Използване на елегаз в електроенергийните съоръжения

Проблемът с надеждната работа и дългия експлоатационен срок на прекъсвачите за високи напрежения и големи токове датира още от тяхното създаване. Многобройни са начините за намаляване на електрическата дъга при отваряне на контактите и елиминиране на предизвикваните от нея неудобства.

Сред особено успешните решения е поставянето на контактите в среда от елегаз. Прекъсвачите и други електротехнически устройства се доставят заредени с елегаз и периодичната им проверка в процеса на експлоатацията налага съобразяване с неговото наличие.

Това е още по-важно при съхраняването на контейнерите с елегаз и в случаите, когато се налага периодично допълване с него на съоръженията поради неизбежното изтичане на макар и малки количества.

И не на последно място, след края на експлоатационния срок на устройствата техният елегаз не би трябвало да се изхвърля, а да се рециклира за повторна употреба. Тези фактори изискват при експлоатация на съоръжения с елегаз добре да се познават неговите свойства.

Малко история

Елегаз е популярното наименование на неорганичното химично съединение серен шестхлорид SF6, синтезиран в лабораторни условия през 1900 г.

В следващите 3 десетилетия са изследвани подробно неговите химични и физични (включително диелектрични) свойства. Първите практически приложения като изолатор в електрически съоръжения датират от 1937 г., но масовото му използване започва десетилетие по-късно, съпътствано с производството му в промишлени мащаби.

Най-напред се е използвал като изолатор в трансформатори, а от средата на 50-те години на миналия век започват приложенията му вместо сгъстен въздух първоначално в прекъсвачи високо напрежение, а след това и в прекъсвачи средно напрежение.

Днес годишното му производство е около 8000 тона, от които 75% се използват като изолатор. През 2010 г. само в прекъсвачите, използвани в ЕС, е имало около 6000 тона елегаз, а през всяка от следващите няколко години нуждите от него за електротехнически съоръжения ще са около 1000 т.

Общата стойност на електрическите съоръжения в Европейския съюз, ползващи елегаз, е около 20 милиарда евро.

Химически свойства

Те са важни не само за поведението на елегаза като изолатор. Той представлява инертен и безцветен газ, който е без миризма, когато е химически чист.

Използваният в електрическите съоръжения и най-вече в прекъсвачите неизбежно съдържа примеси, които определят неприятната му миризма на развалени яйца, усещана в затворени помещения дори при концентрации от няколко ppm.

Вдишването му предизвиква гадене, сънливост и затруднено дишане, като може да се получат и поражения на дихателната система. Той е един от най-тежките газове, като плътността му е 5 пъти по-голяма от тази на въздуха, не се разтваря във вода и запазва свойствата си до температура от 500 °С.

Освен това не гори, не е химически активен, нито токсичен, не е канцерогенен и не може да предизвиква мутации, но при големи концентрации изтласква кислорода от въздуха.

Типичният работен температурен обхват на елегаза е от -25 до +50 °С и в него електрическите му свойства остават практически неизменни. Същевременно, в сравнение с масово използваното като изолатор трансформаторно масло, той не създава никакъв риск от взрив или възникване на пожар.

Както при всяко химично производство, полученият продукт не е идеално чист, а съдържа нежелани примеси. Според стандарта IEC 376 на Международната електротехническа комисия максимално допустимите примеси в произвеждания елегаз са, както следва: 500 ppm на газовете кислород, азот и CF4, 15 ppm на водни пари и 0,3 ppm на флуороводород HF. Например в 1 m3 елегаз, чието тегло при налягане 1 атмосфера е 6,14 kg, не трябва да има повече от 15.10-6 x 6,14 kg = 92 mg водни пари.

Практическото определяне на количеството водни пари се прави чрез измерване на точката на втечняване (Dewpoint) Td на елегаза, която представлява температурата на началото на втечняването му (на появата на първите капчици). За електрически съоръжения се препоръчва нейните стойности да са между -22 и -45 °С при атмосферно налягане на газа, на които съответства относително количество влага 810-70 ppm и Td от -3 °С и -29 °С при налягане 0,5 MPa.

При това Td е толкова по-ниска, колкото по-малко е влагата, а типичната й стойност, осигурявана от производителите, е -60 °С.

От всички примеси най-опасен е флуороводородът, тъй като е силно токсичен и води до бърза корозия на метални части. Особено съществено за експлоатацията на прекъсвачи е, че възникващата електрическа дъга между отварящите се контакти разлага малка част от елегаза в сяра и флуор, които след прекратяването й отново се съединяват в елегаз, докато примесите на влага пречат на този процес и водят до образуването на флуороводород.

Неговото количество може да надхвърли споменатите норми при токове на прекъсвача над максимално допустимите и особено при често възникване на къси съединения в комутируемите вериги. Освен флуороводород поради електрическата дъга се появяват още десетина други химични съединения, някои от които също са токсични.

Подобно на флуороводорода те също са в много малки количества, но независимо от това и добрите уплътнения срещу изтичането на газ, тяхното съществуване е нежелано, най-малкото защото също могат да променят свойствата на елегаза. Т

ова е основната причина да се предпочита използването на прекъсвачи с вградени абсорбиращи вещества (например активиран двуалуминиев триокис), чието действие бързо и ефективно отстранява не само примесите по време на производството, но и газовете от електрическа дъга.

Физически свойства

Няколко са физическите свойства на елегаза, имащи значение за използването му в електрически съоръжения. При дадена плътност (в определен обем е вкарано фиксирано количество газ) налягането му нараства по линеен закон с температурата, което трябва да се има предвид при проектирането и експлоатацията на уплътнителните елементи на съоръженията.

Същевременно това означава, че при повишаване на температурата на дадена апаратура опасността от нежелано изтичане на елегаз нараства. Например при плътност 0,1 kg/l и промяна на температурата от -5 на +130 °С налягането се удвоява. Тази зависимост е толкова по-силна, колкото по-голяма е плътността.

От друга страна за промяна на температурата на елегаза в определени граници му е необходима 3,7 пъти повече топлинна енергия в сравнение с въздуха, т. е. повишаването на температурата на елегаза става по-трудно от това на въздуха.

Резултатът от това е по-лесното "преминаване" на топлината през елегаза и следователно по-добрата му способност в сравнение с въздуха да охлажда нагрети тела или обеми, която е съизмерима с тази на водорода и хелия. Топлинната проводимост на елегаза става най-голяма при температури между 1800 и 2200 °С, когато той най-лесно отвежда топлината от нагрято място.

Това свойство се използва за ефективно гасене на електрическата дъга, възникваща при отварянето на силови контакти - мястото на възникване на дъгата бързо се охлажда и тя изгасва. Гасенето е много успешно и над 100 пъти по-бързо в сравнение с въздуха. При това дъгата разлага много малка част от газа, което позволява неговото количество в затворен обем да се запазва за дълго време практически неизменно.

Електрически свойства

Те са най-съществените за използване на елегаза в прекъсвачи и други електрически съоръжения. Молекулите му имат свойството да улавят свободни електрони, с което се превръщат в тежки йони. В резултат на това количеството на тези електрони в газа намалява и характеристиките му като изолатор се оказват много добри.

Сравнение на пробивното напрежение на елегаза с това на въздуха и трансформаторното масло е показано на фиг. 1а, като по абсцисата налягането е в bar, а по ординатата - пробивното напрежение UBR в kV за фиксирано разстояние между изолираните части. Вижда се, че UBR е около 2,5 пъти по-голямо в сравнение с въздуха, а при налягане над около 3 bar надхвърля и това на трансформаторното масло.

Сравнението на пробивното напрежение на елегаз и на азот е дадено на фиг. 1б, като по абсцисата е налягането им в МРа, а по ординатата - напрежението в kV при разстояние 1 mm между изолираните части. Двете фигури показват, че пробивното напрежение расте с налягането, поради което е желателно в прекъсвачите за високо напрежение то да е по-голямо в сравнение с по-нисковолтовите.

Експлоатационни особености

Независимо от всички положителни качества на елегаза, през последното десетилетие в някои страни са били обсъждани законодателни мерки за забраната на използването му, но нито една от тях не е била приета.

Същевременно въпросът за намаляването на неговите емисии в атмосферата е част от Европейската програма за изменения в климата (ЕССР) от 2001 г., в рамките на която е разработен комплекс от мерки поотделно за производителите на електрически съоръжения с елегаз и ползвателите им.

Частта му за производителите е добре да се познава и от ползвателите, за да се има предвид при избора на съоръжение за дадено приложение. Тя включва:

• постоянно подобряване на конструкцията с цел намаляване на емисиите по време на експлоатацията и улесняване на поддръжката;

• намаляване на емисиите по време на производството;

• използване на херметизирани конструкции, особено за по-малките съоръжения;

• улеснено извеждане от експлоатация и рециклиране.

Частта за ползвателите, от своя страна, съдържа изисквания за:

• подобряване на процедурите за допълване на съоръженията с елегаз;

• подобряване на сервизното обслужване на съоръженията за много големи токове;

• ползване на херметизирани съоръжения винаги, когато това е възможно;

• максимално бърза замяна или ремонт на съоръжения с установено наличие на изтичане на газ;

• внимателно извеждане от експлоатация и рециклиране на елегаза за повторно използване.

Съвременните екологични проблеми налагат оценка на влиянието върху околната среда на намиращия се в атмосферата елегаз. Установено е, че той не намалява съдържанието на озон, а приносът му към емисиите от вредни газове е твърде малък - за страните от ЕС през 2002 г. той е бил 0,2%.

Независимо от това елегазът е включен в протокола от Киото от 2005 г. като един от 6-те газа, чиито емисии трябва да бъдат намалявани. Причината е, че той влияе на глобалното затопляне близо 22 000 пъти повече от СО2 и наличното му количество в атмосферата се разлага за 3600 години (това време за СО2 е 100 години).

Всичко това налага ползвателите на съоръжения с елегаз да вземат съответните мерки при експлоатацията им, за да не се допуска изтичане. От друга страна, елегазът има косвеното предимство, че осигуряваният от него по-дълъг експлоатационен срок означава намаляване на производството на нови електрически съоръжения и, съответно, по-малко необходими енергия и материали.

Друго косвено, но не маловажно предимство на елегаза, е, че намаляваните чрез използването му размери на електрическите съоръжения позволяват създаване на по-малки трансформаторни уредби и съответно монтирането им в непосредствена близост до консуматорите. Това намалява загубите от преноса на електроенергия, т. е. на излишно произвежданата енергия (около 7% от общата) и съответно на емисиите на СО2.

Според някои оценки благодарение на използването на елегаз в електрическите съоръжения страните от ЕС само през 2003 г. са намалили тези емисии с 1,7 млн. тона.

Полезно е да се има предвид, че подробности за боравенето с елегаз и за потенциалния ефект върху здравето от изтичането му са дадени в стандарта IEC634, Annex С на Международната електротехническа комисия.

Съществуват норми за максимално допустимото му количество във въздуха на работните места в електрически съоръжения с елегаз. При 8-часов работен ден и 5-дневна работна седмица концентрацията му не трябва да надхвърля 6 g/m3.

Също такива ограничения се налагат и за споменатите токсични химични вещества, както следва: до 9 mg/m3 за SOF2, до 30 mg/m3 за SO2F2 и до 0,06 mg/m3 за S2F10.

Транспортиране и съхраняване

Извършва се в затворени метални съдове при спазване на всички изисквания за пренасяне на газове под налягане. Препоръчва се външно съхраняване на съдовете, а когато за целта се използват складови помещения, те задължително трябва да са с вентилация, без открити нагреватели, огън и инсталации, създаващи електрически искри при работата си и в тях да се не пуши.

При регистриране на изтичане на газ персоналът в помещението трябва да бъде евакуиран. За извършването на каквито и да е профилактични дейности на съоръжения с елегаз трябва да се работи със защитни облекла, ръкавици, предпазни чорапи на обувките и да носи кислороден апарат.

Подробности за съхраняването и транспортирането на елегаза са дадени в глава 10.6 на стандарта IEC 60480 на Международната електротехническа комисия.

Рециклиране или унищожаване

Елегазът е скъпо струващ материал със стабилни във времето параметри, поради което е желателно след изтичане на експлоатационния срок на съоръжението газът да бъде изтеглен от него за пречистване и повторно използване.

Процедурата за това е описана в стандарта IEC 60480. Процесът на пречистване е подобен на този на производство и затова е най-добре се извършва от производителя. Когато по една или друга причина това не е възможно, се препоръчва от него да се изиска списък на центрове за рециклиране.

При решение за унищожаване на газа това се прави в пещи за изпичане на тухли, където се нагрява до висока температура в присъствието на варовик. Резултатът е получаване на безопасните минерали гипс и флуорит.