При повышении (номинальных токов отключения и номинальных напряжений необходимо не только совершенствовать конструкцию выключателей, но и заниматься поисками дугогасительных сред, обладающих высокой электрической прочностью и дугогасительной способностью. Были исследованы фреон, четыреххлористый углерод и шестифтористая сера. Благодаря высокой электрической прочности и большой дугогасящей способности была выбрана шестифтористая сера SF6.
Этот газ получил название электротехнического газа или элегаза.
Элегаз является «электроотрицательным» газом. Его молекулы обладают способностью захватывать электроны. При этом образуются малоподвижные, тяжелые отрицательные ионы, которые медленно разгоняются электрическим полем. Благодаря этому элегаз обладает высокой электрической прочностью. При давлении 0,23 МПа разрядное напряжение в элегазе равно разрядному напряжению трансформаторного масла (рис. 3.49). Усиливается также процесс рекомбинации зарядов в дуге.
Высокая электрическая прочность элегаза позволяет сократить изоляционные расстояния, уменьшить давление, что дает значительный выигрыш в габаритных размерах и массе аппаратов и распредустройств.
В равномерном электрическом поле разрядное напряжение определяется уравнением из [1.4]
(3.119)
где р — давление, Па; I — расстояние между электродами, см.
Следует отметить, что для максимального использования высокой прочности элегаза электрическое поле в аппаратах должно быть однородным. Дело в том, что в неоднородном поле возникает корона. При наличии короны происходит разложение элегаза на низшие фториды, действующие неблагоприятно на многие конструкционные материалы, используемые в ДУ. В связи с этим поверхность металлических экранов, выравнивающих электрическое поле, должна быть гладкой. Грязь, пыль, особенно металлические частицы на поверхности экранов, создают локальную неоднородность поля, ухудшающую работу элегазовой изоляции. Вопрос расчета элегазовой изоляции подробно рассмотрен в [1.4]. Некоторые свойства элегаза и других газов даны в табл. 3.1.
Рис. 3.49. Сравнение разрядного напряжения в элегазе (1) с разрядным напряжением в воздухе (2) и в трансформаторном масле (3), кривая К — отношение разрядного напряжения в элегазе к разрядному напряжению в воздухе
Таблица 3.1
Хотя удельная теплоемкость элегаза немного ниже, чем воздуха, удельная объемная теплоемкость (энергия, необходимая для подъема температуры 1 см3 элегаза на 1 °C) почти в 4 раза больше, чем воздуха. Благодаря этому охлаждающая способность элегаза выше, чем воздуха. При естественной конвекции теплопередача в 1,9 раза выше, чем в воздухе. Это позволяет повысить токовую нагрузку на 15—25 % и соответственно уменьшить сечение токоведущей цепи аппарата.
Благодаря химической инертности элегаза (в диапазоне до 800 °C) допустимая температура медных контактов может быть увеличена с 75 (для воздуха) до 90 °C. Это позволяет дополнительно повысить токовую нагрузку аппарата. Элегаз негорюч, пожаробезопасен. Описанные выше положительные свойства позволили широко использовать элегаз в силовых трансформаторах, кабелях высокого напряжения и герметизированных комплектных распределительных устройствах. Недостатком элегаза является переход из газообразного состояния в жидкое при относительно высоких температурах.
На рис. 3.50 представлена диаграмма состояний элегаза. Так, например, при температуре 0 оС газ превращается в жидкость при давлении 1,25 МПа (плотность 0,105 г/см3). При температуре —40 °C элегаз превращается в жидкость при давлении около 0,4 МПа (плотность 0,03 г/см3). Таким образом, если необходимо создать выключатель, работающий в среде с температурой —40 °C, необходимо, чтобы давление не превышало 0,4 МПа (плотность не более 0,03 г/см3). При повышении давления температура сжижения повышается.
Рис. 3.50. Диаграмма состояния элегаза
В элегазовых выключателях применяются в основном два принципа гашения дуги. При первом электрическая дуга охлаждается элегазом при перетоке газа из резервуара высокого давления (около 2 МПа) в резервуар низкого давления (0,3 МПа), т. е. используется тот же принцип, · что и в воздушном выключателе. Для того чтобы избежать перехода элегаза в жидкость при отрицательной температуре (—40 °C), бак высокого давления необходимо подогревать до температуры 12 °C. Следует сказать, что при переходе элегаза в жидкое состояние уменьшается плотность газовой фазы и ухудшается его дугогасящая способность. Для подогрева газа служит автоматическая система, которая сильно усложняет конструкцию выключателя.
При втором принципе выключатель заполнен элегазом при давлении 0,3—0,4 МПа. При этом обеспечивается высокая электрическая прочность газа и возможность работы без подогрева при температуре до —40 °C. В этом выключателе перепад давления, необходимый для гашения дуги, создается специальным компрессионным устройством, механически связанным с подвижным контактом аппарата. В процессе гашения получается перепад Δρ=0,6-0,8 МПа. При этом обеспечиваются условия для получения критической скорости истечения и эффективного гашения дуги. Эти выключатели получили название автопневматических, или автокомпрессионных.
Чистый элегаз негорюч, нагревостоек до 800 °C. При температуре менее 800 °C элегаз является инертным газом. При наличии дуги образуется ряд химических соединений, обладающих коррозионными и токсическими свойствами. Для их поглощения в элегазовые выключатели встраиваются фильтры-поглотители-сорберы из активированного А12<Э3 или из молекулярных сит, которые поглощают как газообразные продукты разложения, так и влагу и обеспечивают безопасный уровень загрязнений элегаза. Следует отметить, что порошкообразные продукты разложения элегаза оседают на изоляционных поверхностях выключателей и другого оборудования, практически не влияют на прочность электрической изоляции. В заключение необходимо отметить, что для надежной работы элегазовых выключателей содержание влаги в элегазе не должно превосходить 100 миллионных долей по объему. Для обеспечения такого условия требуется специальная сушка элегаза перед вводом оборудования в эксплуатацию и принятие мер для поддержания влажности на допустимом уровне в течение между ревизионного срока (около 10 лет) [2.2].
В элегазовых выключателях гашение дуги происходит, так же как и в воздушных выключателях, за счет интенсивного охлаждения дуги потоком газа. По данным [3.1] дугогасительная способность элегаза в 4,5—5 раз больше, чем при воздушном дутье при одинаковых условиях. Указанное преимущество объясняется главным образом составом плазмы и температурной зависимостью теплоемкости, теплопроводности и электропроводности от температуры [2.2].
При разложении (диссоциации) многокомпонентной молекулы создаются низшие фториды серы SF2 , SF4, атомы фтора и серы.
На рис. 3.51 представлены зависимости удельной теплоемкости и коэффициента теплопроводности плазмы от температуры для воздуха и элегаза.
Рис. 3 51. Зависимости удельной теплоемкости (а) и теплопроводности (б) от температуры (1 — элегаз; 2 — воздух)
Особенностью элегаза является резкое увеличение теплоемкости при температуре 2000 К в результате диссоциации молекул. Процесс диссоциации заканчивается при температуре 4000 К. В результате в области температур 2000—3000 К теплопроводность плазмы почти на два порядка выше, чем воздуха. Появление в плазме в результате диссоциации атомарной серы с низким потенциалом ионизации (10,4 эВ) приводит к тому, что даже при температуре плазмы 3000 К концентрация электронов достаточна для поддержания дугового разряда. При дальнейшем росте температуры теплопроводность плазмы сначала падает, достигая теплопроводности воздуха, затем начинает снова расти. Диссоциация у воздуха наблюдается только при температуре 7000 К. Описанные выше процессы в элегазе приводят к тому, что напряжение и сопротивление стабильно горящей дуги в элегазе на 20— 30 % меньше, чем в воздухе.
Как показали исследования дуги, охлаждаемой элегазом, в течение всего полупериода сопротивление дуги в элегазе меньше, чем в воздухе. Диаметры дуги при токе около 100 А в том и другом случае мало отличаются друг от друга и примерно равны 1 мм. При токе 40 А температура столба дуги в элегазе была равной 12 600, а в воздухе 10 850 К. Были найдены постоянные времени дуги, которые составляли около 1 мкс. Таким образом, хорошие дугогасительные свойства элегаза нельзя объяснить малой постоянной времени в середине полупериода тока.
Как показали результаты исследований, снижение температуры столба дуги с 12 000 до 8000 К мало сказывается на сопротивлении дуги и росте электрической прочности промежутка. Когда температура столба становится ниже 7000 К, резко понижается концентрация электронов (менее 1015 см-3), значительно падает удельная электрическая проводимость. При температуре 6000 К концентрация электронов становится равной 1013 см-3, резко падает степень ионизации серы и усиливается механизм захвата электронов свободным фтором, а также молекулами элегаза и низшими фторидами.
Стабильность горения дуги в элегазе сохраняется до весьма малых значений тока и соответственно относительно низких температур. В результате в элегазовом выключателе отсутствуют срезы тока, которые могут приводить к возникновению больших перенапряжений при работе воздушных выключателей.
Когда температура дуги становится ниже температуры полной диссоциации элегаза (4000 К), начинается процесс рекомбинации, атомарная сера химически связывается с фтором, количество серы и плотность электронов резко падают. Примерно в этой области температур имеется высокая теплопроводность плазмы, которая способствует остыванию столба дуги, восстановлению электрической прочности промежутка. Большую роль играет удаление электронов за счет захвата их молекулами элегаза и атомарным фтором.
Высокая дугогасящая способность элегаза объясняется его поведением в области нуля тока.
Благодаря физико-химическим свойствам элегаза тонкий стержень дуги сохраняется на протяжении всего полупериода, в том числе и при подходе тока к нулю. Дуга гаснет в самый последний момент прохода тока через нуль.
Электрическая дуга в воздухе, имевшая такой же радиус дуги в течение всего полупериода, к концу полупериода под действием потока воздуха начинает увеличиваться в диаметре из-за турбулентности потока газа.
Ток дуги может обрываться даже не доходя до нуля тока. Постоянная времени дуги, пропорциональная квадрату радиуса дуги, в воздушном ДУ увеличивается, а в элегазовом остается малой. После прохода тока через нуль остаточный ствол дуги в элегазе продолжает интенсивно охлаждаться и электрическая прочность промежутка быстро нарастает. При достижении температуры 2000 К происходит интенсивное охлаждение дуги из-за роста теплоемкости плазмы.
Рис. 3.52. Сравнительная характеристика процесса роста электрической прочности в ДУ с элегазом и воздухом: 1, 2 — восстанавливающееся напряжение при близком и более удаленном КЗ; 3, 4 — кривые восстанавливающейся прочности в элегазовом и воздушном ДУ; 5 —кривая тока дуги; 6, 7 — напряжение на дуге в воздушном и элегазовом ДУ
Рис. 3.53. Зависимость перепада давления, необходимого для однополупериодной) гашения дуги, от относительного расстояния (1т=1200 A, dc=0,56 см): 1 — воздух; 2 — элегаз
В воздушном ДУ прочность промежутка в момент нуля тока выше, но скорость нарастания электрической прочности после нуля ниже из-за большой постоянной времени дуги.
На рис. 3.52 показан характер восстановления электрической прочности для ДУ с воздухом (кривая 4) и элегазом 3. Начальная электрическая прочность у ДУ с воздухом выше, чем у ДУ с элегазом, но скорость нарастания прочности в ДУ с элегазом значительно выше. Экспериментально установлено, что выключатели с элегазом очень чувствительны к неудаленному КЗ.
Это объясняется тем, что в этом случае восстанавливающееся напряжение имеет очень высокую частоту (кривая 1). Пробой возникает в точке а.
Воздушные выключатели особенно чувствительны к неудаленному КЗ при токе 0,75I0.ном. В этом случае амплитуда высокочастотной составляющей больше, а частота ниже (кривая 2). Пробой наступает в точке b.
Благодаря особенности гашения дуги в элегазе эффект термодинамической закупорки значительно меньше. На рис. 3.53 представлена зависимость перепада давления от расстояния между контактами для ДУ одностороннего дутья. Эта зависимость более полога, чем у воздушного выключателя, что позволяет увеличить расстояние между контактами и поднять восстанавливающееся напряжение, приложенное к разрыву. Созданы ДУ с элегазом, отключающие ток 40 кА при напряжении на разрыве 240 кВ.
В автокомпрессионных выключателях вследствие небольшого перепада давления не удается получить высокого значения восстанавливающейся прочности. Этот вопрос может быть решен путем повышения давления элегаза, поднятия компрессии и других конструктивных мер Но все они обходятся очень дорого. Отключающая способность ДУ с элегазом может быть увеличена путем прибавления в элегаз гелия. При одинаковых парциальных давлениях удается значительно поднять ток отключения. Так, при скорости восстановления напряжения 2000 В/мкс ток отключения у ДУ с элегазом равен 14,5 кА, а в ДУ с элегазом и гелием 22 кА.
