6. Газы с высокой электрической прочностью

Исследовано большое количество электроотрицательных газов и паров, у некоторых из них электрическая прочность выше электрической прочности воздуха в 6-10 раз. Так, у тетрахлорметана (CCl₁) она выше в 6,3 раза, у фтордиметилциклогексана (C₈F₁₆) – в 8,5 раза, у фторфенантрена – в 10 раз. Но газы с относительной электрической прочностью (по отношению к воздуху) выше 3-4 не удовлетворяют некоторым из требований, предъявляемых к газам, используемым в качестве электроизоляционного материала. В основном – это недостаточно низкая температура снижения, в результате чего газ при сжатии переходит в жидкое состояние; у многих газов недостаточна химическая стойкость и происходит образование активных продуктов.

В настоящее время наиболее широко применяется гексафторид серы (SF₆), названный впервые исследовавшим его профессором Б.М. Гохбергом элегазом («электрическим газом»). Элегаз нетоксичен, негорюч, химически инертен – не реагирует с медью, алюминием, серебром, нержавеющей сталью. Он не разлагается под действием воды, кислот, щелочей; на него не действуют галогены, кислород, водород и др. Разряды в элегазе в присутствии органической электрической изоляции приводят к образованию SO₂F₂, SO₂, HF. При – 62^оС упругость пара над твердым SF₆ равна 0,1 МПа. Теплопроводность элегаза равна 0,0136 Вт/(м·^оС) (при 70 ^оС), удельная теплоемкость 0,598 кДж/(кг· ^оС) (при 20 ^оС). Рабочая температура элегаза принимается равной 150 ^оС.

Рисунок 5 – Относительная электрическая прочность элегаза (по отношению к сухому воздуху) при различных расстояниях между электродами. Частота 60 Гц, давление 0,1 МПа.

Рисунок 6 – Зависимость пробивного напряжения элегаза (действующие значения) при различных расстояниях между электродами от давления. Плоские электроды диаметром 105 мм с закругленными краями. Цифры у кривых обозначают расстояние между электродами, мм.

В однородном электрическом поле элегаз подчиняется закону Пашена. Рисунок 5 показывает, что относительная электрическая прочность элегаза по отношению к сухому воздуху в неоднородных полях зависит от расстояния между электродами и в резко неоднородных полях значительно выше, чем в однородном поле. На рисунке 6 представлена зависимость пробивного напряжения (действующие значения) от давления элегаза при различных расстояниях между электродами в виде пластин с закругленными краями, т.е. в достаточно однородном поле. Такая же зависимость для элегаза, но при постоянном напряжении представлена на рис. 7. Электрическая прочность элегаза достигает прочности трансформаторного масла при давлении порядка 0,3 – 0,4 МПа.

Рисунок 7 – Зависимость пробивного напряжения элегаза при постоянном токе от давления. Электроды: плоскость – сфера диаметром 64 мм (сплошные кривые), две сферы (пунктирные линии). Цифры у кривых обозначают расстояние между электродами, мм.

Зависимость разрядного и коронного напряжений в элегазе от давления в резко неоднородном поле стержень – плоскость представлена на рис. 8. При положительной полярности стержня разрядное напряжение имеет максимум в области давлений 0,4 – 0,6 МПа. Коренное напряжение при сравнительно низких давлениях значительно меньше разрядного, что указывает на целесообразность использования элегаза в более однородных полях.

Рисунок 8 – Зависимость разрядного и коронного напряжений в элегазе от давления. Промежуток плоскость – стержень (проволочка диаметром 0,25 мм с закругленным концом); расстояние между электродами 0,3 см. Постоянное напряжение.

На практике в герметизированных устройствах часто встречаются промежутки между коаксиально расположенными электродами. Для подобных промежутков, заполненных эелегазом, зависимость пробивной напряженности на поверхности внутреннего цилиндра от его диаметра представлена на рис. 9. При давлении 0,1 МПа влияние материала внутреннего электрода на величине Е_пр не сказывается, при более высоких давлениях наблюдаются более низкие значения пробивной напряженности при применении электродов из стали и алюминия по сравнению электродов из латуни (максимальное снижение 10 – 12%). Материал внешнего электрода не влияет на величину пробивной напряженности.

Рисунок 9 – Зависимость электрической прочности (амплитудные значения) на поверхности внутреннего цилиндра от его диаметра Цифры у кривых обозначают давление элегаза, МПа. Переменное напряжение 50 Гц.

Элегаз применяется и в смеси с азотом, в частности при заполнении устройств с большим объемом или в установках, работающих при низких температурах окружающей среды. На рис. 10 приведены кривые, выражающие зависимость пробивного напряжения смеси элегаза с азотом (между двумя шарами диаметром 50 мм при переменном напряжении) от процентного содержания элегаза. Как видно, уже при содержании в смеси 20 – 40% элегаза пробивное напряжение мало отличается от U_пр чистого элегаза. Пробивное напряжение смеси с 10% смеси элегаза при давлении 0,5 – 0,7 МПа соответствует U_пр азота при давлении 1,0 – 1,5 МПа. В неоднородных полях между электродами острие – плоскость с повышением давления с 0,1 до 0,6 МПа пробивное напряжение смеси последовательно проходит через максимум и минимум.

Благоприятными электроизоляционными свойствами обладают перфорированные углеводороды, т.е. углеводороды, в которых все атомы водорода заменены атомами фтора. Они отличаются повышенной нагревостойкостью вследствие большой величины энергии связи углерод – фтор. Многие из них химически стойкие, не взаимодействуют с металлами и твердыми электроизоляционными материалами, малотоксичны, негорючи. Теплопроводность этих газов в 3 – 5 раз выше теплопроводности азота.