Використання елегазу.

Унікальні властивості елегазу були відкриті в Росії, вперше його застосування також почалося в Росії. У 30-х роках XX століття вчений Ленінградського фізико-технічний інституту Б. М. Гохберг досліджував електричні властивості ряду газів і звернув увагу на деякі властивості шестифтористой сірки SF6, а саме:

• електрична міцність при атмосферному тиску і зазорі 1 см становить 89 кВ / см (повітря при н.у. має електричну міцність 30 кВ / см);
• великий коефіцієнт теплового розширення;
• висока щільність (при 20 ° C і 0,1 МПа дорівнює 6,139 кг / м3, що майже в п'ять разів вище, ніж у повітря).

На підставі отриманих в результаті дослідів даних Б. М. Гохберг першим висловив припущення про можливість застосування елегазу в якості ізоляційної середовища для електрообладнання високої напруги і в 1942 році в Росії було отримано авторське свідоцтво на високовольтний апарат з елегазом. Однак для розвитку конструкцій апаратів необхідно було мати дані по корозійної стійкості матеріалів у середовищі елегазу з урахуванням накладеного електричного поля, дані про вплив продуктів розкладання елегазу на надійність апаратів і здоров'я персоналу підстанцій, а також зручний і достовірний метод аналізу якості елегазу. До кінця 50-х років минулого століття практично не було ніякої інформації за фізико-хімічними, токсичним і корозійних властивостей елегазу. Перші відкриті наукові публікації на ці теми з'явилися лише на початку 60-х років, і саме в цей період часу вітчизняна промисловість випустила перші зразки комутаційних апаратів з елегазової ізоляцій.
Низька якість вітчизняного елегазу, що випускається в 60-70-х роках вимагав розвитку і вдосконалення технології отримання чистого елегазу при наявності достовірного і оперативного методу контролю, вирішувалися завдання транспортування, утилізації та регенерації елегазу, т. Е. Відновлення властивостей до первинного стану. З цієї причини впровадження елегазового комутаційного обладнання на енергетичних об'єктах в Росії почалося лише в 80 - х роках ХХ століття, але обладнання встановлювалося в одиничних екземплярах, лише в середині 90-х років почалося їх масове застосування в енергосистемах.

За кордоном так само йшло активне вивчення властивостей цього елегазу: в період з 1906 по 1933 роки були визначені і описані основні фізичні і хімічні властивості, при чому в роботах особлива увага приділялася діелектричними властивостями. У 1937 році фахівці компанії General Electric (США) провели перші дослідження по застосуванню елегазу в промислових цілях і прийшли до висновку, що його можна використовувати в якості ізоляційної середовища в електроенергетиці. У 1939 році копання «Томсон - Х'юстон електрик» запатентувала принцип застосування елегазу для конденсаторів, були і інші розробки, але впровадження елегазу в промислових обсягах почалося тільки після Другої світової війни - в 50 - х роках йшло активний розвиток промислового виробництва SF6, а в 60 - х роках з'явилися перші комутаційні апарати високої і надвисокої напруги.

Розподільний пристрій з елегазової ізоляцією

Відмінною особливістю впровадження елегазового обладнання за кордоном стало те, що, на відміну від Росії, де застосування елегазу йшло на напрузі 110 кВ і вище, західні виробники (Schneider Electric, Siemens, АВВ, Alstom), розробили так само елегазові комутаційні пристрої для розподільних мереж 6 -20 кВ. Результатом застосування даного обладнання в розподільних мережах стало підвищення надійності електропостачання, безпеки персоналу та зниження експлуатаційних витрат.

Висновки: основні переваги елегазових вимикачів полягають в простоті конструкції, збільшеному терміні служби (до 50 років), високої відключає здібності (відключення струмів КЗ до 63 ка), високому механічному і комутаційному ресурсі, відключенні ємнісних струмів без повторних пробоїв, вибухо- і пожежобезпеки, відсутності значних перенапруг при комутаціях.

Це дозволило стати елегазі основний ізолюючої і дугогасящей середовищем для обладнання 110 кВ і вище, конкурувати з вакуумом в комутаційному обладнанні 10 - 35 кВ.

У той же час у елегазу є і деякі недоліки, пов'язані з його хімічними властивостями і технологією виробництва:

• перехід в рідкий стан при порівняно високих температурах
• небезпека отруєння продуктами розпаду елегазу
• досить висока вартість.

дугогасительниє камери

Дугогасильні камери є найбільш технологічно складним елементом вимикача, для елегазових вимикачів розроблені 2 її типу: компресійна і автокомпрессіонная.

У компресійної камері (рис. 6) в нормальному положенні контакти вимикача замкнуті, і струм проходить від верхнього струмопроводу до нижнього через головні контакти і компресійний циліндр. При операції відключення, рухливі частини головного і дугогасного контактів, а також компресійний циліндр і сопло зсуваються в розімкнуте положення. Таким чином, рухливі контакти, сопло і компресійний циліндр складають один рухомий вузол. Коли рухливий вузол рухається в напрямку разомкнутого положення контактів, клапан заповнення закривається і елегаз починає стискатися між рухомим компресійним циліндром і нерухомим поршнем. Першими поділяються головні контакти.

Завдяки тому, що розмикання головних контактів відбувається за час, достатній до початку розмикання дугогасильних контактів, дуга буде запалюватися тільки між дугогасними контактами в обсязі, обмеженому геометрією сопла.

Мал. 6. 1. Верхній токопровод 12. нерухомо »дугогасним контакт 13 Рухомий дугогасящий контакт 14. Компресійний обсяг 15, Нижній токопровод 16. Сопло 17. Головний нерухомий контакт 18, Головний рухомим контакт 19, Компресійний циліндр 10 Клапан наповнення 11. Нерухомий поршень

Коли починають розмикатися дугогасящие контакти, між рухомим і нерухомим дугогасними контактами запалюється дуга. Під час горіння дуги тіло плазми в деякій мірі блокує рух елегазу через сопло, в результаті чого в компресійному об'ємі продовжує збільшуватися тиск газу до того моменту, коли струмовий крива проходить через нульове значення, і дуга стає порівняно слабкою. У цей момент потік під великим тиском елегазу виривається з компресійного об'єму через сопло і гасить дугу. У розімкнутому положенні відстань між нерухомим і рухомим контактами вибрано достатнім для того, щоб витримати нормовані рівні діелектричної міцності проміжку. При операції вимикання клапан наповнення відкривається і елегаз може вільно проходити в компресійний обсяг.

Слід зазначити, що тиск елегазу, необхідний для гасіння дуги, піднімається чисто механічним способом. Таким чином, вимикачі з компресійним методом гасіння потребують досить потужному приводі, що б подолати створюване газом тиск в стисливому обсязі, який необхідний для відключення номінальних струмів КЗ, але при цьому забезпечити певну швидкість руху контактів, щоб в образующемся міжконтактного ізоляційному проміжку витримувати без повторних пробоїв відновлюється на контактах напруги.

Дугогасительниє пристрої автокомпрессіонного типу (рис. 7) демонструють свої розрахункові переваги головним чином при відключенні великих струмів (наприклад, номінального струму К3).

На початку процесу відключення, автокомпрессіонное дугогасительноє пристрій починає працювати таким же чином, як і компресійний. Різниця ж в принципі їх дії при відключенні великих і малих струмів проявляється тільки після появи дуги.

Мал. 7. 1. Верхній токопровод 12. Нерухомий дугогасящий контакт 13. Рухомий дугогасящий контакт 14. Автокомпрессіонний обсяг 15 Компресійний обсяг 16. Клапан наповнення 17. Нерухомий поршень 18, Сопло 19 Головний нерухомий контакт 10. Головним рухливий контакт 11. Клапан автокомпрессіі 12. Компресійний циліндр 13. Клапан скидання надлишкового тиску 14. Нижній токопровод 15.

Коли дугогасящие контакти роз'єднуються, запалюється дуга між рухомим і не рухомим дугогасними контактами. Під час горіння дуги, вона в деякій мірі блокує потік елегазу через сопло. Палаюча дуга характеризується дуже високою температурою і потужним випромінюванням тепла і починає нагрівати елегаз в обмеженому газовому об'ємі. Таким чином, тиск всередині як автокомпрессіонного, так і компресійного об'єму зростає як через підвищення температури від дуги, так і внаслідок стиснення газу в загальному просторі між компресійним циліндром і нерухомим поршнем.

Тиск газу в автокомпрессіонном обсязі продовжує підвищуватися до тих пір, поки не стане досить високим для того щоб закрити спеціальний автокомпрессіонний клапан. Весь елегаз, необхідний для гасіння дуги, тепер обмежений в замкнутому автокомпрессіонном обсязі, і його тиск у цьому обсязі може додатково підвищуватися тільки через нагрівання дугою. Приблизно в той же самий час, тиск газу в нижньому компресійному об'ємі, досягає рівня, достатнього для відкривання клапана скидання надлишкового тиску. Оскільки елегаз з компресійного обсягу йде через клапан скидання надлишкового тиску, це знижує потребу в додатковій робочій енергії приводу, необхідної, щоб подолати стиснення елегазу при одночасному збереженні швидкості розбіжності контактів, що необхідно для безперебійного витримування відновлюється на контактах напруги. Коли струм проходить через нульове значення, дуга стає порівняно слабкою і в цей момент потік стисненого елегазу виривається з автокомпрессіонного обсягу через сопло і гасить (здуває) дугу.

При відключенні слабких струмів автокомпрессіонние дугогасящие пристрої працюють, по суті, аналогічно компресійним пристроям, так як створюваний тиск елегазу недостатньо для закриття спеціального автокомпрессіонного клапана. В результаті верхній фіксований автокомпрессіонний обсяг і нижній автокомпрессіонний обсяг формують один загальний обсяг стиснення. У цьому випадку тиск елегазу, необхідний для переривання дуги, досягається звичайним механічним способом від енергії приводу, тобто як в звичайному компресійному пристрої дугогашенія. Однак, на відміну від компресійного пристрою, автокомпрессіонное пристрій потребує меншої енергії приводу для механічного створення тиску елегазу при відключенні струмів, менших номінального значення струму К3 (тобто близько 20-30%).

У розімкнутому положенні, між нерухомим і рухомим контактом існує достатній ізоляційний проміжок, здатний забезпечити номінальні рівні діелектричної міцності.

При операції включення відкривається клапан наповнення і елегаз надходить як в нижній (компресійний), так і в верхній (автокомпрессіонний) обсяги пристрої дугогашенія. Оскільки для відключення слабких струмів досить середнього рівня тиску елегазу, створюваного механічним способом, а для переривання великих струмів відключення використовується теплова енергія дуги, що створює додаткові тиску елегазу в обмеженому обсязі, то для роботи автокомпрессіонного дугогасительного пристрою потрібна менша (приблизно на 50%) робоча енергія приводу, ніж для роботи компресійного пристрою гасіння дуги.

Властивості і виробництво

Елегаз (електротехнічний газ) являє собою безбарвний, без запаху, не горючий газ, який при нормальному атмосферному тиску і температурі 20 ° C в 5 разів важчий за повітря і володіє в 5 разів більшою, ніж у повітря молекулярної масою. З'єднання було вперше отримано і описано французьким хіміком Анрі Муассаном в ході робіт з вивчення властивостей фтору в кінці XIX століття.

Хімічно елегаз є шестифториста сірку SF6 (рис. 1). З'єднання не старіє, т. Е. Не змінює своїх властивостей з часом, при електричному розряді розпадається, але швидко рекомбинирует (процес, зворотний іонізації), відновлюючи початкову діелектричну міцність, з цієї причини елегаз є основним ізоляційному матеріалом в комутаційному обладнанні 35 кВ і вище.

виробництво елегазу

Отримання елегазу здійснюється наступними способами:

• основний промисловий метод отримання: в результаті прямої реакції між розплавленої сірої і газоподібним фтором, отриманим при його електролізі (спалювання сірки в потоці фтору - рис. 2). Реакція проходить при температурі 138 - 149 ° C в сталевому горизонтальному реакторі (крекінг - піч). Реактор розділений перегородкою на камеру завантаження і камеру згоряння. Камера завантаження має люк для завантаження сірки і електронагрівач для її плавлення. Камера згоряння має сопло для подачі фтору, охолоджуване водою, термопару і конденсатор для возгонов сірки, розташованої над камерою. Розплав сірки надходить з камери завантаження в камеру згоряння через отвір внизу перегородки, закрите розплавом, що виключає вихід фтору в камеру завантаження. Незважаючи на свою простоту, дана конструкція реактора має деякі недоліки, а саме:
• фторування сірки йде на поверхні розплаву з виділенням великої кількості тепла, яке викликає посилену корозію реактора фтором на кордоні розділу фаз;
• при збільшенні продуктивності реактора виникає проблема відведення великої кількості тепла і підбору коррозионностойкого матеріалу реактора;
• ще одним недоліком методу є те, що при такому синтезі елегазу попутно утворюються і інші фториди - S2F2, SF2, SF4, і S2F10, а також домішки через присутність вологи, повітря і вугільних анодів, використовуваних для електролізу фтору. Концентрація цих речовин невелика, в середньому становить 0,01 - 0,1% за обсягом. Але якщо хімічно чистий елегаз нетоксичний і є вельми інертним з'єднанням, яке до температури 300 ° С не реагує ні з якими матеріалами, то домішки можуть змінити згадані властивості продукту і навіть зробити його непридатним для використання. Тому необхідна ретельна очистка виробленого елегазу. Склад чистого елегазу регламентується ТУ 6-02-2-686-82 і стандартом МЕК 6о 376 (відсутність токсичних домішок, що мають місце в технології його виробництва, гарантується заводом - виробником на основі біологічного контролю партії);

Мал. 2

• по реакції фтору з четирехфторістой сірої SF4 в присутності каталізатора;
• термічним розкладанням SF5CI при 200 ... 300 ° C;
• фторированием сполук сірки (наприклад, COS). Даний спосіб безвідходного виробництва елегазу, заснований на повторному фторування забруднюючих продуктів, в Російській Федерації поки не використовується, як і попередні два.

Фізичні та хімічні властивості елегазу

Елегаз є надзвичайно хімічно інертним з'єднанням. Він не взаємодіє з лугами, кислотами, окислювачами, відновниками, стійкий до дії розплавлених металів. Елегаз так само дуже слабо розчиняється у воді і взаємодіє лише з органічними розчинниками.

З'єднання розпадається при температурі вище 1100 ° С. Газоподібні продукти розпаду елегазу отруйні і мають різкий, специфічним запахом. Елегаз не підтримує горіння і дихання, тому при накопиченні його в виробничих приміщеннях може виникнути киснева недостатність. За ГОСТ 12.1.007-76 за ступенем впливу на організм елегаз відноситься до 4 класу небезпеки, до якого належать малонебезпечні речовини. Гранично допустима концентрація (ГДК) в повітрі робочої зони похідних приміщень 5000 мг / м3. Гранично допустима концентрація в атмосферному повітрі - 0,001 мг / м3.

Захоплюючи електрони, елегаз утворює малорухливі іони, які повільно розганяються в електричному полі і розвиток електронних лавин утруднено.

Значна діелектрична міцність елегазу забезпечує високу ступінь ізоляції при мінімальних розмірах і відстанях, що дозволяє зменшити масу і габарити електротехнічного обладнання, а хороша здатність гасіння дуги і охлаждаемость елегазу збільшують здатність, що відключає комутаційних апаратів і зменшують нагрів струмоведучих частин.

Застосування елегазу дозволяє при інших рівних умовах збільшити струмовий навантаження на 25% і допустиму температуру мідних контактів до 90 ° С (у повітряному середовищі 75 ° С) завдяки хімічній стійкості, негорючості, пожежної безпеки і більшої охолоджуючої здатності елегазу.

В електричному полі елегаз має здатність захоплювати електрони (кількість носіїв заряду зменшується), що і обумовлює його високу електричну міцність (на прикладі порівняння з азотом - рис. 3).

При збільшенні тиску електрична міцність елегазу зростає майже пропорційно тиску і може бути вище електричної міцності рідких і деяких твердих діелектриків.

Однак ця перевага стає недоліком елегазу при низьких температурах з причини переходу його в рідкий стан і втрати ізоляційних властивостей, що визначає додаткові вимоги до температурного режиму елегазового обладнання в експлуатації. На рис. 4 приведена залежність стану елегазу від тиску і температури.

Як видно з рис. 4, температура скраплення елегазу при надмірному тиску (тиск заповнення обладнання) 0,3 МПа складає -45 ° С, а при 0,5 МПа вона підвищується до -30 ° С. Таким чином, найбільше робочий тиск і, отже, найбільший рівень електричної міцності елегазу в ізоляційної конструкції обмежуються можливістю скраплення елегазу при низьких температурах.

У зв'язку з цим, виходом із ситуації є застосування суміші елегазу з іншими газами, у яких електрична міцність лише на 10 ... 15% нижче міцності чистого елегазу, а допустимий тиск різко зростає. Так, наприклад, у суміші з 30% елегазу і 70% азоту скраплення при температурі -45 ° С настає при тиску 8 МПа.

Таким чином, допустимий робочий тиск для суміші виявляється приблизно в 30 разів вище, ніж для чистого елегазу.

Ще одним варіантом підвищення надійності роботи електрообладнання при температурах - 40 ° С і нижче є підігрів елегазу (бак елегазового вимикача, щоб уникнути переходу елегазу в рідкий стан нагрівають до плюс 12 ° С).

Експлуатаційна здатність елегазу поліпшується в рівномірному електричному полі, тому конструкція окремих елементів розподільних пристроїв повинна забезпечувати найбільшу рівномірність і однорідність електричного поля.

У неоднорідному полі з'являються місцеві перенапруги електричного поля, які викликають коронирующим розряди. Під дією цих розрядів елегаз розкладається, утворюючи в своєму середовищі нижчі фториди (SF2, SF4), що шкідливо діють на конструкційні матеріали комутаційного обладнання.

Щоб уникнути розрядів поверхні окремих металевих деталей комутаційного обладнання виконуються особливо гладкими, вони не повинні мати забруднень, шорсткостей і задирок. Обов'язковість виконання цих вимог диктується тим, що бруд, пил, металеві частинки також створюють місцеві напруженості електричного поля, а при цьому погіршується електрична міцність елегазової ізоляції.

Теплопровідність SF6 нижче, ніж у повітря, але його повна тепловіддача, особливо, якщо врахувати конвекцию дуже хороша (як у водню або гелію), вище ніж у повітря, але нижче ніж у азоту (рис. 5).

Як видно з графіка теплопровідності, при температурах близько 2000 К теплоємність елегазу різко збільшується внаслідок дисоціації (розпад молекул на іони). Тому теплопровідність плазми, а отже і дугогасительная здатність елегазу в області температур 2000 - 3000 К при інших рівних умовах значно вище (на два порядки), ніж повітря.

При температурах порядку 4000 К дисоціація молекул закінчується і починається рекомбінація молекул. У цій області температур теплопровідність плазми ще значна, йде охолодження дуги, цьому сприяє також видалення вільних електронів з плазми за рахунок захоплення їх молекулами елегазу і атомарним фтором. Електрична міцність проміжку поступово збільшується і в кінцевому рахунку відновлюється.

При подальшому зростанні температури (до 7000 К) теплопровідність плазми падає, досягаючи теплопровідності повітря. Аж до температур близько 8000 - 12 000 К такі процеси зменшують напругу і опір палаючої дуги в елегазі на 20 - 30% в порівнянні з дугою в повітрі.

Особливість гасіння дуги в елегазі полягає в тому, що при струмі, близькому до нульового значення, тонкий стрижень дуги ще підтримується і обривається в останній момент переходу струму через нуль. До того ж після проходу струму через нуль залишковий стовп дуги в елегазі інтенсивно охолоджується, в тому числі за рахунок ще більшого збільшення теплоємності плазми при температурах близько 2000 К, і електрична міцність швидко збільшується.

Така стабільність горіння дуги в елегазі до мінімальних значень струму при відносно низьких температурах призводить до відсутності зрізів струму і великих перенапруг при гасінні дуги.
В повітрі електрична міцність проміжку в момент проходження струму дуги через нуль більше, але через велику постійної часу дуги у повітря швидкість наростання електричної міцності після проходження значення струму через нуль менше.

джерело: forca.ru