Элегаз что это такое простыми словами
Элегаз и его свойства
Элегаз не стареет, т. е. не меняет своих свойств с течением времени, при электрическом разряде распадается, но быстро рекомбинирует, восстанавливая первоначальную диэлектрическую прочность.
При температурах до 1000 К элегаз инертен и нагревостоек, до температур порядка 500 К химически не активен и не агрессивен по отношению к металлам, применяемым в конструкции элегазовых распределительных устройств.
В электрическом поле элегаз обладает способностью захватывать электроны, что обусловливает высокую электрическую прочность элегаза. Захватывая электроны, элегаз образует малоподвижные ионы, которые медленно разгоняются в электрическом поле.
Эксплуатационная способность элегаза улучшается в равномерном поле, поэтому для эксплуатационной надежности конструкция отдельных элементов распределительных устройств должна обеспечивать наибольшую равномерность и однородность электрического поля.
Во избежание разрядов все поверхности отдельных элементов металлических деталей и экранов ячеек выполняются чистыми и гладкими и не должны иметь шероховатостей и заусенцев. Обязательность выполнения этих требований диктуется тем, что грязь, пыль, металлические частицы также создают местные напряженности электрического поля, а при этом ухудшается электрическая прочность элегазовой изоляции.
Высокая электрическая прочность элегаза позволяет сократить изоляционные расстояния при небольшом рабочем давлении газа, в результате этого уменьшается масса и габариты электротехнического оборудования. Это, в свою очередь, дает возможность уменьшить габариты ячеек КРУЭ, что очень важно, например, для условий севера, где каждый кубический метр помещения стоит очень дорого.
Высокая диэлектрическая прочность элегаза обеспечивает высокую степень изоляции при минимальных размерах и расстояниях, а хорошие способность гашения дуги и охлаждаемость элегаза увеличивают отключающую способность коммутационных аппаратов и уменьшают нагрев токоведущих частей.
Применение элегаза позволяет при прочих равных условиях увеличить токовую нагрузку на 25% и допустимую температуру медных контактов до 90°С (в воздушной среде 75°С) благодаря химической стойкости, негорючести, пожаробезопасности и большей охлаждающей способности элегаза.
Недостатком элегаза является переход его в жидкое состояние при сравнительно высоких температурах, что определяет дополнительные требования к температурному режиму элегазового оборудования в эксплуатации. На рисунке приведена зависимость состояния элегаза от температуры.
Диаграмма состояния элегаза в зависимости от температуры
Для работы элегазового оборудования при отрицательной температуре минус 40 гр. С необходимо, чтобы давление элегаза в аппаратах не превышало 0,4 МПа при плотности не более 0,03 г/см3.
При повышении давления элегаз будет сжижаться при более высокой температуре. поэтому для повышения надежности работы электрооборудования при температурах примерно минус 40°С его следует подогревать (например, бак элегазового выключателя во избежание перехода элегаза в жидкое состояние нагревают до плюс 12°С).
Дугогасительная способность элегаза при прочих равных условиях в несколько раз больше, чем воздуха. Это объясняется составом плазмы и температурной зависимостью теплоемкости, тепло- и электропроводности.
При температурах 6000 К сильно уменьшается степень ионизации атомарной серы, усиливается механизм захвата электронов свободным фтором, низшими фторидами и молекулами элегаза.
При температурах порядка 4000 К диссоциация молекул заканчивается и начинается рекомбинация молекул, плотность электронов еще больше уменьшается, так как атомарная сера химически соединяется с фтором. В этой области температур теплопроводность плазмы еще значительная, идет охлаждение дуги, этому способствует также удаление свободных электронов из плазмы за счет захвата их молекулами элегаза и атомарным фтором. Электрическая прочность промежутка постепенно увеличивается и в конечном счете восстанавливается.
Особенность гашения дуги в элегазе заключается в том, что при токе, близком к нулевому значению, тонкий стержень дуги еще поддерживается и обрывается в последний момент перехода тока через нуль. К тому же после прохода тока через нуль остаточный столб дуги в элегазе интенсивно охлаждается, в том числе за счет еще большего увеличения теплоемкости плазмы при температурах порядка 2000 К, и электрическая прочность быстро увеличивается.
Нарастание электрической прочности элегаза (1) и воздуха (2)
Такая стабильность горения дуги в элегазе до минимальных значений тока при относительно низких температурах приводит к отсутствию срезов тока и больших перенапряжений при гашении дуги.
В воздухе электрическая прочность промежутка в момент прохождения тока дуги через нуль больше, но из-за большой постоянной времени дуги у воздуха скорость нарастания электрической прочности после прохождения значения тока через нуль меньше.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Элегаз: мифы и реальность
О применении этого газа в энергетике впервые задумались советские инженеры, однако реализована идея была на Западе. В России элегазовое оборудование начали использовать ещё в 1990-е годы, но споры о его опасности не утихают до сих пор.
Гексафторид серы (SF6) бесцветен, не токсичен и не горюч. Название элегаз (электрический газ) он получил благодаря высоким электроизолирующим и дугогасящим свойствам, а также высокому напряжению пробоя.
На первый взгляд SF6 — практически идеальный вариант для электроустановок. Однако из-за высоких затрат на его утилизацию, недостаточной компактности элегазовых устройств и образующихся в процессе их работы токсичных соединений производители начали отказываться от гексафторида серы в пользу более экологичных изоляционных материалов.
Сегодня мы разберём утверждения критиков и попробуем отделить возникшие вокруг элегаза мифы от реальности.
Сам по себе элегаз не токсичен, ГОСТ относит его к малоопасным веществам (четвёртый класс опасности). Инертность гексафторида серы лишь немного не дотягивает до инертности гелия.
Разлагается он при температуре выше 1100°С, так что воздействие электрической дуги приводит к возникновению ядовитых газообразных продуктов — низших фторидов и соединений серы.
Если внутрь заполненной элегазом камеры попадают водяные пары и кислород, могут возникнуть агрессивные соединения фтороводородов, плавиковая кислота и прочие высокотоксичные продукты.
Установленные в современных коммутационных и распределительных устройствах фильтры-адсорберы поглощают влагу и газообразные продукты разложения, а твёрдые оседают в самих аппаратах, никак не сказываясь на их работоспособности.
К тому же устройства с элегазовой изоляцией не требуют частого обслуживания, во многих из них заполненные гексафторидом серы герметичные контейнеры вообще не вскрываются в течение всего срока эксплуатации.
Проблемы возникают во время ремонта, который должны проводить квалифицированные сотрудники с использованием специального оборудования: даже при соблюдении всех мер безопасности утечку токсичных соединений полностью исключить не получится.
Другой проблемой, связанной с токсичными продуктами, остаётся утилизация отработавших своё устройств. Их нельзя просто так выбросить на свалку или разобрать без применения специальных технологий.
Иногда из-за внутреннего короткого замыкания на корпус возникает устойчивая электрическая дуга, которая приводит к резкому росту давления внутри контейнера с элегазом.
Когда гексафторид серы только начинали использовать в энергетике, это создавало проблемы, которые в современных устройствах решены: производители оснащают их клапанами сброса избыточного давления и другими защитными механизмами.
В большинстве случаев они спасают элегазовые устройства от «взрыва», однако в случае заводского брака или неправильного подключения последствия могут быть трагическими.
Элегаз отличается высокой текучестью, позволяющей ему просачиваться через уплотнительные соединения или через металлические оболочки контейнеров.
Однако даже в высоковольтных устройствах, где давление в камере достигает семи атмосфер, норма годовой утечки не превышает 1% (на практике ещё меньше). В устройствах среднего напряжения проблем с утечками и вовсе нет.
Предельно допустимая концентрация элегаза в производственных помещениях составляет 5000 мг/м³.
Если он накопится в более высокой концентрации, у персонала может возникнуть кислородная недостаточность: отечественные «Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей» требуют оснащать помещения с ячейками комплектных распределительных устройств с элегазовой изоляцией (КРУЭ) приспособлениями, сигнализирующими о недопустимой концентрации гексафторида серы и включающими приточно-вытяжную вентиляцию.
ПДК элегаза в атмосферном воздухе составляет 0,001 мг/м³. Его потенциал разрушения озонового слоя ODP равен 0, а вот потенциал глобального потепления GWP составляет 24 900.
Гексафторид серы входит в число так называемых «новых газов» Киотского протокола. Можно сказать, что как парниковый газ он гораздо опаснее пресловутого CO².
Здесь мы подходим к главной проблеме для окружающей среды — отработанные устройства с элегазом требуют правильной утилизации не только из-за накопившихся в них токсичных продуктов. Даже чистый SF6 нельзя сбрасывать в атмосферу.
Бизнес редко учитывает экологическую опасность решения, если та не бьёт по корпоративному кошельку. Первые элегазовые устройства появились в России более двадцати лет назад и сейчас срок их эксплуатации подходит к концу.
Выбрасывать ячейки на свалку, как мы уже писали, запрещено, что приводит компании к необходимости затрат на их утилизацию. Это довольно серьёзная проблема, если учесть, что массового рынка утилизации элегаза у нас фактически нет. Услуги по переработке будут весьма недешёвыми.
При напряжении от 110 кВ элегазовые устройства обходятся дешевле вакуумных, а для напряжений от 330 кВ альтернативы элегазу пока не придумали. На среднем напряжении ситуация совершенно иная.
Прогресс не стоит на месте: сочетание вакуумных технологий, воздушной изоляции и современной конструкции установок с минимальным количеством деталей в коммутационном механизме позволяет добиться хороших результатов.
Eaton выпускает комплектные распределительные устройства (КРУ) Xiria с номинальным током сборных шин 630 А для сетей с напряжением до 24 кВ. Они не содержат элегаза и не используют смазку в механизме.
Устройства не требуют частого и сложного обслуживания, что снижает эксплуатационные расходы. По завершении срока эксплуатации все их компоненты могут быть переработаны без лишних затрат и не требуют дорогостоящих мер по утилизации.
Лет 20 назад применение элегазовых устройств было оправдано даже в среднем диапазоне напряжений, но сейчас экологические требования постоянно ужесточаются, поэтому покупка КРУЭ может оказаться крайне невыгодным вложением.
Газ элегаз и его свойства
Впервые элегаз был получен в ходе опытов французских ученых-химиков Анри Муассана и Пола Лебо в 1901 году. Получен газ был в результате изучения химии фтора, как одно из соединений данного элемента.
Про изоляционные свойства элегаза стало известно примерно в 1938-39 годах, а применять в электрооборудовании гексафторид серы (SF6) начали со второй половины 20 века. И если в начале своей истории SF6 использовался как изоляционный газ, то впоследствии его стали применять и для гашения дуги.
Так, в 1971 году появились первые выключатели высокого напряжения с элегазом в качестве дугогасящей среды.
Характеристики элегаза
| Характеристика | Единица измерения | Условия | Значение |
|---|---|---|---|
| Плотность элегаза | г/л | 20°C, 1 атм | 6,139 |
| Крит. температура | °C | — | 45,55 |
| Критическое давление | МПа | — | 3,76 |
| Критическая плотность | кг/м³ | — | 740 |
| Теплота образования | кДж/моль | — | -1221,66 |
| Скорость звука в SF6 | м/сек | — | 136 |
| Относительная диэлектрическая проницаемость | о.е. | 25°C, 1 бар | 1.00204 |
| Коэффициент рассеивания или tanδ | о.е. | 25°C, 1 бар | 1100 |
Плюсы и минусы шестифтористой серы
преимуществ у элегаза достаточно:
существует и пара недостатков, ведь ничего не бывает идеального:
Области применения элегаза
В энергетике (высоковольтное оборудование), металлургия (рабочая среда), системы газового пожаротушения (рабочая среда), а также как хладагент, шумоизолятор и окислитель в различных отраслях промышленности.
Элегаз в энергетике
Однако, нас больше всего интересует применение элегаза в энергетике. Незря же это вещество называется “электротехнический газ”. В самом названии заложена главная отрасль его применения.
Применяется как основная изоляция в высоковольтных трансформаторах тока и напряжения, кабелях, трансформаторах, ячейках КРУЭ, а также как среда для гашения дуги в элегазовых выключателях. Применение элегаза повышает величину тока отключения и уменьшает само время отключения.
Элегаз и его применение. Свойства и производство
7 октября 2011 в 10:00
Элегаз (электротехнический газ) представляет собой бесцветный, без запаха, не горючий газ, который при нормальном атмосферном давлении и температуре 20 °C в 5 раз тяжелее воздуха и обладает в 5 раз большей, чем у воздуха молекулярной массой. Соединение было впервые получено и описано французским химиком Анри Муассаном в ходе работ по изучению свойств фтора в конце XIX века.
Химически элегаз представляет собой шестифтористую серу SF6 (рис. 1). Соединение не стареет, т. е. не меняет своих свойств с течением времени, при электрическом разряде распадается, но быстро рекомбинирует (процесс, обратный ионизации), восстанавливая первоначальную диэлектрическую прочность, по этой причине элегаз является основным изоляционном материалом в коммутационном оборудовании 35 кВ и выше.
Производство элегаза
Получение элегаза осуществляется следующими способами:
Физические и химические свойства элегаза
Элегаз является чрезвычайно химически инертным соединением. Он не взаимодействует с щелочами, кислотами, окислителями, восстановителями, устойчив к действию расплавленных металлов. Элегаз так же очень слабо растворяется в воде и взаимодействует лишь с органическими растворителями.
Напряжение пробоя (кВ)
Напряжение пробоя и функция давления для неоднородного электрического поля
Захватывая электроны, элегаз образует малоподвижные ионы, которые медленно разгоняются в электрическом поле и развитие электронных лавин затруднено.
Значительная диэлектрическая прочность элегаза обеспечивает высокую степень изоляции при минимальных размерах и расстояниях, что позволяет уменьшить массу и габариты электротехнического оборудования, а хорошая способность гашения дуги и охлаждаемость элегаза увеличивают отключающую способность коммутационных аппаратов и уменьшают нагрев токоведущих частей.
Применение элегаза позволяет при прочих равных условиях увеличить токовую нагрузку на 25% и допустимую температуру медных контактов до 90°С (в воздушной среде 75°С) благодаря химической стойкости, негорючести, пожаробезопасности и большей охлаждающей способности элегаза.
При увеличении давления электрическая прочность элегаза возрастает почти пропорционально давлению и может быть выше электрической прочности жидких и некоторых твердых диэлектриков.
Однако это преимущество становится недостатком элегаза при низких температурах по причине перехода его в жидкое состояние и потере изоляционных свойств, что определяет дополнительные требования к температурному режиму элегазового оборудования в эксплуатации. На рис. 4 приведена зависимость состояния элегаза от давления и температуры.
Таким образом, допустимое рабочее давление для смеси оказывается примерно в 30 раз выше, чем для чистого элегаза.
Эксплуатационная способность элегаза улучшается в равномерном электрическом поле, поэтому конструкция отдельных элементов распределительных устройств должна обеспечивать наибольшую равномерность и однородность электрического поля.
В неоднородном поле появляются местные перенапряжения электрического поля, которые вызывают коронирующие разряды. Под действием этих разрядов элегаз разлагается, образуя в своей среде низшие фториды (SF2, SF4), вредно действующие на конструкционные материалы коммутационного оборудования.
Во избежание разрядов поверхности отдельных металлических деталей коммутационного оборудования выполняются особо гладкими, они не должны иметь загрязнений, шероховатостей и заусенцев. Обязательность выполнения этих требований диктуется тем, что грязь, пыль, металлические частицы также создают местные напряженности электрического поля, а при этом ухудшается электрическая прочность элегазовой изоляции.
Теплопроводность SF6 ниже, чем у воздуха, но его полная теплоотдача, в особенности, если учесть конвекцию очень хорошая (как у водорода или гелия), выше чем у воздуха, но ниже чем у азота (рис. 5).
При температурах порядка 4000 К диссоциация молекул заканчивается и начинается рекомбинация молекул. В этой области температур теплопроводность плазмы еще значительная, идет охлаждение дуги, этому способствует также удаление свободных электронов из плазмы за счет захвата их молекулами элегаза и атомарным фтором. Электрическая прочность промежутка постепенно увеличивается и в конечном счете восстанавливается.
Особенность гашения дуги в элегазе заключается в том, что при токе, близком к нулевому значению, тонкий стержень дуги еще поддерживается и обрывается в последний момент перехода тока через нуль. К тому же после прохода тока через нуль остаточный столб дуги в элегазе интенсивно охлаждается, в том числе за счет еще большего увеличения теплоемкости плазмы при температурах порядка 2000 К, и электрическая прочность быстро увеличивается.
Такая стабильность горения дуги в элегазе до минимальных значений тока при относительно низких температурах приводит к отсутствию срезов тока и больших перенапряжений при гашении дуги.
В воздухе электрическая прочность промежутка в момент прохождения тока дуги через нуль больше, но из-за большой постоянной времени дуги у воздуха скорость нарастания электрической прочности после прохождения значения тока через нуль меньше.
Свойства элегаза
Элегаз является бесцветным энертным тяжелым газом, не имеющим запаха. Он не взрывоопасен, не горюч и не токсичен, при температуре 20 С и нормальном давлении не образует агрессивную среду, в пять раз тяжелее воздуха.
С химической точки зрения элегаз представляет собой гексафторид серы (шестифтористая сера, SF6. Вещество не стареет, оно даже со временем не теряет своих первоначальных качеств. В результате электрического разряда происходит распад элегаза, но он быстро рекомбинирует. Данный процесс является обратным ионизации и восстанавливает изначальную диэлектрическую прочность. Поэтому вещество часто используется в качестве изоляционного материала, применяется при создании коммутационного оборудования, которое функционирует при напряжении 35 кВ и больше.