ROZDZIELNICE SF6 WYSOKICH I NAJWYŻSZYCH NAPI
Ć
1. Wstęp
Zużycie energii elektrycznej na całym świecie wykazuje stabilne tempo wzrostu. W wielkich
aglomeracjach miejsko-przemysłowych występuje coraz większa koncentracja poboru mocy,
rzędu dziesiątki megawatów na kilometr kwadratowy.
Do roku 1965 problemy przesyłu i rozdziału coraz większych ilości energii były rozwiązywane
przez stosowanie coraz większych mocy jednostek transformatorowych oraz coraz wyższych
napięć znamionowych linii i stacji elektroenergetycznych. Nie towarzyszyły temu zasadnicze
zmiany w konstrukcji urządzeń. Względy architektoniczne oraz brak rozległych wolnych terenów
spowodowały że tradycyjne stacje elektroenergetyczne wysokiego napięcia są usytuowane
daleko od centrów obciążeń. Związane jest to z budową dodatkowych stacji pośrednich,
ponadto rozdział jest na zbyt niskim napięciu co pociąga za sobą duże straty.
Dążenie do zmniejszenia wymiarów stacji i możliwości wyprowadzenia stacji 110 kV i wyż-
szych napięć do centrów dużych miast było między innymi przyczyną poszukiwania nowych
rozwiązań, w kierunku istotnego zmniejszenia wymiarów zarówno urządzeń elektroener-
getycznych jak i całych stacji. Wymiary stacji elektroenergetycznych na napięcia wysokie
i najwyższe mogą być zmniejszone pod warunkiem zastosowania izolacji o właściwościach
znacznie lepszych od powietrza o ciśnieniu atmosferycznym. Od lat prowadzono badania nad
zastosowaniem izolacji stałej, ciekłej, gazowej, wysokiej próżni w nowych konstrukcjach
rozdzielni.
Rozwiązaniem które wyparło wszystkie pozostałe było zastosowanie sześciofluorku siarki
(SF6) jako izolacji i ośrodka gaszącego łuk elektryczny w rozdzielniach elektroenergetycznych.
Rozdzielnie z sześciofluorkiem siarki są produkowane na skalę przemysłową od końca lat
sześćdziesiątych.
2. Właściwości sześciofluorku siarki jako ośrodka izolującego
i gaszÄ…cego Å‚uk elektryczny
SF6 jest gazem bezbarwnym , bezwonnym, bez smaku, niepalny, chemicznie bardzo stabilny
do temperatury około 500oC, nie podlega stężeniu. Przy wysokich temperaturach występu-
jących w łuku elektrycznym i w jego pobliżu wydzielają się w niewielkiej ilości toksyczne
produkty rozkładu gazu. Gaz ten jest 5-krotnie cięższy od powietrza i w niskiej temperaturze
przy stosunkowo niskim ciÅ›nieniu przechodzi w stan ciekÅ‚y (rys.1). Ma wytrzymaÅ‚ość 2,5÷3-
krotnie większą do powietrza o taki samym ciśnieniu (rys.2) a przy ciśnieniu nieco większym od
0,2 Mpa wytrzymałość elektryczna gazu jest równa wytrzymałości oleju transformatorowego.
Sześciofluorek siarki posiada bardzo dobre właściwości gaszenia łuku elektrycznego. Zdolność
ta zapewniona jest poprzez dobre odprowadzanie ciepła przez SF6, dzięki czemu z kolei
znamionowe prądy ciągłe przewodów umieszczonych w SF6 są większe niż przewodów
umieszczonych w powietrzu.
2
Rys.1. Zależność stanu SF6 od temperatury Rys.2. Wytrzymałość elektryczna powietrza
i ciśnienia i SF6 w zależności ciśnienia w polu elektrycznym
niejednostajnym przy odstępie międzyelektro-
dowym równym 12 mm
3. Ogólne zasady budowy rozdzielnic gazowych
Rozdzielnie gazowe buduje się jako wnętrzowe (naziemne, podziemne i inne) i napo-
wietrzne. Rozdzielnie wnętrzowe są głównie budowane w miastach dużych, centrach prze-
mysłowych gdzie brakuje miejsca oraz dużą rolę odgrywają względu architektoniczne. Na
rysunku 3 przedstawiona jest możliwość zainstalowania stacji izolowanej SF6 pod ulicą miasta.
Budowanie stacji gazowej napowietrznej może być podyktowane dużym zanieczyszczeniem
atmosferycznym
W rozdzielniach gazowych szyny zbiorcze i wszystkie urzÄ…dzenia rozdzielcze sÄ…
umieszczone w hermetycznych rurach i zbiornikach wypełnionych SF6, które są wykorzystywa-
ne również jako konstrukcje nośne. Rozdzielnica powinna być tak zbudowana i eksploatowana,
aby przy niskich temperaturach nie doszło do skroplenia gazu (rys.1). Uniknąć tego można
przez przyjęcie niezbyt wysokiego ciśnienia, podgrzewanie gazu, w wyjątkowych przypadkach
stosowanie domieszek azotu.
Zwykle ciśnienie gazu w rozdzielni wynosi 0,2-0,55 MPa. Wymaga się przy tym, aby przy
spadku ciśnienia gazu do ciśnienia atmosferycznego izolacja doziemna wytrzymywała napięcie
o wartości 1,3-1,5 odpowiednio napięć znamionowych: międzyprzewodowych i fazowych.
Osłony wykonuje się najczęściej ze stali, ze względu na łatwość uzyskania niezbędnej
szczelności, duża wytrzymałość mechaniczną oraz odporność na działanie łuku. Przy dużych
prądach znamionowych następuję jednak silne nagrzewanie się osłon pod wpływem strat
spowodowanych prądami wirowymi i zjawiskiem histerezy. Aby tego uniknąć stosuje się osłony
z metali nie magnetycznych (stopów aluminium i innych). Osłony wykonuje się w kształcie
walców i rur w celu uzyskania możliwie jednorodnego pola elektrycznego. Osłony rozdzielni są
dzielone na szczelne komory zawierające jedno lub kilka urządzeń. Podział na szczelne komory
ma umożliwić łatwe wykonywanie prac konserwacyjnych i remontowych, oraz możliwość
budowy rozdzielni o dowolnym układzie szyn zbiorczych , oraz dowolnym wyposażeniu pól.
3
Rys.3. Rozdzielnica SF6 zainstalowana pod ulicÄ…
miasta
Na rysunku 4 przedstawiona jest zasada budowy rozdzielni gazowej (przekrój przewodu
jednej fazy). Obudowy i połączenia kołnierzowe muszą zapewnić odpowiednią szczelność.
Przewody prÄ…dowe wykonywane sÄ… z rur miedzianych lub aluminiowych, Å‚Ä…czonych za pomocÄ…
wtyków kompensujących wydłużenie i dopuszczających małe odchylenia osi. Izolatory
przegrodowe, produkowane ze specjalnych tworzyw sztucznych mają kształt tarczy, dysku,
kielicha. Izolatory te mocują przewody wewnątrz obudowy i tworzą szczelne przedziały gazowe.
Obudowy łączone są ze sobą za pomocą śrub.
Rys.4. Przekrój jednej fazy rozdzielni gazowej:
1  obudowa, 2  kołnierz obudowy, 3  izolator przegrodowy, 4  przewód, 5  połączenie wtykowe
4
Wielkości komór nie mogą być zbyt małe, aby w przypadku zwarcia wewnętrznego ciśnienie
gazu nie przekroczyło dopuszczalnej wartości ze względu na wytrzymałość mechaniczna osłon
i izolatorów przegrodowych. Nie mogą on być też zbyt duże, by w przypadkach nieszczelności
lub prac remontowych nie występowały nadmierne straty gazu.
Każda komora zawiera specjalną membranę o zmniejszonej wytrzymałości mechanicznej,
ulegającej zniszczeniu w ciągu kilku milisekund w przypadku nadmiernego wzrostu ciśnienia.
Membrany umieszcza się tak aby wylot gazu występował w pożądanym kierunku nie stwarzając
zagrożenia dla obsługi.
Każde pole rozdzielni składa się z kilku modułów, przedstawionych schematycznie na
rysunku.
Rys.5. Schemat budowy pola linii kablowej
rozdzielni gazowej:
1,2  szyny zbiorcze
3,4  odłączniki szynowe
5  wyłącznik
6  odłącznik linowy
Przy doborze schematów głównych rozdzielni z SF6 wzoruje się na rozwiązaniach
tradycyjnych. Jednak występują pewne różnice związane z większą niezawodnością elementów
rozdzielni gazowych, wynikające z braku narażenia izolacji na warunki atmosferyczne i
zabrudzenia. Większa niezawodność pozwala na poczynienie pewnych uproszczeń w sche-
matach rozdzielni. Buduje się rozdzielnie z pojedynczym układem szyn zbiorczych, podwójnym,
sekcjonowane, w układzie H, półtorawyłącznikowe i inne. Na rysunku 6 przedstawione są
najczęściej stosowane rozwiązania pól rozdzielczych
Duża trwałość łączeniowa i mała awaryjność stosowanych wyłączników powoduje, że nie ma
istotnego uzasadnienia stosowania szyny obejściowej, oraz możliwe jest zmniejszenie liczby
szyn.
Budowane są rozdzielnie w których poszczególne fazy szyn zbiorczych prowadzone są w
oddzielnych osłonach (izolacja jednobiegunowa  rysunek 7), oraz w których wszystkie fazy
znajdują się we wspólnej osłonie rys. 8. Przy budowie jednobiegunowej nie występują zwarcia
między fazowe, niższe są przepięcia i występuje bardziej równomierny rozkład pola i większą
niezawodność jednak są one droższe. Rozdzielnie o izolacji trójbiegunowej zajmują mniej
miejsca są tańsze, jednak posiadają wady nie występujące w izolacji jednobiegunowej.
Rozdzielnie na napięcie rzędu 500 kV i wyższe buduje się wyłącznie z izolacją jednobiegunową.
5
Rys.6. Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych pól rozdzielni z SF6 na napięcie znamionowe
123 170 kV firmy Siemens (wymiary w cm)
Rys.7. Rozdzielnia z izolacją trójbiegunowa:
1,2  szyny zbiorcze, 3,4  odłączniki szynowe, 5,6,11  uziemniki, 7  odłącznik, 8  przekładnik napięciowy,
9  zakończenie kablowe, 10  przekładnik prądowy, 12  wyłącznik, 13,14  napęd wyłącznika, 15  zbiornik
z olejem, 16  urzÄ…dzenie monitorujÄ…ce ubytek gazu, 17  szafa sterownicza
6
Rys.8. Rozdzielnia z izolacjÄ… jednobiegunowÄ…:
1,3  odłączniki szynowe, 2,4  szyny zbiorcze, 5,16,18  uziemniki, 6  szafa sterownicza,
7,8  urządzenie monitorujące ubytek gazu, 9  zbiornik z olejem, 10,11 napęd wyłącznika,
12  wyłącznik, 13  przekładnik prądowy, 14  zakończenie kablowe, 15  przekładnik napięciowy,
17  odłącznik
Aparatura łączeniowa i inne urządzenia w rozdzielniach z SF6 różnią się od tradycyjnych
wykonań, najczęściej posiadają one mniejsze wymiary, wagę i są przystosowane tylko do tego
typu rozdzielni. Napędy wszystkich łączników umieszczone są na zewnątrz obudowy, w sposób
aby zapewnić łatwy dostęp dla konserwacji.
W rozdzielniach są stosowane głównie wyłączniki gazowe jednociśnieniowe, w których przy
wyłączaniu wraz ze stykiem ruchomym porusza się cylinder sprężający gaz do ciśnienia 0,6-0,8
MPa. Gaz przepływając przez dyszę wyłącznika gasi łuk elektryczny (rys. 9). Buduje się
rozdzielnice z poziomym i pionowym ustawieniu wyłącznika.
Odłączniki są wyposażone w napędy maszynowe. Posiadają on wzierniki umożliwiające
obserwację stanu położenia styków (podyktowane bezpieczeństwem obsługi) ewentualnie
powiadajÄ… wskaz
niki stanu położenia (rys. 10).
W przekładnikach prądowych uzwojenie pierwotne stanowi przewód rozdzielni, rdzeń może
być umieszczony w dwojaki sposób: wewnątrz obudowy pola rozdzielni (rys.7) albo nałożony na
obudowÄ™ (rys. 11).
Przekładniki napięciowe indukcyjne stosuje się do napięcia 300 kV, pojemnościowe dla
napięć wyższych niż 300 kV (rys.12).
W rozdzielniach gazowych przyjęto zasadę stosowania między wszystkimi odłącznikami i
wyłącznikami uziemników, liczba ich jest większa niż w rozdzielniach konwencjonalnych,
spowodowane jest to nie możnością zakładania uziemniaczy przenośnych. Stosuje się dwa typy
uziemników: o napędzie szybkim, zdolne do załączania pełnego prądu zwarciowego, oraz
uziemniki robocze, zamykane przy pracach remontowych za pomocą napędu ręcznego (rys.13).
Uziemniki wyposażone są we wskaz
niki położenia styków.
7
Rys. 9. Wyłącznik: 1  obudowa, 2  Rys. 10. Odłącznik: 1  napęd Rys. 11. Przekładnik prądowy: 1 
styki, 3  izolator przegrodowy, 4  odłącznika, 2  cięgno, 3  styk obudowa, 2  rdzeń, 3  uzwojenie
połączenie, 5,6  napęd wyłącznika, ruchomy, 4  styk nieruchomy, 5  pierwotne, 4  uzwojenie wtórne, 5 
7  wyłącznik ciśnieniowy, 8  wyłącznik ciśnieniowy, 6  obudowa przekładnika, 6  skrzynka
ogranicznik nadciśnieniowy ogranicznik nadciśnieniowy, 7  zaciskowa
wziernik
Rys.12. Przekładnik napięciowy: 1  obudowa, 2  Rys.13. Uziemnik: 1  napęd, 2  styk ruchomy, 3 
rdzeń, 3  uzwojenie pierwotne, 4  uzwojenie wtórne,5 styk nieruchomy, 5  wskaz
nik położenia
 skzynka zaciskowa 6  wyłącznik ciśnieniowy, 7 
ogranicznik nadciśnieniowy
8
Istotne jest rozwiązanie odejścia z rozdzielnicy. Występują trzy przypadki:
- odejście linii kablowej
- odejście linii napowietrznej
- odejście transformatora
Najczęściej spotykanym i najdogodniejszym w rozwiązaniu jest odejście linii kablowej
(rys.14). Wyprowadzenie linii napowietrznej sprawia pewne problemy. Na napięciu do 110 kV
odejście można wykonać kablem, a w pewnej odległości od stacji przejść na linię napowietrzną.
Jednak w przypadku wyższych napięć nie stosuje się kabla, lecz wykonuje się bezpośrednie
odejście gazowymi przewodami szynowymi, zakończonymi przepustami gaz-powietrze (rys.15).
Rys.14. Odejście linii kablowej Rys.15. Odejście linii napowietrznej
Rys.16. Wprowadzenie linii napowietrznej
9
Ponieważ między izolatorami przepustowymi różnych faz oraz między różnymi liniami muszą
być zachowane duże odstępy wymagane w rozdzielniach otwartych i dostosowane do
odległości stosowanych w liniach napowietrznych. Odległości te są kilkakrotne większe od
odległości między fazami i polami w rozdzielni gazowej, dlatego występują trudności w
skoordynowaniu przestrzennym wyjść (rys.16).
Rozwiązać je można poprzez przyjęcie odpowiedniego rozplanowania rozdzielni.
Poszczególne fazy mogą być rozmieszczone w różnorodny sposób: w układzie faz
skojarzonych , albo w układzie faz rozdzielonych (rys.17).
L1 L2 L3
a) b)
L1
L1
L1
L1
L2
L2
L3
L1
L2
L2
L1
L3
L2
L2
L3
L3
L3
L3
L1 L2 L3
Rys.17. Zasada rozmieszczenia faz w rozdzielni: a) fazy skojarzone, b) fazy rozdzielone
Innym sposobem rozwiązania trudności z
wyprowadzenie linii napowietrznej jest
mieszane rozwiÄ…zanie rozdzielni, tak zwane
hybrydowe Rozdzielnia częściowo jest
wykonana jako gazowa a częściowo jako
otwarta, np. rozwiązanie w którym szyny
zbiorcze wykonane sÄ… w wersji konwencjo-
nalnej a całe wyposażenie pola wykonane jest
w izolacji gazowej. W ten sposób oszczędza
się na koszcie długich szyn zbiorczych które
stanowią duży procent w całkowitym koszcie
rozdzielni gazowej.
Odejście transformatora może być wykonane
kablem lub przewodami gołymi. Jednak najdo-
godniejszym rozwiązaniem jest połączenie
transformatora z rozdzielniÄ… za pomocÄ…
przewodów szynowych izolowanych SF6.
Przewody te są połączone wprost do
transformatora za pomocą przepustów olej-gaz
(rys.18).
Rys.18. Odejście transformatora
10
Duże znaczenie dla niezawodnej pracy rozdzielni gazowej ma ochrona przepięciowa,
szczególnie w przypadku wyprowadzenia linii napowietrznej. O wymiarowaniu izolacji rozdzielni
decydują przepięcia atmosferyczne , których poziom jest ograniczany przez odgromniki.
Rozmieszczenie odgromników powinno zapewniać skuteczność ochrony jak i uwzględniać
możliwość instalacyjne, które są utrudnione w przypadku rozdzielni gazowych. W rozdzielniach
tradycyjnych głównym celem ochrony jest ochrona izolacji transformatora, natomiast w
rozdzielnia z SF6 należy chronić też izolację samej rozdzielni. Istnieje kilka wariantów lokalizacji
odgromników. Najprostszym jest instalacja konwencjonalnych odgromników na wejściu linii
napowietrznej. Niekiedy jednak takie usytuowanie odgromników nie zapewnia wystarczającej
ochrony i zachodzi potrzeba zainstalowania specjalnych odgromników przystosowanych do
rozdzielni gazowych, izolowanych SF6. Przykładowe miejsca instalowania odgromników
przedstawione sÄ… na rysunku 19.
Rys.19. Lokalizacja ograniczników przepięć
Pewne trudności występują przy projektowaniu uziemień stacji z rozdzielnią gazową. Mała
powierzchnia terenu stacji utrudnia osiągnięcie dostatecznie małej impedancji uziemienia.
Konieczne jest stosowanie uziomów pionowych, oraz wykorzystywanie jako uziomów kabli
wprowadzanych na stacjÄ™.
Rozdzielnice gazowe muszą być montowane w fabryce w warunkach nienagannej czystości
ze względu na duże naprężenia w dielektryku. Rozdzielnica jest poddawana szerokim
badaniom elektrycznym w fabryce następnie jest dzielona na bloki przeznaczone do transportu,
napełnione azotem o podwyższonym ciśnieniu w celu zabezpieczenia przed wilgocią. Na stacji
docelowej usuwa się z poszczególnych przedziałów azot osiągając wysoką próżnię a następnie
napełnia SF6. Po montażu konieczne jest wykonanie prób elektrycznych i szczelności.
Na rysunku 20 i w tabeli 1 przedstawione są dane znamionowe przykładowych rozdzielni
gazowych produkowanych przez firmę Siemens. Należy zwrócić na małe wymiary bardzo rzadki
przeglÄ…d stanu rozdzielni.
a) b) c)
Rys.20. Schemat pola i wymiary rozdzielnic firmy Siemens
11
Tabela.1. Dane rozdzielnic z rysunku 20
b) c)
Napięcie znamionowe [kV] 145 300
PrÄ…d znamionowy szyn[A] 3150 5000
Szerokość [mm] 1200 2200
Ciśnienie gazu rozdzielni[bar] 4,3 4,3
Ciśnienie gazu wyłącznika[bar] 6,0 6,0
Prąd wyłączalny[kA] 40 50
Prąd wyłączalny krótkotrwały [kA] 40 50
PrÄ…d szczytowy[kA] 100 135
Rodzaj wyłącznika 8DN9 8DP3
PrzeglÄ…d >20lat >20lat
Podsumowanie:
Pomimo dużych kosztów rozdzielni gazowych udział tych rozdzielni w krajach
wysokorozwiniętych jest bardzo duży sięgający 35-40% i występuje tendencja do budowy
wszystkich nowych rozdzielni wysokiego napięcia jako rozdzielni gazowych.
Dotychczasowe doświadczenia w budowie i eksploatacji rozdzielni pozwalają określić
zalety i wady zastosowania SF6 jako ośrodka izolującego i gaszącego łuk w rozdzielniach WN w
porównaniu z rozdzielniami konwencjonalnymi
Do zalet należą:
f& mała kubatura rozdzielni gazowych(stanowi ona 7-10% kubatury potrzebnej dla stacji z
izolacją powietrzną), wymiary umożliwiają instalowanie rozdzielni wysokich napięć w
środku dużych miast i wysoko zurbanizowanych powierzchni
f& duża niezawodność rozdzielni gazowych
f& dzięki szczelnej obudowie pracują nie zależnie od czynników atmosferycznych
f& zużycie materiałów jest wielokrotnie mniejsze niż w rozdzielniach konwencjonalnych: stali-
ok. 10-krotnie, materiałów izolacyjnych  ok. 30-krotnie
f& czas montażu jest znacznie krótszy
f& Å‚atwa i bezpieczna rozbudowa
f& duże bezpieczeństwo obsługi
f& montaż elementów rozdzielni w fabryce i dostawa na miejsce budowy, gotowych i
sprawdzonych zespołów
f& wieloletnia praca rozdzielni bez konieczności prowadzenia prac konserwacyjnych i
remontowych oraz uzupełniania czy wymiany gazu
f& niski poziom przepięć łączeniowych
f& spełnianie wymogów ochrony środowiska
Wady:
f& duży koszt rozdzielni gazowych
f& czas remontów jest znacznie dłuższy i bardziej skomplikowany od rozdzielni
konwencjonalnych ze względu na trudny dostęp do uszkodzonego elementu
f& niewielki ubytek gazu w rozdzielnia gazowych (mniejszy niż 1% rocznie)