4.2. Характеристики элегаза и его смесей применительно к использованию в дугогасительных устройствах
Рассмотрим характеристики элегаза применительно к его использованию в ВЭ. Как видно из рис. 4.7, электрическая прочность элегаза (кривая 1) от давления р (для промежутка в 1 см между шарами диаметром 5 см) примерно в 2,5 раза выше электрической прочности воздуха (кривая 2) и при давлении р > 0,25 МПа превышает электрическую прочность трансформаторного масла (кривая 3).
|
|
Рис. 4.7. Разрядные характеристики сред от давления |
Рис. 4.8. Диаграмма состояния элегаза и смеси элегаза с азотом |
Элегаз — тяжелая среда, и фазовые переходы (пар-жидкость, жидкость-пар) происходят при температурах, характерных для работы ВЭ в ОРУ. Действительно, при t = - 45 оС давление пара рнт = 0,35 МПа; при t = - 30 оC — рнт = 0,5 МПа (рис. 4.8). Обобщенная линия насыщения 1 (кривая упругости пара), построенная на основе многочисленных экспериментов, приведена на рис. 4.8.
Фазовые переходы существенно ограничивают возможности повышения отключающей способности ВЭ за счет увеличения исходного давления элегаза, так как это неизбежно приводит к вынужденному уменьшению диапазона рабочих температур ВЭ или к необходимости вводить нагревательное устройство, использовать смеси элегаза с азотом N2 или элегаза с тетрафторметаном CF4.
Смеси обеспечивают сжижение рабочей среды при более низких температурах. Однако следует иметь в виду, что по изоляционной и дугогасящей способности каждый из этих газов хуже элегаза (в 1,5-2,5 раза). Относительная электрическая прочность U* для смесей SF6–N2 и SF6–CF4 от относительного содержания SF6 представлена на рис. 4.9 [7].
При уменьшении парциального давления N2 (CF4) электрическая прочность смеси SF6–N2 (SF6–CF4) снижается. Поэтому использование этих смесей вместо элегаза при условии сохранения электрической прочности и коммутационной способности ВЭ приводит к повышению общего номинального давления в камере ВЭ.
Рис. 4.9. Электрическая прочность смесей SF6–N2 и SF6–CF4 от относительного содержания SF6
Применение смеси SF6–N2. Для подготовки элегазового оборудования к работе используется сухой азот. В частности, очистка и осушка внутренних полостей ВЭ перед заполнением элегазом проводятся по циклам, где многократно сочетаются продувка сухим азотом и вакуумирование. Проверка герметичности также осуществляется азотом, поэтому использование смеси SF6-N2 привлекает внимание разработчиков ВЭ уже с первых шагов производства ВЭ.
С использованием смеси SF6-N2 в ВЭ предполагается упростить технологию подготовки ВЭ к эксплуатации, стабилизировать разрядные характеристики газовых промежутков, повысить исходное давление в камерах ВЭ (с целью повышения отключающей способности) без изменения нижнего предела рабочей температуры, улучшить работу ВЭ при отключении НКЗ.
При разработке ВЭ для низких температур (t = -40 oC, pном = 0,7 МПа) специалистами фирмы «Сименс» используется смесь: 60% SF6 и 40% N2 (см. рис. 4.8, где кривая 2 — давление смеси в состоянии заполнения, кривая 3 — парциальное давление элегаза, кривая 4 — парциальное давление азота).
Однако использование смеси элегаз-азот в ВЭ недостаточно изучено в эксплуатации. В частности, известно, что фазовые переходы для смесей характеризуются нестабильностью (размытый фазовый переход) по сравнению с однокомпонентной средой. На этот переход существенно влияют пыль, влага, ионы, твердые частицы и т. д. Недостаточно исследованы разрядные характеристики смеси для больших промежутков, взаимосвязь расстояния между контактами выключателя с отключающей способностью ВЭ, поведение смеси длительное время в эксплуатации.
Применение смеси SF6–CF4. Для смеси CF4–SF6 (50/50 %) при давлении 0,82 МПа (абс.) электрическая прочность эквивалентна прочности чистого элегаза с давлением заполнения 0,64 МПа (абс.). Поэтому ВЭ с давлением элегаза 0,59 МПа (абс.), рассчитанный для работы при температуре - 30 оС, может работать при температуре - 40 оС при давлении смеси SF6–CF4 0,82 МПа (абс.). Тетрафторметан (CF4) (торговое название хладон 14) — негорючий, взрывобезопасный, малотоксичный газ (физические свойства CF4 [7]: молекулярная масса 88, показатель адиабаты 1,02, газовая постоянная RГ = 94,5 Дж/(кг·К). Стойкие к тетрафторметану материалы: нержавеющие и углеродистые стали, медь, латунь, алюминий; неметаллы — фторопласты 4 и 3. Практическое применение смеси SF6–CF4 (50/50 %) выполнено фирмой «GEC‑ALSTOM» для выключателя FXT17 с двумя дугогасительными разрывами на напряжение 525 кВ, Iо. ном = 40 кА. Абсолютное давление заполнения при 20 оС составляло 0,82 МПа с гарантией возможности эксплуатации при температуре до минус – 40 оС.
Высокая дугогасительная способность элегазовых ДУ непосредственно связана с физическими свойствами элегаза и его высокими электрическими характеристиками. В последние годы появились газовые смеси, электрическая прочность которых выше, чем элегаза. Однако из-за их высокой стоимости, низкой стойкости к электрическим разрядам и токсичности, а также высокой температуры сжижения такие смеси в настоящее время не используются в высоковольтной коммутационной аппаратуре.
Характерно, что газы с более высокой электрической прочностью имеют дугогасительную способность (предельную отключающую способность) ниже, чем у элегаза. Так, если сравнивать электрическую прочность элегаза при давлении заполнения 0,1 МПа (температура сжижения tс = - 64 ºС) с электрической прочностью CF4SO2F (tс = -22 ºС), то она в 1,5 раза выше, чем у элегаза. Однако отключающая способность для смеси CF4SO2F-SF6 (75/25 % или 50/50 %) составляет соответственно лишь 54 % и 75 % от отключающей способности чистого элегаза в тепловой фазе пробоя [3].
В ВЭ элегаз как изолирующая и дугогасящая среда используется при давлении 0,15-1,0 МПа. При этом обеспечивается необходимая электрическая прочность межэлектродных промежутков при воздействии различных ПВН и высокая коммутационная способность ДУ.
Продукты разложения элегаза. Влажность в ВЭ. В нормативных документах по применению элегазового оборудования, в том числе по ВЭ, обязательно имеются пункты, которые предписывают тщательную очистку и осушку элегаза, периодический контроль продуктов разложения и влажности элегаза. Элегаз, который выпускается на химических заводах, имеет ряд примесей (CF4, SF4, SO2F2, SOF2, водяной пар и т. д.). В частности, присутствие фтористого углерода (CF4) снижает электрическую прочность товарного элегаза. Коррозионная способность элегаза объясняется наличием SF4, токсичные свойства — наличием SO2F2, SOF2. Хотя количество этих примесей в элегазе мало, перед употреблением в ЭВ требуются дополнительные мероприятия по его осушке и очистке.
Для слаботочных разрядов основным видом продуктов разложения является четырехфтористая сера SF4. Количество продуктов разложения элегаза при пробое зависит от энергии разряда, материала электродов, температуры среды. В продуктах разложения присутствует и CF4, который, взаимодействуя с твердыми диэлектриками (внутренними изоляторами), способствует созданию полупроводниковых налетов. Последние резко снижают сопротивление утечке тока по поверхности изоляторов [7].
Значителен выход газообразных и твердых продуктов разложения при сильноточной дуге. Хотя и здесь основным видом продуктов разложения является SF4, экспериментально зафиксировано и наличие продуктов гидролиза SF4: фтористого тионила SOF2, фтороводорода HF. Эти соединения являются следствием наличия влаги (или оставшегося кислорода) в камере ВЭ. При довольно высокой влажности возможно и появление таких кислот, как сернистая, серная, шестифтористо-кремниевая [7]. Следовательно, наличие влаги вызывает образование токсичных соединений, широкого спектра коррозионно-активных соединений в камере ВЭ. Поступление влаги в герметичную камеру ВЭ осуществляется несколькими путями. В частности, статические и динамические уплотнительные соединения создают условия для проникновения влаги в камеру ВЭ. Диффузия влаги через уплотнительные соединения может быть существенной при неудачном выборе материала уплотнения (прокладок), формы и размеров пазов, усилия при деформации уплотнения и т. д.
Стенки камеры ВЭ, токопроводы, изоляционные материалы внутри камеры ДУ ЭВ являются адсорбирующими поверхностями и значительно влияют на влажность газовой среды, особенно при резких изменениях температуры и в начальный период после сборки ВЭ и установки в эксплуатацию (первый год эксплуатации). К примеру, если внутренний изолятор ВЭ хранился в помещении с относительной влажностью 80 % при 20o С, то при установке его в камеру ВЭ вносится количество влаги, которое почти в 40 раз превышает влагосодержание собственного элегаза при его точке росы – 39 oС.
Поэтому внутренние изоляторы (и изоляционные элементы) сразу после изготовления должны быть помещены в герметичные полиэтиленовые мешки для хранения. Некоторые фирмы помещают в мешок адсорбент или цветной индикатор, который указывает влагосостояние в герметичном мешке.
Для быстрой замены газовой среды (производства очистки, осушки и полной регенерации SF6) обычно используют передвижные установки газообеспечения. Эти установки содержат высокопроизводительный вакуумный насос (100 м3/ч), двухступенчатый компрессор (25 м3/ч), фильтры, пылеуловители, вентильные панели и отдельный резервуар-ресивер.
Для ВЭ, который находится в эксплуатации, обязательным является наличие адсорбента в ВЭ, количество которого должно быть достаточным для поглощения продуктов разложения и поддержания влажности внутри ДУ и ВЭ в пределах установленных норм в соответствии с гарантированным сроком эксплуатации ВЭ. Это количество адсорбента зависит от количества разрывов в одной камере n, от тока отключения Iо. ном, регламентированного числа N отключений тока Iо. ном, массы изоляционных материалов, объема камеры, плотности элегаза. Правильный выбор средств осушки и поглощения продуктов разложения элегаза, уплотнительных соединений, высокий уровень технологии производства ВЭ позволяют обеспечить малое количество продуктов разложения элегаза, стойкость конструкционных материалов, а, следовательно, надежность ВЭ в эксплуатации.
Установлено, что большая часть продуктов разложения, обнаруженных в SF6 главным образом, после ряда операций дугогашения, состоит из SOF2, который является результатом взаимодействия SF4 c влагой или кислородом, содержащихся в остаточном воздухе газонаполненного ВЭ. Количество SOF2 пропорционально высвобожденной в дуге энергии. Для оценки можно принять, что на 1 кДж энергии разлагается около 2,7 см3 элегаза, и образуется примерно 1,5 см3 SOF2. Так если 1 г активированной окиси алюминия может адсорбировать до 14 см3 SOF2, то можно определить требуемое количество адсорбента. Однако обычно учитывается коэффициент запаса равный 3-5, для обеспечения гарантий сроком до 20-25 лет при эксплуатации [7].
Выбор конструкционных материалов определяется не только функциональным предназначением, но и их стойкостью к продуктам разложения элегаза. Нестойкими к продуктам разложения элегаза являются стали марок Ст3, Ст40, медь марок М1, МБ, серебро, латуни Л59, Л63. Стойкими зарекомендовали себя алюминий и его сплавы, стали нержавеющие и марок Ст20, Ст60С2, Ст10ХК, никель и др. Хорошо защищают металлы от коррозии лакокрасочные и никелевые покрытия. Цинкование, лужение, кадмирование нестойких металлов не приводит к существенному повышению их стойкости к продуктам разложения элегаза. Из диэлектрических и уплотнительных материалов стойкими являются фторопласт, текстолит на основе лавсана, полиуретан, эпоксифторопласт, композиции на основе полидивинилового каучука и др. Без дополнительных защитных мер невозможно использование в ВЭ бакелита, стеклотекстолита и кремнийорганических материалов. Ответственными элементами ВЭ являются внутренние изоляторы (герметичные и опорные), которые изготавливаются из эпоксидных компаундов. Из отечественных смол целесообразно использовать ЭДЛ, ЭД-5. Кварцевый песок, который обычно применяется в качестве наполнителя, активно взаимодействует с продуктами разложения элегаза. Его следует заменить фтористым кальцием (КФ-1) и электрокорундом (КФ-4). Наиболее жесткие требования к химической стойкости предъявляются к конструкционным материалам, которые непосредственно используются в ДУ ВЭ.