Elegas i jego właściwości

Gaz SF6 — gaz elektryczny — to sześciofluorek siarki SF6 (sześć fluorów)… Gaz SF6 jest głównym izolatorem w elementach ogniw izolowanych SF6.

Przy ciśnieniu roboczym i normalnej temperaturze gaz SF6 — bezbarwny, bezwonny, niepalny gaz, 5 razy cięższy od powietrza (gęstość 6,7 vs. 1,29 dla powietrza), masa cząsteczkowa również 5 razy większa od powietrza.

gaz SF6 nie starzeje się, czyli nie zmienia swoich właściwości z upływem czasu; rozkłada się podczas wyładowania elektrycznego, ale szybko rekombinuje, odzyskując swoją pierwotną wytrzymałość dielektryczną.

W temperaturach do 1000 K gaz SF6 jest obojętny i żaroodporny, do temperatur około 500 K jest nieaktywny chemicznie i nieagresywny w stosunku do metali stosowanych do budowy rozdzielnic SF6.

W polu elektrycznym gaz SF6 ma zdolność wychwytywania elektronów, co skutkuje wysoką wytrzymałością dielektryczną gazu SF6. Przechwytując elektrony, gaz SF6 tworzy jony o niskiej ruchliwości, które są powoli przyspieszane w polu elektrycznym.

Wydajność gazu SF6 poprawia się w jednorodnym polu, dlatego dla niezawodności działania konstrukcja poszczególnych elementów rozdzielnicy musi gwarantować jak największą jednorodność i jednorodność pola elektrycznego.

W polu niejednorodnym pojawiają się lokalne przepięcia pola elektrycznego, które powodują wyładowania koronowe. Pod wpływem tych wyładowań SF6 rozkłada się, tworząc w środowisku niższe fluorki (SF2, SF4), które mają szkodliwy wpływ na materiały konstrukcyjne. kompletne rozdzielnice w izolacji gazowej (GIS).

Aby uniknąć wycieków, wszystkie powierzchnie poszczególnych elementów części metalowych oraz siatek ogniw muszą być czyste i gładkie oraz nie powinny posiadać chropowatości i zadziorów. Obowiązek spełnienia tych wymagań podyktowany jest faktem, że zanieczyszczenia, pyły, cząsteczki metalu również tworzą lokalne naprężenia w polu elektrycznym, a tym samym pogarsza się wytrzymałość dielektryczna izolacji SF6.

Wysoka wytrzymałość dielektryczna gazu SF6 pozwala na zmniejszenie odstępów izolacyjnych przy niskim ciśnieniu roboczym gazu, w wyniku czego zmniejsza się waga i wymiary urządzeń elektrycznych. To z kolei umożliwia zmniejszenie gabarytów rozdzielnic, co jest bardzo ważne np. w warunkach panujących na północy, gdzie każdy metr sześcienny lokalu jest bardzo drogi.

Wysoka wytrzymałość dielektryczna gazu SF6 zapewnia wysoki stopień izolacji przy minimalnych wymiarach i odległościach, a dobra zdolność gaszenia łuku i zdolność chłodzenia SF6 zwiększają zdolność wyłączania urządzeń przełączających i zmniejszają podgrzewanie części pod napięciem.

Zastosowanie gazu SF6 pozwala przy niezmienionych warunkach na zwiększenie obciążenia prądowego o 25% oraz dopuszczalnej temperatury styków miedzianych do 90°C (w powietrzu 75°C) ze względu na odporność chemiczną, niepalność, bezpieczeństwo przeciwpożarowe oraz większą wydajność chłodzenia gazu SF6.

Wadą SF6 jest jego przejście do stanu ciekłego w stosunkowo wysokich temperaturach, co stawia dodatkowe wymagania co do reżimu temperaturowego pracujących urządzeń SF6. Rysunek przedstawia zależność stanu gazu SF6 od temperatury.

Wykres stanu gazu SF6 w funkcji temperatury

Do pracy urządzeń SF6 w ujemnych temperaturach minus 40 gr Konieczne jest, aby ciśnienie gazu SF6 w aparacie nie przekraczało 0,4 MPa przy gęstości nie większej niż 0,03 g / cm3.

Wraz ze wzrostem ciśnienia gaz SF6 skrapla się w wyższej temperaturze. dlatego, aby poprawić niezawodność sprzętu elektrycznego w temperaturach około minus 40°C, należy go podgrzać (np. zbiornik wyłącznika SF6 jest podgrzewany do plus 12°C, aby uniknąć przedostawania się gazu SF6 do cieczy państwo).

Zdolność łuku gazu SF6, przy pozostałych parametrach równych, jest kilkakrotnie większa niż w przypadku powietrza. Wyjaśnia to skład plazmy i zależność od temperatury pojemności cieplnej, ciepła i przewodnictwo elektryczne.

W stanie plazmy cząsteczki SF6 rozpadają się. W temperaturach rzędu 2000 K pojemność cieplna gazu SF6 gwałtownie wzrasta z powodu dysocjacji cząsteczek. Dlatego przewodność cieplna plazmy w zakresie temperatur 2000 — 3000 K jest znacznie wyższa (o dwa rzędy wielkości) niż powietrza. W temperaturach rzędu 4000 K zmniejsza się dysocjacja cząsteczek.

Jednocześnie siarka atomowa o niskim potencjale jonizacji, powstająca w łuku SF6, przyczynia się do stężenia elektronów wystarczającego do utrzymania łuku nawet w temperaturach rzędu 3000 K. Wraz ze wzrostem temperatury przewodnictwo plazmy maleje, osiągając przewodność cieplną powietrza, a następnie ponownie wzrasta. Takie procesy zmniejszają napięcie i rezystancję łuku płonącego w gazie SF6 o 20 — 30% w porównaniu z łukiem w powietrzu do temperatur rzędu 12 000 — 8 000 K. W rezultacie zmniejsza się przewodność elektryczna plazmy.

W temperaturze 6000 K stopień jonizacji atomowej siarki jest znacznie zmniejszony, a mechanizm wychwytu elektronów przez cząsteczki wolnego fluoru, niższych fluorków i SF6 jest wzmocniony.

W temperaturach około 4000 K kończy się dysocjacja cząsteczek i rozpoczyna się rekombinacja cząsteczek, a gęstość elektronów spada jeszcze bardziej, gdy siarka atomowa chemicznie łączy się z fluorem. W tym zakresie temperatur przewodność cieplna plazmy jest nadal znacząca, łuk jest chłodzony, ułatwia to również usuwanie z plazmy wolnych elektronów dzięki ich wychwytywaniu przez cząsteczki SF6 i atomowy fluor. Wytrzymałość dielektryczna szczeliny stopniowo wzrasta i ostatecznie wraca do normy.

Cechą gaszenia łuku w gazie SF6 jest to, że przy prądzie bliskim zeru cienki pręt łuku jest jeszcze utrzymywany i zrywa się w ostatniej chwili przejścia prądu przez zero.Ponadto po przejściu prądu przez zero kolumna łuku szczątkowego w gazie SF6 intensywnie się ochładza, m.in. dzięki jeszcze większemu wzrostowi pojemności cieplnej plazmy w temperaturach rzędu 2000 K, a wytrzymałość dielektryczna gwałtownie wzrasta .

Wzrost wytrzymałości dielektrycznej gazu SF6 (1) i powietrza (2)

Taka stabilność palenia się łuku w gazie SF6 do minimalnych wartości prądu przy stosunkowo niskich temperaturach skutkuje brakiem przerw prądowych i dużych przepięć podczas gaszenia łuku.

W powietrzu wytrzymałość dielektryczna szczeliny w momencie, gdy prąd łuku przekracza zero, jest większa, ale ze względu na dużą stałą czasową łuku w powietrzu, tempo wzrostu wytrzymałości dielektrycznej po przejściu prądu przez zero jest mniejsze.