Стартовая >> Архив >> Подстанции >> Электроизоляционные свойства элегаза и его использование аппаратах высокого напряжения

Электроизоляционные свойства элегаза и его использование аппаратах высокого напряжения

УДК 621.315.618.9:621.316.542.064.242

Изоляция электрооборудования высокого напряжения и вентильные разрядники. Труды ВЭИ, 1982, вып. 91, с. 128-135.
Приведены оригинальные данные по электроизоляционным характеристикам жидкой шести фтористой серы — новой изоляционной среды для аппаратов высокого напряжения. Отмечено, что применение жидкой SF6 может быть эффективным в комбинированной изоляции вводов, кабелей и конденсаторов; при создании коммутационных аппаратов общего назначения в случае небольших "напряженных" объемов изоляции, а также в импульсных специальных коммутаторах многократного действия. Сформулированы требования к технологии применения и рекомендации по выбору термодинамических зон использования жидкой SF6 в аппаратах.
Библиогр.: 4.

Ю. В. Торшин
ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЖИДКОЙ ШЕСТИФТОРИСТОЙ СЕРЫ И ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ. ЕЕ В АППАРАТАХ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Дальнейшее повышение энергетических параметров элегазовых аппаратов высокого напряжения может быть связано с использованием шестифтористой серы (элегаза) в жидком состоянии, поскольку более высокая по сравнению с газом плотность жидкости должна привести к увеличению электрической прочности и дугогасящей способности среды.
Соответствующие немногочисленные литературные данные не противоречат этому предположению. Кратковременная электрическая прочность Епp жидкой SF достигает 100 кВ/мм (однородное электрическое поле, расстояние между электродами 1 мм, T=20°С, постоянное и импульсное напряжение), а дугогасящая способность увеличивается в 25 раз при переходе от газообразного (1 МПа) к жидкому (10 МПа) состоянию. Есть мнения, что коммутационная аппаратура с изоляцией жидкой           может иметь отключающую способность значительно большую, чем у существующих элегазовых аппаратов.
Кроме того, жидкая привлекает внимание разработчиков аппаратуры высокого напряжения весьма удачным сочетанием ряда важных физико-химических свойств — низкие вязкость (на 3 порядка ниже, чем у минерального масла средней вязкости) и температурный коэффициент вязкости (в 5 раз ниже, чем у масла) позволят применять оборудование при низких температурах без дополнительного обогрева, обеспечат его высокие тепловые характеристики и быстродействие (применительно к коммутаторам); низкое поверхностное натяжение (в 15 раз ниже, чем у масла) обеспечит интенсивную пропитку твердой пористой изоляции и успешную ее работу в переходных режимах.
Перечисленные достоинства дают возможность рассматривать жидкую SF как перспективную среду для аппаратов высокого напряжения, однако ее использование будет связано с рядом технологических трудностей, обусловленных относительно высоким давлением (2,2 МПа при 20°С), необходимостью его регулирования в процессе работы аппарата и соблюдения высокого качества технологии производства аппаратов. Возможно, по этим причинам, несмотря на обилие всевозможных патентов на аппараты с жидкой SF6, сведений о практическом применении этой среды пока нет.
Для проектирования аппаратов с изоляцией жидкой SF6 необходимо иметь соответствующие экспериментальные данные по ее изоляционным характеристикам, важнейшими из которых являются данные о прочности, зависящей, как известно, от всевозможных факторов (длительности приложенного напряжения, термодинамических параметров состояния среды, примесей, геометрических размеров и формы электродов и т. п.). Нужны также сведения о диэлектрической проницаемости  и удельной проводимости, которые задают распределение поля и определяют диэлектрические потери в изоляции аппаратов. В литературе такие данные практически полностью отсутствуют (кроме приведенных данных по прочности известна ξ, которая равна 1,81 при Т —50,8°С).
В определенной мере пробел в изучении электроизоляционных свойств жидкой SF6 восполнен исследованиями автора, опубликованными в [1—4] . На основании этих результатов в данной статье оценивается класс аппаратов, в которых целесообразно использовать жидкую SF6, формулируются особенности применения этой среды в аппаратах (связанные с выбором термодинамических эон и технологией подготовки жидкой SF), намечаются пути дальнейших исследований для практической реализации этого вещества.
В [4] приведены данные по влиянию геометрических параметров электродов на электрическую прочность (здесь и далее речь идет о кратковременной прочности при плавном подъеме постоянного и переменного напряжения до пробоя со скоростью 1 кВ/с или при импульсном напряжении) жидкой SF6. Для практического определения прочности в промежутках различных размеров удобно пользоваться обобщенной зависимостью прочности от какого-либо одного параметра. В аналогичных случаях для масла в ряде работ обобщение проводится по "напряженному" объему жидкости. Без цели строго доказать существование этой зависимости оказалось возможным обобщить данные о зависимости жидкой SF6 от "напряженного" объема V, ,в котором напряженность поля не меньше 0,9 максимальной напряженности на электроде (рис. 1).
Для сравнения приведены данные по прочности минерального масла и элегаза при давлении 0,4 МПа (данные автора, полученные в тех же электродных устройствах при соблюдении одинакового качества их подготовки). Отмечены объемы, характерные для реальных аппаратов, например, для продольной и радиальной изоляции прорабатываемого элегазового выключателя ВЭГ-110 (заштрихованные области на рис. 1). Очевидно, что в малых промежутках прочность жидкой значительно превышает прочность масла и элегаза. При увеличении прочность жидкой SF снижается и оказывается сравнимой (при плавном подъеме напряжения) с прочностью элегаза, но по-прежнему остается выше прочности масла. Импульсная прочность жидкой Sfg , однако выше, чем элегаза. Коэффициент импульса у жидкой равен 2,25 против 1,4—1,5 у элегаза при воздействии грозового импульса.


Рис. 1. Зависимость электрической прочности (50%-ные значения) механически чистой жидкой (1% газа, 0,0003% влаги, кривая 7) трансформаторного масла (2) и элегаза (3) от "напряженного" объема жидкости:
∆— плоские электроды Роговского диаметрами 20 и 70 мм; ▲ — коаксиальные электроды с радиусами внешнего цилиндра 35 мм и внутреннего 15, 22 и 30 мм; · — электроды Роговского диаметрами 8-40 мм (1% газа, 0,01 % влага) ; 1 межконтактный промежуток; 2 - промежуток между экранированными частями выключателя и корпусом

Высокая прочность жидкой SF6 в малых промежутках, ее химическая инертность вместе с низкими диэлектрической проницаемостью и поверхностным натяжением указывают на целесообразность применения этой среды в комбинированной изоляции кабелей, вводов, конденсаторов, а высокая импульсная прочность жидкой SF6 при больших "напряженных" объемах — на целесообразность ее использования в аппаратах, уровень изоляции которых определяется импульсными воздействиями (например, в специальных импульсных коммутаторах). Это не исключает применения жидкой SF6 и в общепромышленных аппаратах, так как более высокая дугогасящая способность жидкости, чем газа, позволит сократить число разрывов и тем самым уменьшить габаритные размеры аппарата. При этом с учетом характера зависимости Е(V) размеры изоляции аппаратов должны быть по возможности наименьшими. Уместно отметить, что это условие выдвигает ряд жестких требований к тепловым режимам работы таких аппаратов, что делает необходимым проведение соответствующих исследований.

Изменение температурных режимов в процессе работы аппаратов приведет к изменению термодинамических параметров и электроизоляционных свойств жидкой SF6, причем в зависимости от исходной плотности заполнения аппарата может быть реализована практически любая область состояния (рис. 2). Для рационального выбора термодинамический зоны использования жидкой SF6 и обеспечения соответствующей электрической прочности ранее [2] были проведены исследования прочности в широкой области термодинамических параметров состояния SF6. Обобщенные результаты этих исследований показали, что электрическая прочность жидкой SF6 определяется давлением, причем прочность пара и жидкости в докритической области одинакова, а значения прочности газа и жидкости при давлении выше критического близки. В работе [4] эти особенности объяснялись наличием сильного локального разогрева ходкости токами проводимости, что приводит к переходу жидкости в пар (Р<Ркр) или газ (Р>Ркр; Ркр — критическое давление). Согласно предположению о разогреве высокую жидкой можно получить в областях состояния, удаленных от линии равновесия (практически точки кипения), т. е. при высоком давлении. По экспериментальным же данным [2] давление целесообразно повышать до 6 МПа, так как свыше этого значения влияние его не сказывается. Значит, рабочее давление в аппарате следует ограничить 6 МПа.
При снижении температуры от —30 до —40°С прочность жидкой окажется сравнимой с прочностью элегаза при давлении 0,3— 0,4 МПа и рабочие градиенты будут, очевидно, не выше, чем в разрабатываемых элегазовых аппаратах. Согласно определяющей роли давления высокую прочность жидкой SF6 можно обеспечить в этом случае за счет избыточного давления. Наиболее интенсивно прочность нарастает до 2 МПа (рис. 2), что и определило нижнюю границу эоны. К тому же такое давление можно обеспечить и поддерживать простым способом — с помощью бака давления, заполненного жидкой SF6 при Т= 20°С.
Справа граница зоны может быть принята по любой из изотерм (вплоть до изотермы, соответствующей температуре тройной точки 50,8°С).
При выборе границы зоны слева учитывались одинаковые значения прочности жидкости и пара, что позволяет использовать SF6  в двухфазной области. При этом плотность заполнения аппарата следует принять больше критической, что обеспечит его преимущественное заполнение жидкостью и тем самым позволит исключить возможность аномального снижения прочности (обнаружено в системе плоских электродов [4]) и получить лучшие, чем у пара, теплоотводящие и дугогасящие свойства среды (например, температуре оболочки 20°С, а жилы аппарата 90°С и соответственно средней температуре 55°С при допустимом давлении 6 МПа будет отвечать плотность заполнения 1100 кг/м3, рис. 2). Отмеченная приемлемая эона использования жидкой SF6 в аппаратах может быть относительно просто реализована. Аппараты электрофизических установок (эксплуатируемые при нормальной температуре оболочки) смогут работать в пределах эоны в самоподдерживающемся режиме регулирования давления. Объем заполнения аппарата несложно рассчитать по формуле
-  где плотности системы жидкость — пар и каждой
из фаз (определяются из диаграммы состояния).
Работу общепромышленного аппарата можно обеспечить с помощью простой схемы с баком давления (при условии поддержания температуры стенки бака в зимнее время и оболочки аппарата в летнее время в пределах 20%).
Следует отметить, что кроме предложенного возможны и другие способы регулирования давления в аппарате в границах отмеченной зоны (это очевидно из диаграммы). Использование каждого из них будет зависеть от конкретного назначения и условий работы аппарата и должно уточняться по результатам испытаний макетов. Тем не менее очевидно, что применение жидкой SF6 в аппаратах (в отношении регулирования давления) не имеет принципиальных трудностей.
При использовании жидких диэлектриков весьма важно знать, как изменяются их характеристики под воздействием примесей, присутствие которых в аппарате неизбежно. В работе [4] отмечено, что примеси в , типичные для аппаратов высокого напряжения, — это вода, газы, твердые проводящие частицы, сухие и смоченные волокна. Специфические примеси — это продукты разложения SF6 в дуге. При изучении влияния каждого из видов примесей на электрическую прочность и удельную проводимость была установлена единая для всех примесей зависимость Епр (γ) (рис. 3). Она характеризует влияние качества подготовки опыта на прочность и проводимость жидкой SF6. Сборка камеры в специальном беспылевом боксе и осушка

Рис. 3. Зависимость электрической прочности жидкой SF6 от удельной электрической проводимости (промежуток 1-8 мм, диаметр электрода 70 мм) при внесении примесей различной природы: 1 — после кондиционирования; 2 — по первым пробоям
жидкой SF6 до 5·10-4% обеспечивают проводимость 10-20 Ом-1-м-1, высокую прочность 100 кВ/мм и сильную зависимость прочности от давления. При сборке камеры по традиционной технологии подготовки аппаратов высокого напряжения (жидкость подается непосредственно из товарного баллона) проводимость жидкой SF6 составляет 10-18 Ом-1-м-1, а прочность снижается до 60 кВ/мм. При сильном загрязнении жидкости (концентрация примесей на 3—4 порядка выше, чем в реальных условиях) прочность составляет 20 кВ/мм, а влияние давления перестает сказываться. Такой характер зависимости прочности от давления, очевидно, связан с изменением механизма пробоя жидкости при различных концентрациях примесей. Предполагается, что при различной технологии подготовки опыта пробой имеет электротепловой характер, причем газообразование происходит в результате разогрева жидкости токами проводимости [4] либо связано с участием микрочастиц [3]. При значительном содержании примесей пробой развивается по мостику, образованному из примесей, что приводит к отсутствию зависимости Епр (р) .
Зависимость Εпр (γ) показывает, что прочность жидкой SF6, высокая (60 кВ/мм) в технически чистых условиях, остается на довольно значительном уровне (соответствует прочности удовлетворительно очищенного минерального масла) и при содержании примесей, на 3—4 порядка превышающем их концентрацию в реальных условиях. Это указывает на то, что технически чистая жидкая SF6 не особо чувствительна к загрязнениям. Тем не менее, очевидно, что для реализации высокой прочности жидкой SF6 в реальных условиях необходимо соблюдать следующие основные правила технологии подготовки: собирать аппарат в беспылевых условиях (технология, аналогичная применяемой при производстве вакуумных дугогасительных камер); производить предварительное кондиционирование (искровую обработку) промежутков аппарата; контролировать чистоту жидкости (помимо общего химического анализа состава) с помощью измерения значения и характера токов проводимости в промежутках аппарата; применять жидкую с влагосодержанием до 5-10-4%.
Высокая кратковременная электрическая прочность жидкой SF6 в различных условиях и ряд других положительных свойств подтверждают мнение о перспективности применения этой среды в аппаратах высокого напряжения. Для расчета изоляции таких аппаратов необходимо разработать методику выбора допустимых напряженностей поля при рабочих и испытательных воздействиях. На основании имеющихся данных по изоляционным характеристикам жидкой такая методика может быть создана и использована для предварительных оценочных расчетов лишь применительно к аппаратам, уровень изоляции которых определяется импульсными воздействиями. Расчеты изоляции аппаратов общего назначения могут быть проведены только с весьма грубым приближением и использованы на стадии разработки макетов.
Таким образом, результаты настоящей работы сводятся к следующему.
Полученные данные позволили наметить класс аппаратов, в которых целесообразно использовать жидкую SF6, а также сформулировать рекомендации по выбору термодинамических зон и технологии применения жидкой SF6 в аппаратах.
Применение в жидком состоянии не имеет принципиальных трудностей и должно привести к созданию аппаратов с существенно повышенными энергетическими характеристиками.
Однако для создания достаточно надежной расчетной методики необходимы дальнейшие исследования механизма пробоя и проводимости при различных видах воздействующего напряжения, сведения по старению жидкой SF6 при длительном воздействии напряжения; исследования прочности на макетах и опытно-промышленных образцах оборудования.
Список литературы

  1. Торшин Ю. В. Измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь жидкой шестифтористой серы в зависимости от температуры. — Электротехн. про меть. Сер. Электротехн. материалы, 1973, вып. 4(33), с. 10-11.
  2. Тоrshin Y. V. Electrical strength of hexafluoride at high pressure and at the liguid state. — IEE, 3td Internet iona I conference on gas discharges, London: 9—12 Sept., 1974, p. 120—123.
  3. Тоrshin Yu. V. Electrical strength of liguid sulphur hexafluoride in the presence of solid conductive contaminants. — Internationales Symposium Hochspannungstechn ik, Ziirich, 1975, s. 781—783.
  4. Torshin Yu. V., Sinkevitch O. A. Electrical conduction and breakdown in liguid sufchur hexafluoride under the condition of below and above critical pressure. — Third Int. Symp. High Voltage Engng, Milan 28-31.1979, № 23.11.
 
« Электрические сети энергоемких предприятий   Электрооборудование для тропического и холодного климата »
электрические сети