Свойства элегаза и его использование в коммутационном оборудовании - Использование элегаза в коммутационном оборудовании

4. Использование и обращение с газом SF6 в коммутационном оборудовании

Данный раздел отвечает на вопросы потребителей относительно возможного воздействия элегаза и его продуктов распада на безопасность персонала или окружающую среду. За более подробной информацией обратитесь к техническому отчету МЭК 61634.
4.1. Заполнение новым газом SF6
Новый газ SF6 поставляется в баллонах в жидком виде. Давление элегаза составляет примерно 22 атмосфер по манометру. Новый газ SF6 должен соответствовать стандарту Международной электротехнической комиссии МЭК 376, который определяет пределы концентраций примесей.
С новым газом SF6 можно обращаться на открытом воздухе без каких-либо специальных условий. При работе в закрытом помещении с новым газом SF6 необходимо учитывать следующее:
Предельное пороговое значение TLV для нового элегаза равняется 1000 ppmv, что означает, что рабочие могут находиться в среде с концентрацией газа до этого уровня в течение восьми часов в день, пять раз в неделю. TLV не является показателем потенциальной токсичности, скорее это значение, присваиваемое газам, которых нет в атмосфере при нормальных условиях.
Температура выше 500°C или наличие некоторых металлов при температуре выше 200°C вызывают распад SF6. При пороговых температурах этот распад может идти очень медленно. Поэтому не рекомендуется курить, использовать открытый огонь, электросварку (кроме как в нейтральной атмосфере) или другие источники тепла, которые могут вызывать такие значения температуры в местах, где в атмосфере может присутствовать газ SF6.
Необходимо соблюдать обычные меры предосторожности при работе с баллонами со сжатым газом. Например, внезапный выпуск сжатого газа создаст низкие температуры, которые могут вызвать быстрое замораживание. Обслуживающий персонал, работающий с таким оборудованием, должен использовать теплоизолирующие перчатки.
Если оборудование необходимо заполнить новым газом SF6, необходимо следовать инструкциям изготовителя в следующем порядке:
убедиться в надлежащем качестве элегаза в оборудовании;
устранить любой риск создания чрезмерного давления в заполняемом корпусе.
Кроме того, необходимо избегать утечки элегаза в атмосферу во время заполнения оборудования.

Практический пример, условия и расчеты для оборудования высокого напряжения

Рис. 19: Утечка SFB в помещении подстанции высокого напряжения (145 кВ)

4.2. Утечка элегаза из элегазового оборудования

В данном разделе рассматриваются значение утечки элегаза и газообразных продуктов распада в окружающую среду внутри помещения. Потенциальная токсичность атмосферы рассчитана с помощью концентрации фторида тионила SOF2.
Представлены два практических примера (один для оборудования высокого напряжения и один для оборудования среднего напряжения). В обоих примерах сделаны следующие худшие предположения:
помещение с коммутационным оборудованием изолировано от внешней атмосферы, т.е. вентиляция в нем отсутствует;
помещение с коммутационным оборудованием содержит соответственно 7 и 15 выключателей;
в корпусах коммутаторов не используются адсорбенты;
каждый из выключателей трижды отключал номинальный ток короткого замыкания;
* норма выработки SOF2 - 3,7x10-3 л/кДж энергии дуги, (наиболее часто цитируемое в научной печати значение).
В таблицах на рис. 19 и 20 приведены данные и вычисления для каждого случая. Результаты показывают, что в обоих случаях TLV для SOF2 (1,6 ppmv) не превышен через 1 год утечки при максимальной скорости утечки в изолированном помещении. В действительности, при обычной вентиляции продукт SOF2 разбавился бы до еще менее значительной концентрации.
Соответственно, риск для здоровья вследствие обычной утечки используемого элегаза из коммутационного оборудования отсутствует.

4.3. Обслуживание элегазового оборудования

Герметичное оборудование среднего напряжения не требует обслуживания частей, находящихся внутри элегазовых корпусов.
Следовательно, они не рассматриваются в данном разделе. Для некоторых конструкций КРУЭ среднего напряжения может потребоваться обслуживание, а для большинства выключателей среднего напряжения обслуживание должно осуществляться на периодической основе. Расширение распределительного щита КРУЭ, как среднего, так и высокого напряжения может потребовать удаления SF6. Для предоставления информации по безопасным методам работы в данных условиях существует много местных строительных норм и правил, а также рекомендации производителя.
Следующие руководящие принципы являются общими для большинства из них:
При удалении элегаза, который может содержать продукты распада, необходимо соблюдать осторожность. Газ не следует выпускать внутри помещения. Газ необходимо собрать в резервуар для хранения. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы не вдохнуть газ SF6, выпускаемый из оборудования. Если это невозможно, необходимо использовать респиратор. Респиратор должен быть оснащен фильтром, который удаляет газы как описано в § «Продукты распада дуги».
Практический пример, условия и расчеты для оборудования среднего напряжения

Рис. 20: Утечка SF6 в помещении подстанции среднего напряжения (12 кВ)
Корпуса необходимо откачать, чтобы удалить как можно больше остаточного элегаза. В некоторых случаях рекомендуется продуть корпус сухим воздухом или азотом перед его вскрытием.
В любом случае, обслуживающий персонал должен знать о присутствии остаточного элегаза при первом открытии корпуса и использовать респираторы. Вентиляция рабочей зоны должна быть надлежащей, чтобы быстро удалить любой газ, выпущенный из корпуса в рабочую зону.
Металлические порошки фторида более химически активны во влажной среде, поэтому они должны быть в сухом состоянии до и во время их удаления. Мелкие пылинки могут оставаться в воздухе в течение долгого времени, в таком случае необходимо пользоваться респираторами с субмикронными фильтрами. Особое внимание необходимо уделить защите глаз.
* Компоненты, металлические порошки фторида и адсорбенты, извлеченные из рабочего оборудования, необходимо упаковать в герметичные контейнеры для их последующей нейтрализации

4.4. Окончание срока службы элегазового оборудования

Для элегазового оборудования, снятого с эксплуатации, может потребоваться нейтрализация продуктов распада, оставшихся после удаления элегаза. Для защиты окружающей среды SF6 необходимо удалить и не выпускать в атмосферу (см. § «SF6 и мировая окружающая среда»). Необходимость нейтрализации зависит от уровня распада; ожидаемые уровни распада приведены в таблице на рис. 21 .
Общее описание процедуры
Перед утилизацией оборудования SF6 необходимо извлечь для повторного использования. Оборудование затем необходимо обработать в соответствии с нормами с ожидаемым уровнем распада. После обработки оборудование можно утилизировать как обычные отходы (с соблюдением инструкций), либо подвергнуть восстановлению, чтобы извлечь металлы. Растворы, используемые в процессе нейтрализации, можно утилизировать как обычные отходы.
Малый распад
Специальные действия не требуются.
Средний и высокий распад
Внутренние поверхности газовых корпусов необходимо нейтрализовать с помощью раствора гашеной извести (гидроксид кальция) - 1 кг извести на 100 литров воды. Обрабатываемый корпус необходимо, по возможности, заполнить раствором извести на 8 часов, а затем опорожнить корпус. Если корпус впоследствии необходимо снова использовать, его следует сначала промыть чистой водой.
Большие корпуса, которые сложно заполнить, можно очистить с помощью пылесоса, оборудованного фильтрами для нейтрализации различных веществ в отдельности. Внутренние поверхности необходимо затем промыть раствором извести, который следует оставить на месте в течение по крайней мере одного часа, а затем промыть чистой водой.

Рис. 2 : Ожидаемые уровни распада SFg для различных типов оборудования

4.5. Нештатные ситуации

Данный раздел посвящен оценке риска для обслуживающего персонала в случае нештатной ситуации, ведущей к неконтролируемому выпуску элегаза в атмосферу. Такие ситуации, которые возникают очень редко, следующие:
* нештатная утечка газа вследствие разгерметизации корпуса, в котором содержится газ SF6;
внутреннее короткое замыкание вследствие неконтролируемого образования дуги в корпусе, в котором содержится газ SF6;
внешнее возгорание, приводящее к нештатной утечке.
Нештатная утечка
Метод оценки риска схож с методом, используемым в разделе «утечка из элегазового оборудования», который относится к обычной утечке. Тот же пример будет использован для оборудования высокого и среднего напряжения. В следующих расчетах предполагается, что утечка всего элегаза в одном из выключателей происходит внезапно, помещение подстанции герметичное, а вентиляция не работает (см. рис. 22). Таким образом, если бы полная утечка элегаза произошла на подстанции, концентрация SOF2 достигла бы 9,0 ppmv, т.е. приблизительно в 6 раз больше предельного порогового значения TLV.
На практике внимание было бы привлечено к нештатной утечке датчиками снижения давления, установленными на выключателях. Они обычно срабатывают при падении давления до ~80% от величины нормального давления заполнения, и в этот момент только 20% имеющегося элегаза находится в атмосфере, вследствие чего концентрация SOF2 становится равной 1,8 ppmv. В случае нештатной утечки SF6 в помещении, где находится подстанция среднего напряжения (см. рис. 23), концентрация SOF2, связанная с полной утечкой SF6 из одного выключателя, достигла бы 17,5 ppmv. Концентрация SOF2 в помещении подстанции при 20%-ом относительном снижении давления (обычно это является сигнальным уровнем) составила бы 3,5 ppmv.

Практический пример, условия и расчеты для оборудования высокого напряжения

Рис. 22: Нештатная утечка SF6 в помещении подстанции высокого напряжения (145 кВ)
Практический пример, условия и расчеты для оборудования среднего напряжения

Рис. 23: Нештатная утечка SF6 в помещении подстанции среднего напряжения (12 кВ)

В обоих описанных выше случаях TLV для SOF2 (1.6 ppmv) может быть превышено, но незначительно. При этих обстоятельствах воздействие в течение короткого периода представляет незначительный риск. Острый, неприятный запах SOF2 можно почувствовать при концентрации приблизительно 1 ppmv, и это означает, что большинство людей немедленно почувствуют присутствие газа при концентрациях, приближающихся к TLV. Однако для того, чтобы определить наличие газа, воздух вдыхать не рекомендуется.
Внутреннее короткое замыкание
Внутреннее короткое замыкание может произойти, если дуга неправильно образовалась между главными контактами коммутационного устройства или между главным контактам и заземлением. Такие замыкания происходят очень редко. Неправильное образование дуги приводит к быстрому увеличению давления, что может привести к выбросу горячих газов и других продуктов. Хотя внутреннее короткое замыкание может произойти в любом корпусе высокого напряжения, данный раздел посвящен внутренним коротким замыканиям в корпусах, заполненных газом SF6. Существуют три возможные причины возникновения таких замыканий:
- Внутреннее короткое замыкание, которое не приводит к нештатному выбросу элегаза. Это может произойти, если энергия, поданная коротким замыканием, недостаточна для того, чтобы вызвать возгорание или срабатывание предохранительного клапана (устройства разгрузки давления).
- Внутреннее короткое замыкание, при котором энергия дуги приводит к расплавлению стенки (обычно металлической, образующей один электрод дуги) или ее испарению, в результате чего в ней образуется отверстие. Этот тип замыкания относится главным образом к КРУЭ высокого напряжения.
- Внутреннее короткое замыкание, при котором повышение давления в корпусе достаточно для срабатывания устройств разгрузки давления. Этот процесс управляется перепускным клапаном или происходит разрушение специально ослабленной области корпуса, что приводит к направленному выбросу горячего газа.
Рассмотрим риск для обслуживающего персонала при замыканиях типа 2 и 3. Риск, связанный с использованием SF6 оцениваются на основании количества выпускаемого в атмосферу газа SOF2. Потенциально вредное воздействие других ядовитых паров, не связанных с использованием SF6, также рассматривается. Будет отмечено, что эти другие побочные продукты, которые также присутствуют при внутреннем коротком замыкании в оборудовании любого типа, могут нести основной вклад в токсичность атмосферы.
Делаются следующие предположения:
Для оборудования среднего напряжения, содержащего небольшой объем SF6, предполагается, что большая часть газа выпускается из корпуса за 50 мс. Данное предположение основано на измерениях давления, сделанных во время испытаний на внутреннее короткое замыкание.
Количество образованного SOF2 рассчитывается, используя период производства, равный 50 мс.
Для оборудования высокого напряжения будет использоваться период производства SOF2, равный 100 мс, поскольку длительность короткого замыкания в системах высокого напряжения обычно ограничивается приблизительно 100 мс.
Предполагается, что помещение подстанции изолировано от внешней окружающей среды.
Воздействие адсорбентов, вероятно, будет незначительным в пределах интересующего периода времени.
Весь SOF2, произведенный при коротком замыкании, выпускается в помещение (см. рис. 24 и 25). Результаты показывают, что в пределах помещения могут быть образованы существенные концентрации SOF2. Подробные токсикологические данные для SOF2, к сожалению, недоступны, но известно, что большие млекопитающие (кролики) могут выдержать воздействие в течение одного часа при концентрациях до 500 ppmv (см. раздел 4.2.2. стандарт МЭК 1634 -1995).
Практический пример, условия и расчеты для оборудования высокого напряжения

Рис. 24: Внутреннее короткое замыкание внутри помещения подстанции с КРУЭ высокого напряжения (145 кВ)
Другие потенциально ядовитые вещества образуются при внутреннем коротком замыкании, включая пары металлов и пластмассы. Эти неизбежные продукты, которые не связаны с использованием SF6, могут доминировать, если рассматривать полную токсичность атмосферы. Это относится к любому типу коммутационного оборудования, элегазового или нет (см. раздел C 4.7.2. и C 4.7.3 стандарт МЭК 1634-1995).
Например, при коротком замыкании ошиновки испаряется только 10 граммов меди в атмосферу используемого в примере помещения, концентрация (пренебрегая эффектами окисления) будет равна (масса меди/объем помещения) 83 мг/м³. TLV для пара меди составляет 0,2 мг/м³. Это означает, что концентрация паров меди могла достигнуть значения, в 400 раз превышающего пороговое значение TLV. Аналогично, полное испарение только 32 граммов поливинилхлорида (эквивалент изоляции 1,2 м стандартного провода сечением 1 мм²) может привести к концентрации винилхлорида в атмосфере, превышающей TLV в 100 раз (2,6 мг/м³) .
Таким образом, можно сделать вывод, что при любом внутреннем коротком замыкании коррозийные и/или токсичные пары образуются вне зависимости от того, присутствует газ SF6, или нет. В случаях, когда эти пары попадают в атмосферу помещения подстанции, продукты, не связанные с газом SF6 будут наверняка иметь доминирующий вклад в общую токсичность. Это дополнительно говорит в пользу того, что использование элегаза в коммутационном оборудовании не приводит к существенному увеличению риска, связанного с образованием внутреннего короткого замыкания.
Внешнее возгорание
Возгорания на открытом воздухе редко создают проблемы вследствие относительного отсутствия огнеопасного материала рядом с коммутационным оборудованием. Для оборудования внутри помещения, особенно для подстанций среднего напряжения, существует большой риск возгорания рядом с коммутационным оборудованием. Исследования показали, что температура возгорания редко превышают 800°C, а температура рядом с корпусами элегазового оборудования, защищенного металлической наружной обшивкой, наверняка будет намного ниже этого значения. Очень маловероятно, чтобы выброс SF6 был вызван возгоранием. Если же это все же произошло, средние температуры, вероятно, будут слишком низкими (поскольку SF6 будет быстро рассеян посредством конвекции в области с меньшими температурами), чтобы привести к существенному распаду, для которого требуется температура не менее 500°C. SF6 не воспламеняется и будет гасить возгорание.
Рабочие, участвующие в борьбе с пожаром, должны использовать соответствующее снаряжение для защиты от паров горящей пластмассы.

Практический пример, условия и расчеты для оборудования среднего напряжения

Рис. 2 : Внутреннее короткое замыкание в помещении подстанции среднего напряжения (12 кВ)

4.6. SF6 и окружающая среда

Вещества, загрязняющие атмосферу, образующиеся в результате деятельности человека, делятся на две категории в соответствии с воздействием, оказываемым ими:
истощение стратосферного озона (дыры в озоновом слое);
глобальное потепление (парниковый эффект).
SF6 не значительно влияет на истощение стратосферного озона, поскольку не содержит хлор, являющийся главным реагентом в катализе озона, ни на парниковый эффект, поскольку количества, присутствующие в атмосфере, являются очень небольшими (см. приложение D к МЭК 1634 (1995) и Electran°164 (2), 1996).
Политика Schneider Electric в области охраны окружающей среды
Осознавая необходимость бережного отношения к окружающей среде, компания Schneider Electric определила правила, касающиеся выпускаемых ею изделий и систем, обеспечивающих безопасность использования электроэнергии. Действия по защите и охране окружающей среды предпринимаются не только в группе, но и вне ее, предоставляя соответствующую информацию клиентам, поставщикам и партнерам. Что касается обращения с SF6, то для этого были разработаны специальные инструкции и правила, как для внутреннего использования, так и для потребителей.
Внутренние процедуры определяют качество SF6, необходимое для того, чтобы гарантировать функционирование коммутационного оборудования, как для диэлектрических, так и для коммутационных применений. Критерии в данном случае основаны на стандартах МЭК 376 по защите персонала и окружающей среды. Соответствующие процедуры и специальное оборудование (соединение, нагнетание насосом) были выбраны для минимизации выбросов SF6 на каждой стадии (производство, установка и ввод в эксплуатацию, обслуживание, конец срока службы).
Пользователю (клиенту) предоставляется соответствующая информация для других случаев (обычная эксплуатация, обслуживание и др.), указанная в инструкции, прилагаемой к каждому изделию. Однако, для целей безопасности персонала и окружающей среды ремонт (особенно капитальный) выполняется компанией Schneider Electric или при ее наблюдении в специальных сервисных центрах. В этих процедурах описаны действия по обработке газа. Газ, который не соответствует указанным значениям, можно специально обработать на месте с помощью надлежащего газового оборудования. Обработку газа после дугового распада также может выполнить компания Schneider Electric по разработанной запатентованной технологии, в которой применяется раствор извести для нейтрализации. Данная процедура отвечает требованиям клиентов, например при утилизации оборудования в конце срока его службы. Это обслуживание проводится сервисной службой.
Существующие процедуры применяются:
на наших установках (заполнение, повторное использование);
в течение обслуживания (промывание, повторное наполнение);
для утилизации в конце срока службы.
Истощение озонового слоя
Международное сообщество осознает риски, связанные с разрушением озонового слоя, которые могут нанести вред здоровью и окружающей среде. Механизм разрушения озона (O3) в случае CFC (хлорированный фторуглерод) требует присутствия свободных атомов хлора, которые выпускаются, когда молекулы CFC попадают под воздействие ультрафиолетового излучения. Эти реакции следующие:

Молекулярные связи CFC разрушаются ультрафиолетовым излучением; при этом высвобождаются атомы хлора (реакция 1). Они реагируют с озоном, образовывая ClO, который в свою очередь реагирует со свободным кислородом, высвобождая атом хлора, который может еще раз вступить в реакцию 2. Это называется каталитическим циклом. Один атом хлора может участвовать в этом цикле десять тысяч раз, прежде чем он будет нейтрализован реакцией, в которой не участвует озон. Однако, SF6 не распадается от света на высоте озонового слоя (32-44 км), поэтому он выпускает лишь очень небольшое количество атомного фтора. Любой высвобожденный фтор стремится объединиться со свободным водородом, а не с озоном. Кроме того, концентрация SF6 в 1000 раз меньше концентрации CFC's.
Парниковый эффект
Температура у поверхности земли повышается в течение дня из-за солнечного излучения и падает в течение ночи, поскольку тепло уходит вследствие инфракрасного излучения. Часть инфракрасного излучения, особенно в диапазоне длины волны от 7 до 13 мкм отражается назад к поверхности земли. Отражательная способность атмосферы при такой длине волны увеличивается за счет присутствия «парниковых» газов - например, CO2, H2O и O3, и особенно за счет газов, вырабатываемых вследствие деятельности человека и машин: CO2 при сжигании ископаемого топлива, N2O от интенсивного сельского хозяйства, CFC от аэрозолей и рефрижераторов и CH4 от интенсивного животноводства. SF6 обладает свойством поглощения инфракрасного излучения и считается низшим парниковым газом с очень большим сроком жизни в атмосфере. Однако, его вклад в глобальное потепление является очень небольшим вследствие чрезвычайно низкой концентрации SF6 в атмосфере (см. рис. 26). Вклад SF6 меньше 1/10000 части полного вклада других реагентов и поэтому крайне незначителен. Однако, соображения касательно защиты окружающей среды на многие годы вперед рекомендуют регенерировать SF6 в течение обслуживания или в конце срока эксплуатации, чтобы минимизировать накопление этого газа в атмосфере.

Рис. 26: Оценка вклада различных газов в парниковый эффект