Элегазовые выключатели - ­­­Электрическая часть электростанций

Элегазовые выключатели принадлежат к группе газовых выключателей. Они начали усиленно разрабатываться в последние 10—15 лет и, несомненно, имеют большие перспективы. Известные преимущества, которыми обладают электроотрицательные газы с их высокой электрической прочностью при гашении дуги, побудили конструкторов применить в газовых выключателях элегаз (шести фтор истую серу SF6). Электроотрицательные газы, такие, как элегаз, фреон (CC1F2) и другие, обладают свойством захватывать свободные электроны и присоединять их к своим нейтральным молекулам. Возникающие при этом отрицательные ионы имеют примерно такую же скорость, что и положительные ионы, и поэтому легко рекомбинируют с ними, снова превращаясь в нейтральные молекулы. Вероятность такой рекомбинации на несколько порядков выше, чем рекомбинации быстрых электронов и медленных положительных ионов. Интенсивная рекомбинация электрически заряженных частиц быстро понижает проводимость межконтактного промежутка и очень существенно повышает скорость увеличения его электрической прочности после погасания дуги. При этом при равном эффекте гашения дуги требуются гораздо меньшие количества элегаза и меньшие давления, чем в воздушных выключателях. Действие элегаза как гасящей среды можно представить себе, проводя грубую аналогию с губкой, всасывающей влагу: таким же образом элегаз как бы всасывает в себя электроны из дугового промежутка. Интенсификации гашения дуги способствует еще очень малая постоянная времени дуги, горящей в элегазе. Она составляет примерно 1/100 постоянной времени дуги в воздухе (рис. 5-17). Так как потеря элегаза недопустима, гасительная камера выключателя должна работать по замкнутому циклу. Рис, 5-17. Постоянная времени дуги в воздухе (а) и в элегазе (б) Элегаз негорюч, бесцветен, не имеет запаха и совершенно не ядовит. В химическом отношении он так же неактивен по отношению к другим веществам, как и азот. Одним из его немногочисленных недостатков является способность разлагать влагосодержащие синтетические изоляционные материалы при соприкосновении с ними. Поэтому рекомендуется применять в элегазовых конструкциях стойкие изоляционные материалы, например тефлон [33]. Другим недостатком элегаза является высокая температура сжижения. При давлении 1,5 МПа она составляет всего 6 °С. Чтобы избежать сжижения элегаза, в выключателях с высоким давлением гасящей среды предусматривают автоматические нагреватели, поддерживающие необходимую постоянную температуру элегаза. Кроме того, опыт и специальные исследования показали, что под влиянием теплоты дуги элегаз расщепляется на ядовитые составляющие, в основном низшие фториды серы. Состав продуктов разложения (ПР) зависит от интенсивности дуги и от посторонних включений в элегазе: воздуха или влаги. Анализ ПР элегаза является мощным средством, указывающим, когда нужно ремонтировать оборудование и какова наиболее вероятная причина аварии. Схема анализа — такая же, как при масляной изоляции: отбор проб дефектного элегаза, содержащего продукты разложения от теплоты дуги. Исследование дефектного элегаза включает в себя анализ ПР элегаза, содержания влаги в газе, определение интенсивности и длительности горения дуги. Основным инструментом, используемым для анализа ПР, является газовый хроматограф с термоэлектронной ловушкой и пламенный спектрофотометр. Анализ элегаза рекомендуется проводить: 1) при приемочных испытаниях нового оборудования; 2) через регулярные промежутки времени в течение всего срока службы оборудования, сравнивая каждый раз результаты анализа с исходными данными; после каждой аварии до ремонта оборудования. Молекулы элегаза термически достаточно стойки, однако под влиянием высокой температуры дуги диссоциируют. При диссоциации поглощается много энергии, вследствие чего ствол Дуги охлаждается, что способствует ее гашению. После погасания дуги происходит интенсивная рекомбинация ионов и элегаз самовосстанавливзет свои свойства, хотя и не полностью. Для улавливания остаточных продуктов разложения применяют молекулярные фильтры или газоочистители из активированного алюминия. Но эти устройства не могут быть рассчитаны на весь объем продуктов разложения, образующихся в аварийных условиях, и рано или поздно требуется очистка элегаза от ПР и ревизия контактной системы выключателя. Продукты разложения являются комбинацией низших фторидов серы с влагой и воздухом, находящимися в зоне диссоциированного элегаза.

Рис. 5-18. Ход реакции разложения элегаза под действием теплоты дуги Их состав зависит от многих факторов: интенсивности и длительности дугового разряда, материала конструктивных элементов, содержания влаги и воздуха в элегазе. Ход реакции может быть следующим: сначала SF6 диссоциирует на SF4, SF2 и фториды металла. Фториды металла представляют собой твердые образования. Фториды серы являются газами и реагируют с кислородом воздушных включений, образуя SOF4 и SOF2, имеющие запах тухлых яиц. Дальнейшая диссоциация газов ведет к появлению SO2F2, SF и SO2. Другие побочные ПР вначале содержат F2, SF, SF2. Эти ПР диссоциируют дальше и приводят к ПР, показанным на схеме рис. 5-18. Предполагается, что такой ход реакции и характер распределения ПР проявляется в результате коронного разряда, частичных разрядов и дугового разряда или под влиянием дуги отключения. Степень разложения будет зависеть от интенсивности и длительности этих процессов. Элегазовые выключатели даже после определенного числа нормальных коммутаций будут иметь концентрацию ПР, которая может оказаться недопустимой. Знание этой концентрации наряду с эксплуатационной предысторией выключателя необходимо для оценки надежности его работы. Допустим, что в выключателе систематически фиксируется некоторое содержание SOF2 и влаги. Если последующие анализы покажут резкое уменьшение влаги и увеличение концентрации SOF2, следует предположить, что выключатель подвергается действию частичных разрядов, которые разлагают SFe, и что происходит гидролиз ПР. Пробы дефектного элегаза, направляемые в лабораторию для исследования, должны быть заключены в цилиндры из нержавеющей стали. Отбор проб упрощается при установке на оборудовании штуцеров для отбора газа. Текущий систематический анализ элегаза будет способствовать раннему обнаружению внутренних неисправностей оборудования, снизит аварийность, уменьшит затраты на ремонт и повысит надежность работы элегазового оборудования. Безопасность обращения с дефектным элегазом обеспечивается знанием состава продуктов разложения и правил обращения, которые сводятся к следующему: Обработка твердых продуктов разложения должна производиться в перчатках. Газообразные продукты разложения не должны вдыхаться. Не следует определять наличие повреждений по запаху. Следует иметь список возможных продуктов разложения с указанием предельной допустимой концентрации каждого из них (ПДК) ПДК —это концентрация ПР, воздействию которых человек может подвергаться в течение 40 ч в неделю без вредных последствий. Чем ниже ПДК, тем опаснее ПР. Все отсеки оборудования, содержащие элегаз, должны быть надежно герметизированы. Наиболее эффективно применение элегаза для гашения дуги в том случае, когда его струя поступает в дуговой промежуток с большой скоростью, т. е. осуществляется интенсивное продольное дутье. В настоящее время разработаны и применяются несколько конструкций элегазовых дугогасящих устройств. Среди них можно отметить дугогасительную камеру интенсивного продольного дутья. Продольное дутье в этом устройстве создается при переходе элегаза из резервуара с высоким давлением (1,5—2,0 МПа) в камеру, где поддерживается низкое давление (0,2—0,3 МПа). После гашения дуги отработанный элегаз проходит осушение и очистку и перекачивается компрессором в резервуар высокого давления. Вся система циркуляции элегаза является замкнутой. Система двух давлений создает определенные трудности при изготовлении и эксплуатации выключателей. Во-первых, при давлении 1,5 МПа газообразное состояние элегаза может быть только при температуре не ниже 6 °С. Следовательно, в таком выключателе необходимо предусмотреть подогреватели, поддерживающие постоянную температуру в резервуаре высокого давления.

Рис. 5-19. Автопневматическое дутьевое устройство элегазового выключателя Во-вторых, необходимо иметь автономную компрессорную установку и устройства для очистки и осушения отработанного элегаза. Все это осложнило производство и эксплуатацию выключателей двух давлений и послужило причиной неширокого их распространения. Другой способ гашения дуги в элегазе более прост и в исполнении, и в эксплуатации. В нем используется дугогасительное устройство с автопневматическим дутьем, схема которого приведена на рис. 5-19. При отключении между неподвижным контактом 1 и подвижным контактом 2 возникает дуга. Вместе с контактом 2 движутся сопло 3 из фторопласта (дугостойкий изоляционный материал), перегородка 4 и цилиндр 5. Поршень 6 неподвижен. Элегаз сжимается, и его поток,, проходя через сопло 3, продольно обдувает дугу и гасит ее. Дугогасительное устройство расположено в баке с элегазом при давлении 0,20—0,28 МПа. Небольшое давление делает ненужной установку для подогрева газа. Дугогасительная камера такой конструкции обладает высокой отключающей способностью: номинальный ток отключения при одном разрыве на номинальном напряжении 220 кВ равен 40 кА при высокой начальной скорости восстановления напряжения (больше 3 кВ/мкс). На основе унифицированных конструкций дугогасительных камер этого типа создана модульная серия элегазовых выключателей на напряжения до 750 кВ и мощности отключения до 50 ГВ*А. Созданы опытные образцы выключателя на напряжение 1150 кВ и номинальный ток отключения до 40 кА. Существуют и другие системы гашения дуги в элегазе, например электромагнитное гашение, при котором дуга перемещается в элегазе под действием магнитного поля и охлаждается при этом встречным потоком газа. Такая система эффективна в выключателях на большие номинальные токи отключения и на напряжения 20 кВ. Применяются также дугогасительные устройства с гашением открытой дуги в элегазе. В таких устройствах турбулентное воздействие газа на ствол дуги очень мало, поэтому мала и отключающая способность таких камер. Однако они с успехом применяются для короткозамыкателей, в которых основной операцией является замыкание контактов, а не их размыкание.