Елегаз і його застосування
Елегаз (електротехнічний газ) являє собою безбарвний, без запаху, не горючий газ, який при нормальному атмосферному тиску і температурі 20 ° C в 5 разів важчий за повітря і володіє в 5 разів більшою, ніж у повітря молекулярної масою. З'єднання було вперше отримано і описано французьким хіміком Анрі Муассаном в ході робіт з вивчення властивостей фтору в кінці XIX століття.
Хімічно елегаз є шестифториста сірку SF6 (рис. 1). З'єднання не старіє, т. Е. Не змінює своїх властивостей з часом, при електричному розряді розпадається, але швидко рекомбинирует (процес, зворотний іонізації), відновлюючи початкову діелектричну міцність, з цієї причини елегаз є основним ізоляційному матеріалом в комутаційному обладнанні 35 кВ і вище.
виробництво елегазу
Отримання елегазу здійснюється наступними способами:
- - основний промисловий метод отримання: в результаті прямої реакції між розплавленої сірої і газоподібним фтором, отриманим при його електролізі (спалювання сірки в потоці фтору - рис. 2). Реакція проходить при температурі 138 - 149 ° C в сталевому горизонтальному реакторі (крекінг - піч). Реактор розділений перегородкою на камеру завантаження і камеру згоряння. Камера завантаження має люк для завантаження сірки і електронагрівач для її плавлення. Камера згоряння має сопло для подачі фтору, охолоджуване водою, термопару і конденсатор для возгонов сірки, розташованої над камерою. Розплав сірки надходить з камери завантаження в камеру згоряння через отвір внизу перегородки, закрите розплавом, що виключає вихід фтору в камеру завантаження. Незважаючи на свою простоту, дана конструкція реактора має деякі недоліки, а саме:
- фторування сірки йде на поверхні розплаву з виділенням великої кількості тепла, яке викликає посилену корозію реактора фтором на кордоні розділу фаз;
- при збільшенні продуктивності реактора виникає проблема відведення великої кількості тепла і підбору коррозионностойкого матеріалу реактора;
- ще одним недоліком методу є те, що при такому синтезі елегазу попутно утворюються і інші фториди - S2F2, SF2, SF4, і S2F10, а також домішки через присутність вологи, повітря і вугільних анодів, використовуваних для електролізу фтору. Концентрація цих речовин невелика, в середньому становить 0,01 - 0,1% за обсягом. Але якщо хімічно чистий елегаз нетоксичний і є вельми інертним з'єднанням, яке до температури 300 ° С не реагує ні з якими матеріалами, то домішки можуть змінити згадані властивості продукту і навіть зробити його непридатним для використання. Тому необхідна ретельна очистка виробленого елегазу. Склад чистого елегазу регламентується ТУ 6-02-2-686-82 і стандартом МЕК 6о 376 (відсутність токсичних домішок, що мають місце в технології його виробництва, гарантується заводом - виробником на основі біологічного контролю партії);
- по реакції фтору з четирехфторістой сірої SF4 в присутності каталізатора;
- термічним розкладанням SF5CI при 200. 300 ° C;
- фторированием сполук сірки (наприклад, COS). Даний спосіб безвідходного виробництва елегазу, заснований на повторному фторування забруднюючих продуктів, в Укаїни поки не використовується, як і попередні два.
Фізичні та хімічні властивості елегазу
Елегаз є надзвичайно хімічно інертним з'єднанням. Він не взаємодіє з лугами, кислотами, окислювачами, відновниками, стійкий до дії розплавлених металів. Елегаз так само дуже слабо розчиняється у воді і взаємодіє лише з органічними розчинниками.
З'єднання розпадається при температурі вище 1100 ° С. Газоподібні продукти розпаду елегазу отруйні і мають різкий, специфічним запахом. Елегаз не підтримує горіння і дихання, тому при накопиченні його в виробничих приміщеннях може виникнути киснева недостатність. За ГОСТ 12.1.007-76 за ступенем впливу на організм елегаз відноситься до 4 класу небезпеки, до якого належать малонебезпечні речовини. Гранично допустима концентрація (ГДК) в повітрі робочої зони похідних приміщень 5000 мг / м3. Гранично допустима концентрація в атмосферному повітрі - 0,001 мг / м3.
Напруга пробою (кВ)
Напруга пробою і функція тиску для неоднорідного електричного поля
Захоплюючи електрони, елегаз утворює малорухливі іони, які повільно розганяються в електричному полі і розвиток електронних лавин утруднено.
Значна діелектрична міцність елегазу забезпечує високу ступінь ізоляції при мінімальних розмірах і відстанях, що дозволяє зменшити масу і габарити електротехнічного обладнання, а хороша здатність гасіння дуги і охлаждаемость елегазу збільшують здатність, що відключає комутаційних апаратів і зменшують нагрів струмоведучих частин.
Застосування елегазу дозволяє при інших рівних умовах збільшити струмовий навантаження на 25% і допустиму температуру мідних контактів до 90 ° С (у повітряному середовищі 75 ° С) завдяки хімічній стійкості, негорючості, пожежної безпеки і більшої охолоджуючої здатності елегазу.
В електричному полі елегаз має здатність захоплювати електрони (кількість носіїв заряду зменшується), що і обумовлює його високу електричну міцність (на прикладі порівняння з азотом - рис. 3).
При збільшенні тиску електрична міцність елегазу зростає майже пропорційно тиску і може бути вище електричної міцності рідких і деяких твердих діелектриків.
Однак ця перевага стає недоліком елегазу при низьких температурах з причини переходу його в рідкий стан і втрати ізоляційних властивостей, що визначає додаткові вимоги до температурного режиму елегазового обладнання в експлуатації. На рис. 4 приведена залежність стану елегазу від тиску і температури.
Як видно з рис. 4, температура скраплення елегазу при надмірному тиску (тиск заповнення обладнання) 0,3 МПа складає -45 ° С, а при 0,5 МПа вона підвищується до -30 ° С. Таким чином, найбільше робочий тиск і, отже, найбільший рівень електричної міцності елегазу в ізоляційної конструкції обмежуються можливістю скраплення елегазу при низьких температурах.
У зв'язку з цим, виходом із ситуації є застосування суміші елегазу з іншими газами, у яких електрична міцність лише на 10. 15% нижче міцності чистого елегазу, а допустимий тиск різко зростає. Так, наприклад, у суміші з 30% елегазу і 70% азоту скраплення при температурі -45 ° С настає при тиску 8 МПа.
Таким чином, допустимий робочий тиск для суміші виявляється приблизно в 30 разів вище, ніж для чистого елегазу.
Ще одним варіантом підвищення надійності роботи електрообладнання при температурах - 40 ° С і нижче є підігрів елегазу (бак елегазового вимикача, щоб уникнути переходу елегазу в рідкий стан нагрівають до плюс 12 ° С).
Експлуатаційна здатність елегазу поліпшується в рівномірному електричному полі, тому конструкція окремих елементів розподільних пристроїв повинна забезпечувати найбільшу рівномірність і однорідність електричного поля.
У неоднорідному полі з'являються місцеві перенапруги електричного поля, які викликають коронирующим розряди. Під дією цих розрядів елегаз розкладається, утворюючи в своєму середовищі нижчі фториди (SF2, SF4), що шкідливо діють на конструкційні матеріали комутаційного обладнання.
Щоб уникнути розрядів поверхні окремих металевих деталей комутаційного обладнання виконуються особливо гладкими, вони не повинні мати забруднень, шорсткостей і задирок. Обов'язковість виконання цих вимог диктується тим, що бруд, пил, металеві частинки також створюють місцеві напруженості електричного поля, а при цьому погіршується електрична міцність елегазової ізоляції.
Теплопровідність SF6 нижче, ніж у повітря, але його повна тепловіддача, особливо, якщо врахувати конвекцию дуже хороша (як у водню або гелію), вище ніж у повітря, але нижче ніж у азоту (рис. 5).
При температурах порядку 4000 К дисоціація молекул закінчується і починається рекомбінація молекул. У цій області температур теплопровідність плазми ще значна, йде охолодження дуги, цьому сприяє також видалення вільних електронів з плазми за рахунок захоплення їх молекулами елегазу і атомарним фтором. Електрична міцність проміжку поступово збільшується і в кінцевому рахунку відновлюється.
При подальшому зростанні температури (до 7000 К) теплопровідність плазми падає, досягаючи теплопровідності повітря. Аж до температур близько 8000 - 12 000 К такі процеси зменшують напругу і опір палаючої дуги в елегазі на 20 - 30% в порівнянні з дугою в повітрі.
Така стабільність горіння дуги в елегазі до мінімальних значень струму при відносно низьких температурах призводить до відсутності зрізів струму і великих перенапруг при гасінні дуги.
В повітрі електрична міцність проміжку в момент проходження струму дуги через нуль більше, але через велику постійної часу дуги у повітря швидкість наростання електричної міцності після проходження значення струму через нуль менше.