Наладка элегазового оборудования

Кузин П. В., Якобсон И. А. К 89 Наладка элегазового оборудования. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - (Б-ка электромонтера; Вып. 628).

Рассматривается элегазовое оборудование ячеек комплектных распределительных устройтв КРУЭ отечественного производства, особенности конструкции. Основное внимание уделено наладке элегазового оборудования, его предмонтажным проверкам и испытаниям. Обобщен опыт наладки КРУЭ напряжением 110 кВ.
Для электромонтеров, занятых на пусконаладочных, монтажных и эксплуатационных работах по элегазовому оборудованию.

Элегаз электротехнический газ представляет собой шестифтористую серу SF 6 (шестифтор). Элегаз является основным изолятором в элементах ячеек с элегазовой изоляцией. При рабочих давлениях и обычной температуре элегаз бесцветный газ, без запаха, не горюч, в 5 раз тяжелее воздуха (плотность 6,7 против 1,29 у воздуха), молекулярная масса также в 5 раз больше, чем у воздуха. 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 нaгpeвocтoeк, 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, в котором его электрическая прочность определяется соотношением и р == 8,9.104 pl, где р давление, МПа; 1 расстояние между электродами, см. Поэтому для эксплуатационной надежности конструкция отдельных элементов распределительных устройств должна обеспечивать наибольшую равномерность и однородность электрического поля. В неоднородном поле появляются местные перенапряженности электрического поля, которые вызывают коронирующие разряды. Под действием этих разрядов элегаз разлaгается, образуя в своей среде низшие фториды (SF 2 , SF 4 ), вредно действующие на конструкционные материалы комплектных распределительных элегазовых устройств (КРУЭ). 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. Сравнительные характеристики элегаза приведены в табл. 1.

Таблица 1. Сравнительные характеристики 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 рис. 1 приведена зависимость состояния элегаза от температуры.
Для работы элегазового оборудования при отрицательной температуре минус 40 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).

Рис. 1. Диаграмма состояния элегаза в зависимости от температуры

Дутогасительная способность элегаза при прочих равных условиях в несколько раз больше, чем воздуха. Это объясняется составом плазмы и температурной зависимостью теплоемкости, тепло- и электропроводности. На рис. 2 приведены зависимости удельной теплоемкости Ср и теплопроводности К элегаза от температуры.
В состоянии плазмы молекулы элегаза распадаются. При температурах порядка 2000 К теплоемкость элегаза резко увеличивается вследствие диссоциации молекул. Поэтому теплопроводность плазмы в области температур 2000 - 3000 К значительно выше (на два порядка), чем воздуха. При температурах порядка 4000 К диссоциация молекул уменьшается.
В то же время образующаяся в дуге элегаза атомарная сера с низким потенциалом ионизации способствует такой концентрации электронов, которая оказывается достаточной для поддержания дуги даже при температурах порядка 3000 К. При дальнейшем росте температуры теплопроводность плазмы падает, достигая теплопроводности воздуха, а затем снова увеличивается. Такие процессы уменьшают напряжение и сопротивление горящей дуги в элегазе на 20 - 30% по сравнению с дугой в воздухе вплоть до температур порядка 12 000 - 8000 К. При дальнейшем снижении температуры плазмы (до 7000 К и ниже) концентрация электронов в ней уменьшается, в результате электрическая проводимость плазмы падает.
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.

Рис. 3. Нарастание электрической прочности элегаза 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 (рис. 3).