Элегаз и его применение в электроэнергетике

УДК 654

Ю. Н. Зацаринная, М. Ф. Габбасов, А. П. Зорин

ЭЛЕГАЗ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ

Ключевые слова: элегаз, электротехнический газ, гексафторид серы.

В статье рассматривается использование элегаза в энергетической отрасли промышленности, так же описывается история его открытия, начала использования и дальнейшего развития.

Keywords: electrical gas, sulfur hexafluoride.

There is review of sulfur hexafluoride's application in power engineering industry sphere. Also, the article describes the process of sulfur hexafluoride's discovery, application beginning and following development.

Впервые в 1941г. советским физиком Б.М. Гохбергом было предложено использование шестифтористой серы в качестве

электроизоляционной среды, которая получила название элегаз. Был установлен ряд положительных свойств элегаза, который выделял его на фоне других диэлектрических сред, использующихся в электротехнике. Элегаз не поддерживает горение, а его молекулы способны захватывать свободные электроны, превращаясь в тяжелые, малоподвижные ионы, именно поэтому этот газ еще называют "электроотрицательным". При нормальной температуре (20 °С) и давлении 0,1 МПа элегаз представляет собой газ без цвета и запаха. Плотность его почти в 5 раз выше плотности воздуха. Элегаз обладает низкой теплоемкостью в канале столба дуги и повышенной теплопроводностью горячих газов, окружающих столб дуги (2000 К). Это характеризует его, как среду, обладающую высокими теплопроводящими свойствами. Но выявились так же и отрицательные качества элегаза, среди которых высокая температура сжижения (-64 °С) при давлении 0,1 МПа, которая с увеличением давления повышается, а так же тот факт, что под влиянием электрической дуги или коронного разряда происходит разложение элегаза с образованием химически активных соединений, которые могут вызвать разрушение изоляционных и конструктивных материалов, однако, степень этого разложения невысока, вследствие того, что большое количество разложившегося газа немедленно восстанавливается в элегазе. Это вызывает необходимость включения в конструкцию различных фильтров, для поглощения продуктов разложения. Так же при нарушении технологии производства элегаза или при прохождении через него электрического разряда (дугового, коронного, частичного) он разлагается на составляющие газы, в их числе 82Б10 - чрезвычайно токсичный газ. Интенсивность образования таких примесей и вредные последствия значительно усиливаются при наличии в элегазе примесей кислорода и, особенно, примесей паров воды. Стабильность молекулярного состава элегаза сильно влияет на экологию экологии: гексафторид серы имеет огромный Потенциал Глобального Потепления (в 24900 раз выше, чем у С02), а время его жизнеспособности составляет 3200 лет.

Поэтому, согласно Киотскому протоколу 8Б6 классифицирован как газ ограниченного применения. Так как элегаз тяжелее воздуха, то в низко расположенных закрытых помещениях скопившийся элегаз может вытеснить воздух. Эти недостатки элегаза обусловливают высокие требования к качеству герметичности электротехнического оборудования.

Спустя почти пол столетия в мировой энергетике места привычных высоковольтных электротехнических аппаратов, которые использовали в качестве электроизоляционной среды воздух, масло и вакуум стали постепенно заниматься элегазовым оборудованием. Это вызвано рядом недостатков диэлектрических сред, используемых в электротехнических аппаратах. Среди этих недостатков сравнительно низкая электрическая прочность воздуха (Е=20кВ/см), которая компенсируется повышением давления, что вызывает необходимость наличия развитой компрессорной и пневматической систем, отсюда высокая стоимость оборудования и большие затраты энергии на собственные нужды устройства, высокая взрыво- и пожароопасность, большие габариты, дорогостоящее обслуживание, необходимость периодической замены масла в масленых электротехнических устройствах высокого напряжения, сложность и высокая стоимость вакуумного производства, возможность

возникновения коммутационных перенапряжений при отключении малых индуктивных токов в вакуумных коммутационных аппаратах, склонность материалов к сварке в условиях глубокого вакуума. Среди элегазового оборудования можно выделить наиболее распространенные виды аппаратов, это высоковольтные выключатели, трансформаторы и комплексные распределительные устройства с элегазовой изоляцией (КРУЭ). Их то мы и рассмотрим в данной статье.

Трансформаторы с элегазовой изоляцией впервые были разработаны в США фирмой Вестингауз в конце 50-х годов. Силовые трансформаторы напряжением до 138 кВ и мощностью до 40 МВ - А были разработаны в 60-х годах. В Европе элегазовые трансформаторы появились в середине 60-х годов. Однако дальнейшего развития ни в США, ни в Европе они не получили. В Японии первый трансформатор с

элегазовой изоляцией напряжением 69 кВ и мощностью 3 MB • А был изготовлен в 1969 г. Возрастающие требования пожаробезопасного оборудования и запрет применения негорючих изоляционных жидкостей на основе трихлордифенила в 1972 г., стимулировали развитие элегазовых трансформаторов (ЭТ). Их производство постоянно увеличивалось с началом поставок элегазовых трансформаторов напряжением 69 кВ мощностью 3 и 10 MB-А для комплектных элегазовых подстанций в 1979 г. В 1991 г. элегазовые трансформаторы составляли свыше 8 % в общем производстве силовых

трансформаторов.Требования пожаробезопасности мощных высоковольтных подстанций,

расположенных в жилых районах могут быть выполнены с установкой элегазовых трансформаторов. Такой трансформатор напряжением 275 кВ мощностью 300 MB - А впервые был изготовлен в 1990 г.Применение силовых трансформаторов с элегазовой изоляцией в России началось в 2012 г., компания ЗАО «ИСК «Союз-Сети» завершила работы по монтажу двух элегазовых трансформаторов 220/20 кВ мощностью по 63 МВА производства Toshiba (Япония) на строящейся подземной подстанции 220 кВ «Сколково»]. Работы были осуществлены под руководством представителей шеф-инженеров от фирмы Toshiba. Эти трансформаторы специально разработаны для использования на подземных энергообъектах. Ранее подобные

автотрансформаторы в России не применялись.

Примерно в 1955г. в компании Merlin Gerin была начата исследовательская работа по применению элегаза для изоляции и отключения цепей, в результате чего был разработан элегазовый выключатель Fluarc FB4 на напряжение = (7,2-36)кВ, номинальный ток отключения = 25кА, номинальный ток = (630-1250) А. Давление внутри корпуса 1,5 МПа, время гашения дуги 15 мс, полное время отключения 60-80 мс, срок службы -20 лет. В 1956 году компанией "Вестингауз" был сконструирован первый высоковольтный автоматический выключатель, который мог отключать ток силой 5 кА под напряжением 115 кВ, но он имел 6 камер прерывания тока. Спустя несколько этапов развития, в 1983 г. появились первые выключатели, в которых применялись дугогасительные камеры с одиночным разрывом при напряжении 220 кВ, а так же от 440 кВ до 500 кВ и для 750 кВ, соответственно с 2, 3 и 4 камерами на каждый полюс, что привело к их широкому распространению. Такие преимущества элегазовых выключателей, как простота дугогасительной камеры, короткое время отключения, относительно малые габариты и масса, пожаро- и взрывобезопасность, малый износ дугогасительных контактов и др. обусловили широкое распространение элегазовых выключателей. Элегазовым выключателям отдается предпочтение на напряжения от 70 до 800 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 °С.

В крупном городе или, к примеру, в жестких северных условиях, где площади помещений обходятся очень дорого целесообразно устанавливать небольшое по размерам оборудование. С началом внедрения практики использования КРУЭ - комплектного распределительного устройства с элегазовой изоляцией - в семидесятых годах 20 века, стало возможным сочетать компактность и большую эффективность электроснабжения. Задача КРУЭ -прием и распределение электроэнергии. Они состоят из шкафов и соединительных элементах, которые также заключены в шкафы или в блоки из шкафов. Отечественные образцы КРУЭ впервые были опробованы в 1974 году. В 1978 году в Москве была запущена ПС «Елоховская» на 110/220 кВ, КРУЭ для которой были изготовлены на базе завода «Электроаппарат». В Москве не менее 10 подстанций, в которых КРУЭ этого производителя работают по сей день. В последующие годы развитие производства КРУЭ в нашей стране шло медленно, и к 21 столетию на рынок начали внедряться такие производители, как Siemens, ABB, Alstom и другие с КРУЭ собственных разработок. На сегодняшний день отечественные КРУЭ выпускаются в классе напряжения до 330 кВ. В конце 1990-х начале 2000-х по заказу южнокорейской организации Hyundai Heavy Industries ОАО НИИВА разработал и провел успешное испытание КРУЭ на классы напряжения 362, 500 и 800 кВ. В отечественной практике принята установка КРУЭ в закрытых и подогреваемых (для поддержания температуры не ниже минус 5 °С) помещениях для защиты от атмосферных осадков и предотвращения коррозии. При этом обеспечивается круглогодичное удобство монтажа и эксплуатации оборудования, нет необходимости в устройствах для подогрева элегаза. Экономически это вполне оправданно с учетом небольших габаритов КРУЭ.

На основе анализа научно-технической литературы можно сделать следующий вывод. Элегаз, как дугогасительная среда нашла широкое применение в различных электротехнических устройствах, в силу ряда своих преимуществ перед уже существующими диэлектрическими средами, используемых в электротехническом оборудовании. Это такие характеристики, как пожаро- и взрывобезопасность, высокая диэлектрическая прочность, высокая теплопроводность, способность захватывать свободные электроны и малое время, необходимое для восстановления электрической прочности после пробоя и др. Благодаря этим свойствам, у оборудования, использующего элегаз, существенно уменьшаются масса и габариты, безопасность, срок службы, а так же снижаются затраты на обслуживание. Таким образом, элегазовое оборудование имеет хорошие перспективы для дальнейшего распространения, развития и усовершенствования.

Литература

1. Балобанов Р.Н., Лопухова Т.В., Зацаринная Ю.Н. Влияние времени эксплуатации элегазового оборудования на состояние изоляции / Балобанов Р.Н., Лопухова Т.В., Зацаринная Ю.Н.// Вестник Казанского технологического университета. . - 2012. - №14

2. Балобанов Р.Н., Лопухова Т.В., Зацаринная Ю.Н. Особенности конструкции трансформаторов с элегазовой изоляцией / Балобанов Р.Н., Лопухова Т.В.,

Зацаринная Ю.Н.// Вестник Казанского

технологического университета. - 2013. - №4, стр.218 3. Кох Д., «Свойства БЕ6 и его использование в коммутационном оборудовании среднего и высокого напряжения» / Д. Кох - г. Гренобль, 2006.

© Ю. Н. Зацаринная - канд. тех. наук, доц. каф. электрических станций КГЭУ, доц. каф. автоматических систем сбора и обработки информации КНИТУ, zac_jul@mail.ru; М. Ф. Габбасов - студ. КГЭУ; А. П. Зорин - студ. КГЭУ.