|
Страница 8 из 8
Приложение 2. Свойства элегаза
Наиболее распространёнными изоляционными, дугогасительными и охлаждающими средами, которые применяются в электротехническом оборудовании, является минеральное масло и воздух. Газы по сравнению с маслом и твёрдыми изоляционными материалами имеют определённые преимущества, главные из которых - ничтожнейшая проводимость и практическое отсутствие диэлектрических потерь, независимость в однородном поле электрической прочности от частоты, неповреждённость газовой изоляции заметным остаточным изменениям и малая загрязнённость под действием дуги и короны.
Электрическая прочность газовой изоляции в однородных или слабо неоднородных полях увеличивается с ростом давления и при определённых условиях может превысить электрическую прочность трансформаторного масла, фарфора и высокого вакуума.
Для упрощения конструкций оборудования с газовой изоляцией желательно, чтобы необходимая электрическая прочность была обеспечена при сравнительно небольшом избыточном давлении. Однако при применении газа в электротехническом оборудовании, помимо изоляционных, необходимо учитывать и другие свойства газов, а именно: сам газ и продукты его разложения не должны быть токсичными; газ должен быть химически нейтрален по отношению к применённым в устройстве материалам; газ должен иметь низкую температуру сжижения, чтобы его можно было использовать при повышенных давлениях и требуемых по условиям эксплуатации температурах; газ должен обладать хорошей теплоотводящей способностью; диссоциация газа должна быть незначительной; газ должен быть пожаро- и взрывобезопасным; газ должен быть легкодоступным и недорогим.
При использовании газа в коммутационных аппаратах необходимо, кроме того, чтобы газ обладал хорошей дугогасительной способностью. С точки зрения доступности воздух имеет неоспоримое преимущество по сравнению со всеми другими газами, однако по совокупности требований он не всегда приемлем. Некоторые газы и пары обладают значительно более высокой электрической прочностью, чем воздух. Однако лишь некоторые из них удовлетворяют требованиям, предъявляемым к электрической изоляции. Так, многие вещества в обычных условиях находятся в жидком состоянии, как, например,  , имеющее в газообразном состоянии электрическую прочность, в 6,3 раза большую, чем воздух. Многим веществам, кроме того, свойственно более или менее интенсивное разложение в условиях электрического разряда. Наконец, некоторые вещества при разложении выделяют свободный углерод, который, оседая на поверхности твёрдых изоляционных элементов конструкции, делает их проводящими.
Единственным газом, наиболее полно удовлетворяющим поставленным требованиям, является элегаз. Чистый газообразный элегаз совершенно безвреден, химически не активен, поэтому в обычных эксплуатационных условиях он не действует ни на какие материалы, применяемые в аппаратостроении, обладает повышенной теплоотводящей способностью и является очень хорошей дугогасительной средой, позволяющей производить отключение очень больших токов при больших скоростях восстановления напряжения.
Низкие температуры сжижения и сублимации дают возможность при обычных условиях эксплуатировать элегазовые аппараты без специального подогрева. Элегаз не горит и не поддерживает горения, следовательно, элегазовые аппараты являются взрыво- и пожаробезопасными.
Элегаз — нетоксичное, стойкое, химически инертное, негорючее соединение, не имеющее цвета, запаха и вкуса. При нормальных условиях (20 °С и 1 бар) - это тяжелый газ.
Однако с понижением температуры и повышением давления он сжижается. Границей между газообразной и жидкой фазами является кривая конденсации, на которой происходит резкий скачок плотности элегаза (рис. П2.1.). При температуре t=45,56 °C и давлении р=37,7 бар (критическая
Рис. П2.1. — Фазовая диаграмма состояния элегаза (давление абсолютное).
Кривые равновесия фаз:
ОК - жидкость - пар (газ), линия парообразования (конденсации); ОА -твердое тело — пар, линия сублимации; ОВ - твердое тело - жидкость, линия плавления.
Характерные точки диаграммы:
К - критическая точка:  = 45,56 °С; p = 37,7 бар (3,77 МПа); плотность p = 722,5 кг/м3.
O - тройная точка:  = - 50,8 °С, p = 2,25 бар (0,225 МПа).
точка) граница между газом и жидкостью стирается и элегаз находится в парообразном состоянии. При снижении температуры до минус 50,8 °С и давлении 2,25 бар элегаз может находиться в трех агрегатных состояниях - газ, жидкость, лед. Эта точка называется тройной. При температуре ниже минус 50,8 °С элегаз из газообразного состояния переходит в твердое, минуя жидкую фазу, и наоборот (кривая АО). При нормальном давлении возгонка элегаза из твердого в газообразное состояние происходит при температуре минус 62,8 °С. Пунктиром ОВ обозначена предполагаемая граница между твердой и жидкой фазами.
Диаграмма состояния элегаза исследовалась многими авторами и фирмами в основном экспериментальными методами. Расхождения между данными различных источников достаточно велики и увеличиваются при низких температурах, особенно вблизи кривой конденсации, что связано с точностью проведения эксперимента и степенью очистки элегаза от примесей.
Элегаз - это очень стойкий и инертный газ, который при нормальных условиях не вступает в реакцию ни с одним веществом, с которым контактирует, не растворяется в воде. Это тяжелый газ, его молекулярный вес - 146,0 г/моль (21,95 % серы и 78,05 % фтора).
Структура молекулы восьмигранная с шестью атомами фтора в вершинах, связи в молекуле - ковалентные, диаметр молекулы - 4,77 , температура начала интенсивного разложения — 500°С, потенциал ионизации I - 19,3 эв, энергия сродства молекулы к электрону (-1,49±0,22) эв.
Электроотрицательность молекул равна сумме потенциала ионизации и сродства к электрону.
Сродство к электрону у молекулы SF6 имеет положительный знак, благодаря чему свободный электрон, попавший в поле молекулы элегаза, захватывается ею и образуется устойчивый отрицательный ион.
Благодаря положительному сродству молекулы SF6 к электрону и устойчивости получившегося отрицательного иона объясняется высокая электрическая прочность элегаза по сравнению с другими газами, например азотом или воздухом. На рисунке П2.2 приведены зависимости пробивного напряжения для трансформаторного масла, элегаза и воздуха.
Рис. П2.2. – Пробивное напряжение трансформаторного масла, воздуха и  в зависимости от давления
Как видно, электрическая прочность элегаза при давлении 3 бара (кг/см ) примерно в 2,5 раза выше, чем для воздуха, и равняется электрической прочности трансформаторного масла. Поэтому габариты элегазового оборудования более чем на порядок ниже габаритов воздушного оборудования такого же класса напряжения. Это позволяет создать закрытые подстанции, снабженные комплектными распределительными устройствами с элегазовой изоляцией (КРУЭ), которые занимают на порядок меньшую площадь, чем открытые подстанции с воздушными выключателями. Также подстанции являются незаменимы для больших густонаселенных городов и оборонных объектов.
Под воздействием электрических разрядов происходит разложение элегаза с образованием свободного фтора, газообразных и твёрдых фторидов, многие из которых весьма токсичны.
Одним из необходимых условий возможности использования того или иного соединения в электрических аппаратах является его химическая инертность. Оно не должно вступать в реакцию ни с каким материалом, применяемым в электроаппаратостроении. Чистый элегаз при обычных условиях удовлетворяет этому требованию, несмотря на то, что в состав его молекулы входит фтор, являющийся одним из наиболее активных химических элементов. По химической инертности чистый элегаз при нормальных условиях сравним с азотом или даже инертными газами. Строение молекулы и её энергетическое состояние определяют высокую стабильность элегаза.
Хотя теплопроводность и теплоемкость элегаза ниже, чем у воздуха, однако общие теплопередающие свойства в несколько раз выше благодаря более высокой плотности.
Объемный критический расход для элегаза в 2,3 раза меньше, чем для воздуха, благодаря этому в значительной степени стало возможным создание мощных автопневматических элегазовых выключателей.
Таким образом, высокая электрическая прочность, имеющая значительно меньший разброс пробивного напряжения ( вместо 12), повышенная теплоотводящая способность, химическая инертность, электроотрицательность, высокий массовый расход и относительно низкий объемный расход — это те преимущества по сравнению с воздухом, которые позволяют создать автокомпрессионные дугогасительные устройства большей мощности при значительно меньших размерах дугогасительной камеры, чем у воздушных выключателей.
В соответствии с международными нормами состав элегаза для использования в высоковольтном оборудовании должен быть не хуже приводимых ниже норм, а именно:
SF6 >99,9 % по массе;
O2 ; N2; воздух >500 ррм по массе;
СF4 >500 ррм по массе;
вода >15 ррм по массе
минеральные масла >10 ррм по массе
кислотность в пересчёте на HF >0,3 ррм по массе;
гидролизуемые фториды
в пересчёте на HF >0,3 ррм по массе;
Технические условия на отечественный элегаз повышенной чистоты ТУ-6-02-1249-83 практически соответствуют указанным нормам. Изготовленный по этим ТУ элегаз называется товарным и может быть использован как показали разработки НИИВА в любом элегазовом высоковольтном оборудовании вплоть до 1150 кВ на переменном токе и до 1500 кВ на постоянном токе. Его производителями являются Пермский химический комбинат и Кирово-Чепецкий химкомбинат (Россия).
Стоимость элегаза сравнительно не высока. В производстве элегаза на заводе “Галоген” (завод Пермь) стоимость его составляет 122 руб./кг.
|
