Четвертая комплексная система обеспечения качества элегаза в электрооборудовании

равно – 0,4 %. (Заметим, что, если вероятность пробоя за счет колеба­ний состава смеси принять как одну двадцатую часть, то снижение до­пустимого значения напряженности составит 0,2 %.)

Для оценки допустимого отклонения состава газовой смеси восполь­зуемся зависимостью относительной электрической прочности смеси элегаза с азотом от состава

E_смеси / = (146 + 0,4ж28) /(146 + 28), (4.18)

где и — парциальное давление элегаза и азота; 146 и 28 — их молекулярные массы; 0,4 — относительная электрическая прочность азота по сравнению с элегазом (рис. 4.5).

Используя это выражение, определяем допустимое отклонение в со­ставе смеси, которое не приведет к снижению электрической прочности более чем на 0,4 %. Полученные значения представим в виде графика (рис. 4.6), определяющего нижний предел отклонения содержания эле­газа в смеси в зависимости от заданного состава для обозначенного вы­ше условия. Из рис. 4.6 видно, что максимальное отклонение допускает­ся для чистого элегаза (из-за пологости характеристики относительной электрической прочности в этой области на рис. 4.5). Оно может дости­гать 3 %, т.е., если вместо «чистого» элегаза в оборудовании окажется 97 % по объему шестифтористой серы, то электрическая прочность не уменьшится более, чем на 0,4 %, и вероятность пробоя из-за этого фактора не превысит 0,1 %. При меньшем содержании элегаза, требова­ние к поддержанию состава элегазовой смеси становится более жест­

ким. Так, для 30 %-ной смеси элегаза с азотом содержание шестифтори­стой серы не должно быть меньше 29,5 % по объему (68,6 %-масс.).

СОДЕРЖАНИЕ КИСЛОРОДА

Влияние кислорода на коммутационные характеристики высоко­вольтных элегазовых аппаратов исследованы не настолько, чтобы мож­но было с полной определенностью указать его верхний предел содер­жания в аппарате. Поэтому к решению вопроса о нормировании кисло­рода подойдем с позиций минимизации.

Концентрация кислорода в выключателе (для которого и устанавли­вается этот норматив) складывается из количества кислорода, оставше­гося в аппарате после вакуумирования, и количества, поступающего в аппарат с элегазом [уравнение (4.1)]:

C = + 297( ) /( – ).

Значение первого члена зависит от качества элегаза. Несмотря на то, что товарный элегаз нормируется по показателю «концентрация кислорода», содержание кислорода в элегазе, идущем на заполнение ап­парата, может быть разным. Это связано с тем, что нормируется концен­трация в жидкой фазе элегаза, а в баллоне имеется также и газовая фаза, и состав примесей в элегазе, поступающем на заполнение аппарата, за­висит от способа его извлечения из баллонов. В разд. 4.3.2 было пока­зано, что в зависимости от способа извлечения элегаза из баллона кон­центрация кислорода может колебаться в широких пределах. Если про­изводить отбор элегаза из газовой фазы, то в начальный момент содер­жание кислорода в отбираемом газе составит 712 ppm-масс. Полное из­влечение элегаза из баллона обеспечит концентрацию кислорода в гази­фицированном продукте 133 ppm-масс. Извлечение из жидкой фазы по­зволяет получить минимальную концентрацию кислорода, которая несильно меняется по мере извлечения. Очевидно, что для аппаратов, в которых концентрация кислорода должна быть ограничена, например, для выключателей, можно воспользоваться именно этим способом за­полнения: при отборе жидкой фазы концентрация кислорода будет ни­же 100 ppm-масс.

Второе слагаемое уравнения (4.1) позволяет проанализировать при­бавку к концентрации кислорода, обусловленную процедурами подго­товки аппарата. В табл. 4.8 приведены расчетные значения этой величи­ны в зависимости от вакуумирования в интервале давления 0,1—100 гПа (0,075—75 мм рт. ст.) и заполнения чистым азотом в интервале абсолют­ного давления 0,1—0,4 МПа с последующим повторным вакуумировани­ем и заполнением элегазом до плотности 25 кг/м³. Из таблицы видно,

что даже грубое вакуумирование до значения 10 гПа с заполнением азо­том до атмосферного давления обеспечивает надежное удаление кисло­рода (прибавка концентрации кислорода — 1,2 ppm-масс.). При простом вакуумировании такого результата можно добиться только при остаточ­ном давлении 0,1 гПа. Однако достижение высокого вакуума в крупных аппаратах вызовет трудности из-за наличия влаги на стенках аппарата. Промывка азотом в значительной мере ускорит подготовку аппарата к заполнению элегазом при тех же конечных значениях концентрации остающихся примесей (как балласта, так и воды).

Итак, чередование вакуумирования с промывкой азотом сводит к незначительной величине вклад в концентрацию кислорода за счет ос­тающегося в аппарате воздуха. Поэтому норма содержания кислорода может быть приближена к значению концентрации кислорода в элегазе. Учитывая тенденцию к минимизации и исходя из возможности получать низкий уровень концентрации кислорода при отборе элегаза из жидкой фазы баллона, принимаем нормированное значение 150 ppm-масс., что в равной степени допускает использование для заполнения выключате­лей как жидкую фазу элегаза, так и элегаз, полностью извлеченный из баллона.

Диффузионное натекание кислорода в аппарат необходимо ограни­чить также на очень низком уровне, так, чтобы за весь срок эксплуата­ции диффузионная прибавка концентрации кислорода была ниже преде­ла определения, т.е. так, чтобы за длительный срок эксплуатации не бы­ло выявлено увеличения этого параметра. В примере 4.6 пп. 4.3.4 мы по­

казали, что применение улучшенного сорта резины позволяет ограни­чить диффузионное поступление кислорода за 10 лет на уровне не­скольких ppm-масс. Чувствительность измерительного устройства, при­меняемого для контроля, находится на уровне 10 ppm-масс. В расчете на год нормативная величина диффузионного натекания может быть принята на уровне 1 ppm-масс.

СОДЕРЖАНИЕ ПРОДУКТОВ РАЗЛОЖЕНИЯ

К образованию продуктов разложения элегаза приводит электриче­ский разряд. Для коммутационного аппарата — это регламентирован­ный, штатный режим. Выключатель обязан выполнить заданное число отключений и включений тока. Образовавшиеся продукты — весьма ре­акционноспособные — должны быть удалены, чтобы ограничить их воздействие на материалы аппарата. И выполняется это посредством ус­тановки в выключатель поглотителей адсорбционного типа. В качестве адсорбента используется тот же цеолит NaX, что и для адсорбции воды. Но в отличие от адсорбции воды, поглощение продуктов разложения на цеолите происходит необратимо, по типу хемосорбции. Так что, тем­пературные колебания не могут привести к обратной десорбции фтори­дов серы, но и цеолит после контакта с продуктами разложения не мо­жет быть регенерирован.

Хотя и следует стремиться к снижению величины разложения элега­за в результате коммутации, добиваясь этого как конструктивными и технологическими решениями, так и путем решения материаловедче­ских задач, все же разложение элегаза неизбежно. Поэтому, решая во­прос о сущности нормируемого параметра, мы приходим к выводу, что нормировать надо не степень разложения, а скорость удаления образо­вавшихся реакционноспособных продуктов, или, вернее, допустимое время их нахождения в аппарате, увязывая решение этой задачи с зада­чей защиты материалов от действия продуктов разложения: суммарное время пребывания продуктов разложения в аппарате за весь срок экс­плуатации не должно привести к изменению основных функций узлов аппарата. В особой степени это касается твердой изоляции — наиболее ответственного и напряженного узла высоковольтного элегазового ап­парата. Как мы видели (см. гл. 3), материалы должны выдерживать сум­марное воздействие 10 чжг/л, что проистекает из условия удаления про­дуктов разложения за срок в 48 часов. Конструктивно поглотитель дол­жен быть спроектирован так, чтобы обеспечить этот срок. Решая эту за­дачу для изоляционных материалов, мы фактически подтверждаем уста­новленный интервал времени разрешенного существования продуктов разложения в аппарате: итак, через 48 часов после акта коммутации в коммутационном аппарате не должно быть продуктов разложения. При­сутствие продуктов разложения после 48 часов после последней комму­

тации свидетельствует о конструктивных или технологических просче­тах в организации поглотителя. Теперь следует уяснить понятие «отсут­ствие продуктов разложения». Минимально определяемая концентра­ция метода определения кислотности — это примерно 1 ppm-масс. (в расчете на HF). Реально, кислотность 10—20 ppm-масс. не повлияет на коррозионную ситуацию в аппарате*, что и можно принять за основу.

Следует иметь в виду, что поглотительная способность цеолита по продуктам разложения уменьшается при его увлажнении (см. табл. 4.5). Поэтому следует нормировать также и допустимое время контакта акти­вированного цеолита с воздухом в процессе установки поглотителя в аппарат.

Завершив обсуждение вопросов нормирования и объяснение путей формирования установленных значений, предлагаем сводку нормативов качества элегаза в электрооборудовании (табл. 4.9).

Пути достижения нормативов качества неравноценны. И, как мы увидим дальше, особую трудность составляет обеспечение параметра влажности.

4.5. ПУТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НОРМАТИВОВ КАЧЕСТВА ЭЛЕГАЗА В ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИИ

Борьба за достижение нормативов качества элегаза и обес­печение их в период эксплуатации должна начинаться с самых началь­ных этапов создания электрооборудования: с проектирования самого аппарата и разработки технологии его производства — в этом и состоит сущность комплексной системы обеспечения качества элегаза в элек­трооборудовании. Итак, конечная задача состоит в том, чтобы создать условия для обеспечения четырех нормативов качества элегаза в экс­плуатации, отраженных в табл. 4.9.

4.5.1. ОБЕСПЕЧЕНИЯ НОРМАТИВА «СОДЕРЖАНИЕ ШЕСТИФТОРИСТОЙ СЕРЫ»

Товарный элегаз характеризуется нормативным значением 99,9 %-масс. основного продукта в жидкой фазе, но рассматривая спо­собы извлечения элегаза из баллона (пп. 4.3.2), мы увидели, что они мо­гут приводить к различным результатам. Самый неблагоприятный слу­чай сводится к тому, что для заполнения аппарата будет взят элегаз из газовой фазы нового баллона. В начальный момент в газовой фазе кон­центрация каждой из примесей максимальна, чистота элегаза равна 99,39 %-масс. Далее при любом способе извлечения элегаза концентра­ция примесей в газовой фазе снижается. Это значит, что с учетом неиз­бежного попадания воздуха [что, правда, повлияет на изменение соста­ва только в тысячных долях процента (см. пример 4.1 в пп. 4.3.1)] даже при самом неблагоприятном варианте норматив «содержание шести­фтористой серы» будет обеспечен. С позиций обеспечения этого норма­тива пригоден любой способ извлечения элегаза из баллона. Таким об­разом, никаких затруднений в достижении этого норматива нет.

4.5.2. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НОРМАТИВА «СОДЕРЖАНИЕ КИСЛОРОДА»

Этот норматив распространяется только на выключатели, легко реализуется, если заполнение выключателя проводить из жидкой фазы в расчете на использование 30—34 кг из стандартного баллона, или элегазом после его полного извлечения из стандартного баллона (с помощью установки обслуживания). Процедура подготовки аппарата к заполнению (вакуумирование — заполнение азотом — вакуумирова­ние) значительно снижает добавку концентрации кислорода за счет ос­тавшегося в аппарате воздуха (см. табл. 4.8). Таким образом, трудности в достижении этого норматива нет.

Нормирование увеличения концентрации кислорода в аппарате за счет диффузии, хотя и обусловлено повышенными требованиями к коммутационным аппаратам, распространено на все виды аппаратов как мера повышения качества узлов уплотнения. Поскольку концентра­ция кислорода, поступающего через уплотнения, [с использованием уравнения (4.13)] равна

= p(s/x)(32/22400)ж10³ /(V) (4.19)

и не должна превысить 1 ppm-масс/год, то

1 = ж3,1557ж10⁷ж0,02ж(s/x)(32/22400)ж10³ /(V).

Откуда

(s/x) g 10–⁶V / , (4.20)

где V, м³; , кг/м³; (s/x), см²/см; , см³жсм/(см²жМПажс). Это вы­ражение представляет собой «лимит на уплотнения» по кислороду, ус­ловие, согласующее объем аппарата, сорт резины в уплотнении и плотность элегаза в аппарате с геометрическими размерами уплотне­ний с целью обеспечения нормы прироста концентрации кислорода на уровне, не превышающем 1 ppm-масс/год.

4.5.3. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НОРМАТИВА «СОДЕРЖАНИЕ ПРОДУКТОВ РАЗЛОЖЕНИЯ»

Реализация норматива содержания продуктов разложения элегаза достигается размещением в выключателе адсорбента для погло­щения образовавшихся продуктов. Адсорбент закладывается в выключа­тель в таком количестве, чтобы полностью поглотить продукты разложе­ния элегаза, образующиеся в течение всего срока эксплуатации, и таким образом, чтобы обеспечить поглощение за 48 часов. В качестве адсор­бента используется синтетический цеолит NaX (ТУ 38-10281—80).

Удаление нежелательных компонентов газовой среды в элегазовых выключателях автопневматического и автокомпрессионного типов и в других коммутационных аппаратах осуществляется за счет их диффу­зии к поглотителю. Поэтому поглотитель представляет собой патрон с сетчатыми или перфорированными стенками, в который помещается расчетное количество активированного цеолита, складывающееся из двух частей: части, необходимой для поглощения продуктов разло­жения, которые образуются в результате выработки коммутационного ресурса, и части, необходимой для поглощения воды.

Способность цеолита поглощать продукты разложения представлена в табл. 4.5. Проблематичным, однако, является вопрос предсказания ко­

личества элегаза, разлагающегося при коммутации. Этот вопрос являет­ся существенным, поскольку расчет и проектирование поглотителя осу­ществляется на стадии проектирования выключателя.

Разложение элегаза зависит от многих причин. Конструкция дугога­сительного устройства, динамика дугогашения, материал дугоприемных контактов, выделяющаяся энергия и мощность этого выделения — это характеристики, обобщающие влияние целого ряда параметров, но не дающие возможности точно рассчитать количество разложенного элегаза. CIGRE предлагает считать, что на 1 кДж выделившейся энер­гии разлагается 2,7 см³ элегаза. По нашим данным, полученным при ис­пытаниях в ВЭИ им. В.И. Ленина, при коммутации токов от 22 до 40 кА на 1 кДж энергии разлагается 5 мл элегаза (760 мм рт. ст., 20 °С).

Зная по техническим данным ресурс отключений токов короткого за­мыкания и принимая время горения дуги 25 мс и напряжение на дуге 400 В, определим энергию Q, кДж, выделившуюся при коммутации, на одном разрыве и в выключателе в целом:

Q = 400ж25ж10–³жn₁I_кз n₂,

где n₂ — число разрывов; n₁ — число отключений тока короткого замы­кания I_кз, кА. Далее, используя соотношение «1 кДж — 5 мл элегаза», находим объем разложенного элегаза = 5Q, из которого находим массу разложенного элегаза, г, через плотность

= 5ж6,16жQ /1000

и массу образовавшейся четырехфтористой серы, г,

= 108 /146.

Зная адсорбционную емкость цеолита (см. табл. 4.5), рассчитываем массу цеолита, г, необходимую для адсорбции образовавшейся четырех­фтористой серы

q = 100 /,

где _— адсорбционная емкость цеолита, %, с учетом дезактивации за время контакта с воздухом. Учитывая, что четырехфтористая сера яв­ляется, хотя и основным продуктом разложения, но не единственным, расчетную массу цеолита следует увеличить. Это будет создавать бла­гоприятные условия для адсорбции продуктов разложения в конце сро­

ка эксплуатации. С учетом 20 %-ного запаса масса цеолита, г, для вы­ключателя равна

q = 120 / =

= 120ж5жn₁I_кзж400ж25ж10–³жn₂ж6,16ж108 /(8,1ж1000ж146)

или

q = 3,4I_кзn₁n₂. (4.21)

Если условия отключения тока слишком отличаются от принятых в расчете, то следует использовать более общую формулу

q = 0,34I_кзn₁n₂U,

где U — напряжение на разрыве, В;  — время горения дуги, с.

Итак, можно определить массу адсорбента для поглощения продук­тов разложения. Но норматив задан в виде скорости: за 48 часов кон­центрация продуктов разложения должна быть понижена до значения, эквивалентного кислотности, равной 10 ppm-масс. Быстрого поглоще­ния продуктов разложения можно добиться, уменьшая сопротивление диффузионному потоку. И здесь требуются конструкционные решения. Прежде всего это означает, что к адсорбенту должен быть хороший дос­туп, поверхность адсорбера должна быть как можно более доступной, а толщина слоя цеолита снижена (не более 3— 4 см). При больших объ­емах выключателя адсорбент следует разместить в нескольких контей­нерах с целью сокращения диффузионного пути.

Удаление продуктов разложения адсорбентом посредством диффузии подчиняется закону Фика и может быть выражено уравнением [4.16]

ln (C/C₀) = – DSt /(V), (4.22)

где C/C₀ — отношение текущей концентрации к начальной; D — коэф­фициент диффузии, см²/с, (можно принять равным 0,01/p, где p — дав­ление, МПа); S — площадь адсорбента; t — время;  — толщина слоя массообмена (от 0,3 до 3 см); V — объем аппарата.

Пример 4.13. Выключатель (объем 1 м³, давление 0,5 МПа абс.) имеет адсорбцион­ный патрон с общей площадью поверхности 600 см². Определить, во сколько раз снижается концентрация продуктов разложения за 48 часов после коммутации. (Толщину слоя адсор­бента, в котором осуществляется массообмен, принять равной 0,5 см.)

Решение:

ln (C/C₀) = – (0,01 /0,5)ж600ж(48ж3600) /(0,5ж10⁶) = –  4,15.

C/C₀ = 0,016, т.е. концентрация снизилась в 60 раз.

Опираясь на этот пример, можно считать, что в выключателе на 220 кВ с одним разрывом после единичного акта коммутации тока, ко­торый по нашим данным приведет к образованию примерно 0,04 %-вес. SF₄, в течение 48 часов концентрация снизится до 400/60  7 ppm-масс.

Проверка выполнения требования норматива производится при ис­пытаниях опытного образца выключателя.

Здесь целесообразно рассмотреть еще один вопрос, связанный с разложением элегаза в оборудовании. Элегазовое оборудование многообразно, и в ряде случа­ев, в аппаратах специального назначения могут допускаться значительные уров­ни коронного и искрового разрядов. Примем для рассмотрения протяженный объект с давлением 1,2 МПа элегаза, пятиметровый участок (секция) которого объемом 1260 л оснащен адсорбционным патроном, установленным на патрубке с площадью сечения 1 см² и длиной 5 см. В соответствии со спецификой данного объекта допускается средний ток короны на пятиметровом участке 10–⁷ A и один пробой в 10 суток с энергией 700 Дж. В задачу входит определить коррозионную ситуацию в объекте при условии, что срок службы его составляет 4 года.

За 4 года на корону будет израсходовано 10–⁷ж3,1557ж10⁷ж4 = 12,62 кулона. Удельное разложение под действием короны составляет от 600 до 1400 мкмоль/С (см. гл. 3). Разложение элегаза составит до 1400ж10–⁶ж12,62 = 0,018 моля (395,85 мл). В пересчете на четырехфтористую серу это составит 0,018ж108 = = 1,91 г. Таким образом, четырехфтористая сера будет образовываться со скоро­стью 1,91/(4ж3,1557ж10–⁷) = 1,51ж10–⁸ г/с.

Искровой разряд характеризуется величиной разложения элегаза 10 нмоль/Дж. Тогда за 4 года на пятиметровом участке будет разложено 4ж(365/10) 700ж10ж10–⁹ = 0,001 моля (22,89 мл элегаза), что обеспечит образование четы­рехфтористой серы со скоростью 0,001ж108/(4ж3,1557ж10⁷) = 8,7ж10–¹⁰ г/с.

Поскольку источник разложения является распределенным по объему, то счи­таем концентрацию продуктов разложения одинаковой во всех точках объема.

Единственным поглотителем образовавшихся продуктов является адсорбент в адсорбционном патроне. Диффузионный поток N моль/с в патрубке, соеди­няющем адсорбционный патрон с объемом аппарата, подчиняется закону Фика и определяется уравнением

,

где p — общее давление, МПа; D — коэффициент диффузии, см²/c; — градиент парциального давления SF₄, МПа/см; S — площадь сечения патруб­ка, см²; R — газовая постоянная [8,31 см³жМПа/(мольжК)]; T — температура; — парциальное давление элегаза (в данном случае равное общему). Под­ставляя данные, с учетом, что D = 0,01/p, см²/с, и градиент парциального давле­ния SF₄ равен парциальному давлению четырехфтористой серы в объеме к дли­

не патрубка, получаем N = 0,011 /(8,31ж293ж1,2ж5) = 6,84ж10–⁷, моль/с, где парциальное давление в МПа. Поскольку молекулярная масса SF₄ равна 108 г, поток N, г/с, равен N = 7,39ж10–⁵. С учетом того, что при 0,1 МПа концентрация SF₄ равна 108/22,4 = 4,82 г/л, N  = l,53ж10–⁶.

Учитывая, что в объем секции SF₄ поступает со скоростью (1,51ж10–⁸ + + 8,7ж10–¹⁰) г/с, а убывает за счет адсорбции со скоростью (1,53ж10–⁶), г/c, то текущую концентрацию , г/л, можно найти из баланса






,

где t — время, с, или = 1,2675ж10–¹¹t/(1 + 1,2143ж10–⁹t), откуда концентра­ция четырехфтористой серы в объеме секции к концу первого года (3,1557ж10⁷ с) составит 0,385ж10–³ г/л, второго — 0,743ж10–³ г/л, третьего — 1,076ж10–³ г/л и четвертого — 1,387ж10–³ г/л. Суммарное воздействие, чжг/л, продуктов разложе­ния элегаза на изоляцию аппарата составит

8765,83[0,385/2 + (0,385 + 0,743) /2 + (0,743 + 1,076) /2 +

+ (1,076 + 1,387) /2]ж10–³ = 25,4 чжг/л,

где 8765,83 — число часов в году.

Норма химического воздействия для твердых изоляторов, изготовленных из компаунда на основе электрокорунда, составляет 34 чжг/л (см. гл. 3). Если бы расчетное значение превышало норму, следовало бы поискать другое конструк­тивное решение: увеличить количество адсорбционных патронов, увеличить диаметр патрубка или уменьшить его длину.

жүктеу/скачать 0.85 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: