Лекция 8. Элегазовая изоляция электрооборудования электрических станций и подстанций

Газовая изоляция. Для выполнения газовой изоляции в высоковольтных конструкциях используется элегаз, или шестифтористая сера . Элегаз в газообразном состоянии бесцветный, без запаха, негорючий, неядовитый и взрывобезопасный, представляет собой газ с шестифтористыми молекулами: в центре молекулы расположен атом серы и на равном расстоянии от него в вершинах правильного октаэдра располагаются шесть атомов фтора. В нем содержится 21,95% серы и 78,05% фтора. Его молекулярная масса 146,06. Плотность элегаза при q = 273^оК и р=0,1 МПа составляет 6,56 кГ/м³. Абсолютная диэлектрическая постоянная e_а = 1,0021. Критические давление и температура элегаза, при которых граница между газом и жидкостью стирается, составляют 3,71 МПа и 318,7 ^оК. Эти значения определяют критическую точку – элегаз находится в парообразном состоянии.

Элегаз – электроотрицательный газ, т.е. при взаимодействии его молекулы с электроном он способен образовать устойчивый отрицательный ион. Молекула элегаза представляет собой высококомпактное и высокосимметричное образование сильно электроотрицательных атомов с большой молекулярной массой. При этом образуются малоподвижные, тяжелые отрицательные ионы, которые медленно разгоняются электрическим полем. В центре молекулы расположен атом серы, и на равном расстоянии от него в вершинах правильного октаэдра располагаются шесть атомов фтора. Это определяет высокую эффективность захвата электронов молекулами, их относительно большую длину свободного пробега и слабую реакционную способность.

Чистый газообразный элегаз безвреден, химически неактивен, обладает повышенной теплоотводящей способностью и является очень хорошей дугогасящей средой; он не горит и не поддерживает горение. Электрическая прочность элегаза в нормальных условиях примерно в 2,5 раза выше прочности воздуха.

Высокая электрическая прочность элегаза объясняется тем, что его молекулы легко присоединяют электроны, образуя устойчивые отрицательные ионы. Из-за этого затрудняется процесс размножения электронов в сильном электрическом поле, который составляет основу развития электрического разряда.

При увеличении давления электрическая прочность элегаза возрастает почти пропорционально давлению и может быть выше прочности жидких и некоторых твердых диэлектриков. Наибольшее рабочее давление и, следовательно, наибольший уровень электрической прочности элегаза в изоляционной конструкции ограничивается возможностью сжижения элегаза при низких температурах, например, температура сжижения элегаза при давлении 0,3 МПа составляет -45 °С, а при 0,5 МПа равна -30 °С. Такие температуры у отключенного оборудования наружной установки вполне возможны зимой во многих районах страны.

Поведение элегаза отвечает в пределах широкого диапазона давлений закону Пашена. При более высоких давлениях однако наблюдаются отклонения при некоторых условиях. Напряжение пробоя элегаза не зависит от частоты. Следовательно элегаз является идеальным изолирующим газом для ультракороткого волнового электрооборудования.

Напряжение возникновения короны при использовании элегаза в неоднородных полях также значительно больше, чем при использовании воздуха.

Высокая электрическая прочность элегаза позволяет сократить изоляционные расстояния, уменьшить давления, что дает значительный выигрыш в габаритах, размерах и массе аппаратов и распредустройств.

Хотя удельная теплоемкость элегаза немного ниже, чем воздуха, удельная объемная теплоемкость (энергия, необходимая для подъема температуры 1см³ элегаза на 1 ^оС) почти в 4 раза больше воздуха. Благодаря этому охлаждающая способность элегаза выше, чем воздуха. При естественной конвекции теплопередача в элегазе в 1,9 раза выше, чем в воздухе. Это позволяет повысить токовую нагрузку на 15-20% и при этом уменьшить сечение токоведущей цепи аппарата.

Элегаз химически крайне инертен и при отсутствии в нем примесей абсолютно безвреден для человека. Безвреден элегаз и в смеси с воздухом. Чистый элегаз не разлагается до температуры 800^оС и не взаимодействует с металлами до высокой температуры. Даже при температуре около 500 ^оС элегаз не действует на стекло, не реагирует с Н₂, О₂ и с другими активными веществами, не взаимодействует с медью. Диэлектрики не изменяют свои свойства в атмосфере чистого элегаза.

Благодаря химической инертности элегаза допустимая температура медных контактов может быть увеличена с 75 ^оС (для воздуха) до 90 ^оС. Это позволяет дополнительно повысить токовую нагрузку аппарата. Положительные свойства позволили широко использовать элегаз в силовых трансформаторах, кабелях высокого напряжения и герметизированных комплектных распределительных устройствах (КРУЭ).

Элегаз не стареет, то есть не меняет своих свойств с течением времени, при электрическом разряде распадается, но быстро рекомбинирует, восстанавливая первоначальную электрическую прочность.

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, электропроводности от температуры. Скорость восстановления электрической прочности промежутка после угасания электрической дуги в элегазе примерно на порядок выше, чем в воздухе.

Для крепления токоведущих частей в комбинации с элегазом используются опорные изоляционные конструкции из литой эпоксидной изоляции. Основным материалом в ней является эпоксидная или эпоксидно-диановая смола.

При температурах выше 3000 °С может начаться разложение элегаза с выделением свободных атомов фтора. Образуются газообразные отравляющие вещества. Вероятность их появления существует для некоторых типов выключателей, предназначенных для отключения больших токов КЗ. Поскольку выключатели герметически закрыты, появление ядовитых газов не опасно для эксплуатационного персонала и окружающей среды, но при ремонте и вскрытии выключателя необходимо принимать специальные защитные меры.

Элегаз является весьма перспективным изоляционным материалом.

Повышение давления газа является одним из путей увеличения его электрической прочности. При достаточно высоком давлении электрическая прочность многих газов превышает электрическую прочность широко применяемых в электротехнической промышленности трансформаторного масла и электротехнического фарфора. Наиболее широкое применение нашел элегаз - шестифтористая сера FS₆

В ряде случаев в качестве изоляции применяют не чистый элегаз, а его смесь с азотом или с фтористым углеродом.

Для элегазового оборудования просматривается тенденция выпуска коммутационной аппаратуры на параметры, соответствующие наиболее широким областям применения оборудования распределительных устройств для классов среднего напряжения.

Выпускаемая элегазовая коммутационная аппаратура характеризуется значительным разнообразием: контакторы, отдельные выключатели - внутренней и наружной установки. Комплектные распределительные устройства (КРУ) с элегазовыми коммутационными аппаратами, КРУ с элегазовой изоляцией (КРУЭ). Дополнительные преимущества КРУЭ по массо-габаритным характеристикам придали конструкции шкафного типа (в виде отдельных ячеек или группы ячеек, объединенных схемно в упрощенную подстанцию).

Элегазовым выключателям следует отдать предпочтение в области применения на напряжения 110-550 кВ, токи отключения до 50 кА, времена отключения 0,04-0,06 с, апериодическая составляющая менее 60 %, в климатических районах с минимальными минусовыми температурами выше минус 30 ^оС. Поскольку число дней с температурами ниже минус 30 ^оС в Татарстане невелико, то применение элегазовых выключателей в нашей республике имеет явные перспективы.

В отечественной практике принята установка КРУЭ в закрытых и подогреваемых (для поддержания температуры не ниже минус 5 ^оС) помещениях для защиты от атмосферных осадков и предотвращения коррозии, круглогодичном удобстве монтажа и эксплуатации, необходимости устройств для подогрева элегаза, что является экономически вполне оправданным с учетом небольших габаритов КРУЭ.

Фундаментальные исследования в области высоковольтного оборудования, с использованием элегазовой изоляции, предшествующего современному поколению комплектных распределительных устройств с элегазовой изоляцией были начаты в Европе в конце пятидесятых годов и завершились в 1967 году получением фирмой АВВ первого коммерческого заказа на изготовление пробной установки (170 кВ, смонтирована в Цюрихе и до настоящего времени находится в повседневной эксплуатации). Ранние серии производились в сравнительно малых количествах. Современное поколение КРУЭ пущено в эксплуатацию в 1975-1976 годах за рубежом и в начале 80-х годов в нашей стране (в Москве и Ленинграде).

Преимущества КРУЭ перед ОРУ и ЗРУ заключаются в следующем.

Во-первых, все элементы, находящиеся под напряжением, расположены внутри заземленного корпуса, что повышает безопасность работы обслуживающего персонала и существенно уменьшает размеры распределительного устройства.

Во-вторых, КРУЭ могут быть установлены в подвалах зданий или специальных помещениях под землей, что особенно важно при строительстве или расширении РУ в черте города, поскольку в крупных городах очень трудно отыскать свободную площадь под открытую подстанцию. Кроме того, ОРУ нарушают архитектурный облик города, создают повышенные радио- и акустические помехи, в то время как КРУЭ работают практически бесшумно и не создают радиопомех.

В-третьих, изоляция КРУЭ непосредственно не контактирует с атмосферой и потому надежность ее работы не зависит от погодных условий и загрязненности атмосферы. В- четвертых, КРУЭ пожаробезопасны.

КРУЭ собираются из отдельных однофазных или трехфазных ячеек. Крепление и перемещение токоведущих частей обеспечивается изоляционными элементами из твердых материалов. Для повышения надежности, облегчения монтажа и упрощения эксплуатации ячейки КРУЭ выполняют состоящими из отсеков, отделенных друг от друга с помощью герметизирующих проходных втулок-изоляторов.

Для обеспечения требуемой электрической прочности КРУЭ конструкция элементов КРУЭ должна быть такой, чтобы электрическое поле между электродами было близким к однородному. Для этой цели соединительные шины выполняются в виде коаксиальных соосных цилиндров.

В КРУЭ положение внутреннего электрода фиксируется внутри заземленного цилиндра с помощью изоляторов-распорок, обычно изготавливаемых из эпоксидного компаунда. Разрядные напряжения вдоль поверхности изолятора, как правило, ниже, чем для чисто газового промежутка, и зависят от качества контакта с внутренним электродом, от наличия адсорбированных боковой поверхностью изолятора при его изготовлении паров металлов, от формы изолятора. Важно снизить напряженность электрического поля в месте контакта изолятора с внутренним электродом, что достигается приданием изолятору специальной формы или установки кольцевых экранов.

В условиях эксплуатации в КРУЭ чистота и давление элегаза должны поддерживаться в заданных пределах, а появление пыли, грязи и влаги должно предотвращаться. Особое внимание уделяется ограничению содержания в элегазе влаги, поскольку наличие влаги приводит к появлению в техническом элегазе кислотообразующих соединений. Влага проникает из атмосферы через поры в металлических кожухах и уплотнениях.

Согласно рекомендациям Мировой энергетической комиссии максимально допустимая концентрация воды в 1 кг элегаза составляет 0,015 г. Для ее удаления используются фильтры и поглотители. Для поддержания требуемого давления элегаза КРУЭ имеют автоматические системы подпитки и циркуляции газа. Рабочее давление элегаза 200 кПа. Необходимы периодическое добавление элегаза и проверка регуляторов плотности элегаза.

Модульная конструкция КРУЭ обеспечивает высокую степень гибкости, отвечая требованиям размещения как на подстанциях, так и на электростанциях, и давая возможность эффективно использовать имеющееся пространство.

Достоинства КРУЭ особенно очевидны в тех случаях, когда во внимание принимаются факторы экономии, например, сокращение занимаемой площади, затрат на строительные работы, уменьшение экологического воздействия, снижение затрат на рабочую силу и эксплуатацию оборудования.

Экономический анализ показывает, что при учете всех дополнительных затрат, суммарные капиталовложения в случае КРУЭ примерно на 10 % выше по сравнению с обычным оборудование при данном уровне напряжения (по данным фирмы АВВ). Однако при анализе эксплуатационных издержек в расчете на тридцатилетний срок службы станции, суммарная расчетная стоимость КРУЭ получается даже несколько ниже. Преимущества КРУЭ становятся еще более очевидными, если учитывать плату за пользование земельным участком.

Фирмой АВВ разработаны элегазовые блоки PASS (система «Штепсель - выключатель»). Конструктивно блок PASS представляет собой один элемент, включающий в себя комбинированные разъединители-заземлители, выключатель, комбинированный трансформатор тока и напряжения. Для PASS требуется на 70 % меньше площади, чем для обычного оборудования.

Кабели с элегазовой изоляцией под давлением устроены следующим образом. В стальной трубе на распорках из твердого диэлектрика закреплена жила (или три жилы). Линия собирается из отрезков таких труб и заполняется высокопрочным газом - элегазом под давлением. Такие кабели имеют сравнительно простую конструкцию, малые диэлектрические потери, способность к восстановлению электрической прочности после случайного пробоя, малую емкость на единицу длины.

Дата добавления: 2014-01-05