В электроэнергетике в качестве изоляции применяются различные материалы — фарфор, резина, стекло, масло, а также различного типа полимеры. Однако одним из наиболее распространённых материалов такого типа является газовая изоляция.
Почему так сложилось, а также какие есть недостатки и достоинства имеются у такой изоляции, разберём подробно в этой статье. Однако, главная идея статьи — рассмотреть, есть ли у данного вида изоляции перспективы или благодаря развитию технического прогресса, мы очень скоро забудем о ней.
Где применяется газовая изоляция?
Как правило, для ответа на этот вопрос достаточно выйти из дома и взглянуть вверх. Очень вероятно, что в городе или в другом населённом пункте, мы увидим линию электропередач. А чем изолированы провода такой линии?
Разумеется, между опорой и проводом есть фарфоровые, стеклянные или полимерные изоляторы. Между собой голые провода изолированы самым распространённым газом на нашей планете — воздухом.
Также воздух разделяет токоведущие части в ОРУ — открытых распределительных устройствах на подстанциях. Кроме того, на некоторых ОРУ есть воздушные высоковольтные выключатели, в которых дуга гасится сжатым воздухом.
Недостатки воздушной изоляции
Почему, раз воздушная изоляция такая замечательная, да ещё и дешёвая, то зачем инженеры ломают головы и изобретают новые типы изоляционных материалов? Всё дело в том, что у этого материала есть свои существенные недостатки.
Во-первых, на изолирующие свойства воздуха сильно влияет влажность и наличие различных загрязнений.
Во-вторых, для обеспечения необходимых параметров, электроустановка, например, ОРУ на подстанции, должна обладать значительными габаритами.
В-третьих, при пробое воздушного промежутка между частями электроустановки, может загореться дуга, которая, также может перекинуться на другие токоведущие части.
А если воздух откачать?
Можно пойти другим путём и сразу избавиться от вышеперечисленных недостатков — поместить токоведущие части в герметичный сосуд и выкачать оттуда воздух. Такой принцип используется при создании высоковольтных вакуумных выключателей.
Раз нет среды, которая может поддерживать горение электрической дуги, то проблема гашения автоматически снимается. В таком выключателе отсутствуют камеры, где гашение дуги производится специальным маслом, как в масляных выключателях.
Вакуумный выключатель конструктивно проще, чем, скажем, его масляный или воздушный коллега. Это позволяет создавать очень компактные коммутационные аппараты, выдерживающие намного больше аварийных отключений, а также требующих минимального технического обслуживания.
Однако создание вакуумных распределительных устройств экономически нецелесообразно. Ведь вместо вакуумной дугогасительной камеры, имеющей сравнительно небольшие размеры, разработчикам пришлось бы создавать распределительные устройства с очень толстыми стенками, что неизбежно бы привело к увеличению массы устройства и стоимости.
Выход есть!
Разумеется, что для технической мысли, практически нет ничего невозможного, и решение проблемы было найдено. В качестве изоляции учёные решили применить инертный газ — шестифтористую серу (SF₆). Другое название этого вещества — элегаз, сокращение от слов «электрический газ».
Учёным, который впервые описал свойства этого газа в 1900 году, был Анри Муассан — французский химик.
Однако исследовал его электрические свойства и предложил в 1941 году использовать как диэлектрик советский учёный Гохберг Борис Михайлович.
Преимущества элегаза
Так, благодаря каким свойствам, шестифтористая сера стала называться — электрический газ? Конечно же, благодаря высокому значению пробивного напряжения. При нормальном давлении этот показатель равен 89 кВ/см, то есть выше в три раза, чем у воздуха. Значит, элегаз может успешно применяться в качестве изоляционной среды в различных типах электроустановок.
Благодаря тому, что элегаз не является токсичным веществом, его относят к 4 классу опасности, то есть к малоопасным химическим веществам. Элегаз не имеет цвета и запаха, обладает хорошей охлаждающей способностью, при этом он тяжелее воздуха в 5 раз. Такие свойства позволяют использовать элегаз в системах пожаротушения.
Применение элегаза в электроустановках даже при нормальном давлении, благодаря хорошей охлаждающей способности, высокой пожаробезопасности и химической стойкости, позволяет повышать токовую нагрузку по сравнению с воздушной изоляцией на 25%. Если давление будет увеличиваться, то будет расти и электрическая прочность, которая может даже превышать аналогичные значения для жидких и твёрдых диэлектриков.
Недостатки
К сожалению, без ложки дёгтя в бочку мёда здесь не никак обошлось. Дело в том, что при увеличении давления и при снижении температуры, элегаз переходит в жидкое состояние из газообразного состояния.
Так, к примеру, при снижении температуры до −30 °C, элегаз становится жидкостью уже при давлении 0,5 МПа. Однако данная проблема была решена путём смешивания элегаза с другими газами, переходящими в жидкую фазу при гораздо меньшей температуре, но обладающими меньшей электрической прочностью.
Например, при добавлении азота, такая смесь, состоящая из азота на 30% и на 70% из элегаза, переходит в жидкую фазу только при давлении 8 МПа и температуре — 45 °C. Конечно, такие добавки неизбежно снижают диэлектрическую прочность изолирующей среды.
Также для того, чтобы избежать перехода элегаза в жидкое состояние применяется подогрев. Такое решение позволяет использовать элегаз в закрытых распределительных устройствах, которые оборудованы отоплением.
Для размещения на открытом воздухе электроустановка также оборудуется системой подогрева. Кроме того, применяя газовые смеси разного состава и подогрев, можно добиваться оптимального результата для разных климатических условий.
Применение элегаза требует высокой чистоты внутренних поверхностей электроустановки. Наличие заусенцев, выступающих частей, пыли и других загрязнений неизбежно приведёт к локальным неравномерностям электрического поля, которое приведёт к образованию коронных разрядов. Такие разряды будут способствовать разложению элегаза и снижению его изолирующих свойств.
Также следует помнить, что хотя элегаз не обладает токсичностью, он может накапливаться на нижних этажах подстанций благодаря тому, что он в пять раз тяжелее воздуха. При этом работник может спуститься на нижний этаж, где с ним может произойти непоправимое. Поэтому при проектировании таких подстанций обязательно предусматривают вентиляционные системы.
Особенности конструкции элегазовых выключателей
Для гашения электрической дуги, возникающей при размыкании контактов, применяется автокомпрессионный принцип. Проще говоря, дуга, возникающая в момент отключения, приводит к разложению элегаза, а это приводит к увеличению давления, которое и помогает гашению дуги. Благодаря применению элегаза, данные выключатели обладают высокой надёжностью, длительным межремонтным периодом и сравнительно небольшими габаритами.
Конструктивно различают баковые и колонковые выключатели. Из названия понятно, что у баковых выключателей дугогасящая камера находится в специальном баке, а у колонковых она размещена непосредственно в колонке. Конструкция баковых выключателей предполагает, что дугогасящая камера будет заземлена, также в ней можно установить два трансформатора тока.
Распределительные устройства с элегазовой изоляцией
Применение элегаза в качестве изолирующего материала позволяет создавать компактные комплектные распредустройства (КРУЭ), которые не зависят от погодных условий. Также за счёт того, что всё оборудование размещается в закрытых ёмкостях, заметно снижается уровень шума. Кроме этого, ещё и уменьшаются и расходы на эксплуатацию за счёт снижения времени простоя оборудования.
Кроме этого, производство оперативных переключений становится намного безопаснее. Теперь сами процессы можно полностью автоматизировать или перевести на дистанционное управление. Таким образом, исключается «самое слабое звено» — человек, который всегда может ошибиться и получить травмы при переключениях.
Само распредустройство собирается под отдельные задачи из герметичных ячеек. Каждая ячейка представляет отдельный модуль, например, силовой выключатель, трансформатор напряжения, трансформатор тока, ограничитель перенапряжения и так далее.
Также в состав КРУЭ входят ячейки, в которых разъединители совмещены с заземляющими ножами. Вместо губок и контактных ножей, в таких модулях применяются контактные штифты, которые могут занимать одно из трёх фиксированных положений — нейтральное, замкнутое положение разъединителя и замкнутое положение заземлителя.
Так как, ячейки заполнены элегазом и герметичны, и физической возможности убедится в отключённом положении коммутационного аппарата нет, модуль оборудован смотровым окном и указателем гарантированного положения контактов.
Трансформаторы с элегазовой изоляцией
В трансформаторах масло используется не только для охлаждения обмоток, но и как изолирующая среда для токоведущих частей. Однако трансформаторное масло весьма пожароопасно, поэтому применение элегаза позволяет создавать более компактные и безопасные трансформаторы.
Такие трансформаторы предназначены для использования в подземных подстанциях, а также в таких зонах, где нельзя допускать утечку масла. При этом конструктивно такие трансформаторы почти не отличаются от маслонаполненных трансформаторов.
Разумеется, что применение элегаза вместо масла требует изменения устройств сигнализации и защиты. Газовое реле в таких трансформаторах заменено на реле скачков давления, а датчики температуры обмоток, мановакуумметр и реле плотности газа здесь заменяют датчики уровня и температуры масла.
Заключение
Благодаря своим уникальным свойствам, элегаз применяется не только в электроэнергетике и пожаротушении. Например, элегаз также применяют для заполнения стеклопакетов, где он обеспечивает хорошую звукоизоляцию. Также это вещество широко применяется при создании научного оборудования, например, в электронных микроскопах.