Электроизоляционные свойства элегаза и его использование аппаратах высокого напряжения

Преимущества и недостатки использования ЭВ

Элегазовые выключатели, как и другие типы электрораспределительных устройств, имеют ряд преимуществ и недостатков. При выборе установки производят необходимые расчеты и, кроме технических характеристик и конструкционных особенностей, учитывают плюсы и минусы моделей.

Галерея изображений

Фото из

Универсальное применение в высоковольтных системах

Оперативность выполнения рабочих функций

Надежность и долговечность конструкции

Работают с током высокого напряжения

Выключатели элегазового типа функционируют в сложных условиях с периодическими вибрациями, низкими температурами (с подогревом), в пожароопасных зонах.

К недостаткам относят высокую стоимость наполнителя – элегаза, специфику монтажа на щит или фундамент, необходимость определенной квалификации операторского состава.

Принцип действия

Основная особенность этого выключателя это надёжная изоляция каждой из фаз с высоким напряжением, которое считается от 1000 Вольт, за счёт применения специального диэлектрического вещества элегаза. Что же это такое? Элегаз — это электротехнический газ, представляющий собой смесь химических элементов, а точнее, шестифтористую серу (шестифтор).

При обычной рабочей температуре он представляет собой газ:

  1. без цвета;
  2. без запаха;
  3. не поддающийся горению;
  4. не меняющий свои свойства и структуру со временем;
  5. химически не активен, а также не агрессивен к металлу;
  6. распадающийся при возникновении электрической дуги, и быстро восстанавливающийся при её исчезновении.

Высокая электрическая прочность обусловлена особенностью газа захватывать электроны, поэтому даже небольшие расстояния между силовыми контактами дают отличный разрыв электрической цепи, а значит и отключения данного участка от высокого напряжения.

Принцип работы самого механизма разрыва довольно прост. После поступления сигнала на привод, который работает за счёт пружинно-гидравлического механизма, контактная подвижная часть увеличивает расстояние между замкнутыми ранее элементами, возникает, естественно, электрическая дуга которая в среде такого газа быстро тухнет.

Применение

Элегаз, благодаря  высочайшим свойствам инертности и флегматизации процессов горения,  широко используется  и не имеет альтернативы в электротехнической промышленности в качестве диэлектрика для подавления (гашения) дуги высоковольтного разряда, а именно для наполнения контактных камер высоковольтных выключателей, в электронной и металлургической и электронной промышленности  – в качестве  технологической среды, как реагент для плазмохимического травления полупроводников, в качестве пожаротушащего вещества в системах газового пожаротушения, в качестве хладагента благодаря высокой теплоемкости, низкой теплопроводности и низкой вязкости.

Применение элегаза и его влияние на окружающую среду

Элегаз широко используется в коммутационном оборудовании, как наиболее эффективная дугогасящая и изолирующая среда. Благодаря его свойствам, размеры современных распределительных устройств стали значительно компактнее на фоне традиционных образцов оборудования с воздушной изоляцией.

В оборудовании применяются три элегазовые конструкции, принципиально различающиеся между собой. Два первых варианта известны как управляемые системы под давлением и замкнутые системы под давлением. Во время эксплуатации требуется регулярное техническое обслуживание, что приводит к утечкам элегаза.

Третий вариант представляет собой так называемую герметично запечатанную систему, не требующую обслуживания на протяжении всего срока службы. Тем не менее, утечки иногда появляются в результате неисправности сальников или срока эксплуатации свыше 30 лет.

Подобные утечки отрицательно влияют на окружающую среду и вносят свой негативный вклад в создание парникового эффекта. Тем не менее, элегаз продолжает использоваться в высоковольтном оборудовании, поскольку достойной альтернативы ему пока не существует. В настоящее время рассматриваются вопросы по ограничению данного соединения в распределительных устройствах среднего напряжения.

Что такое пьезоэлектрический эффект

Инфракрасные обогреватели – характеристики и свойства

Постоянные магниты и их свойства

Сопротивление полупроводников

Электрическое поле

Высоковольтные выключатели

Конструктивные особенности и виды выключателей

По конструктивным особенностям элегазовые выключатели делятся на:

Колонковые. Они не отличаются от масляных не по размерам ни по внешним признакам, однако, имеют только один разрыв на фазу.

Баковые. Имеют значительно меньшие размеры, один общий привод на все три полюса, а также встроенные внутрь устройства трансформаторы тока.

Все данные элегазовые выключатели также можно разделить по способу гашения электрической дуги, возникающей при разрыве цепи. Этот способ зависит от следующих факторов:

  1. Номинального напряжения аппарата;
  2. Номинального тока отключения;
  3. Особенностей мест установки и эксплуатации.

Для гашения дуги используются следующие способы гашения дуги:

  1. Автокомпрессионные с дутьём в элегазе. Имеют одну степень давления, которое создаётся компрессорным механизмом;
  2. С электромагнитным дутьём. Гашение дуги выполняется вращением её по кольцевым контактам под воздействием поперечного магнитного поля, которое создано самим током отключения;
  3. Двухступенчатое давление. В них сжатый предварительно газ поступает из специальной ёмкости где он находится под относительно высоким давлением. Имеет две ступени давления;
  4. Автоматически генерирующимся дутьём. Как и предыдущий вариант имеет продольное дутьё, но теперь повышение давление газа происходит непосредственно за счёт разогрева самой электрической дугой.

Привод данного выключателя должен надёжно удерживать контакты во включенном положении, а также в случае получения сигнала на отключение выполнить его. Вал выключателя и вал самого привода соединяются между собой посредством целой системы рычагов и тяг. Оттого как эта связка работает, зависит надёжность, а также быстрота срабатывания.

Здесь могут применяться два типа приводов:

  • Пружинный. Управляется он за счёт кинематической системы кулачков, валов, а также рычагов;
  • Пружинно-гидравлический, управляется системой, основанной на работе гидравлического механизма.

Принцип действия и область применения

За счет чего работает элегазовый выключатель большого напряжения? За счет изолированности фаз между собой посредством элегаза. Принцип работы механизма следующий: при поступлении сигнала об отключении электрического оборудования, контакты каждой камеры размыкаются. Встроенные контакты создают электрическую дугу, которая размещается в газовой среде.

Эта среда разделяет газ на отдельные частицы и компоненты, а из-за высокого давления в резервуаре, сама среда снижается. Возможное применение дополнительных компрессоров, если система работает на низком давлении. Тогда компрессоры усиливают давление и образовывают газовое дутье. Также используется шунтирование, применение которого необходимо для выравнивания тока.

Обозначение на схеме ниже указывает расположения каждого элемента в механизме выключателя:

Что касается моделей бакового вида, так в них контроль осуществляется с помощью приводов и трансформаторов. Для чего нужен привод? Его механизм является регулятором и его назначение заключается в том, чтобы включать или выключать электроэнергию и, если необходимо, удерживать дугу на установленном уровне.

Приводы делятся на пружинные и пружинно-гидравлические. Пружинные обладают большой степенью надежности и имеют простой принцип работы: вся работа делается благодаря механическим деталям. Пружина способна под действием специального рычага сжимать и разжиматься, а также фиксироваться на установленном уровне.

Пружинно-гидравлические приводы выключателей дополнительно имеют в конструкции гидравлическую систему управления. Такой привод считается более эффективным и надежным, ведь пружинное устройство может само изменить уровень фиксатора.

Основные физико-химические свойства элегаза.

Элегаз (шестифтористая сера,  SF6) — газ без цвета и запаха. В нем содержится 21,95 % серы и 78,05 % фтора. Его молекулярная масса 146,06. При абсолютном давлении р — 0,229 МПа и выше (давление тройной точки) элегаз в зависимости от температуры может находиться во всех трех агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном). При давлении 0,229 МПа температура тройной точки составляет 222,95 К, а теплота парообразования в ней 120 Дж/г. Плотность элегаза при Θ = 273 К и р = 0,1 МПа составляет 6,56 кг/м3. Абсолютная диэлектрическая постоянная еа = 1,0021. Критическое давление равно 3,71 МПа, а критическая температура составляет 318,7 К. Полное число степеней свободы молекулы элегаза равно 36. Из них три степени свободы — в поступательном движении, три — во вращательном, а остальные — в колебательном. Диаметр молекулы элегаза равен 5,33 А.

Для обеспечения стабильного переходного сопротивления поверхности скользящих контактов рекомендуется никелировать. Так как основными продуктами разложения элегаза в электрическом разряде являются фтористые соединения, то не рекомендуется использовать в элегазовой аппаратуре в качестве конструкционных материалы, содержащие кремний, такие как стекло, стеклопластики, кварцевый песок, в качестве наполнителя для эпоксидных компаундов. Поверхность фарфора желательно защищать от воздействия продуктов разложения.
Практически не подвержены действию продуктов разложения элегаза изоляционные материалы на основе лавсана. Хорошо зарекомендовали себя фторопласт, эпоксифторопласт, полиуретан, уретановые эластомеры, композиции на основе полидивинилового и полидивинилизопренового каучуков, резины НО-68, В-14, 1225А, 1345, 1376, 1481. Из эпоксидных смол стойкими к продуктам разложения элегаза являются смолы ЭДЛ, ЭД-6, нестойкими — циклоолифатическая СУ-175, НПС-609-21М, ЭД-5. Поэтому для изоляторов элегазовой аппаратуры рекомендуется использовать смолы ЭДЛ и ЭД-6 с наполнителями типа волластонита, кордиерита, муллита, фтористого кальция и электрокорунда белого, особенно с двумя последними.
При реально встречающемся в нормальной эксплуатации оборудования с элегазовой изоляцией содержании продуктов разложения элегаза допускается применять практически любые металлы в качестве конструкционных. При этом предполагается, что содержание кислорода в элегазе в процессе эксплуатации не превышает 0,03 весовых процента, а точка росы для паров воды не выше —40 °С. Сохранение содержания паров воды и продуктов разложения в элегазе в процессе эксплуатации достигается с помощью осушителей при запуске газа, технологии изготовления и монтажа оборудования, гарантирующих утечку газа не более 3 % в год, встроенных в оборудование фильтров — поглотителей продуктов разложения.
В качестве осушителя элегаза от паров воды и поглотителя продуктов разложения элегаза может быть рекомендован цеолит NaX. Его поглотительная способность составляет; по воде около 10 % сухой массы и по продуктам разложения около 6 %. В связи с сильной зависимостью количества образующихся продуктов разложения от чистоты газа и типа конструкционных материалов сформулировать конкретные рекомендации по необходимому количеству поглотителя затруднительно. Можно лишь привести конкретный пример, что коммутация тока 31,5 кА в выключателе на напряжение 110 кВ приводит к разложению 5—7 см3 элегаза на 1 кДж выделяемой в дуге энергии

Появление в элегазе в процессе эксплуатации АВН вредных для человека примесей (фторидов) является существенным недостатком элегаза как дугогасящей и изолирующей среды и требует особых мер предосторожности при ревизии элегазового оборудования (применения противогазов, защитных перчаток и других мер по технике безопасности).
Основные химико-физические свойства элегаза приведены в табл. 6

Таблица 6. Физико-химические свойства газообразного элегаза * Давление р — в МПа.

Факторы, влияющие на электрическую прочность элегаза при заданном его давлении, можно условно разделить на две группы: физико-химические и механические. К первой группе относятся температура элегаза, примеси в нем других газов, включая пары воды, материал электродов. Ко второй группе относятся степень шероховатости поверхности электродов и число диэлектрических и проводящих частиц в объеме элегаза и на поверхности электродов. Влияние части перечисленных факторов на напряженность зажигания разряда уже рассмотрено.

2.1. 2. Краткая история использования элегаза

Синтез гексафторида серы впервые был произведен в Париже в 1900 г

учёными Муассаном и Лебо .
Фтор, полученный электролизом, вступал во взаимодействие с серой, и в результате экзотермической реакции получался достаточно устойчивый газ.
Со временем были определены физические и химические свойства газа, опубликованные Придо (1960), Шлумбом и Гемблом (1930), Клеммом и Хенкелем (1932 — 1935), Естом и Клауссоном (1933).
В их работах особое внимание уделялось химическим и диэлектрическим свойствам газа.
Первое исследование для целей промышленного применения было произведено компанией General Electric в 1937 году. Результаты этого исследования показали, что газ можно использовать в качестве изоляционной среды в электроэнергетике.
В 1939 году Томсон-Хьюстон запатентовал принцип применения газа SF6 для изоляции кабелей и конденсаторов.
После Второй мировой войны различные публикации и способы применения стали быстро появляться один за другим:

  1. 1947 — работа по использованию элегаза для изоляции трансформаторов;
  2. 1948 — развитие промышленного производства SF6 в США;
  3. 1960 — организация серийного производства SF6 для строительства электростанций в США и Европе, совпадающая с появлением первых элегазовых выключателей и коммутационных аппаратов высокого и сверхвысокого напряжения;
  4. 1966 — первая подстанция с элегазовой изоляцией введена в эксплуатацию в районе Парижа и т.д.

В последнее время газ SF6 принят для использования в коммутационной аппаратуре среднего напряжения, контакторах и автоматических выключателей, охватывая все потребности распределения электроэнергии.

Производство элегаза

Получение элегаза осуществляется следующими способами:
— основной промышленный метод получения: в результате прямой реакции между расплавленной серой и газообразным фтором, полученным при его электролизе (сжигание серы в потоке фтора — рис. 2). Реакция проходит при температуре 138 — 149 °C в стальном горизонтальном реакторе (крекинг — печь). Реактор разделен перегородкой на камеру загрузки и камеру сгорания. Камера загрузки имеет люк для загрузки серы и электронагреватель для ее плавления. Камера сгорания имеет сопло для подачи фтора, охлаждаемое водой, термопару и конденсатор для возгонов серы, расположенной над камерой. Расплав серы поступает из камеры загрузки в камеру сгорания через отверстие внизу перегородки, закрытое расплавом, что исключает выход фтора в камеру загрузки. Несмотря на свою простоту, данная конструкция реактора имеет некоторые недостатки, а именно:
фторирование серы идет на поверхности расплава с выделением большого количества тепла, которое вызывает усиленную коррозию реактора фтором на границе раздела фаз;
при увеличении производительности реактора возникает проблема отвода большого количества тепла и подбора коррозионностойкого материала реактора;
еще одним недостатком метода является то, что при таком синтезе элегаза попутно образуются и другие фториды — S2F2, SF2, SF4, и S2F10, а также примеси из-за присутствия влаги, воздуха и угольных анодов, используемых для электролиза фтора. Концентрация этих веществ невелика, в среднем составляет 0,01 — 0,1% по объему. Но если химически чистый элегаз нетоксичен и является весьма инертным соединением, которое до температуры 300°С не реагирует ни с какими материалами, то примеси могут изменить упомянутые свойства продукта и даже сделать его непригодным для использования. Поэтому необходима тщательная очистка производимого элегаза. Состав чистого элегаза регламентируется ТУ 6-02-2-686-82 и стандартом МЭК 6о 376 (отсутствие токсичных примесей, имеющих место в технологии его производства, гарантируется заводом — изготовителем на основе биологического контроля партии);
Рис. 2
по реакции фтора с четырехфтористой серой SF4 в присутствии катализатора;
термическим разложением SF5CI при 200…300 °C;
фторированием соединений серы (например, COS). Данный способ безотходного производства элегаза, основанный на повторном фторировании загрязняющих продуктов, в Российской Федерации пока не используется, как и предыдущие два.

Свойства

Гексафторид серы (также элегаз или шестифтористая сера, SF6)
бесцветный, нетоксичный, негорючий тяжелый газ, при нормальных условиях в 6 раз тяжелее воздуха.

Молекула имеет октаэдрическую конфигурацию. Чрезвычайно химически инертен. Не взаимодействует с щелочами, кислотами, окислителями, восстановителями. Устойчив к действию расплавленного натрия. Не реагирует с расплавленными алюминием и магнием, защищает их от воздействия кислорода атмосферы. Гексафторид серы очень слабо растворяется в воде; растворяется в неполярных органических растворителях. При атмосферном давлении возгоняется из твердого состояния в газообразное, минуя жидкость.

Обладает высокими электроизолирующими и дугогасящими свойствами, высоким напряжением пробоя, при этом практически инертен — инертность выше чем у азота и немного не дотягивает до инертности гелия, при этом гораздо дешевле.

Разлагается при температуре выше 1100 °С. Газообразные продукты разложения элегаза ядовиты и обладают резким, специфическим запахом. Элегаз не поддерживает горения и дыхания. При накоплении его в производственных помещениях может возникнуть кислородная недостаточность.

По ГОСТ 12.1.007-76 по степени воздействия на организм элегаз относится к 4 классу опасности, к которому принадлежат вещества малоопасные. Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны производных помещений 5000 мг/м³.

Предельно допустимая концентрация в атмосферном возхдухе — 0,001 мг/м³.

В соответствии с Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации помещения с ячейками комплектных распределительных устройств с элегазовой изоляцией (КРУЭ) должны быть оборудованы устройствами, сигнализирующими о недопустимой концентрации элегаза и включающими приточно-вытяжную вентиляцию.

Экологические характеристики:

Потенциал разрушения озонового слоя ODP = 0

Потенциал глобального потепления GWP = 24 900, входит в число так называемых «новых газов» Киотского протокола.

Основные свойства:

Химическая формула SF6
CAS № 2551-62-4
№ ООН 1080
Молекулярная масса 146,06 г/моль
Плотность газа при 20 °C , давлении 1 атм. 6,139 г/л
Температура плавления при 0,227 МПа -50,8 °С (222 К)
Критическая температура 45,6 °С (318 К)
Температура сублимации -63,8 °С (209 К)
Критическое давление 3.76 МПа
Критическая плотность 740 кг/м³
Плотность при температуре 20 °C и атмосферном давлении 6.139 г/л
Плотность твердого продукта при -195,2°С 2,683 г/см³
Плотность жидкого продукта при -50 °С 1,878 г/см³
Теплота образования -1221,66 кДж/моль
Теплота испарения при 20 °С 9,6419

Физико-химические показатели по ТУ 6-02-1249-83 (элегаз повышенной чистоты)

Наименование показателя Норма Фактические
Массовая доля шестифтористой серы, %, не менее 99,9 99,99
Массовая доля примесей кислород, азот, воздух (суммарно), %, не более 0,05 0,01
тетрафторметан, %, не более 0,05
Массовая доля воды, %, не более* 0,0015*
Кислотность в пересчете на массовую долю фтористого водорода, %, не более 0,00003
Массовая доля гидролизуемых фторидов в пересчете на массовую долю фтористого водорода, %, не более 0,0001
Токсичность не токсичен

Фактически в большинстве случаев содержание примесей в выпускаемом по данному ТУ элегазе существенно меньше допускаемых нормативных значений.

Физико-химические показатели по международным стандартам

(Элегаз – гексафторид серы (SF6) технического качества для использования в электрическом оборудовании. Технические условия IEC 60376(2005) и др.)

Grade Classificastion Qualified Technical Grade High-purity Grade
SF6 Content, % min. 99.8 min. 99.9 min. 99.99
Air Content, % max. 0.05 max. 0.03 max.0.003
CF4 Content, % max. 0.05 max. 0.03 max. 0.003
Moisture Content, ppm max. 8 max. 2 max. 1
Acid Content, ppm ( in terms of HF) max. 0.3 max. 0.3 max. 0.3
Hydrolysable Fluoride Content, ppm max. 1.0 max. 0.3 max. 0.3
Mineral Oil Content, ppm max. 10 max. 3 max. 3
Toxicity non- toxic

Европейские стандарты (EN)

EN 60376:2005 Технические условия на элегаз (SF6) технического сорта для электрического оборудования
EN 60480:2004 Руководство по проверке и обработке элегаза (SF6), взятого из электротехнического оборудования, и технические условия на его повторное использование

Стандарты Международной электротехнической комиссии (IEC)

IEC 60376:2005 Технические условия на элегаз (SF6) технического сорта для электрического оборудования
IEC 60480:2004 Руководство по проверке и обработке серы шестифтористой (SF6), взятой из электротехнического оборудования, и технические условия на ее повторное использование

Правила подключения и обслуживания ЭВ

Все действия, касающиеся монтажа, включения/выключения, ремонта и обслуживания элегазовых устройств, подчиняются строгим правилам, которые регламентированы ПУЭ 1.8.21.

Для подключения установки необходимо проверить наличие минимального давления в газонаполненной камере, иначе выключатель выйдет из строя. Чтобы предотвратить повреждения, установлена сигнализация, которая срабатывает при критическом понижении параметров давления. Уровень давления можно отследить с помощью манометра.

В шкафу привода установлены нагревательные элементы, эффективно препятствующие возникновению конденсата на элементах механизма. Оператору необходимо следить, чтобы нагреватели постоянно находились во включенном состоянии.

Осмотр установки производится каждый день в светлое время суток и примерно 2 раза в месяц в темное время суток. Если произошло аварийное отключение по одной из причин, требуется внеплановый осмотр

В процессе осмотра выключателя необходимо проверить наружную защиту, удалить загрязнения, исправить повреждения. Если нагреваются контакты, следует выяснить причину. При наличии треска, подозрительного шума нужно выявить источник. Металлическая монтажная конструкция одновременно является частью заземляющего контура, поэтому следует проверять ее целостность.

Обязательно снимаются показатели манометра. Давление должно соответственно норме, рассчитанной производителем. Необходимо проверить исправность регулирующих и контролирующих приборов, а при выходе из строя одного или нескольких элементов принять меры – совершить замену или отправить в ремонт.

Если давление газа уменьшилось, следует пополнить камеру элегазом. Изоляция в чистке не нуждается, так как конструкция полностью герметична.

Выводы и полезное видео по теме

Как устроены элегазовые выключатели, по какому принципу происходит гашение дуги и какие бывают виды устройств, вы можете узнать из полезного и информативного видео.

Обзор элегазовых выключателей с описанием устройства и принципа работы:

Особенности конструкции установок:

Как производится монтаж выключателя:

Для работы высоковольтных сетей в нормальных и аварийных режимах используют элегазовые выключатели. Они выходят с заводского конвейера в полной эксплуатационной готовности и предназначены для работы в разнообразных климатических зонах, от тропической до холодной, поэтому активно применяются промышленными компаниями различных стран.

Ссылка на основную публикацию