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
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
