto, kada se signal uspostavi analizator to detektuje kao zatvaranje glavnih kontakata. Pre merenja vremena uključenja prekidač mora biti isključen i obrnuto, pre merenja vremena isključenja prekidač mora biti uključen. Impulsi za automatsko uključenje i isključenje prekidača se dovode na kalemove za uključenje i isključenje koji su na slici br. 27 označeni sa O1÷O3, “open“- isključenje i C, “close“-uključenje. Kalemovi su sastavni deo prekidača i nalaze se u komandnom ormanu prekidača (označeni sa 1÷3 na slici br. 27). Prilikom povezivanja analizatora i kalemova treba voditi računa da se ne premoste zaštitne funkcije u komandnom ormanu prekidača koje štite kalemove od pregorevanja.


- 37 -

Osim zasebnih testova merenja vremena uključenja i isključenja mere se i vremena prilikom operacija:

• uključenje – isključenje (CO), • isključenje – uključenje (OC) i prilikom APU ciklusa, • isključenje – 0,3s pauza - uključenje – isključenje (O-0,3s-C-O).

Prilikom testa oba primarna kraja prekidača mogu biti uzemljena radi sigurnosti osoblja, bez ikakve bojaznosti da će analizator petlju kroz zemljovodna užad videti kao zatvoren kontakt prekidača, što je ilustrovano na sl br. 28.

Slika br. 28: Zaštitno uzemljenje sa oba kraja prekidača prilikom ispitivanja

Naime, otpor petlje zemljovodnih užadi je reda nekoliko Ω dok je otpor glavnih kontakata prekidača reda veličine nekoliko desetina μΩ . Usled razlike u otporima od više hiljada puta lako je podesiti prag reagovanja analizatora tako da razlikuje otpor glavnih kontakata od otpora petlje zemljovodnih užadi. Na taj način se u potpunosti eliminišu indukovane smetnje i šumovi koje stvara visoki napon u TS jer su susedna polja u pogonu. Autokompresioni SF6 prekidači su dizajnirani da gase električni luk prilikom prolaska struje kroz nulu za nominalno vreme isključenja. Ukoliko bi se vreme isključenja skratilo može doći do ugrožavanja prekidne moći prekidača. Struja kvara u sebi sadrži i aperiodičnu jednosmernu komponentu koja eksponencijalno opada. Skraćenje vremena isključenja znači da prekidač treba da isključi veću struju nego za koju je dizajniran. Sa druge strane, ako bi se vreme isključenja produžilo došlo bi do višestrukih ponovnih paljenja luka. Svako ponovno paljenje luka dovodi do pojave prenapona koji dielektrično naprežu glavne kontakte prekidača ali i ostalu VN opremu u EES-u. Ponovno paljenje luka ne samo da stvara prenapone već dovodi do ponovnog prekidanja struje kratkog spoja, ali sa lošijim gašenjem luka u prekidaču (nego kod prvog prekidanja) što predstavlja veliko termičko naprezanje kontakata prekidača.


- 38 -

Preveliko vreme isključenja za posledicu ima sporije uspostavljanje dielektrične čvrstoće međukontaktnog prostora što povećava verovatnoću ponovnog paljenja luka. Zato autokompresioni SF6 prekidači ne bi trebalo da imaju ni veliko ni premalo vreme isključenja. Svako veće odstupanje u vremenu uključenja ili isključenja od projektovanog, nominalnog vremena, je prvi indikator da postoji poremećaj u mehaničkom radu prekidača koji za posledicu ima neisparvno gašenje luka. Ukoliko vremena uključenja i isključenja odstupaju od dozvoljenih granica to može biti posledica sledećih poremećaja u mehanizmu prekidača. Povećana vremena uključenja i isključenja prekidača ukazuju na manjak energije u oprugama. Važi i obrnuto, kraća vremena uključenja i isključenja su posledica veće energije u oprugama. Previše energije u oprugama stvara veća mehanička naprezanja prekidača. Pri uključenju i isključenju glavni kontakti će se sudarati, odnosno zaustavljati pod dejstvom velikih sila koje prigušni mehanizmi neće moći da apsorbuju. Manjak energije u oprugama prekidača znači manju prekidnu moć prekidača. Spora vremena uključenja i isključenja prekidača mogu biti i posledica sporog odziva nekog od delova mehanizma opružnog pogona prekidača. To je znak da postoji kvar na pogonskom mehanizmu ili je usled dotrajalosti došlo do zamora materijala na kraju životnog veka, što je najčešće posledica lošeg podmazivanja u mehanizmu opružnog pogona prekidača. Prilikom merenja vremena uključenja moguće je snimiti broj i dužinu trajanja odskoka glavnih kontakata pri uključenju prekidača, ali ne i hod kontakata pri odskoku. Glavne kontakte pri kretanju zaustavlja hidraulični amortizer i njihovo zaustavljanje ne može biti trenutno, već se javljaju manje oscilacije. Odskoci koji predugo traju ukazuju da se hod glavnih kontakata prekidača pri odskoku povećao, što je posledica prevelike krutosti prigušnog mehanizma. Povećan broj odskoka ukazuje na premalu krutost prigušnog mehanizma za prigušenje sudara glavnih kontakata prekidača.

Slika br. 29: Rezultat merenja vremena uključenja (63ms) glavnih kontakata u crvenoj boji sa jednim odskokom u fazi A i pomoćnih kontakata u plavoj boji

Zaključak je da vremena isključenja i uključenja prekidača treba da ostanu u granicama koje deklariše proizvođač. Svako odstupanje dovodi do problema ne samo na prekidaču već i u mreži na ostaloj VN opremi. Merenje vremena uključenja i isključenja prekidača su obavezan test koji se sprovodi na fabričkom prijemu prekidača tzv. FAT testu - (fabric acceptance testing) i na komisionom ispitivanju nakon montaže prekidača na TS pre prvog puštanja u pogon tzv. SAT testu - (site acceptance testing).


- 39 -

Rezultati merenja sa FAT-a tj. SAT-a predstavljaju referentnu sliku stanja prekidača tzv. otisak prsta sa kojom se porede merenja koja se sprovode pri održavanju prekidača tokom njegovog životnog veka. Dozvoljena odstupanja operacionih vremena koja su propisali proizvođači za 400kV prekidače u prenosnoj mreži Srbije su:

• Siemens 3AP2FI: dozvoljeno odstupanje je ±7ms pri uključenju prekidača i ±3ms pri isključenju prekidača,

• Areva 316 GL: dozvoljeno odstupanje je ±10ms pri uključenju i ±3ms pri isključenju prekidača,

• ABB LTB 420 E2: dozvoljeno odstupanje je ±2ms pri isključenju prekidača dok se za uključenje deklariše samo maksimalno vreme od 70ms.

4.1.2. Jednovremenost prekidnih mesta pola prekidača SF6 prekidači najvišeg naponskog nivoa - iznad 420 kV, su dizajnirani tako da imaju više prekidnih mesta po polu kako bi se povećala brzina uspostavljanja dielektrične čvrstoće međukontaktnog prostora. Više prekidnih mesta će brže ostvariti isto međukontaktno rastojanje nego jedno prekidno mesto onoliko puta koliko ima prekidnih mesta. Efekat je isti kao da imamo delilo napona. Na taj način je smanjena vrednost prelaznog povratnog napona koji deluje na međukontaktni prostor svakog prekidnog mesta nego u slučaju kada imamo jedno prekidno mesto. Kod prekidača sa više prekidnih mesta po polu, meri se njihova jednovremenost. Na osnovu simultanog merenja vremena uključenja i isključenja, na svim prekidnim mestima se analizira sinhronizam prekidnih mesta jednog pola. Ukoliko prekidna mesta nisu sinhrona najbrže prekidno mesto pri isključenju će trpeti veći prelazni povratni napon onoliko puta koliko ima prekidnih mesta. Samim tim je ugrožena njegova prekidna moć jer je prekidna moć prekidača ograničena veličinom prelaznog povratnog napona za koji je prekidač dizajniran da izdrži a da ne dođe do ponovnog paljenja luka. Pri uključenju prekidača najsporiji pol će trpeti najveća termička naprezanja jer će se na njemu uvek uspostavljati predluk. Rad glavnih kontakata svakog prekidnog mesta prati po jedan kanal analizatora. Analizator u toku testa automatski izdaje komande za uključenje, odnosno isključenje prekidača.

Slika br. 30: Šema veze analizatora i prekidača sa dva prekidna mesta po polu


- 40 -

Na slici br. 30 je prikazana šema veze prekidača sa dva prekidna mesta po polu, tipičan za 400kV mrežu Srbije i analizatora koji ima mogućnost snimanja jednovremenosti do šest prekidnih mesta po polu. Kanali koji prate dva susedna prekidna mesta imaju jednu zajedničku tačku. Procedura prilikom testa je ista kao i kod merenja vremena uključenja i isključenja s tim što se simultano porede vremena za sva prekidna mesta jednog pola. Dozvoljena vremena rasipanja između prekidnih mesta koja su propisali proizvođači za 400kV prekidače u prenosnoj mreži Srbije su:

• Siemens 3AP2FI: dozvoljeno rasipanje je 3ms pri uključenju prekidača i 2ms pri isključenju prekidača,

• Areva 316 GL: dozvoljeno rasipanje je 2ms i pri uključenju i pri isključenju prekidača.

Slika br. 31: Rezultat merenja jednovremenosti prekidnih mesta prekidača sa dva prekidna mesta po polu (razilaženje prekidnih mesta pri isključenju je 3ms)

4.1.3. Jednovremenost između polova prekidača Pri trofaznom kratkom spoju pol prekidača u kome prvo dolazi do gašenja luka se najviše dielektrično napreže jer je izložen prenaponu čija je vrednost određena faktorom prvog pola. Ukoliko se vreme isključenja jednog pola ubrza ili obrnuto vreme isključenja druga dva pola poveća zbog mehaničkog uzroka, najbrži pol će trpeti duža naprezanja usled faktora prvog pola (od 1,3 r.j. kod mreže sa direktno uzemljenim zvezdištem) čime se povećava verovatnoća ponovnih paljenja luka. Jednovremenost između polova se proverava simultanim merenjem vremena isključenja i uključenja sva tri pola. Jednovremenost pri isključenju je važnija nego pri uključenju. Šema veze analizatora i prekidača je ista kao na slici br. 30. Tri nezavisna kanala analizatora prate po jedan pol prekidača (u slučaju jednog prekidnog mesta po polu), dok analizator automatski izdaje tri simultana naloga za isključenje svakog pola (kod tropolnog prekidača dovoljan je jedan impuls jer jedan kalem isključuje sva tri pola). Dozvoljena vremena rasipanja između polova prekidača koja su propisali proizvođači za 400 kV prekidače u prenosnoj mreži Srbije su:

• Siemens 3AP2FI: dozvoljeno rasipanje je 3ms pri uključenju prekidača i 2ms pri isključenju prekidača,

• Areva 316 GL: dozvoljeno rasipanje je 5ms pri uključenju prekidača i 3ms pri isključenju prekidača.


- 41 -

Slika br. 32: Nejednovremenost glavnih kontakata pola “B“ i druga dva pola pri isključenju 4.1.4. Jednovremenost glavnih i pomoćnih kontakata prekidača Pomoćni kontakti prekidača se nalaze unutar komandnog ormana prekidača koji je sastavni deo prekidača. Oni su montirani na grebenastu preklopku koja je mehanički povezana sa glavnim kontaktima prekidača. Na taj način pomoćni kontakti mehanički prate rad glavnih kontakata prekidača. Pomoćni kontakti imaju više komandnih i signalnih funkcija koje prvenstveno daju indikaciju uklopnog stanja prekidača i štite kalemove za uključenje i isključenje prekidača. Funkcije pomoćnih kontakata su:

• da prekinu strujno kolo kalema za uključenje kada je prekidač uključen i zaštite ga od pregorevanja,

• da prekinu strujno kolo kalema za isključenje kada je prekidač isključen i zaštite ga od pregorevanja,

• da isključe strujno kolo motora za navijanje opruge pogona prekidača kada se opruga navije i spreče prenavijanje opruge,

• da pobude rele za “antipompaž“ funkciju i spreče uključenje prekidača ako već postoji nalog za isključenje prekidača (zaštita od ponovnog uključenja na kvar),

• da daju nalog za isključenje prekidača u slučaju zaglavljivanja jednog ili više polova (zaštita od nesimetrije polova prekidača),

• da proslede informaciju relejnoj zaštiti i SCADA-i da li je prekidač uključen ili isključen i to po polovima zasebno radi realizacije funkcije jednopolnog i tropolnog APU-a.

Kad je prekidač u isključenom položaju, definiše se paket radnih tj. normalno otvorenih pomoćnih kontakata i paket mirnih tj. normalno zatvorenih pomoćnih kontakata. Nijedan proizvođač prekidača ne deklariše dozvoljene granice za rad pomoćnih kontakata prekidača. Smatra se da je dovoljno da pomoćni kontakti što vernije prate rad glavnih kontakata prekidača (tipično rasipanje vremena je do 5ms) i da pomoćni kontakti ostvaruju svoje komandno-zaštitne i signalne fukncije.


- 42 -

4.1.5. Snimanje hodograma glavnih kontakata prekidača Hodogram prekidača je dijagram koji opisuje putanju kretanje glavnih kontakata prekidača pri njegovom uključenju ili isključenju (eng. “motion curve“). Glavni parametar koji se očitava sa hodograma jeste hod glavnih kontakata pri uključenju i isključenju prekidača. Pored hoda glavnih kontakata, sa hodograma možemo dobiti informacije o dinamici kretanja glavnih kontakata prekidača. Zatim, možemo očitati veličinu i dužinu trajanja odskoka (prigušenih oscilacija) glavnih kontakata, pri njihovom zaustavljanju u krajnjim položajima pod dejstvom prigušnog mehanizma prekidača (amortizera). Na osnovu hodograma, prateći softveri analizatora prekidača mogu nam generisati krivu brzine i ubrzanja glavnih kontakata prekidača kao prvi odnosno drugi izvod krive hodograma u vremenu.

Slika br. 33: Hodogram prekidača pri operaciji uključenja

Na slici br. 33 je prikazan hodogram prekidača (zelenom bojom) pri njegovom uključenju zajedno sa dijagramima brzine (plavom bojom) i ubrzanja (ljubičastom bojom), kao i dijagrami vremana uključenja glavnih i pomočnih kontakata. Parametri koji se mogu očitati sa dijagrama na slici br. 33 su:

1. hod glavnih kontakata prekidača, 2. dužina odskoka glavnih kontakata pri zaustavljanju,


- 43 -

3. vreme trajanja odskoka, 4. prodor pokretnog kontakta u nepokretni kontakt.

Za snimanje hodograma koriste se razne vrste pretvarača neelektričnih veličina koji pomeraj pretvaraju u električni signal. Kod SF6 prekidača nije moguće merni pretvarač direktno montirati na glavne kontakte prekidača jer se nalaze u komori za gašenje luka. Merni pretvarač montira se na pristupačnom mestu pogonskog mehanizma prekidača koji je mahanički povezan sa glavnim kontaktima. To su najčešće horizontalne ili vertikalne pogonske osovine prekidača. Merni pretvarači rade na principu potenciometra i mogu biti kružni ili linijski. Kod montaže linijskih pretvarača treba voditi računa o njihovom maksimalnom hodu. Ako je hod glavnih kontakata prekidača veći od hoda mernog pretvarača prilikom uključenja ili isključenja, prekidač će polomiti merni pretvarač. Kod kružnih pretvarača potrebno je znati prenosni odnos između dužine i ugla pomeraja pogonskog mehanizma. Merni pretvarači se takođe mogu podeliti na analogne i digitalne. U zadnje vreme na tržištu su se pojavile nove vrste senzora pokreta. To su bezkontaktni senzori koji su manje osetljiviji na promenu temperature i nisu izloženi mehaničkom stresu i mehaničkoj inerciji prilikom snimanja hodograma pa se smatraju pouzdanijim. Pri snimanju hodograma signal iz pretvarača, koji se registruje kao hod glavnih kontakata, dovodi se na analogni ulaz analizatora koji sam generiše impuls za uključenje ili isključenje prekidača.

Slika br. 34: Montaža kružnog pretvarača na pogonskoj osovini pola prekidača, levo i detalj montaže postolja istog pretvarača, desno

Osnovni cilj snimanja hodograma prekidača je da se utvrdi hod njegovih glavnih kontakata. Hod (dužina trajektorije) kontakata mora biti isti i pri uključenju i pri isključenju prekidača. Postojanje razlika u hodu glavnih kontakata pri uključenju ili iskljućenju je siguran znak da imamo kvar u pogonskom mehanizmu glavnih kontakata. Takvi kvarovi pogonskog mehanizma se razvijaju postepeno i vode ka otkazu prekidača. Ako je pri uključenju hod glavnih kontakata veći od nominalnog hoda (tzv. “H“ ili “K“ kota) imaćemo situaciju da pokretni glavni kontakt više prodire u nepokretni glavni kontakt. Glavni kontakti su dizajnirani da se ne sudaraju pri uključenju, već se kontakt ostvaruje radijalnim naleganjem. Ako bi se prodor pokretnog kontakta povećao, moglo bi da dođe do sudara pokretnog i nepokretnog kontakta.


- 44 -

Zbog velikih sila koje stvara pogonski mehanizam prekidača, takav sudar pokretnog i nepokretnog glavnog kontakta doveo bi do njihovih deformacija i sigurnog otkaza prekidača. Sa druge strane, ako pokretni glavni kontakt ne prodire dovoljno u nepokretni glavni kontakt, biće smanjena kontaktna površina kojom se provodi nominalna struja u pogonu. To će dovoditi do pregrevanja glavnih kontakata i njihovog ubrzanog trošenja. Ukoliko se prilikom isključenja glavni kontakti ne razdvajaju na dovoljno dalekom rastojanju može doći do preskoka između njih. Informacije koje možemo očitati sa krive hodograma nisu samo krajnje pozicije glavnih kontakata prekidača već i dinamika kretanja glavnih kontakata pri uključenju i isključenju. Važnost snimanja hodograma je upravo u analizi dinamičkih performansi mehanizma prekidača koje se ne mogu utvrditi statičkim merenjima ili vizuelnom inspekcijom. Mala brzina glavnih kontakata pri uključenju ili isključenju ukazuje na nedostatak energije u oprugama pogonskog mehanizma. Mala ubrzanja glavnih kontakata pri uključenju i isključenju ukazuju na spor odziv mehanizma za otpuštanje opruga pogonskog mehanizma. Na osnovu hodograma se može analizirati i prigušenje kontakata pri njihovom zaustavljanju tzv. odskok kontakata pri uključenju i isključenju koji treba da je što manji i da što kraće traje. Još vrednije informacije o dinamičkom radu prekidača možemo dobiti simultanom analizom hodograma sa drugim parametrima prekidača kao što su: vremena uključenja i isključenja prekidača, merenjem dinamičkog otpora glavnih kontakata i snimanjem struja kalemova. Vreme uključenja na krivi hodograma definiše momenat kada je pokretni kontakt ušao u nepokretni, a ostatak hoda predstavlja prodor pokretnog kontakta u nepokretni. Trenuci promene otpora glavnih kontakata u toku isključenja prekidača definišu kada je kontakt ostvaren preko lučnih kontakata, pa rastojanje na krivi hodograma u tim trenucima određuje dužinu lučnih kontakata. Na dijagramima struja kalemova za uključenje i isključenje se može odrediti trenutak otpuštanja reze za pokretanje glavnih kontakata. Vreme od tog trenutka do trenutka kada se na hodogramu uoči pokretanje glavnih kontakata je vreme odziva pogonskog mehanizma prekidača. Analiza samog hodograma se zasniva na poređenju krive sa referentnim krivama ispravnog prekidača istog tipa tzv. “otisak prsta“ koje su najčešće snimljene pri SAT ili FAT testu. Na sledećoj slici su prikazani primeri hodograma prekidača sa nepravilnim radom (crvena linija) u poređenju sa ispravnim hodogramom (plava linija).

Slika br. 35: Primeri hodograma neispravnih prekidača, crvena linija i referentni hodogrami, plava linija


- 45 -

Odstupanje hodograma od referentnih kriva na slici br. 35 može dijagnostikovati sledeće kvarove u prekidaču:

a) primer sporog odziva glavnih kontakata na komandu isključenja što je posledica nepravilnog rada mehanizma za otpuštanje opruge za isključenje,

b) primer sporog kretanja glavnih kontakata prekidača usled nedostatka energije u opruzi za isključenje,

c) u ovom primeru nema prigušenja glavnih kontakata pri isključenju što je posledica istrošenosti ulja u amortizeru prigušnog mehanizma,

d) pokazuje primer gde se glavni kontakti nisu razdvojili dovoljno i ugrožena je dielektrična čvrstoća međukontaktnog prostora.

Snimanje hodograma ne zahteva ispuštanje SF6 gasa i otvaranje komore za gašenje luka pa je stoga i najbezbedniji način za dijagnostikovanje ispravnog rada glavnih kontakata prekidača. 4.1.6. Snimanje hodograma prigušnog mehanizma glavnih kontakata prekidača Prilikom uključenja i isključenja glavni kontakti prekidača se kreću velikom brzinom i zaustavljaju skoro momentalno pomoću prigušnog mehanizma koji radi na principu hidrauličnih amortizera. Zbog velike brzine glavnih kontakata pri uključenju i isključenju ceo mehanički sklop prekidača ima veliku kinetičku energiju koja se dobija iz opruga za uključenje i isključenje. Ukoliko prigušni mehanizam ne bi apsorbovao višak energije pri zaustavljanju glavnih kontakata došlo bi do mehaničkih deformacija ili glavnih kontakata ili pogonskog mehanizma. Prigušni amortizeri su hidrauličnog tipa, pa u njima tokom životnog veka dolazi do trošenja ulja. Kada se dijagnostikuje njihov nepravilan rad treba ih zameniti kao rezervni deo. Za snimanje hodograma prigušnog mehanizma tj. amortizera koristi se isti princip kao i za snimanje hodograma glavnih kontakata prekidača. Amortizer za uključenje nije mehanički povezan sa glavnim kontaktima, već zaustavlja rotaciju bregaste ploče koja pokreće glavne kontakte pri uključenju. Zato je snimanje hodograma amortizera za uključenje moguće jedino posredno, pomoću kružnog pretvarača koji se montira na osovinu bregaste ploče i snima njenu rotaciju pri uključenju prekidača. Savremeni analizatori imaju mogućnost da na osnovu rotacije bregaste ploče generišu hodogram amortizera za uključenje. Amortizer za isključenje mehanički je povezan za glavne kontakte prekidača preko sistema pogonskih poluga. Hodogrami amortizera se snimaju prilikom manipulacije uključenja odnosno isključenja prekidača, pri čemu analizator automatski generiše impuls za komandovanje prekidačem. Na slici br. 36 su na istom dijagramu predstavljeni ugao rotacije bregaste ploče i hodogram amortizera pri uključenju prekidača, crvenom i plavom bojom respektivno. Karakteristične veličine koje se mogu očitati sa dijagrama su:

• prigušenje pri uključenju, dužina “A“, • vreme prigušenja, vreme “B“, • ugao rotacije bregaste ploče, ugao “C“.

Njihove nominalne vrednosti i dozvoljena odstupanja definišu proizvođači prekidača i dostavljaju ih u ispitnim listama pri kupovini prekidača. Kod hoda amortizera za isključenje proizvođači prekidača ne specificiraju dozvoljeno prigušenje ni vreme prigušenja. Smatra se da svako odskakivanje amortizera za isključenje ukazuje da ga je potrebno zameniti.


- 46 -

Slika br. 36: Hodogram amortizera za uključenje (plave boje) i rotacija bregaste ploče (crvene boje) pri uključenju prekidača

Slika br. 37: Hodogram amortizera za isključenje, neispravan i ispravan rad amortizera 4.2.1. Merenje dinamičkog otpora glavnih kontakata Dinamički otpor između glavnih kontakata prekidača je promena otpora glavnih kontakata za vreme isključenja prekidača. Na osnovu rezultata merenja možemo da procenimo stanje lučnih kontakata prekidača. Kako je otpor glavnih kontakata nekoliko stotina puta manji od otpora lučnih kontakata, na dijagramu isključenja prekidača se može uočiti trenutak kada su se glavni kontakti odvojili, ali je kontakt i dalje ostvaren preko lučnih kontakata. Nakon odvajanja glavnih kontakata struja protiče samo kroz lučne kontakte. Kada dijagram dinamičkog otpora počne da teži u beskonačnost lučni kontakti su se već razdvojili. Kriva dinamičkog otpora treba da ima izgled strogo rastuće parabole i svaka anomalija na njoj ukazuje na postojanje poremećaja lučnih kontakata.


- 47 -

Ukoliko se u testu simultano snima dinamički otpor glavnih kontakata i hodogram glavnih kontakata, može se proceniti dužina lučnih kontakata. Jednostavno se sa hodograma očita hod prekidača od trenutka kada dijagram dinamičkog otpora sa vrednosti otpora glavnih kontakata skoči na vrednost otpora lučnih kontakata pa do vrednosti kada počne da teži beskonačnosti (videti sliku br. 39). Test merenja dinamičkog otpora se sprovodi U-I metodom pomoću strujnog izvora jednosmerne struje od 100A ili 200A i meri se pad napona između primarnih priključaka prekidača. Na slici br. 38 je data šema veze analizatora i jednog pola prekidača pri snimanju dinamičkog otpora glavnih kontakata.

Slika br. 38: Šema veze analizatora i prekidača pri merenju dinamičkog otpora glavnih kontakata

Test se sprovodi za svaki pol posebno jer je većina analizatora koji se danas mogu naći na tržištu opremljena sa jednim strujnim izvorom od 100A ili 200A. Vreme trajanja testa treba podesiti da bude duže od vremena isključenja prekidača da bi se mogao snimiti ceo profil dinamičkog otpora. Pre testa prekidač mora biti uključen tj. njegovi glavni kontakti zatvoreni, a analizator sam automatski generiše impuls za isključenje prekidača. Analogni kanal analizatora za merenje pada napona dinamičkog otpora treba da je predviđen za merenje pada napona od nekoliko stotina volti. Naime nakon razdvajanja lučnih kontakata otpor luka može biti reda nekoliko Ω, a struja izvora i do 200A, pa je moguće da se uspostavi pad napona i do 500V. Ukoliko prekidač ima više prekidnih mesta po polu preporučuje se da se za svako prekidno mesto zasebno sprovodi test dimamičkog otpora. Usled rasipanja u vremenima isključenja prekidnih mesta može se napraviti greška u tumačenju momenta razdvajanja glavnih kontakata, kada struja teče samo kroz lučne kontakte. Za razliku od otpora glavnih kontakata (statički otpor) proizvođači prekidača ne otkrivaju vrednost otpora lučnih kontakata kao ni njihovu dužinu.


- 48 -

Svi proizvođači čiji se SF6 prekidači nalaze u upotrebi u prenosnoj mreži EMS-a (Siemens, Areva, ABB, Vatech) na prijemnim ispitivanjima nisu radili test dinamičkog otpora, niti su dostavili podatke o lučnim kontaktima. Zato se iskustveni kriterijum koristi kao mera za procenu stanja lučnih kontakata. Oslanja se na znanje da je njihov otpor nekoliko stotina puta veći od otpora glavnih kontakata i upoređujući krive dinamičkog otpora iz prošlosti. Preporuka je da se bar za jedan novi prekidač koji nije bio u pogonu poseduje snimak dijagrama koji se može koristiti kao referentni “otisak prsta“ za ostale prekidače istog tipa.

Slika br. 39: Karakterističan oblik dinamičkog otpora glavnih kontakata pri isključenju prekidača

4.2.2. Merenje prelaznog otpora glavnih kontakata Prelazni otpor glavnih kontakata je njihov otpor kada je prekidač u položaju uključen. Tada je kontaktni otpor prekidača minimalan jer je kontaktna površina najveća. Merenje prelaznog otpora se vrši kada se kontakti ne kreću tj. u istim uslovima kao kada je prekidač u pogonu. Metoda merenja je ista kao kod merenja dinamičkog otpora, U-I metoda sa jednosmernom strujom. Ne izdaje se komanda za isključenje prekidača, već su kontakti u stanju mirovanja, u položaju uključenog prekidača. Merenje se sprovodi dva puta po svakom prekidnom mestu sa različitom vrednošću struje kako bi se potvrdila linearna zavisnost pada napona od injektirane struje. Npr. pad napona je duplo manji ako se test sprovodi sa strujom od 100A nego sa strujom od 200A, što znači da je vrednost izmerenog otpora ista u oba slučaja. Za razliku od vrednosti dinamičkog otpora, nominalna vrednost prelaznog otpora je podatak koji proizvođači prekidača dostavljaju u ispitnim listama prekidača.


- 49 -

Red veličine prelaznog otpora glavnih kontakata kod VN SF6 prekidača je nekoliko desetina μΩ i ima trend povećanja sa porastom naponskog nivoa. Kako su nominalne struje prekidača reda 1 kA porast kontaktnog otpora od 1mΩ stvaraće zagrevanje glavnih kontakata prekidača kada je on u pogonu snagom od 1kW. Zato je test prelaznog otpora glavnih kontakata jedan od osnovnih testova pri dijagnostikovanju stanja prekidača koji se lako i brzo primenjuje pomoću U-I metode. 4.2.3. Snimanje struje kalemova za uključenje i isključenje Oblik strujnog impulsa koji pobuđuje kalemove za uključenje i isključenje je karakterističnog oblika i prikazan je na slici br. 40. Na osnovu njegovog oblika se može opisati proces kretanja elektromagneta (kalema) koji oslobađa rezu za pokretanje mehanizma pri uključenju i pri isključenju prekidača.

Slika br. 40: Karakterističan oblik struje kalemova za uključenje i isključenje

Na slici br. 40 numerisani delovi strujnog impulsa kalema imaju sledeću interpretaciju: 1. Početak pobude kalema tj. generisanje komande za uključenje ili isključenje prekidača

u momentu kada se kalem stavlja pod napon (kalemovi se pobuđuju jednosmernim komandnim naponom TS).

2. Rast struje kroz kalem zbog induktivnosti njegovih namotaja (prelazni režim), sve dok magnetno kolo kalema ne uđe u zasićenje i ne stvori se dovoljna indukcija za pokretanje kotve kalema.


- 50 -

3. Početak kretanja elektromagneta kalema, što dovodi do opadanja struje jer se smanjenjem vazdušnog zazora kotve smanjuje magnetni otpor kalema, pa je potrebna manja struja da bi se održala ista indukcija u magnetnom kolu kalema.

4. Momenat otpuštanja reze koja pokreće mehanizam za uključenje ili isključenje prekidača pri čemu se mehanički otpor kalema na trenutak rastereti, pa je i magnetni otpor kalema manji i struja blago poraste.

5. Momenat mehaničkog zaustavljanja kotve elektromagneta (mehanički otpor kalema je jednak nuli) i tada je magnetni otpor kalema najmanji, a kako su namotaji kalema u kratkom spoju, struja naglo počinje da raste do nove maksimalne vrednosti.

6. Rast struje zbog induktivnosti kalema sve dok kalem ponovo ne uđe u zasićenje, (reaktansu kola čini redna veza “L“ i “R“ namotaja kalema).

7. Dostizanje maksimalne struje kalema kada reaktansa kalema postaje čisto rezistivna “R“.

8. Momenat kada pomoćni kontakti prekidača prekidaju struju kroz kolo elektromagneta. 9. Prigušeno iščezavanje struje elektromagneta zbog induktivnosti namotaja kalema.

Slika br. 41: Analogni ulazi analizatora za automatsku kontrolu uključenja i isključenja prekidača i snimanje struje kalemova

Na slici br. 41 je prikazan detalj veze analizatora i kalema za isključenje u prvoj fazi. Na isti način se povezuju kalemovi u ostalim fazama i kalemovi za uključenje. Analizator je opremljen sa četiri analogna kanala za snimanje struja kalemova. Na taj način se istovremeno mogu snimiti struje kalemova u sve tri faze istovremeno, i dodatno jedna struja kalema suprotne manipulacije (isključenje-uključenje). Time je omogućena analiza rezultata simultanog merenja u sve tri faze. Pored toga što mogu da snime struju kalemova, prikazani analogni kanali imaju funkciju automatskog generisanja signala za uključenje i isključenje prekidača u ostalim testovima npr. pri merenju opracionih vremena prekidača.


- 51 -

Sva četiri analogna kanala su beznaponska tj. za generisanje automatskih komandi koriste komandni DC napon iz prekidača tj. TS. To obezbeđuje sprovođenje testa u realnim uslovima uključenja i isključenja prekidača. Dobijenu karateristiku struje kalema treba porediti sa prethodnim merenjima u prošlosti i sa merenjima u druge dve faze prekidača. Po Omovom zakonu na osnovu maksimalne struje kalema i poznate vrednosti komandnog napona možemo izračunati omski otpor namotaja kalema. Proizvođači prekidača deklarišu i u ispitnim listama najčešće daju vrednost otpora kalema. Na osnovu toga se može otkriti da li postoji kratak spoj na delu namotaja kalema. Smanjenje prvog maksimuma struje kalema znači da je vrednost indukcije u kalemu manja, što za posledicu ima sporije kretanje kotve kalema ili ako je indukcija premala, kotva se neće ni pokrenuti tj. prekidač neće izvršiti operaciju uključenja ili isključenja. Brzina kretanja kalema direktno utiče na vrednost operacionih vremena prekidača. Analiza struje kalemova je veoma dobra metoda za dijagnostikovanje stanja kalemova i veoma je poželjna jer kalemovi treba da imaju brz odziv na pobudu, a najvećim delom životnog veka prekidač se nalaze u stanju mirovanja. Metoda je veoma efikasna i jednostavna i omogućuje nam da dijagnostikujemo stanje veoma važnog dela prekidača koji pokreće mehanizam za uključenje i isključenje prekidača. 4.2.4. Struja motora za navijanje opruge Statistički podaci stručnih saveta CIGRE i proizvođača prekidača ukazuju da je najveći broj otkaza prekidača usled mehaničkih kvarova. Izvor energije za pokretanje mehanizma prekidača je potencijalna energija akumulirana u oprugama motorno opružnog pogona. Motor za navijanje opruga ih snabdeva energijom za pokretanje mehaničkog sklopa prekidača. Svaka promena u opterećenju motora ukazuje na promenu energije kojom se pokreće mehanizam prekidača. To je prvi indikator da rad mehaničkog sklopa prekidača odstupa od dizajniranih performansi. Dijagnostikovanje stanja pogonskog mehanizma posredno preko opterećenja motora se sprovodi snimanjem struje i napona motora pri navijanju opruga. Karakteristične vrednosti su polazna struja i maksimalna struja opterećenja motora. Povećanje otpornog momenta motora može biti uzrok povećanog trenja u ležajevima ili labavi spojevi između pogonskih osovina motorno opružnog pogona. Drugi važan parametar je vreme za koje motor navija oprugu. Ako vreme navijanja opruge odstupi od projektovanog a struja opterećenja motora ostane ista, to znači da će se promeniti energija u oprugama. Kraće vreme navijanja opruge znači manje energije u oprugama i obrnuto, duže vreme će dovesti do akumuliranja veće energije u oprugama. Promena energije u oprugama znači i promenu brzine uključenje i isključenja prekidača. Motori za navijanje opruga motorno opružnog pogona su ili jednosmerni motori ili asinhroni monofazni motori. Zbog toga je za dijagnostikovanje potreban po jedan analogni ulaz (kanal) za snimanje struje i napona. Visokonaponski prekidači u dalekovodnim poljima imaju zaseban motorno opružni pogon u svim polovima zbog primene jednopolnog APU-a. Za poređenje struja motora između polova potrebno je izvršiti tri merenja pa dobijene karakteristike porediti jer su skoro svi analizatori prekidača opremljeni sa jednim kanalom za snimanje struje motora. Struja motora se snima uz pomoć obuhvatnih klješta, na principu elektromagnetne indukcije struje u provodniku za napajanje motora. Prilikom snimanja signala potrebno je obratiti pažnju na prenosni odnos obuhvatnih klješta. Ne postoji mogućnost da se rad motora direktno pokrene automatskim izdavanjem komande od strane analizatora. Potreban je impuls koji će startovati snimanje signala koji obuhvatna klješta prosleđuju na ulaz analizatora. Zato se automatski rad motora i snimanje signala pokreću posredno izdavanjem komande za uključenje prekidača.


- 52 -

Pri uključenju prekidača opruga za uključenje se rastereti i automatski startuje motor koji je navija kako bi se dopunila ispražnjena energija u opruzi. Pri navijanju opruge struja motora raste jer se opterećenje povećava sa sabijanjem opruge tj. suprotstavlja mu se energija opruge. Energija opruge je linearno zavisna od njene dužine (-kX, k-koeficijent elastičnosti opruge, X-dužina opruge), pa je i porast opterećenja tj. struje motora linearan. Kod SF6 prekidača opruge za uključenje mogu biti torzione spiralne ili fleksione helikoidne. Stoga postoje dva tipa karakterističnih dijagrama struje motora.

Slika br. 42: Efektivna vrednost struja motora prilikom navijanja torzione spiralne opruge

Slika br. 43: Efektivna vrednost struja motora prilikom navijanja fleksione helkoidne opruge

Snimanje struje i napona motora za navijanje opruga kao i vreme navijanje opruga omogućuje nam da procenimo stanje jednog dela mehaničkog sklopa prekidača i akumulisanu energiju u


- 53 -

oprugama. Promena opterećenja motora ili vremena navijanja opruga je indikator poremećaja u mehanizmu motorno opružnog pogona. Posledica je promena energije u oprugama koja dovodi do promene prekidne moći prekidača jer energija u oprugama određuje brzinu uključenja i isključenja prekidača. Motor navija oprugu za uključenje i u njoj akumuliše potencijalnu energiju koja se delom troši na uključenje prekidača, a drugim delom se troši na sabijanje opruge za isključenje. Ako je manje energije akumulisano manje će se sabiti opruga za isključenje, pa će i ona imati manje energije. To znači smanjenje prekidne moći prekidača. Ako je više energije akumulisano, pri uključenju i isključenju će se stvarati velike sile koje prigušni mehanizam (amortizeri) neće moći da apsorbuje, pa će doći do ubrzanog habanja mehaničkog sklopa prekidača. U krajnjoj mogućnosti, prenavijanje opruga može dovesti do kidanja mehanički delova prekidača ili do razletanja prekidača pri uključenju.


- 54 -

5. Ispitivanje SF6 gasa SF6 gas u visokonaponskim (VN) prekidačima ima dve uloge, prva je da uspešno ugasi električni luk a druga je da obezbedi dielektričnu čvrstoću međukontaktnog prostora. Da bi autopneumatski prekidač sa SF6 gasom kao medijumom za gašenje luka uspešno prekinuo struju kratkog spoja u njegovoj komori za gašenje luka SF6 gas mora da karakteriše odgovarajući pritisak i odgovarajući hemijsko – fizički kvalitet. Smanjeni pritisak SF6 gasa u komori za gašenje luka dovodi do smanjenja prekidne moći prekidača (videti sliku br. 44). Ako bi prekidač prekidao struju kratkog spoja sa suviše malim pritiskom SF6 gasa u komori za gašenje luka to bi bilo isto kao kada bi prekidali struju rastavljačem. Manji pritisak dovodi do lošijeg hlađenja električnog luka pa je teže prekidanje struje. Ukoliko je toplotna snaga koju razvija sekundarni luk nakon prirodnog prolaska struje kroz nulu veća od toplotne snage hlađenja luka do gašenja luka neće ni doći i sekundarni luk će ponovo prerasti u primarni luk.

Slika br. 44: Zavisnist prekidne moći SF6 gasa od pritiska

Termička provodnost SF6 gasa raste sa porastom temperature i dostiže maksimum na temperaturi oko 2000K (videti sliku br. 45) jer na toj temperaturi dolazi do disocijacije molekula fluora i sumpora. U tome leži praktičnost SF6 gasa pri gašenju električnog luka jer proces disocijacije molekula (totalno razlaganje fluora i sumpora) apsorbuje toplotu i koincidira sa nastankom sekundarnog luka tj. dešava se u momentu kada je najpotrebnije. Temperatura sekundarnog luka iznosi oko 2000K a tada treba da je najintenzivnije gašenje luka. U delovima komore za gašenje luka, gde je temperatura niža, dolazi do procesa rekombinacije molekula fluora i sumpora u SF6 gas pri čemu se oslobađa toplotna energija apsorbovana pri disocijaciji. Tako fizičko –hemijski proces disocijacije uspešno odnosi toplotu sa luka u okolni, hladniji SF6 gas.


- 55 -

Slika br. 45: Termička provodnost SF6 gasa i azota (vazduha)

Slika br. 46: Zavisnost dielektrične čvrstoće SF6 gasa od pritiska


- 56 -

Dielektrična čvrstoća SF6 gasa zavisi od pritiska gasa (videti sliku br. 46) jer na većem pritisku molekuli su pokretljiviji pa se smanjuje srednja dužina slobodnog puta elektrona i lakše dolazi do rekombinacije slobodnih naelektrisanja pa se brže uspostavlja dielektrična čvrstoća. Zato usled smanjenog pritiska prelazni povratni napon može lakše da savlada dielektričnu čvrstoću međukontaktnog prostora tj. lakše dolazi do ponovnog paljenja luka. Sa druge strane, smanjeni pritisak SF6 gasa dovodi do lošijeg gašenja luka i povećava se temperatura SF6 gasa pa mu se sporije uspostavlja dielektrična čvrstoća i lakše dolazi do ponovnog paljenja luka. Dakle da bi uspešno prekinuli struju kvara i izbegli ponovno paljenje luka neophodno je da u prekidaču postoji potreban (nazivni) pritisak SF6 gasa. SF6 gas je industriski, neorganski gas koji ne nastaje u prirodi već se proizvodi industrijskom sintezom fluora i tekućeg sumpora procesom koji se zove egzotermička reakcija. Do narušavanja njegovih hemijsko – fizičkih karakteristika može doći na dva načina:

• kontaminacijom vazduhom tj. kiseonikom i vlagom iz atmosfere, • kontaminacijom produkata razlaganja SF6 gasa na visokoj temperaturi pri gorenju

električnog luka. Kontaminacija vazduhom i vlagom iz atmosfere se javlja usled dilatacije membrana na prekidaču pri promenama temperature okoline ili kontaminacijom usled nestručnog rukovanja prilikom punjenja prekidača. Prisustvo vazduha i nečistoća u SF6 gasu ga razblažuje što za posledicu ima lošiju termičku provodnost (njen maksimum ne koincidira sa pojavom sekundarnog luka) pa je lošije gašenje luka i manju elektronegativnost medijuma pa je sporije uspostavljanje dielektrične čvstoće. Kontaminacija produktima razlaganja SF6 gasa se javlja na visokoj temperaturi pri gorenju električnog luka i mešanjem SF6 gasa sa metalnim parama pri gorenju kontakata prekidača. Čist SF6 gas je inertan gas pa se ne rastvara u vodi i ne reaguje sa kiseonikom tj. ne dolazi do oksidacije. Kao čist SF6 gas nije otrovan po čoveka ali je jedan od gasova koji ima najveći uticaj na efekat staklene bašte (GWP = 22200 puta je štetniji od CO2). Pri gorenju luka na temperaturama većim od 500°C dolazi do razlaganja SF6 gasa pri čemu nastaju sumpor-fluoridni gasovi i metal-fluoridni puderi koji imaju višestruko štetni uticaj:

• razblažuju SF6 gas pa je lošije gašenje luka i sporije uspostavljanje dielektrične čvrstoće,

• produkti razlaganja su kancerogeni i ukoliko dođu u kontakt sa kožom ili do njihovog udisanja mogu biti veoma opasni po zdravlje čoveka,

• produkti razlaganja se najčešće javljaju u vidu praha koji u kombinaciji sa vlagom i vazduhom (kiseonikom) stvaraju hemiski kisele elektrolite koji izazivaju intenzivnu koroziju kontakata i mehaničkih delova prekidača unutar komore za gašenje luka čime se ugrožava ispravan rad prekidača.

Zato u prekidaču postoje filteri koji apsorbuju produkte razlaganja SF6 gasa. Apsorbcioni fiteri su od aktivne glinice i molekularnih sita ili kombinacija oba. Veoma su efektni i brzo i nepovratno apsorbuju korozivne gasove pre nego što reaguju sa vlagom. 5.2. Rukovanje SF6 gasom Posebna pažnja pruža se pravilnom rukovanju SF6 gasom, pogotovo korišćenim SF6 gasom koji je bio izložen električnom luku. Standard IEC 62271-303 – “upotreba i rukovanje SF6 gasom u viskonaponskoj rasklopnoj opremi“, (Use and handling of SF6 gas in high-voltage switchgear and controlgear) definiše procedure za bezbedno vakumiranje i punjenje prekidača, ispitivanje kvaliteta i reciklažu SF6 gasa, zamenu i odlaganje filtera i sakupljanje produkata razlaganja SF6 gasa.


- 57 -

Vazduh može da dospe u komoru za gašenje luka prilikom lošeg rukovanja aparaturom za punjenje prekidača SF6 gasom ili usled lošeg (nepotpunog) vakumiranja prekidača pri montaži. Prisustvo vazduha u komori za gašenje luka je štetno iz dva razloga:

• smanjuje dielektričnu čvrstoću SF6 gasa u komori za gašenje luka, • podstiče oksidaciju produkata razlaganja i ubrzava proces korozije.

Zato je veoma poželjno utvrditi postojanje vazduha u komori za gašenje luka koji se lako filtracijom može odstraniti iz SF6 gasa. Prekidači sa više prekidnih mesta se prilikom montaže na TS moraju vakumirati pa se tek onda pune čistim SF6 gasom. Vakumiranje prekidača se vrši kroz istu instalaciju kojom se vrši i punjenje prekidača, pomoću vakum pumpe (videti sliku br. 49). Pri tome se vrši merenje vakuma na ulazu u vakum pumpu ili na priključku instalacije prekidača. Kada se uspostavi željeni nivo vakuma, proces vakumiranja se ne prekida već se nastavlja. Na taj način se isušuje vlaga koja je dospela iz atmosfere u unutrašnjost prekidača i zadržala se u filterima i da bi se uspostavio ravnomeran vakum u celoj komori za gašenje luka. Za 400kV prekidač tipa Areva GL proizvođač deklariše željeni nivo vakuma od 1[mbar] koji treba održati u periodu od 60min. Ukoliko proizvođač ne specificira zahtevani nivo vakuma standard IEC 62271-303 deklariše da se u SF6 prekidačima pre punjenja treba ostvariti vakum od najmanje 20[mbar] u trajanju od 30min. Prekidači sa jednim prekidnim mestom se u fabrici vakumirani i inicijalno pune SF6 gasom do 0,4bara. Ukoliko ne postoji incijalni pritisak mora se pristupiti ponovnom vakumiranju. Prekidači se pune do nivoa nazivne gustine SF6 gasa tj. nazivnog pritiska SF6 gas u komori za gašenje luka. Nazivni pritisak se deklariše za temperaturu od 20°C ali zavisi od ambijentalne temperature pri kojoj se vrši punjenje prekidača i zavisnost nazivnog pritiska SF6 gas od temperature se daje u vidu tablice od strane proizvođača prekidača. U praksi se skoro uvek nazivni pritisak deklariše kao relativni (efektivni) nadpritisak u odnosu na atmosferski pritisak. Prilikom punjenja iz aparature se prvo mora izvući vazduh i kroz cevi propustiti čist SF6 gas pa se tek tada može izvršiti povezivanje prekidača i aparature za punjenje prekidača. U suprotnom zaostali vazduh u cevima će ući u komoru za gašenje luka. Tokom punjenja prekidača kontroliše se rad uređaja za monitoring pritiska SF6 gasa na prekidaču. Nakon punjenja kontroliše se zaptivenost instalacije za punjenje i njenih ventila. Sve korake u proceduri za vakumiranje u punjenje prekidača potrebno je dokumentovati u vidu izveštaja koji predstavlja referentno stanje prekidača za dalju kontrolu u održavanju tokom njegovog životnog veka. Na kraju životnog veka SF6 gas se reciklira pomoću filtera ukoliko njegova kontaminacija vlagom i produktima razlaganja to dozvoljava. U suprotnom SF6 gas se vraća proizvođaču radi uništavanja (spaljivanja). Za rukovanje sa filterima u prekidaču prilikom njihove zamene ili pri rasklapanju prekidača obavezna je upotreba zaštitna sredstva kao što su zaštitna maska, naočare i rukavice. Iskorišćeni filteri se tretiraju kao opasan otpad i moraju se odlagati na ekološki način, razgradnjom. Prilikom otvaranja prekidača metal-fluoridni puderi su otrovni i moraju se sakupti industriskim usisivačem visoke zaptivenost (klase “H“-high) i takođe se tretiraju kao opasan otpad. Alat koji je bio izložen produktima razlaganja mora se očistiti u rastovru natrijum hidroksida i kalcijum okisada u vodi. U 1l vode dodaje se 30g oksida u koji se alat potapa u trajanju od 24h. Danas u Evropskoj uniji za rukovanje SF6 gasom neophodno je posedovati sertifikate koji su podeljeni u pet kategorija:

• Modul A: Svesnost o rizicima od SF6 gasa • Modul B1: Održavanje VN opreme bez reciklaže SF6 gasa • Modul B2: Rukovanje SF6 gasom pri montaži VN opreme i pri ispitivanju SF6 gasa • Modul C1: Reciklaža SF6 gasa • Modul C2: Rukovanje SF6 gasom pri otvaranju VN opreme i demontaži na kraju

životnog veka


- 58 -

Slika br. 47: Procedura za vakumiranje i punjenje SF6 prekidača:

• 1 – priprema opreme za vakumiranje i punjenje • 2 – montaža filtera i boca sa SF6 gasom • 3 – vakumiranje • 4 – isušivanje zaostale vlage • 5 – popunjavanje dokumentacije • 6 – punjenje SF6 gasom • 7 - popunjavanje dokumentacije • 8 – kontrola senzora za merenje pritiska i gustine SF6 gasa • 9 – provera zaptivenosti prekidača • 10 – provera kvaliteta SF6 gasa u komori za gašenje luka • 11 - popunjavanje dokumentacije • pR – nominalni pritisak prekidača • pP – inicijalni pritisak za transport prekidača • pV – pritisak vakuma pri vakumiranju prekidača < 2 kPa • tV – vreme vakumiranja prekidača ≥ 30 min.

5.3. Kontola pritiska SF6 gasa Svi savremeni SF6 prekidači su opremljeni uređajem za kontinualnu kontrolu gustine i pritiska SF6 gasa tzv. densimetrom i manometrom. Densimetar kontroliše gustinu SF6 gasa u prekidaču i ima dva stepena reagovanja, električni signal alarma i električni signal blokade. Alarm se aktivira ako pritisak gasa opadne za 0,8 bara i prosleđuje električni signal opomene osoblju TS. Blokada se aktivira ako pritisak gasa opadne za 1bar i električni signal ne dozvoljava manipulaciju uključenja i/ili isključenja prekidača ili automatski isključuje prekidač. U EMS-u (Elektromreža Srbije) je praksa da prilikom gubitka gasa u prekidaču dođe do blokiranja isključenja prekidača u DV poljima (dalekovodnim poljima) jer se dalekovod može isključiti i na drugom kraju a u traansformatorskim poljima i generatorskim poljima dolazi do automatskog isključenja prekidača jer su transformator i generator važniji i skuplji elementi EES-a od prekidača.


- 59 -

Manometar ima ulogu da osoblje TS vizuelno kontroliše pritisak gasa u prekidaču. Pritisak gasa zavisi od spoljašnje temperature (videti sliku br. 48. a) i kod savremenih SF6 autopneumatskih prekidača se kreće u opsegu 6÷6,5MPa (bar) pri temperaturi od 20°C. Pri konstantnoj gustini ta zavisnost je linearna (videti sliku br. 48. b). Gornja granica pritiska SF6 gasa u komori za gašenje luka je ograničena procesom kondenzacije SF6 gasa. Jer pri suviše velikom pritisku SF6 gas prelazi u tečno stanje pa nema sposobnost da ugasi luk. Isti problem, kondenzacija SF6 gasa se javlja i pri veoma niskim temperaturama. Za razliku od manometra, densimetar je neosetljiv na promenu pritiska usled temperature. Temperaturna kompenzacija je ostvarena tako što se umesto direktnog poređenja pritiska kao kod manometra, kod densimetra poredi gustina SF6 gasa koja se kreće u opsegu 45÷50 kg/m3.

a) b)

Slika br. 48:

a) Linearna zavisnost pritiska od temperature pri različitim gustinama SF6 gasa b) Karakteristike gustine SF6 gasa za prekidač tipa Siemens 3AP:

a) karakteristike nazivnog punjenja b) karakteristike alarma “guitak gasa“ c) karakteristike blokade prekidača e) karakteristike kondenzacije SF6 gasa

Ukoliko se pomoću manometra utvrdi da dolazi do opadanja pritiska gasa ili se pojavi alarm densimetra da je došlo do curenja gasa potrebno je locirati potencijalnu zonu u kojoj SF6 gas curi pre nego što se pristupi servisiranja prekidača. Zato ne treba ispuštati SF6 gas pre utvrđivanja mesta curenja. Tropolni prekidači sa jednim pogonskim mehanizmom zbog konstruktivnih razloga imaju jedan zajednički manometar i densimetar za sva tri pola. Kod punjenja takvih prekidača preporučuje se merenje težine boce sa SF6 gasom pre i posle punjenja kako bi se proverila količina gasa kojom je napunjen prekidač. U slučaju kvara u instalaciji za punjenje tako da su dva pola potpuno napunjenja a treći nije uopšte napunjen, densimetar i manometar neće detektovati poremećaj u pritisku tj. gustini SF6 gasa. Životni vek SF6 prekidača se deklariše da je veći od 30 godina.


- 60 -

Zato uređaji za kontinualnu kontrolu pritiska i gustine SF6 gasa, manometar i densimetar treba takođe pouzdano i precizno da rade u tom dugom periodu. Njihova ispravnost se može kontrolisati na prekidaču koji je u upotrebi ali se merenje sprovodi u beznaponskom stanju. U tu svrhu koristi se ručna pumpa sa preciznim manometrom (klasa 0,05%) i sa ventilom za odpuštanje pritiska. Kod prekidača tipa “Siemens 3AP“ u svrhu kontrole manometra i densimetra je predviđen već poseban ventil dok kod ostalih proizvđača (Alstom, Areva, ABB) manometar i densimetar se odvoje od instalacije SF6 gasa, što je moguće jer su povezani bespovratnim ventilom. Kada je prekidač u beznaponskom stanju, manometar i densimetar se povežu na ručnu pumpu (videti sliku br. 49. a). Ručnom pumpom se pritisak povećava do nazivne vrednosti pritiska prekidača i upoređuje se pokazivanje manometra prekidača sa preciznim manometrom. Potom se pritisak odpušta i kontrolišu se vrednosti pritiska na kojima se javljaju električni signali alarma i blokade.

a) b)

Slika br. 49:

a) Aparatura za kontrolu manometra i densimetra;

b) Aparatura za vakumiranje i punjenje SF6 prekidača 5.4. Detekcija curenja SF6 gasa Za lokalizaciju mesta curenja koriste se infracrvene kamere (IC kamere) i prenosivi detektori čija je sonda osetljiva na prisustvo molekula SF6 gasa (tzv. njuškala). IC kamere omogućavaju da se za kratko vreme pretraže veće površine ne preskačući ni jedan deo instalacija gasa i da se locira tačan izvor curenja. Ali zahtevaju da na mestu curenja postoji protok gasa u minimalnim količinama oko 0,03g/h tj. 230g/god.


- 61 -

Prenosivi detektori sa molekularnim senzorima mogu da detektuju mnogo manje količine SF6 gasa od infracrvenih kamera, curenja i od 14g/god (20 puta su osetljiviji od IC kamera) i ne zahtevaju da postoji kontinualno curenje gasa tj. protok gasa već detektuju i statične molekule SF6 gasa. Mana im je što ne mogu da lociraju tačan izvor curenja (pogotovo u slučaju više bliskih izvora curenja) i zbog male površine senzora potrebno je više vremena da se ispita cela instalacija SF6 gasa pri čemu se lako može preskočiti (propustiti) deo instalacije. Takođe im je mana što detektuju SF6 gas u neposrednoj blizini sonde pa ako se meri u blizini viskog napona mora se isključiti prekidač i u uslovima jakog vetra detekcija gasa je neefektivna. Molekularni senzori rade na principu detekcije negativnih jona. Molekuli SF6 gasa su elektronegativni i kad se nađu u atmosferi pod dejstvom elektromagnetnog zračenja u TS lako privlače slobodne elektrone i postaju negativni joni. Negativni joni se u prenosivom detektoru detektuju na principima detekcije statičkog naelektrisanja. Sonda se prevlači malom brzinom, 25÷50mm/s po površini onih delova prekidača koji su pod pritiskom SF6 gasa i kada detektuje (usisa) molekule SF6 gasa tj. negativne jone signalizira nivo njihove koncentracije. Takođe ovi detektori SF6 gasa se koriste za proveru zaptivenosti prekidača nakon punjenja SF6 gasom prilikom montaže prekidača na TS, a posebno spojeva i ventila na instalaciji za punjenje. IC kamere detektuju razliku u temperaturi na osnovu frekfencije tj. talasne dužine infra crvenog zračenja (IC zračenja).

Talasna dužina zračenja je obrnuto srazmerna frekfenciji zračenja: f

c⋅

=π

λ2

(24)

a energija zračenja je obrnuto srazmera talasnoj dužini zračenja: λchE ⋅= (25)

pri čemu je c –brzina svetlosti, a h -Plankova konstanta. Što je temperatura viša to je IC zračenje bliže vidljivom delu IC spektra, tj. talasna dužina je manja a energija zračenja veća. U zavisnosti od energije zračenja tj. talasne dužine zračenja detektor iza sočiva kamere će stvarati odgovarajuću termalnu sliku koju kamera snima. Što je energija veća elektroni u detektoru se više pobuđuju i stvaraju jači električni signal. IC kamere za detekciju gasa se razlikuju od IC kamera za detekciju temperature u tome što na svom sočivu imaju filter koji propušta samo IC zračenja određene talasne dužine. Kamere za detekciju gasa koriste efekat zbog kojeg nastaje i efekat staklene bašte a to je da gasovi apsorbuju IC zračenja. Sposobnost gasova da apsorbuju IC zračenje zavisi od talasne dužine IC zračenja. Molekuli gasova osciluju određenom frekfencijom koja zavisi od atomske veze i strukture molekula gasa. Što je učestanost IC zračenja bliža frekfenciji oscilovanja molekula gasa (frekfenciji dipolnog momenta molekula) to je apsorbcija tog IC zračenja veća. Zato se filter IC kamere bira za tu frekfenciju tj. talasnu dužinu. Za SF6 gas ona iznosi 10,5μm (videti sliku br. 50). Sa IC spektra SF6 gas se vidi da zračenja čiji je talasni broj 1050 cm-1 tj. talasna dužina 10,5μm SF6 gas apsorbuje 100% tj. da je propustljivost jednaka nuli. IC kamere za detekciju SF6 gasa spadaju u dugotalasne IC kamere (eng. LW- long wawe). Kada se IC kamera za detekciju SF6 gasa uperi u VN opremu (prekidač) koja je napunjena SF6 gasom, do njenog sočiva će stizati talasi IC zračenja koji se reflektuju o površinu VN opreme. Filter sočiva (talasne dužine 10÷11μm) će propustiti samo zračenja njegove talasne dužine i dobićemo spektralnu sliku VN opreme za tu talasnu dužinu. Ukoliko se između kamere i VN opreme nađe oblak SF6 gasa on će apsorbovati talase IC zračenja talasne dužine 10,5μm i oni neće stizati do sočiva kamere (videti sliku br. 51). IC kamere za detekciju gasa mogu da detektuju curenje gasa veoma uspešno na udaljenostima od nekoliko desetina metara pa do više od 100m. Kod svih SF6 prekidača postoji curenje jer je nemoguće konstruisati idealnu zaptivenost. Proizvođači deklarišu da je godišnji gubitak gasa do 0,5% posledica nesavršenosti zaptivenosti komore za gašenje luka, što im i propisuje standard IEC 62271-203.


- 62 -

Slika br. 50: Infracrveni spektar (zavisnost apsorpcije zračenja od talasne dužine) SF6 gasa

a) b)

Slika br. 51: Uporedni snimak 400 kV SF6 prekidača sa curenjem gasa,

a) spektralna slika vidljivog spektra, b) spektralna slika talasne dužine 10,5μm 5.5. Kontrola fizičko-hemijskih karakteristika SF6 gasa Procedure i granične vrednosti za analizu SF6 gasa u rasklopnoj visokonaponskoj i srednjenaponskoj opremi su definisane u sledećim internacionalni standardima:

• IEC 60376 – Specifikacija graničnih vrednosti novog SF6 gasa, (Specification and accetanse for new SF6) • IEC 60480 – Uputstvo za proveru SF6 gasa u električnoj opremi, (Guide to the checking of SF6 gas taken from electrical equipment)


- 63 -

• IEC 62271-303 – Upotreba i rukovanje SF6 gasom u viskonaponskoj rasklopnoj opremi, (Use and handling of SF6 gas in high-voltage switchgear and controlgear).

Za ispitivanje hemijsko-fizičkih karakteristika SF6 gasa potrebno je osnovno znanje iz fizičke hemije gasova. Ispitivanje se započinje ispuštanjem određene količine gasa za uzorkovanje. Danas postoje prenosivi analizatori koji nam omogućuju da na TS izvršimo analizu SF6 gasa. Oni omogućavaju da se na terenu izmere i kontrolišu tri parametra:

• procenat čistoće SF6 gasa tj. odnos SF6/vazduh ili SF6/N2 u zapremini uzetog uzorka, • tačku rose (temperaturu kondenzovanja) na osnovu koje se određuje vlažnost uzorka, • koncentraciju SO2 ili HF kao predstavnike produkata razlaganja.

Za detaljnije analize SF6 gasa uzeti uzorak se mora odneti u laboratoriju. SF6 gas spada u gasove koji stvaraju efekat “staklene bašte“ pa zbog toga postoje zakonske regulative koje propisuju da se SF6 gas ne sme ispuštati u atmosferu. Šta više nove zakonske regulative nalažu da kompanije moraju pravdati količine SF6 gasa koje imaju u vlasništvu i za svaki manjak (izgubljeni SF6 gas) se plaćaju veliki penali. Zato najmoderniji analizatori hemijsko-fizičkih karakteristika SF6 gasa u sebi imaju kompresor i mogu da vrate analizirani uzorak istim putem u prekidač tj. komoru za gašenje luka. Za povezivanje analizatora i prekidača koristi se metalna antikorozivna creva sa sigurnosnim ventilima na oba kraja. Time se eliminiše mogućnost da creva apsorbuju SF6 gas ili produkte razlaganja i njihovo ispuštanje u okolinu prilikom povezivanja creva. Creva se povezuju na iste priključke instalacije za punjenje prekidača. Ali pre povezivanja creva se moraju izvakumirati kako bi se iz njih izvukao sadržaj od prethodnog merenja. U suprotnom u analizator bi upustili ili vazduh ili SF6 gas koji su zaostali u crevu nakon poslednjeg merenja pa bi imali pogrešne rezultate jer takav uzorak nije reprezent stanja SF6 gasa u komori prekidača. Gas iz prekidača u analizator ulazi pod dejstvom nadpritiska u komori za gašenje luka. Nakon završenog merenja ispitani uzorak se vraća u prekidač ili u bocu za odlaganje i reciklažu SF6 gasa. Ukoliko analizator u sebi nema kompresor neophodno je upotrebiti spoljašnji kompresor kako bi se ispitana količina gasa izvukla iz analizatora. Posle upotrebe creva i analizator treba isprati suvim azotom pod pritiskom koji je deklarisan za njih (azot je inertan gas i bezbedan po okolinu) kako bi se očistili od kontaminacije prethodnog uzorka i bili spremni za novi uzorak. Prilikom upuštanja uzorka SF6 gasa u analizator potrebno je da se u mernu ćeliju upusti minimalna količina SF6 gasa tako da pritisak u mernoj ćeliji bude veći od 0,3 bara. Poželjno je da se u analizator upusti što veća količina gasa kako bi merenje bilo preciznije ali pritisak u mernoj ćeliji ne sme da bude veći od deklarisanog da ne bi oštetio analizator. 5.5.1. Ispitivanje čistoće (odnosa SF6/N2) Metode za merenje prisustva vazduha tj. azota (N2) u SF6 gasu tj. komori za gašenje luka se mogu zasnivati na tri principa:

• merenje termičke provodnosti uzorka gasa, • merenje magnetne susceptibilnosti uzorka gasa i • merenje brzine zvuka u uzorku gasa.

Navedene metode mogu da utvrde samo prisustvo vazduha u uzorku SF6 gasa jer se vazduh i SF6 gas bitno razlikuju po sledećim karakteristikama:

• na ambijentalnoj temperaturu azot ima mnogo veću toplotnu provodnost nego SF6 gas, • SF6 gas ima dijamagnetna svojstva dok kiseonik ima paramagnetna svojstva, • Brzina zvuka u vazduhu iznosi oko 330m/s dok je u SF6 gasu oko 130m/s (zavisi od

temperature gasa, 129,06m/s pri 0°C ).


- 64 -

Ukoliko u uzorku SF6 gasa postoji kontaminacija nekog drugog gasa osim vazduha, navedene metode neće moći da utvrde njihovo postojanje. Najprimenjivija metoda u savremenim analizatorima je metoda merenja brzine zvuka. Brzina zvuka u gasovima se može izračunati

prema formuli: M

TRc ⋅⋅=

γ (26)

gde je γ-Poasonov broj (konstanta), R-univerzalna gasna konstanta, T-temperatura gasa i M-molarna masa gasa. Dakle brzina zvuka u gasovima je direktno srazmera temperaturi i obrnutu srazmena molarnoj masi gasa. Uzorak gasa iz prekidača se upušta u tank analizaotora zapremine oko 2l koji je temperaturno kompenzovan. To se postiže tako što je tank termički izolovan od okoline i temperaturnom regulacijom podešava temperaturu uzetog uzorka gasa na zadatu vrednost. Zaključujemo da se merenjem brzine zvuka u tanku posredno određuje molarna masa gasa u tanku, a na osnovu poznate zapremine tanka možemo izračunati i gustinu uzetog uzorka gasa. Masa uzetog uzorka gasa je jednaka zbiru mase SF6 gasa i mase vazduha u analizatoru pa možemo napisati sledeću jednačinu:

22662 NNSfSfU VVl ⋅+⋅=⋅ ρρρ (27)

odnosno ( ) 22

66

26 NN

SfSf

NSfU V

TRMP

VTR

MPVV

TRMP

⋅⋅

⋅+⋅

⋅

⋅=+⋅

⋅⋅

(28)

Rešavajući ovu jednačinu po 2

6

N

Sf

VV

dobijamo: 6

2

2

6

SfU

UN

N

Sf

MMMM

VV

−−

= (29)

gde su UNSf MMM ,, 26 molarne mase SF6 gasa, azota i uzetog uzorka gasa respektivno. Molarene mase SF6 gasa i azota su unapred poznate a molarnu masa uzorka meri analizator. Na osnovu merenja molarne mase uzorka i jednačine (29) analizator kao rezultat daje odnos zapremina SF6 gasa i azota u ispitanom uzorku gasa izraženog u procentima, 0÷100%. Tačnost merenja metode je manja od ±1%. Ova metoda je praktična jer ne zavisi od pritiska gasa, ne zahteva protok gasa kroz ispitni tank i neosetljiva je na temperaturu ambijenta jer je ispitni tank temperaturno kompenzovan. Merenje traje veoma kratko i rezultat merenja se može očitati na anlizatoru nakon 1 minuta. 5.5.2. Ispitivanje vlažnosti SF6 gasa: Vlažnost SF6 gasa se meri pomoću elektronskih higrometara koji mogu biti na principu:

• kondenzacije smrznutog ogledala ili • kapaciteta elektrohemijskog senzora

Apsolutna vlažnost gasa se definiše kao odnos broja molova vodene pare i broja molova gasa,

(u našem slučaju SF6) u ukupnoj smeši: 6Sf

pV n

nppm = (30)

i izražava se kao milioniti deo u zapremini (eng. parts per million by volume, ppmv). Pored apsolutne vlažnosti gasa definiše se i specifična vlažnost gasa kao odnos mase vodene pare i

mase gasa: 6666 Sf

pv

SfSf

pp

Sf

pw M

Mppm

MnMn

mm

ppm ⋅=⋅

⋅== (31)


- 65 -

Dobija se ako apsolutnu vlažnost pomnožimo sa odnosom molarnih masa vodene pare i SF6 gasa, i izražava se kao milioniti deo težine ukupne smeše gasa (eng. parts per million by

weight, ppmw). Ako izraz za apsolutnu vlažnost gasa proširimo sa

nPn

nPn

ppmSf

p

V

⋅

⋅=

6

(32)

gde je 6Sfp nnn += -ukupan broj molova u smeši a P-ukupan pritisak smeše dobijamo:

66

6

1010 ⋅≅⋅=PP

PP

ppm p

Sf

pV (33)

gde su pP i 6SfP -parcijalni pritisci vodene pare i SF6 gasa respektivno. Parcijalni pritisak gasa u smeši gasova jednak je proizvodu ukupnog pritiska smeše gasova i molskog udela tog gasa

u ukupnoj smeši: n

nPP p

p ⋅= . Parcijalni pritisak vodene pare je ustvari pritisak koji bi imala

ista količina vodene pare kada bi sama zauzela celu zapreminu komore za gašenje luka. Zasićena vodena para je para koja predstavlja granicu između tečnog i gasovitog stanja tj. kod koje dolazi do kondenzacije sa malim porastom pritiska ili malim smanjenjem temperature. Pritisak zasićene vodene pare je nelinearna funkcija temperature koja se daje tabelarno ili

pridbližnim analitičkim izrazom: 3,2382694,17

78,610)( +⋅

⋅≅ tt

zp etP (34) Smanjenjem temperature pri konstantnom pritisku i zapremini nezasićena vodena para prelazi u zasićenu i temperatura na kojoj se to dešava se zove temperatura ili tačka rose. Dakle tačka rose je temperatura pri kojoj dolazi do kondenzacije vodene pare u SF6 gasu tj. pri kojoj vodena para u SF6 gasu prelazi u tečno stanje. Zato tačka rose ima veći praktični značaj od apsolutne vlažnosti SF6 gasa. Parcijalni pritisak vodene pare je jednoznačno određen tačkom rose tj. svakom parcijalnom pritisku odgovara jedna i samo jedna tačka rose:

3,2382694,17

78,610)( +⋅

⋅== r

r

tt

rzpp etPP . Odnosno parcijalni pritisak vodene pare je pritisak zasićene vodene pare na temperaturi tačke rose. Zaključujemo da je za određivanje apsolutne vlažnosti SF6 gasa potrebno da znamo dva podatka: tačku rose tj. parcijalni pritisak vodene pare i ukupan pritisak SF6 gasa pri kome je ta tačka rose izmerena. Pri tome apsolutna vlažnost gasa ne zavisi od atmosferske temperature i atmosferskog pritiska i oni ne utiču na rezultat merenja. Ali tačka rose zavisi od pritiska SF6 gasa na kome je izmerena pa se na osnovu apsolutne vlažnosti može preračunati tačka rose koja bi se imala na radnom pritisku SF6 gasa u komori za gašenje luka (videti sliku br. 53). Sa porastom pritiska SF6 gasa povećava se i parcijalni pritisak vodene pare u njemu. Samim tim povećava se i tačka rose pa se kondenzacija vlage u komori za gašenje luka dešava na višoj temperaturi nego kada je pritisak SF6 gasa jednak atmosferskom pritisku. Higrometar smrznutog ogledala radi na kondenzacionom pricipu i direktno meri temperaturu tačke rose SF6 gasa. Apsolutna vlažnost SF6 gasa se određuje posredno kao poznata funkcija temperature tačke rose i pritiska SF6 gasa pri kome je ona izmerena. Osnovu ovog higrometra čini ogledalo preko kojeg struji SF6 gas. Temperaturom ogledala upravlja optički senzor koji detektuje pojavu kondezacije vode ili kristala vode na površini ogledala. Može se reći da postoji povratna sprega između ogledala i foto senzora tj. između pojave kondenzacije i temperature ogledala. Dok nema kondenzacije temperatura ogledala se smanjuje a kada se kondenz pojavi temperatura ogledala se povećava. Tačka rose je dostignuta kada na površini ogledala postoji stabilna dinamička ravnoteža između isparavanja i kondenzacija vodene pare na površini ogledala.


- 66 -

Da bi se postigla stabilna ravnoteža između isparavanja i kondenzacije na površini ogledala potrebno je ostvariti određeni protok SF6 gasa. Operator na analizatoru podešava protok gasa dok indikator ne pokaže da je uspostavljena ravnoteža. Tek tada se na analizatoru može očitati ispravna vrednost tačke rose. Zato je za rukovanje ovakvim higrometrom potrebno iskustvo. Higrometar smrznutog ogledala ima veliku tačnost koja iznosi ±0,5% od opsega merenja. Površina ogledala se vremenom može zaprljati ukoliko u uzorcima SF6 gasa postoje čvrsti (puderasti) ostaci produkata razlaganja. Zato je pre merenja potrebno uraditi test čistoće ogledala gde analizator poredi reflektovani signal od suvo ogledalo sa referentnim signalom. Ukoliko test pokaže negativan rezultat ogledalo se mora izvaditi iz analizatora i očistiti (videti sliku br. 52).

Slika br. 52: Higrometar smrznutog ogledala

Higrometar sa elektrohemijskim senzorom na bazi aluminijum oksida radi na sorpcionom principu tako da senzor zbog svoje poroznosti upija vlagu iz SF6 gasa zbog čega dolazi do promene njegove dielektrične konstante pa sami tim i kapaciteta koju detektuje merni pretvarač. Dakle kod ovakvog tipa higrometra posredno putem kapaciteta senzora meri se parcijalni pritisak vodene pare pa se na osnovu njega poračunava temperatura tačke rose i apsolutna vlažnost SF6 gasa. Higrometar sa elektrohemijskim senzorom je jeftniji i manjih gabarita od higrometra smrznutog ogledala ali mu je i tačnost manja, ±2% od opsega merenja. Elektrohemijski senzori su robusni na uticaje kondenzacije i visoku temperaturu ali su osetljivi na nečistoće u gasu koje narušavaju poroznost i ako su korozivne mogu da oštete aluminijum-oksid. Nečistoće sa senzora se mogu čistiti pomoću destilovane vode i rastvrača toluen (C7H8) i heksan (C6H14) nakon čega se senzori moraju sušiti na 50°C u trajanju od 24h. Prilikom čišćenja senzori ne smeju doći u dodir sa rukama ili zidovima posuda jer su veoma lomljivi. Senzori su skloni starenju usled čega im se pogoršava preciznost pa ih je poželjno kalibrisati na svakih 12 do 24 meseca. Koncentracija vlage u SF6 gasu ne zavisi od pritiska SF6 gasa ali sa povećanjem pritiska SF6 gasa povećava se parcijalni pritisak vodene pare u komori za gašenje luka pa samim tim i tačka rose. Zato merenje vlage treba sprovoditi na što većem pritisku jer je tada merenje preciznije i moguće je detektovati manje koncentracije vlage. Merenje vlage, tj. tačke rose, ne treba sprovoditi ako je ambijentalna temperatura niža od tačke rose. Jer elektronski higrometri mogu da detektuju vodenu paru ali ne i vodu. Merenje vlage treba izbegavati ako ambijentalna temperatura nije stabilana, pogotovo u jutarnjim časovima kada se SF6 gas brže zagreva od zidova komore za gašenje luka pa može doći do kondenzacije vlage na hladnijim zidovima komore za gašenje luka.


- 67 -

Ako je već došlo do kondenzacije vodene pare u vodu izmerena koncentracija vodene pare neće biti validan rezultata i može ukazati na nisku koncentraciju vlage i ako je stvarna koncentracija vlage mnogo veća ali zarobljena u vodi. Zato se upraksi tačka rose i vlažnost SF6 gasa ne meri ako je ambijentalna temperatura niža od 0°C.

Slika br. 53: Nomogram apsolutne vlažnosti gasa, tačke rose i pritiska SF6 gasa


- 68 -

5.5.3. Ispitivanje korozivnosti SF6 gasa Pod dejstvom visoke temperature, zračenja i električnog polja molekuli SF6 gasa se razlažu na atome fluora i sumpora. Stepen razgradnje zavisi od količine dovedene energije prema formuli: FxSFSF X

E )6(6 −+⎯→⎯Δ ; 0<x<6. Disipacijom dovedene energije atomi fluora i sumpora se rekombinuju u molekule SF6 gasa (videti sliku br. 55). Ali u procesu rekombinacije dolazi do mešanja molekula fluora i sumpora sa parama materijala delova prekidača koje nastaju pri gorenju električnog luku

Slika br. 54: Hemijske procesi pri gorenju luka u komori prekidača

Pri tome dolazi do hemijskih reakcija u kojima se stvaraju primarni produkti razlaganja koji uz prisustvo kiseonika i vode prelaze u sekundarne, hemijski stabilne produkte razlaganja. Sa slike br. 54 se vidi da su primarni produkti razlaganja metal-fluoridni puderi i sumpor-tetrafluorid, SF4. SF4 u prisustvu vlage veoma brzo prelazi u SOF2 čija se dalja hidroliza može opisati jednačinom: SOF2 + H2O → SO2 + 2HF. Dakle sekundarni stabilni produkti razlaganja su sumpor-dioksid, SO2 i hlorovodonična kiselina, HF. Merenje koncentracije HF i SO2 se vrši pomoću elektrohemijskih senzora. Elektrohemijski senzori se sastoje od elektroda zaronjenih u elektrolit i ampermetra koji je povezan sa obe elektrode i meri struju koja protiče kroz elektrolit (videti sliku br. 56). Kada elektroda dođe u dodir sa uzorkom gasa uz prisustvu molekula HF ili SO2 dolazo do hemijske reakcije na površini elektrode usled čega elektroda prima ili otpušta elektrone. Posledica toga je promena naelektrisanja elektrode tj. njenog potencijala usled čega se menja vrednost struje kroz elektrolit koju detektuje ampermetar. Zato se takvi elektrohemijski senzori zovu amperometriski senzori. Dakle koncentracija HF i SO2 u SF6 gasu je srazmerna sa potencijalom elektrode tj. strujom elektrolita koja se meri. Elektrode najčeše nisu od istog materijala kako bi se uspostavila veća razlika potencijala i biraju se tako da dođe do što veće hemijske reakcije kako bi senzor bio osetljiviji. Otpornost elektrolita (kao i svaka druga otpronost) zavisi od temperature pa se merenje vrši u ćeliji koja je temperaturno kompenzovana. Ceo senzor se nalazi u hidrofobnoj membrani (gasno propustljiva membrana) koja dopušta molekulima gasa da uđu u senzor a sa druge strane ne dozvoljava elektrolitu da iscuri (videti sliku br. 57).


- 69 -

Kako je koncentracija HF i SO2 u SF6 gasu relativno mala, hidrofobna membrana mora biti veoma porozna da bi senzor bio osetljiviji. Usled poroznosti membrane dolazi do isparavanja elektrolita što ograničava životni vek senzora.

Slika br. 55: Procesi razlaganja molekula SF6 gasa i ragovanje sa molekulima O2 i H2O

Slika br. 56: Poprečni presek i princip rada ampermetarskog gasnog senzora

Slika br. 57: Hidrofobna membrana gasnog senzora


- 70 -

Životni vek senzora je ograničen vremenski i deklariše ga proizvođač a najčešće iznosi od 1 do 3 godine a zavisi od ukupne količine gasova kojima je izložen tokom životnog veka. Deklarisani životni vek važi za koncentraciju HF i SO2 u propisanom opsegu. Veća koncentracija HF i SO2 od propisane skraćuju životni vek senzora. 5.6. Toksičnost SF6 gasa u kome je goreo električni luk Toksičnost gasova se izražava kroz graničnu vrednost koja se obeležava sa TLV (eng. Threshold Limit Value) koja predstavlja dozvoljenu količinu gasa kojoj čovek može biti izložen 8h dnevno 5 dana u nedelji a da ne dođe do narušavanja zdravlja. Čist SF6 gas se smatra netoksičnim ali standardi definišu TLV vrednost od 1000 ppmw (6g/m3) za radnike koji su svakodnevno izloženi SF6 gasu. Ali SF6 gas koji sadrži sekundarne produkte razlaganja može ugroziti zdravlje čoveka u direktnom dodiru kože ili u slučaju udisanja. Opasnost tj. rizik od sekundarnih produkata razlaganja zavisi od njihove granične vrednosti (TLV) ali i količine u kojima se formiraju. U ukupnoj toksičnosti SF6 gas u komori za gašenje luka najviše dominira gas SOF2 (tionil-fluorid) jer je za njegovo stvaranje potrebna mala energija luka (ima veliku stopu generisanja) dok gas S2F10 (disumpor-dekafluorid) ima najmanju dozvoljenu graničnu vrednost od svih sekundarnih produkata razlaganja ali je za njegovo formiranje potrebna velika energija luka. U tabeli br. 2 predstavljena je toksičnost za sekundarne produkte razlaganja koji imaju najveći indeks rizika po zdravlje čoveka. Iz tabele se vidi da se indeks rizika toksičnosti izražava relativno u odnosu na koncentraciju SOF2 jer je njegov uticaj na zdravlje praktično najopasniji.

SOF2 SO2F2 S2F10 Stopa generisanja [l/kJ] 3,7 x 10-3 0,06 x 10-3 2,4 x 10-9 TLV [ppmv] 1,6 5 0,01 Pr = Stopa generisanja u odnosu na SOF2

1 0,016 0,65 x 10-6

Tr = TLV u odnosu na SOF2

1 0,32 160

Indeks rizika = Pr x Tr 1 5,12 x 10-3 0,104 x 10-3 Tabela br. 2: Specifikacija toksičnosti sekundarnih produkata razlaganja SF6 gas sa najvećim

indeksom rizika

Primera radi u prekidaču 110 kV kod koga je zapremina komore za gašenje luka oko 60l pri prekidanju jednofaznog kratkog spoja struje od 20 kA, napona luka 500V i vreme trajanja luka od jedne periode, 20 ms stvoriće se sledeće količine sekundarnih produkata razlaganja SF6 gasa:

• [ ] [ ] [ ] [ ] VSOF ppmlmsVkAkJlc 33,1260/2050020107,3 3

2=⋅⋅⋅⋅⎥⎦

⎤⎢⎣⎡⋅= −

• [ ] [ ] [ ] [ ] VFSO ppmlmsVkAkJlc 2,060/20500201006,0 3

22=⋅⋅⋅⋅⎥⎦

⎤⎢⎣⎡⋅= −

• [ ] [ ] [ ] [ ] VFS ppmlmsVkAkJlc 69 10860/2050020104,2

102

−− ⋅=⋅⋅⋅⋅⎥⎦⎤

⎢⎣⎡⋅=

Dakle prilikom jednog prekidanja struje kratkog spoja jedino će stvorena količina SOF2 biti u nedozvoljenoj koncentraciji po zdravlje čoveka.


- 71 -

Detekcija i analiza koncentracija produkata razlaganja u SF6 gasu se ne može obaviti na terenu već se mora uzeti uzorak SF6 gas i odneti u laboratoriju. Analiza sadržaja uzetog uzorka se vrši FTIR metodom. FTIR – Fourier Transform Infra Red metoda analizira spektar apsorbcije infra crvenog zračenja uzorka razvijajući ga u Fourier-ov. red. U osnovi je to isti princip na kome rade i IC kamere za detekciju curenja gasa ali su one osetljive samo na jednu spektralnu komponentu tj. talasnu dužinu. Kod FTIR spektroskopa analiziraju se sve spektralne komponente tj. detektuju koncentracije primesa produkata razlaganja. Koncentracija produkata razlaganja se određuje na osnovu Lamber-Berovog zakona:

dII

cdcII

⋅=⇒⋅⋅=

εε

)log()log( 0

0

(35)

Gde je 0II odnos intenziteta propuštene i upadne monohromatske svetlosti, ε – molarni

apsorbcioni koeficijent, d – debljina sloja uzorka i c – koncentracija tražene supstance u smeši. Spisak produkata razlaganja u SF6 gasu koje FTIR spektrometri mogu da detektuju u minimalnim koncentracijama su date u tabeli br. 3. Za spektralnu analizu produkata razlaganja potrebna je količina uzorka SF6 gasa od 200ml. Za uzimanje uzorka koriste se posebne vreće hemijski otporne koje ne reguju sa produktima razlaganja SF6 gasa. Vreće su izvakumirane i na sebi imaju sigurnosni ventil za ispravno uzimanje i ispuštanje uzorka.

a) b)

Slika br. 58: IR analiza SF6 gasa,

a) FTIR spektormetar, b) vreće za ispuštanje SF6 gasa


- 72 -

Produkti razlaganja SF6 gasa Donja granica detekcije

SO2 – sumpor dioksid 10 ppmV SF – hidrogen fluorid 0,5 ppmV SF4 – sumpor tetrafluorid 3 ppmV SOF2 – tionil fluorid 10 ppmV SOF4 – tionil tetrafluorid 5 ppmV SO2F2 – sulfor fluorid 3 ppmV S2F10 – disumpor dekafluorid 2 ppmV SiF4 – silicon tetrafluorid 5 ppmV CO – karbon monoksid 5 ppmV COS – karbonski sulfid 5 ppmV CF4 – tetra fluorometan 3 ppmV C2F6 – heksa fluoroetan 2 ppmV C3F8 – oktof luoropropan 2 ppmV

Tabela br. 3: Specifikacija produkata razlaganja SF6 gasa i njihove donje granice detekcije

5.7. Ocena kvaliteta SF6 gasa za upotrebu u prekidačima IEC standard definiše dozvoljenu kontaminaciju SF6 gasa u tri nivoa kvaliteta tokom njegovog životnog veka:

• kvalitet novog SF6 gasa je definisan standardom IEC 60376, • kvalitet SF6 gasa koji ne ugrožava ispravan rad VN opreme je definisan standardom

IEC 60480 i • kvalitet SF6 gasa koji se više ne može reciklirati radi dalje (ponovne) upotrebe je

definasan standardom IEC 62271-303. Ali IEC standardi ne definišu granične uslove kvaliteta SF6 gasa za upotrebu u pojedinim tipove VN opreme, konkretno za prekidače.

Standard

Sadržaj Gasa

IEC 60376 (od 2005 god.)

za nov SF6

IEC 60480 (od 2004 god.) za korišćen SF6

IEC 62271-303 (od 2008 god.)

za neupotrebljiv SF6

SF6 99,55 Vol. % 97 Vol. % / Vazduh (azot N2)

2000 ppmw ili 1 Vol. %

< 30 Vol. % ili 6 Gew. %

CF4 2400 ppmw ili 4 Vol. %

3 Vol. % < 5 Vol. % ili 3 Gew. %

H2O 25 ppmw ili

(-36°C tačka rose) ili 200 ppmv

95 ppmw ili (-23°C tačka rose)

ili 750 ppmv

< 1000 ppmw ili (5°C tačka rose)

kiselost izražena u koncentraciji HF

0,8 ppmw ili 6 ppmv

50 ppmv ukupno korozivnih produkata ili

12 ppmw za SO2 + 25 ppmw za HF

< 1000 ppmw

Tabela br. 4: Specifikacija graničnih vrednosti za nov, upotrebljivan i neupotrebljiv SF6 gas


- 73 -

Već dozvoljene granice kontaminacije SF6 gasa, za njegovu upotrebu u prekidačima, moraju biti deklarisane od strane proizvođača opreme. Proizvođač “Siemens“ za SF6 prekidače tipa “3AP“ koji se koriste na visokom naponu u EES-u Srbije definiše granice čistoće veće od 95% i tačku rose veću od -5°C što pri radnom pritisku od 6,3 bar na 20°C daje apsolutnu vlažnost SF6 gasa od 630 ppmv. Nešto strožije kriterijume propisuje proizvođač “Alstom“ za svoje SF6 prekidače tipa “GL-311“: donja granica čistoće 98%, dozvoljena vlažnost 300 ppmv i koncentracija SO2 manja od 10 ppmv. U tabeli br. 4 jedinice mere za čistoću SF6 gasa imaju sledeće zanačenje:

• Vol. % - procenat od ukupne zapremine, • Gew. % - procenat od ukupne težine, • ppmv – milioniti deo od ukupne zapremine, • ppmw – milioniti deo od ukupne težine.

Gas CF4 koji nastaje tokom nagorevanja teflonske mlaznice u prekidaču nije opasan za ispravan rad prekidača. Šta više u okruženjima gde su ambijentalne temperature veoma niske (Kanada, Rusija,...) komore za gašenje luka se pune mešavinom SF6 i CF4 gasa jer na niskim temperaturama SF6 gas prelazi u tečno stanje. Mešavina SF6 i CF4 gasa ima nižu temperaturu kondenzacije a zadržava dobre dielektrične i termičke osobine.

SF6 [%] CF4 [%] Minimalna ambijentalna temperatura [°C] 100 0 -30 70 30 -40 50 50 -50

Tabela br. 5: Dozvoljena ambijentalna temperatura za mešavinu SF6 i CF4 gasa

Najopasniji slučaj za VN prekidače nastaje kada je koncentracija produkata razlaganja i vlage takva da je tačka rose pri radnom pritisku SF6 gasa u komori za gašenje luka veća ili jednaka od donje granične temperature okoline na kojoj se VN oprema može koristiti.

Slika br. 59: Oštećenja glavnih kontakata prekidača pod uticajem korozije i produkata razlaganja SF6 gasa


- 74 -

U tom slučaju kondenzacija kiseline koja nastaje mešanjem vlage i produkata razlaganja će biti permanentna pa će i korozija kontakata i mehaničkih delova biti permanentna. S obzirom na veliku kiselost takvog kondenzata, korozija je veoma agresivna i intenzivna i brzo može ugroziti ispravan rad prekidača (videti sliku br. 59). Zato je tačka rose inženjerski važniji podatak od apsolutne vlažnosti gasa. Ali za praćenje trendova nivoa vlažnosti SF6 gasa u dužem periodu koristi se apsolutna vlažnost jer je tačka rose relativan podatak koji zavisi od pritiska SF6 gasa na kome je izmerena. Pri gašenju električnog luka SF6 gas se ne regeneriše 100% već nastaju produkti razlaganja. Zato se hemijska analiza SF6 gasa može koristiti za dijagnostikovanje stanja prekidača tj. teških uslova rada ili unutrašnjeg kvara u prekidaču. Metoda analize produkata razlaganja u izolaciji za dijagnostikovanje stanja odavno je dokazala svoj uspeh u gasnohromatskoj (DGA-dissolving gas analyze) analizi ulja kod transformatora. Hemijska analiza SF6 gas je moguća metodom infracrvene spektrometrije (FTIR – Fourier Transform Infra Red metoda). Kod prekidača primena ove metode je otežana zbog filtera u komori za gašenje luka koji apsorbuju produkte razlaganja. Ali kombinujući ovaj metod sa ostalim dijagnostičkim metodama (n.pr. merenje dinamičkog otpora kontakata) možemo kompletnije sagledati istoriju rada prekidača i kompletnije proceniti njegovo stanje. Ukoliko se detektuju produkti razlaganja SF6 gasa a pouzdano se zna da prekidač nije prekidao velike struje kratkih spojeva, može se opravdano sumnjati da produkte razlaganja stvara visoka temperatura zbog unutrašnjeg kvara u komori za gašenje luka.


- 75 -

7. Ispitna lista sa prijemnog ispitivanja prekidača

Pri kupovini prekidača pre njihove isporuke vrše se dijagnostička isptivanja u fabričkoj laboratoriji u prisustvu predstavnika investitora, tzv. FAT (Fabrike Accceptanse Test) testiranje. Rezultati merenja tih testova moraju biti u deklarisanim granicama od strane proizvođača i predstavljaju referentnu sliku ispravnog stanja prekidača, tzv. “otisak prsta“ sa kojim se porede kasnija merenja pri održavanju prekidača tokom njegovog životnog veka. U nastavku je data ispitna lista jednog pola 420kV prekidača tipa ABB LTB 420E2. To je autokompresioni SF6 prekidač sa dva prekidna mesta po polu čije kontakte pokreće pogonski mehanizam sa torzionom spiralnom oprugom. Tokom testiranja mereni su sledeći parametri:

• vremena uključenja i isključenja glavnih kontakta, • vremena uključenja i isključenja pomoćnih kontakta, • struja kalemova za uključenje i isključenje i • hodogram glavnih kontakata

Pri tome je kontrolisana jednovremenost između prekidnih mesta i jednovremenost glavnih i pomoćnih kontakata. Merenja su sprovedena tokom operacija:

• uključenje, C (Close) • isključenje, O (Open) • uključenje-isključenje, CO (Close-Open) • isključenje-0,3s-uključenje-isključenje, OCO (Open-0,3s-Close-Open)

Pored toga snimljen je i hod bregastog diska i njegov ugao kretanja pri operaciji uključenja prekidača. Na kraju je dat dijagram efektivne vrednosti struje motora pognskog mehanizma za namotavnja opruge za uključenje.


- 76 -


- 77 -


- 78 -


- 79 -


- 80 -


- 81 -


- 82 -

Zaključak

Održavanje SF6 VN prekidača prema konceptu dijagnostikovanja je po svim aspektima najracionalniji metod održavanja. To je jedini metod koji ne zahteva ispuštanje gasa iz prekidača. Prednosti dijagnostičke metode održavanja ističu se u tehničkim, ekonomskim, bezbedonosnim i ekološkim aspektima. Primena dijagnostičkih metoda je tehnički naprednija jer su metode neinvazivne tj. ne zahtevaju rasklapanje prekidača. Zato ne postoji mogućnost ljudske greške pri ponovnom sklapanju elemenata prekidača. Prilikom ispitivanja simultano se proverava funkcionalnost svih funkcija prekidača. Dijagnostikovanje sa vrši na osnovu rezultata više testova. Najveći broj tih testova su dinamičkog karaktera i daju nam informacije koje se ne mogu uočiti jednostavnom vizuelnom inspekcijom. Na taj način dobijamo informacije kako se izvršavaju funkcije prekidača, a ne samo da li su one funkcionalne ili ne. Rezultati merenja tj. ispitivanja se lako mogu unositi i čuvati u velikim bazama podataka gde se može anlizirati njihov trend u vremenu i porediti sa rezultatima drugih prekidača istog tipa. Moguće je vršiti analizu kako uslovi rada prekidača utiču na njegove performanse. Ekonomski su optimalnij jer zahtevaju minimalno vreme isključenje prekidača sa EES-a, pa samim tim i isključenje štićenog objekta (generatora, transformatora ili dalekovoda) sa mreže. Smanjuje se broj tehničkog osoblja potrebnih za održavanje prekidača. Optimizuje se period između dva remonta prekidača na osnovu procenjenog stanja prekidača. Prekidači sa težim pogonskim uslovima se održavaju češće i obrnuto. Dijagnostikovanje početnih kvarova sa malom verovatnoćom otkaza prekidača u velikoj meri sprečavaju veće i skuplje havarije. Bolja je procena dotrajalosti prekidača i određivanje kraja životnog veka prekidača. Nema rizika od gubitka SF6 gasa usled nestručnog rukovanja, pa se ne plaćaju preskupi penali usled akcidentnog gubitka SF6 gasa. Neinvazivne metode ispitivanja su najbezbednije kako za prekidač tako i za osoblje koje održava prekidač. Rukovanje SF6 gasom zahteva svesnost o rizicima po ljudsko zdravlje i životnu sredinu. SF6 gas postaje kancerogen ukoliko je izložen dejstvu električnog luka, pa je nestručno rukovanje takvim - korišćenim SF6 gasom, opasno po život. Poznati su primeri u okruženju da je došlo do teškog trovanja usled izlaganja korišćenom SF6 gasu. Pored SF6 gasa, opruge motorno opružnog pogona u sebi imaju veliku energiju koja se ne može u potpunosti isprazniti manipulacijom prekidača. Greške prilikom remonta elemenata prekidača mogu dovesti do ozbiljnih mehaničkih povreda tehničkog osoblja. Sa druge strane neispravno rukovanje SF6 gasom može narušiti fizičko-hemijski kvalitet SF6 gasa u komori za gašenje luka i ugroziti ispravan rad prekidača. Čist SF6 gas ima štetni uticaj samo na efekat “Staklene bašte“. Ali SF6 gas koji je bio izložen visokoj temperaturi stvara produkte razlaganja koji su toksični i opasni po ljudsko zdravlje. Zato rukovanje istrošenim SF6 gasom treba da vrše samo obučena lica koja su sertifikovana za to. Ekološki aspekti neinvazivnih metoda održavanja se ispoljavaju direktno i indirektno. Direktno se smanjuje verovatnoća akcidentnog gubitka SF6 gasa jer se pri remontu prekidača komora za gašenje luka ne prazni. Indirektno se smanjuje mogućnost gubitka SF6 gasa usled eksplozije prekidača pri njegovom otkazu jer se povećava pouzdanost prekidača dijagnostikovanjem početnih stanja kvarenja prekidača. Analiza stanja SF6 gasa je veoma važna jer prekidač može da zadovolji sve testove u pogledu mehaničkih i električnih karakteristika i naizgled da deluje ispravno. Ali ako SF6 gas u komori za gašenje luka nema odgovarajući fizičko-hemijski kvaltet biće ugrožen ispravan rad prekidača i verovatno će doći do neuspešnog prekidanja struje, tj. do otkaza prekidača pri čemu se stvara verovatnoća za nastanak veće štete.

- 83 -

Literatura [1] CIGRE Working Group 13.09, Brochure No.167, User guide for the application of

monitoring and diagnostic techniques for switching equipment for rated voltages of 72,5kV and above, 2000

[2] Prof. Dr. Milan Savić: Visokonaponski sklopni aparati, Elektrotehnički fakultet

Univerziteta u Beogradu, 2004 [3] International standard IEC 62271-100, High-voltage alternating-current circuit-breakers,

2003 [4] International standard IEC 60694, Common specifications for high-voltage switchgear and

controlgear standards, 2001 [5] Application guide: Live Tank Circuit Breakers, ABB High Voltage, 2010 [6] User manuel, Application guide for the circuit breaker analyzer and microohmmeter ISA

CBA2000, 2009 [7] User manuel, Manual inicial switch analyzer ELCON ABB SA10 Y BTS11, 2005 [8] International standard IEC 62271-203, Use and handling of sulphur hexafluoride (SF6) in

high-voltage switchgear and controlgear, 2008 [9] International standard IEC 60480, Guidelines for the checking and treatment of sulphur

hexafluoride (SF6) taken from electrical equipment and specification for its re-use, 2004 [10] International standard IEC 60376, Specification of technical grade sulphur hexafluoride

(SF6) for use in electrical equipment, 2005 [11] User manuel, Operating manual for SF6 multi analyzer with gas return system DILO 3-038R [12] Božidar Filipović-Grčić, Model električnog luka u SF6 prekidaču pri prekidanju

induktivnih struja, HRO CIGRE, Caftat 2011 [13] Ivo Uglješić, Božidar Filipović-Grčić, Srećko Bojić, Analiza kvara 400 kV SF6

prekidača uslijed isklopa dalekovoda u praznom hodu, HRO CIGRE, Caftat 2013

Naslovna strana Nevena - amforum.orgamforum.org/site/journal/master.pdf · Master rad...

Documents

Transcript of Naslovna strana Nevena - amforum.orgamforum.org/site/journal/master.pdf · Master rad...