Элегазовые выключатели распредустройств высокого напряжения - Элегаз и его применение в электрооборудовании

2. ЭЛЕГАЗ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИИ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
2.1.   ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
2.1. 1. Свойства элегаза как дугогасящей среды

Выключатели высокого напряжения РУ предназначены для включения и отключения электрических цепей в самых различных условиях, а именно: в нормальных режимах, когда ток относительно мал и отстает или опережает по фазе напряжение сети; при коротком замыкании, когда ток исчисляется десятками и даже сотнями тысяч ампер, а сдвиг по фазе между напряжением и током близок к 90°. Параметры восстанавливающегося напряжения могут быть самыми различными.
Дальнейшее повышение номинального напряжения и номинального тока в воздушных выключателях наталкивается на большие трудности (давление воздуха в ДУ достигает 4 МПа, что требует больших затрат на создание механически прочной и работоспособной конструкции выключателя).
Решение задачи может быть получено путём использования вместо воздуха газа, который обладал бы более высокой электрической прочностью и отключающей способностью.
Таким газом является шестифтористая сера SF6 - элегаз (электротехнический газ).
По сравнению с воздухом этот газ обладает следующими преимуществами [3]:

1. электрическая прочность в 2,5 раза выше, чем у воздуха (при давлении 0,2 МПа электрическая прочность элегаза приближается к прочности трансформаторного масла);
2. высокая удельная объемная теплоёмкость (почти в 4 раза выше, чем у воздуха) позволяет увеличить нагрузку токоведущих частей и уменьшить массу меди в выключателе;
3. номинальный ток отключения камеры продольного дутья с элегазом в 5 раз выше, чем с воздухом;
4. малая напряжённость электрического поля в столбе дуги (благодаря этому резко сокращается эффект термодинамической закупорки сопла, что позволяет увеличить расстояние между контактами, повысить напряжение на каждом контактом промежутке и допустимую скорость восстановления напряжения);
5. элегаз является инертным газом, не вступающим в реакцию с кислородом и водородом, слабо разлагается дугой. Элегаз нетоксичен, хотя некоторые продукты разложения опасны.

Недостатком элегаза является высокая температура сжижения. Так, например, при давлении 1,31 МПа переход элегаза из газообразного состояния в жидкое происходит при температуре 0 °С. Это заставляет использовать его либо с подогревающим устройством, либо при низком давлении. При давлении 0,35 МПа температура сжижения равна -40 °С. Для электрических аппаратов применяется газ с высокой степенью очистки от примесей, что усложняет и удорожает его получение.

2.1. 2.  Краткая история использования элегаза

Синтез гексафторида серы впервые был произведен в Париже в 1900 г. учёными Муассаном и Лебо [4].
Фтор, полученный электролизом, вступал во взаимодействие с серой, и в результате экзотермической реакции получался достаточно устойчивый газ.
Со временем были определены физические и химические свойства газа, опубликованные Придо (1960), Шлумбом и Гемблом (1930), Клеммом и Хенкелем (1932 - 1935), Естом и Клауссоном (1933).
В их работах особое внимание уделялось химическим и диэлектрическим свойствам газа.
Первое исследование для целей промышленного применения было произведено компанией General Electric в 1937 году. Результаты этого исследования показали, что газ можно использовать в качестве изоляционной среды в электроэнергетике.
В 1939 году Томсон-Хьюстон запатентовал принцип применения газа SF6 для изоляции кабелей и конденсаторов.
После Второй мировой войны различные публикации и способы применения стали быстро появляться один за другим:

1. 1947 - работа по использованию элегаза для изоляции трансформаторов;
2. 1948 - развитие промышленного производства SF6 в США;
3. 1960 - организация серийного производства SF6 для строительства электростанций в США и Европе, совпадающая с появлением первых элегазовых выключателей и коммутационных аппаратов высокого и сверхвысокого напряжения;
4. 1966 - первая подстанция с элегазовой изоляцией введена в эксплуатацию в районе Парижа и т.д.

В последнее время газ SF6 принят для использования в коммутационной аппаратуре среднего напряжения, контакторах и автоматических выключателей, охватывая все потребности распределения электроэнергии.

2.1. 3. Производство элегаза

Единственный используемый в настоящее время промышленный процесс производства SF6 использует синтез гексафторида серы, при котором фтор, полученный при электролизе, взаимодействует с серой согласно экзотермической реакции, выраженной формулой
S + 3F2 -> SF6 + 262 ккал.
В течение этой реакции формируется некоторое количество фторидов серы, например SF4, SF2, S2F2, S2F10, а также примесей из-за присутствия влажности, воздуха и угольных анодов, используемых для электролиза фтора. Эти побочные продукты удаляются ручными способами очистки (см. рис. 2.1).
Цепь очистки необходима для получения газа высокой степени чистоты. Качество газа SF6 для поставки определяется Руководством Международной электротехнической комиссии МЭК 376, в котором определены допустимые концентрации примесей.

Рис. 2.1. Процесс производства SF6 путём непосредственного соединения

2.1.4. Другие виды применения элегаза

Уникальные свойства SF6 привели к его использованию в разных отраслях науки и промышленности, например:

1. медицинская сфера: электрическая изоляция в медицинском оборудовании (в рентгеновских установках) или в хирургии;
2. электрическая изоляция в научном оборудовании (электронные микроскопы, ускорители частиц);
3. акустическая изоляция в оконных стеклопакетах;
4. газ для отслеживания потока воздуха в вентиляционных системах (например, в шахтах) или в верхних слоях атмосферы;
5. газ для обнаружения утечки в герметичных системах;
6. создание специальной атмосферы при металлургической обработке алюминия и магния или для военных целей.