Лекция 2. Элегаз и элегазовое оборудование

Историческая справка

Синтез гексафторида серы впервые был произведен в лабораториях Facultе` de Pharmacie в Париже в 1900 г. учеными Муасаном и Лебо. Фтор, полученный электролизом, вступал во взаимодействие с серой, и в результате сильной экзотермической реакции получался достаточно устойчивый газ. Со временем были определены физические и химические свойства газа, опубликованные Придо (1906 г.), Шлумбом и Гемблом (1930 г.), Клеммом и Хенкелем (1932=35 г.г.) и Естом и Клауссоном (1933 г.).

В их работах особенное внимание уделялось химическим и диэлектрическим свойствам газа. Первое исследование для целей промышленного применения было проведено компанией General Electric в 1937 г. Результаты этого исследования показали, что газ можно использовать в качестве изоляционной среды в электроэнергетике.

В 1939 Томсон-Хьюстон запатентовал принцип применения газа SF6 для изоляции кабелей и конденсаторов.

После Второй мировой войны различные публикации и способы применения газа стали быстро появляться один за другим:

— 1947 г.: работа по использованию элегаза для изоляции трансформаторов;

— 1948 г.: развитие промышленного производства SF6 в США в корпорацией Allied Chemical и компанией Pennsalt;

— 1960 г.: организация серийного производства SF6 для строительства электростанций в США и Европе, совпадающая с появлением первых элегазовых выключателей и коммутационных аппаратов высокого и сверхвысокого напряжения.

В компании Merlin Gerin исследовательская работа по использованию газа SF6 для изоляции и отключения цепей была начата примерно в 1955 г. Это совпадает с появлением первых промышленных изделий в США.

Впервые промышленное применение газа было осуществлено компанией Merlin Gerin для сверхвысокого напряжения, затем для устройств среднего напряжения:

— 1964 г.: первая подстанция с элегазовой изоляцией заказана EDF и введена в эксплуатацию в районе Парижа в 1966 г.

— 1967 г.: выключатель был введен в эксплуатацию и постепенно заменил оборудование на сжатом воздухе, которое прочно занимало свое положение во Франции и других странах в течение предыдущих 25 лет.

S + 3F2 → SF6 + 262 ккал

Получение элегаза осуществляется следующими образом: в результате прямой реакции между расплавленной серой и газообразным фтором, полученным при его электролизе (сжигание серы в потоке фтора – см. рис.). Реакция проходит при температуре 138 — 149 °C в стальном горизонтальном реакторе (крекинг — печь). Реактор разделен перегородкой на камеру загрузки и камеру сгорания. Камера загрузки имеет люк для загрузки серы и электронагреватель для ее плавления. Камера сгорания имеет сопло для подачи фтора, охлаждаемое водой, термопару и конденсатор для возгонов серы, расположенной над камерой. Расплав серы поступает из камеры загрузки в камеру сгорания через отверстие внизу перегородки, закрытое расплавом, что исключает выход фтора в камеру загрузки.

Несмотря на свою простоту, данная конструкция реактора имеет некоторые недостатки, а именно:

  1. фторирование серы идет на поверхности расплава с выделением большого количества тепла, которое вызывает усиленную коррозию реактора фтором на границе раздела фаз;
  2. при увеличении производительности реактора возникает проблема отвода большого количества тепла и подбора коррозионностойкого материала реактора;
  3. еще одним недостатком метода является то, что при таком синтезе элегаза попутно образуются и другие фториды — S2F2, SF2, SF4, и S2F10, а также примеси из-за присутствия влаги, воздуха и угольных анодов, используемых для электролиза фтора.

Концентрация этих веществ невелика, в среднем составляет 0,01 — 0,1% по объему. Но если химически чистый элегаз нетоксичен и является весьма инертным соединением, которое до температуры 300°С не реагирует ни с какими материалами, то примеси могут изменить упомянутые свойства продукта и даже сделать его непригодным для использования.

Поэтому необходима тщательная очистка производимого элегаза. Состав чистого элегаза регламентируется ТУ 6-02-2-686-82 и стандартом МЭК 60 376 (отсутствие токсичных примесей, имеющих место в технологии его производства, гарантируется заводом — изготовителем на основе биологического контроля партии).

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.

Соединение распадается при температуре выше 1100 °С. Газообразные продукты распада элегаза ядовиты и обладают резким, специфическим запахом. Элегаз не поддерживает горения и дыхания, поэтому при накоплении его в производственных помещениях может возникнуть кислородная недостаточность. По ГОСТ 12.1.007-76 по степени воздействия на организм элегаз относится к 4 классу опасности, к которому принадлежат малоопасные вещества. Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны производных помещений 5000 мг/м3. Предельно допустимая концентрация в атмосферном воздухе — 0,001 мг/м3.

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.

В электрическом поле элегаз обладает способностью захватывать электроны (количество носителей заряда уменьшается), что и обусловливает его высокую электрическую прочность.

На рисунке приведена зависимость состояния элегаза от давления и температуры.

Как видно из рис., температура сжижения элегаза при избыточном давлении (давлении заполнения оборудования) 0,3 МПа составляет -45 °С, а при 0,5 МПа она повышается до -30 °С. Таким образом, наибольшее рабочее давление и, следовательно, наибольший уровень электрической прочности элегаза в изоляционной конструкции ограничиваются возможностью сжижения элегаза при низких температурах.

В связи с этим, выходом из ситуации является применение смеси элегаза с другими газами, у которых электрическая прочность лишь на 10…15 % ниже прочности чистого элегаза, а допустимое давление резко возрастает. Так, например, у смеси из 30 % элегаза и 70 % азота сжижение при температуре -45 °С наступает при давлении 8 МПа.

Теплопроводность SF6 ниже, чем у воздуха, но его полная теплоотдача, в особенности если учитывается конвекция, очень хорошая, как у водорода и гелия, и выше, чем у воздуха.

Пик теплопроводности соответствует температуре распада молекулы SF6 при 2100…2500 К. В процессе распада поглощается значительное количество теплоты, испускаемой при преобразовании молекул на периферии дуги, ускоряя теплообмен между горячими и более холодными областями. Превосходные диэлектрические свойства SF6 происходят вследствие электроотрицательного типа его молекулы. Газ имеет явную тенденцию к захвату свободных электронов, образуя малоподвижные тяжёлые ионы, вследствие чего развитие электронных лавин становится очень трудным.

В электрической дуге температура может достигать 15000 K и выше, и малая часть SF6 при этом распадается. Продукты распада формируются при следующих условиях:

— электрическая дуга, образующаяся при расхождении контактов, обычно состоящих из сплавов на основе вольфрама, меди и никеля, содержащих остаточные количества кислорода и водорода;

— такие примеси в SF6, как воздух, CF4 и водяной пар;

— изолирующие компоненты, включающие пластмассы на основе углерода, водорода и диоксида кремния;

— другие металлические или неметаллические материалы, из которых произведено оборудование.

Основные газообразные побочные продукты, идентифицированные в лабораториях, исследующих

данный вопрос, объединяющих хроматографию газовой фазы с масс-спектрометрией, следующие:

— фтористоводородная кислота – HF (плавиковая кислота);

— диоксид углерода – CO2;

— диоксид серы – SO2;

— тетра фторид углерода – CF4;

— тетра фторид кремния – SiF4;

— фторид тионила – SOF2;

— фторид двуокиси серы – SO2F2;

— дисерный дека фторид – S2F10;

— тетра фторид серы – SF4.

Если адсорбент (молекулярная сетка или активированный оксид алюминия) присутствует в оборудовании в достаточном количестве, то уровень коррозии из-за продуктов распада элегаза (фтористоводородной кислоты, в частности) является очень невысоким, а то и вообще незначительным.

Причина этого в том, что адсорбенты действуют настолько быстро, и эффективно, что коррозийные газы не успевают реагировать с другими присутствующими материалами.

Рисунок с помощью хроматограммы показывает эффективность применения адсорбента в виде молекулярной сетки при анализе газа, взятого с опытного контакта без использования адсорбента (рис. a) и с использованием молекулярной сетки (рис. б) взятого с такого же контакта, подвергнутого таким же электрическим воздействиям.

Результаты анализа SF6 в выключателях с использованием молекулярной сетки и без неё.

Таблица позволяет сравнить количества газообразных продуктов распада для этих случаев. Эффективность применения адсорбентов очевидна.

Чистый SF6 не оказывает какого-либо вредного воздействия на окружающую среду, мутагенного или канцерогенного влияния на здоровье. Поэтому при работе с новым SF6 достаточно принять процедуры, гарантирующие, что максимальная (6000 мг/м3) концентрация не превышена.

Продукты распада – фторид тионила SOF2 и серный фторид SO2F2 – являются самыми широко распространёнными продуктами распада в результате дуги в SF6, при этом последний продукт считается наиболее ядовитым.

В элегаза при атмосферном давлении может быть погашена дуга с током в 100 раз превышающим ток, отключаемый в воздухе при тех же условиях. Исключительная способность элегаза гасить дугу объясняется сильным сродством его с электронами. Молекулы газа улавливают электроны дугового столба и образуют относительно неподвижные отрицательные ионы. Потеря электронов делает дугу неустойчивой, и она легко гаснет. В струе элегаза, т.е. при газовом дутье, поглощение электронов из дугового столба происходит еще более интенсивно.

Возможны следующие исполнения ДУ с элегазом:

-с автопневматическим дутьем (необходимый для дутья перепад давления создается за счёт энергии привода);

— с охлаждением дуги элегазом при её движении, вызванном взаимодействием тока с магнитным полем;

— с гашением дуги за счёт перетекания газа из резервуара с высоким давлением (выключатели с двойным давлением).

Конструктивные особенности компрессионного дугогасительного устройства

Когда подвижный узел двигается в направлении разомкнутого положения контактов, клапан заполнения закрывается и элегаз начинает сжиматься между подвижным компрессионным цилиндром и неподвижным поршнем. Первыми разделяются главные контакты. Благодаря тому, что размыкание главных контактов происходит за время, достаточное до начала размыкания дугогасящих контактов, любая дуга будет зажигаться только между дугогасящими контактами в объеме, ограниченном геометрией сопла.

Когда начинают размыкаться дугогасящие контакты, между подвижным и неподвижным дугогасящими контактами зажигается дуга. Во время горения дуги тело плазмы в некоторой степени блокирует движение элегаза через сопло, в результате чего в компрессорном объеме продолжает увеличиваться давление газа до того момента, когда токовая кривая проходит через нулевое значение, и дуга становится сравнительно слабой. В этот момент поток сжатого под большим давлением элегаза вырывается из компрессионного объема через сопло и гасит дугу.

В разомкнутом положении расстояние между неподвижным и подвижным контактами выбрано достаточным для того, чтобы выдерживать нормированные уровни диэлектрической прочности промежутка.

При операции включения клапан наполнения открывается и элегаз может свободно проходить в компрессионный объем.

Следует отметить, что давление элегаза, необходимое для гашения дуги, поднимается чисто механическим способом. Таким образом, выключатели с компрессионным методом гашения нуждаются в достаточно мощном приводе, чтобы преодолеть создаваемое газом давление в сжимаемом объеме, которое необходимо для отключения номинальных токов КЗ, но при этом обеспечить определенную скорость движения контактов, чтобы в образующемся межконтактном изоляционном промежутке выдерживать без повторных пробоев восстанавливающееся на контактах напряжение.

Конструктивные особенности автокомпрессионного дугогасительного устройства

В начале процесса отключения, автокомпрессионное дугогасительное устройство начинает работать таким же образом, как и компрессионное. Различие же в принципе их действия при отключении больших и малых токов проявляется только после появления дуги.

Когда дугогасящие контакты разъединяются, зажигается дуга между подвижным и неподвижным дугогасящими контактами. Во время горения дуги, она в некоторой степени блокирует поток элегаза через сопло. Горящая дуга характеризуется очень высокой температурой и мощным излучением тепла и начинает нагревать элегаз в ограниченном газовом объеме. Таким образом, давление внутри как автокомпрессионного, так и компрессионного объема возрастает как из-за повышения температуры от дуги, так и вследствие сжатия газа в общем пространстве между компрессионным цилиндром и неподвижным поршнем.

Давление газа в автокомпрессионном объеме продолжает повышаться до тех пор, пока не станет достаточно высоким для того, чтобы закрыть специальный автокомпрессионный клапан. Весь элегаз, необходимый для гашения дуги, теперь ограничен в замкнутом автокомпрессионном объеме, и его давление в этом объеме может дополнительно повышаться только из-за нагрева дугой. Примерно в то же самое время, давление газа в нижнем компрессионном объеме достигает уровня, достаточного для открывания клапана сброса избыточного давления.

Поскольку элегаз из компрессионного объема уходит через клапан сброса избыточного давления, это снижает потребность в дополнительной рабочей энергии привода, необходимой, чтобы преодолеть сжатие элегаза при одновременном сохранении скорости расхождения контактов, что необходимо для беспробойного выдерживания восстанавливающегося на контактах напряжения.

Когда ток проходит через нулевое значение, дуга становится сравнительно слабой и в этот момент поток сжатого элегаза вырывается из автокомпрессионного объема через сопло и гасит (сдувает) дугу.

При отключении слабых токов автокомпрессионные дугогасящие устройства работают, по существу, аналогично компрессионным устройствам, т.к. создаваемое давление элегаза недостаточно для закрытия специального автокомпрессионного клапана. В результате верхний фиксированный автокомпрессионный объем и нижний компрессионный объем формируют один общий объем сжатия.

В этом случае давление элегаза, необходимое для прерывания дуги, достигается обычным механическим способом от энергии привода, т.е. как в обычном компрессионном устройстве дугогашения.

Однако, в отличие от компрессионного устройства, автокомпрессионное устройство нуждается в меньшей энергии привода для механического создания давления элегаза при отключении токов, меньших номинального значения тока КЗ (т.е. порядка 20%–30%).

Дугогасительный и главный контакт элегазового выключателя

Гашение электрической дуги в магнитном поле

Электрическая дуга является своеоб­разным проводником с током, а следовательно, может взаимодействовать с магнитным полем. Этот принцип и положен в ос­нову создания дугогасительных устройств с магнитным дутьем. Магнитное поле создается спе­циальной катушкой 3 (рис.), намотанной на стальной сердечник 4. Катушки включены по­следовательно в коммутируемую цепь. Электрическая дуга, образу­ющаяся между контактами 1 и 2 при их размыкании, горит в магнит­ном поле, направление которого показано крестиками (точками). В результате взаимодействия тока дуги и магнитного поля возникает сила F, которая перемещает дугу с большой скоростью по дугогаси­тельным рогам 5 и выбрасывает ее в дугога­сительную камеру.

Сила, действующая на единицу длины дуги: F = I . B ;   где,   В — магнитная индукция;

I — ток цепи (ток дуги). Для катушки, включенной в размыкаемую цепь, можно считать В = I, т.е. F = К.I 2. Эта сила, перемещая дугу в воздухе, приводит к интенсивному ее охлаждению как за счет встречного по­тока воздуха, так и за счет увеличения ее длины на дугогасительных рогах.

Наиболее характерные формы щели в керамических пластинах ДУ изображены на рис. 3.3, где 1 и 2 — зоны наибольшего охлаждения дуги; 3 — продольная щель, в          которую направляется дуга; 4— расширение, облегчающее вхождение дуги в камеру;     5 – местные расширения в щели.

Выключатели АББ серии LTB

Выключатель типа LTB D

  1. Дугогасящая камера
  2. Опорный изолятор
  3. Опорная стойка
  4. Шкаф управления с приводом BLK
  5. Отключающая пружина
  6. Газовые трубки в защитном коробе
  7. Монитор плотности газа (с противоположной стороны)
  8. Отверстия для присоединения заземления
  9. Соединительная тяга в защитной трубе
  10. Указатель положения выключателя

Эксплуатационная надежность и срок службы элегазового выключателя во многом зависят от обеспечения надежной герметизации объема с элегазом и нейтрализации воздействия влажности и продуктов разложения газа внутри камеры.

  • Риск утечки газа незначителен благодаря применению двойных кольцевых и крестообразных уплотнений из нитрильного каучука.
  • В каждой дугогасительной камере помещается абсорбционный фильтр (диссикант), который поглощает влагу и продукты разложения.

Выключатели АББ серии HPL

Выключатели HPL могут работать с 1-но и 3-х полюсным управлением. Выключатели, имеющие одно дугогасительное устройство на полюс, могут работать в обоих режимах управления. Выключатели с двумя дугогасительными устройствами на полюс допускают управление только на один полюс, т.е. пофазное.

Пружинные приводы BLK

Выключатели являются последним звеном в цепи энергетических устройств, составляющих защитное оборудование системы энергоснабжения. Привод должен в течение нескольких миллисекунд обеспечить энергию, необходимую для превращения выключателя из идеального проводника в идеальный изолятор. Отказ привода часто означает невыполнение операции отключения в целом, т.е. приводы являются главными элементами, обеспечивающими надежность выключателя, и следовательно системы энергоснабжения в целом. Кроме того, все чаще приходится решать задачи коммутации конденсаторных батарей и реакторов, когда предъявляются повышенные требования к ресурсу.

Международные исследования показали, что 80% всех отказов высоковольтных выключателей происходят из-за отказов приводов. Поэтому для обеспечения предельной эксплуатационной надежности выключатели следует оснащать высоконадежными приводами.

Как отключающая, так и пружины включения находятся во взведенном состоянии с помощью исключительно надежных защелок тройного действия.

Пружина включения привода развивает усилие привода, необходимое для включения выключателя и взвода пружины отключения. При этом, механическая энергия, необходимая для выполнения главнейшей операции отключения, всегда хранится в отключающей пружине, когда выключатель находится во включенном положении. Другими словами, включенный выключатель всегда готов к немедленному отключению.

Сразу после выполнения каждой операции включения, электродвигатель осуществляет через редуктор автоматический взвод пружины включения. После повторного взвода пружины включения выключатель автоматически готов для быстрого повторного включения по истечении выдержки времени 0,3 с.

Включенное положение

В нормальном рабочем положении выключателя его контакты являются замкнутыми, а пружины отключения и включения — взведенными. В этом положении выключатель всегда готов выполнить операцию отключения или цикл полного автоматического повторного включения в следующей последовательности: Отключение — 0,3 с — Включение.

Чтобы отключить выключатель, катушка отключения отпускает защелку отключения (1), и пружина отключения (A) выключателя выполняет операцию. Демпфирующее устройство (2) амортизирует движение системы вспомогательных контактов. В пружинном приводе выключателя операция отключения выполняется исключительно надежно, поскольку ее выполнение зависит только от работоспособности защелки отключения и отключающей пружины.

Операция включения

Освобождение включающей

защелки (4) приводит к немедленному выполнению операции включения выключателя. Приводной рычаг (2) переводит направляемый эксцентриком включающий рычаг (3) во включенное положение. Одновременно происходит сжатие отключающей пружины (A). В конечном положении рычаг включения (3)фиксируется отключающей защелкой (1) — выключатель включен. Из-за направляемого эксцентриком включающего рычага (3) приводной рычаг (2) освобождается и переходит в свободное положение.

Завершено включение выключателя. Конечный выключатель положения пружины (8) подает питание в цепи управления двигателя. Электродвигатель (7) запускается и взводит пружину включения (6), а положение главного вала (5) и приводного рычага (2) фиксируется включающей защелкой (4). После того, как выполнено полное сжатие пружины включения, конечный выключатель подаст напряжение в цепь питания электродвигателя. В аварийной ситуации включающую пружину можно взводить рукояткой, которая хранится в шкафу.

Привод BLG

Пружины включения привода развивают усилие, необходимое для включения выключателя и сжатия пружин отключения.

Пружины отключения составляют часть кинематической системы исполнительных механизмов выключателя и размещается рядом с корпусом механизмов. При этом механическая энергия, необходимая для выполнения главнейшей операции отключения, всегда запасена в пружинах отключения, когда выключатель находится во включенном положении. Другими словами, включенный выключатель всегда готов к немедленному отключению. Универсальные электродвигатели вращают редуктор и через него автоматически взводят пружины включения сразу после выполнения каждой операции включения. Пружины удерживаются в сжатом состоянии защелкой, которая освобождается, когда выполняется операция включения выключателя. Это обеспечивает быстрое повторное включение выключателя по истечении выдержки времени 0,3с.

Операция отключения

В нормальном рабочем положении выключатель (B) включен, его контакты замкнуты, а включающие пружины (5) и отключающие пружины (A) взведены.

Выключатель удерживается во включенном положении защелкой включения (1), которая воспринимает усилие со стороны взведенной отключающей пружины.

В таком состоянии привод готов произвести выключение по команде на отключение и может быстро выполнить полный цикл автоматического повторного включения (Отключение — 0,3 с —Включение).

При отключении выключателя катушка отключения освобождает защелку (1). Отключающая пружина (A) выполняет операцию отключения выключателя (B). Рабочий рычаг (2) перемещается вправо и упирается в кулачок (3). Движение системы вспомогательных контактов амортизируется в конце хода масляным демпфирующим устройством (4).

При включении выключателя катушка включения освобождает включающую защелку (6). Звездочка (7) запирается и не допускает вращения, вследствие чего энергия, запасенная во включающих пружинах, передается через секцию цепи (8) на звездочку (11), принадлежащую кулачку (3). Кулачок при этом перемещает рабочий рычаг (2) влево, где он фиксируется в конечном положении отключающей защелкой (1).

На конечном участке вращение кулачка амортизируется демпфирующим устройством (9), а фиксирующая защелка на звездочке (11) снова занимает исходное положение у включающей защелки (6)

Выключатель включился, электродвигатель начал работать и вращать звездочку (7). Звездочка (11), относящаяся к кулачку (3), имеет собственную защелку, которая зацепляется за включающую защелку (6), в результате чего секции цепи (8) поднимают пружинный мостик (10). Включающая пружина (5) при этом сжимается, и исполнительный механизм снова приходит в нормальное положение.

Электропривод Motor Drive™

Электропривод Motor DriveTM является по сути

электронно-цифровой системой с микропроцессорным управлением. Необходимые оперативные движения (отключение и включение) программируются в цифровой форме в блоке управления. Необходимые операции выполняются по команде в соответствии с сохраненной в памяти программой хода контактов, а подача энергии на электродвигатель осуществляется микропроцессорным блоком управления так, чтобы соответствующим образом влиять на основные параметры движения главных контактов выключателя. Энергопитание привода, накопление в нем энергии, её подачи к исполнительному механизму — всё это по существу выполняется под наблюдением электронной системы управления, т.е. электрическим способом, тогда как механическая часть системы сведена лишь к одной подвижной детали, — ротору электродвигателя.

Преимущества:

• Единственная подвижная деталь — просто и надежно.

• Оптимальная предварительно программируемая кривая зависимости хода.

• В ход контактов вводится компенсирующая поправка на старение и изменения температуры окружающего воздуха средствами адаптивного управления системы.

• Мониторинг состояния, по существу, возможен без необходимости в дополнительных датчиках.

• Программно управляемые вспомогательные контакты.

• Невысокая потребляемая мощность, отсутствие переходных нагрузок.

  • Поддержка полностью оптического интерфейса. • Микро-ход — оперативный контроль.
  • Возможность применения в сочетании с устройством Switchsync™ (при пополюсном управлении).

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *