7. Высоковольтные аппараты с элегазовыми смесями
Условия работы высоковольтного элегазового оборудования в низких широтах при очень низких температурах окружающего воздуха приводят к необходимости поиска путей новых конструктивных типоисполнений. Наиболее простым решением было бы осуществлять подогрев элегаза. Например, для выключателей типа ВГБУ-ПОкВ и ВГБУ-220 кВ был принят этот вариант, используя гибкие ленточные подогреватели типа НГЛУ. Такими лентами с двух сторон обматывались корпуса фаз баковой конструкции выключателя, и через них пропускался ток при сравнительно небольшой мощности (примерно 500 Вт на фазу). Они прикрывались специальным кожухом с теплоизоляционным материалом. КРУЭ решено исполнять в виде подогреваемого контейнера с размещенным в нем элегазовым оборудованием. Как видно из приведенной на рисунке 2 диаграммы, простым решением было бы снижение давления элегаза. Но для выключателей, в которых коммутирующая способность зависит от давления в дугогасительной камере, это удалось достичь только при напряжении 110 кВ. Такие выключатели типа ВГБУ-110 были разработаны в НИИВА при давлении в дугогасительном устройстве менее 3 бар и испытаны на номинальный ток отключения короткого замыкания 40 кА. В ряде энергосистем (например, в Смоленскэнерго, в Татэнерго) эти выключатели были внедрены в эксплуатацию. Наконец, возможен третий вариант конструктивного исполнения элегазового оборудования, а именно, с использованием смесей элегаза с другими газами, сжижающимися при более низкой температуре, например, с добавкой к элегазу до 50 процентов азота (N2) или тетрафторметана (CF4). Такие смеси значительно дешевле и меньше влияют на экологию. Однако, этот вариант исполнения, давая это бесспорное преимущество, имеет два как минимум существенных недостатка при возможном использовании в выключателях, а именно:
существенно снижается пробивное напряжение смеси;
- уменьшается отключающая способность, что приводит к необходимости увеличивать давление смеси в дугогасительном устройстве, усложняя его конструктивно.
На рисунке 4 приведен характер изменения электрической прочности смесей, у которых сжижение происходит значительно при более низких температурах чем элегаза, но электрическая прочность существенно ниже.
Можно отнести к недостатку сложность контроля за процентным содержанием смеси при необходимости подкачки в случаях утечки в ходе длительной эксплуатации. Поэтому в разработках высоковольтных аппаратов НИИВА до накопления опыта работы аппаратов на смесях используют смесь пока только в конструкциях измерительных трансформаторов тока.
8. Регенерация и утилизация элегаза
Рассматривая этот вопрос необходимо иметь в виду три обстоятельства: во-первых, элегаз стал более дорогостоящим изоляционным материалом; во-вторых, его выбрасывать в атмосферу нельзя по причине возможного отрицательного воздействия на экологию; и, в-третьих, тем более его нельзя выпускать в помещение КРУЭ или в контейнерных конструкциях из-за возможного наличия опасных для человеческого организма компонентов разложения элегаза — фторидов. Самым технологичным процессом является замкнутый цикл использования элегаза в высоковольтной аппаратуре. На примере КРУЭ легко проследить регенерацию элегаза после длительной эксплуатации. Оборудование наполняется товарным чистым элегазом. После определенного срока эксплуатации или вынужденной эвакуации при авариях его откачивают с помощью газотехнологической установки в подготовленные баллоны для регенерации в регенерационной установке или на заводе-изготовителе элегаза. Твердые фториды собирают пылесосом и утилизируют по принятым инструкциям. Остановимся на этом более подробно.
Элегаз, представляя как уже отмечалось собой «тепличный» газ, способный содействовать «парниковому» эффекту, в глобальном масштабе на процесс потепления земли сказывается незначительно, несмотря на то, что на сегодня в мире уже достаточно большое количество внедренного в эксплуатацию высоковольтного элегазового оборудования. Вклад элегаза в полный искусственный парниковый эффект в 1999 г. составил менее 0,1%.
Однако, имея ввиду постоянное увеличение внедряемого в эксплуатацию высоковольтного элегазового оборудования, а также долговечность наличия фторидов, в частности, фторида HF в атмосфере выброс элегаза и его компонентов должен быть сведен к минимуму. Так как элегаз в эксплуатации высоковольтного оборудования не расходуется, находясь в герметизированных объемах оборудования и преднамеренно не должен выбрасываться в атмосферу (кроме истекания вследствие аварийного случая с прожигом корпуса, что практически не встречается в длительной эксплуатации), то встает проблема его регенерации с целью многократного его использования. Регенерация может рассматриваться как часть проводимых газотехнологических операций. Потребители должны с целью исключения выброса элегаза в атмосферу, организовать диагностический постоянный контроль за давлением (плотностью) элегаза с
измерением скорости изменения утечки в объемах оборудования и проводить систематическую рециркуляцию. Под рециркуляцией понимается восстановление элегаза от фторидов и затем повторное, а при анализе и многократное использование, дальнейшую очистку элегаза от фторидов, которые не могут регенерироваться в элегаз и должны утилизироваться для исключения влияния на окружающую среду. Причем, необходимо стремиться к непрерывному циклу его многократного использования, начиная от разработки, испытаний, ввода в эксплуатацию и кончая технической эксплуатацией при проведении ремонтных работ. Даже, когда прекращается эксплуатация, он должен перекачиваться для повторного использования во вновь монтируемое оборудование. Регенерацией почти всегда можно снизить до требуемого уровня как наличие в нем влаги, так и содержание химически активных и вредных фторидов. Только в редких случаях газ не может быть очищен на месте эксплуатации, например, в результате чрезмерного загрязнения воздухом или CF4. В этих случаях его необходимо отправить на предприятие, на котором возможна рециркуляция. Такой процесс очистки приведен к тому, что для утилизации приходится обрабатывать только малую часть отходов. Признается необходимость рециркуляции, и на подстанциях с КРУЭ фактически ее проводят, а на подстанциях с другим элегазовым оборудованием практически этого не делают. До сих пор нет всеобъемлющих рекомендаций по ее проведению и по проведению газотехнологических операций. Для успешного проведения газотехнологических операций необходимо:
знать причину загрязнения и количество загрязняющих примесей и знать методы проверки качества элегаза;
иметь соответствующие стандарты по требуемой чистоте элегаза в различном высоковольтном оборудовании, особенно при многократном его использовании;
располагать соответствующими методиками проведения газотехнологических операций и рециркуляции;
иметь в наличии соответствующее электротехническое оборудование и установки.
В настоящее время уже разработано и внедряется в эксплуатацию оборудование с утечкой элегаза порядка 0,1 процента в год. Снижение утечки одновременно уменьшает потребное для эксплуатации количество элегаза как достаточно дорогого материала.
Конечная утилизация использованного многократно элегаза должна предприниматься, когда его уже нельзя регенерировать или в элегазовом оборудовании больше нет необходимости. Утилизировать элегаз можно экологически чисто путем термического нагрева выше 1000-1200 градусов Цельсия. При таком нагреве элегаз диссоциируется с разложением на химически активные компоненты, вступающие в реакции, в основном с кислородом и водородом. При этом образуется соединения SOX и HF. Продукты разложения удаляются при прохождении через скруббер, заполненный раствором гидрооксида кальция (гашеная известь), образуя, в частности, сульфат кальция (природный гипс) и фторид кальция (плавиковый шпат) по приводимым ниже химическим реакциям:
SO3 + Са (ОН)2 -> CaSO4 + Н2О; 2HF + Са(ОН)2 -> CaF2 + Н2О.
Природный гипс может использоваться в строительстве, а плавиковый шпат - в здравоохранении.