Четвертая комплексная система обеспечения качества элегаза в электрооборудовании

случаях и к созданию аварийной ситуации. Качество нового элегаза, по­ступающего на заполнение высоковольтного оборудования, т.е. качест­во товарного элегаза в заводской таре, регламентируется нормами Ме­ждународной электротехнической комиссии [4.9] (табл. 4.1). Выпускае­мый в России элегаз (ТУ 6-02-1249—83) полностью соответствует тре­бованиям МЭК.

Элегаз, помещенный в электрооборудование, рассматривается как другая субстанция, и хотя его качество может не отличаться от качества товарного элегаза, МЭК приняла специальные (и по сути, более упро­щенные) методы контроля элегаза, находящегося в электрооборудова­нии [4.10]. Однако МЭК не рассматривала вопрос о нормах качества элегаза в электрооборудовании, полагая, что этот вопрос должен согла­совываться непосредственно между производителем и потребителем элегазового оборудования с учетом условий эксплуатации.

В этой главе мы попытаемся обрисовать суть проблемы качества эле­газа в электрооборудовании применительно к нашим национальным ус­ловиям, выработать позицию по теоретическим минимальным значени­ям содержания примесей в элегазе, и, таким образом, создать основу для формирования нормативов качества элегаза в электротехническом высоковольтном оборудовании.

4.2. ВЫБОР НОРМИРУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ

Примеси в оборудовании можно подразделить на три груп­пы: 1) попавшие в оборудование с элегазом, 2) оставшиеся в оборудо­вании при подготовке к заполнению элегазом и 3) образовавшиеся в процессе работы оборудования.

Примеси первой группы определяются качеством товарного элегаза. Среди них основные (в соответствии с табл. 4.1): кислород, азот, четы­рехфтористый углерод и вода.

Примеси второй группы — это оставшиеся в объеме оборудования компоненты атмосферного воздуха — кислород, азот и вода как в газо­

вом пространстве и на стенках аппарата, так и в толще изоляционных материалов.

Примеси третьей группы — это низшие фториды серы, главным об­разом четырехфтористая сера и продукт ее гидролиза — фтористый тионил. Образующиеся твердые фториды и сульфиды металлов не вхо­дят в категорию примесей, регламентируемых качеством элегаза.

Рассмотрим каждый компонент отдельно и определим особенности его влияния на функционирование высоковольтного аппарата.

Кислород. Для некоммутационных аппаратов кислород является нейтральной примесью и, хотя и обладает меньшей, чем элегаз, элек­трической прочностью, в пределах нормируемой концентрации практи­чески не приводит к снижению электрической прочности элегаза. В коммутационных аппаратах принимает участие в реакциях рекомби­нации при коммутации тока. Кислород является активным окислителем, но не реагирует с шестифтористой серой, в которой атом серы полно­стью окислен более сильным окислителем — фтором. Однако в реакци­ях рекомбинации осколков молекул, образовавшихся в дуге при комму­тации тока, атомы кислорода принимают участие в качестве конкури­рующего со фтором окислителя, в результате чего образуются фтор­окислы серы. Таким образом, присутствие кислорода способствует уве­личению степени разложения шестифтористой серы, хотя считается, что значительно большее влияние оказывает кислород, растворенный в материале дугогасительных контактов (см. гл. 3). Кислород попадает в электроаппарат вместе с элегазом, которым производят наполнение, атмосферным воздухом, оставшимся в аппарате перед заполнением эле­газом, а также вследствие диффузии через уплотнения.

Азот. Для всех видов элегазовых аппаратов азот является инертным разбавителем. Содержание его в оборудовании в сумме с другими раз­бавителями, имеющими меньшую, чем элегаз, электрическую проч­ность, не должно превышать предела, определяемого заданной электри­ческой прочностью изоляционных промежутков. Попадает в оборудова­ние главным образом с остаточным воздухом и элегазом.

Четырехфтористый углерод. Инертен. Электрическая прочность его выше, чем у азота, но ниже, чем у элегаза. Четырехфтористый угле­род в малых концентрациях под действием дуги не претерпевает хими­ческих изменений и в реакциях рекомбинации заметного участия не принимает. Попадает в оборудование с элегазом. Накапливается в вы­ключателе за счет выгорания фторопластового сопла или угольных дуго­приемных контактов и фторирования прочих органических материалов.

Четырехфтористая сера. Может присутствовать только в коммута­ционных аппаратах, так как образуется в процессе дугогашения и отсут­ствует в исходном элегазе. Химически активное соединение, вызываю­

щее коррозию материалов. Взаимодействие четырехфтористой серы с влагой приводит к образованию кислот, резко повышающих точку ро­сы* элегаза. Сочетание влаги и продуктов разложения способствует конденсации примесей и может привести к снижению электрической прочности как твердой изоляции, так и газового промежутка.

Фтористый тионил. Может присутствовать только в коммутацион­ном аппарате, так как является продуктом гидролиза четырехфтористой серы, образующейся при коммутации тока. Соединение химически зна­чительно более инертное, чем четырехфтористая сера, поэтому харак­тер его влияния такой же, но в существенно меньшей степени.

Вода. Примесь, оказывающая наибольшее влияние на характеристи­ки элегазового оборудования при достижении некоторого предела по концентрации. Температура конденсации примесей в аппарате, как и точка росы, является показателем для суммы всех конденсирующихся примесей, но определяется главным образом наличием воды. Для всех видов аппаратов вода определяет уровень конденсации, а иногда и ниж­ний предел рабочей температуры. В коммутационных аппаратах вода является наиболее опасной примесью, определяющей степень разложе­ния элегаза и расширение гаммы вторичных продуктов. Источники по­падания воды в аппарат: элегаз, остаточный воздух, изоляционные ма­териалы и диффузия через уплотнения.

Кислотные примеси. Это обобщенная характеристика продуктов разложения элегаза в коммутационных аппаратах, способных в водных растворах генерировать ион водорода. Кислотность газа — это его спо­собность к образованию ионизированного конденсата, присутствие ко­торого недопустимо в высоковольтном аппарате. Кислотность газа осо­бенно опасна при повышенной влажности.

После рассмотрения влияния каждой из основных примесей можно сделать некоторые обобщения. Для всех видов элегазового оборудова­ния важными параметрами качества изоляционного газа являются:

1. Температура конденсации, определяемая, главным образом, влагой.

Эта характеристика определит предельную концентрацию влаги в работающем оборудовании и минимально допуcтимое значение рабо­чей температуры аппарата.

2. Сумма концентраций примесей, разбавляющих элегаз — балласт, или, наоборот, содержание шестифтористой серы.

Электрическая прочность аппарата должна быть на уровне, приня­том при проектировании, и не должна быть снижена за счет случайного попадания электрически менее прочного балласта.

Для коммутационных аппаратов дополнительно:

1. Концентрация кислорода.

Эта характеристика будет способствовать снижению уровня разло­жения элегаза в актах коммутации тока.

2. Сумма концентраций продуктов разложения (в виде общей ки­слотности газа, концентрации низших фторидов серы и продуктов их гидролиза).

Эта характеристика должна способствовать предотвращению накоп­ления продуктов разложения в процессе эксплуатации коммутационного аппарата и обеспечивать коррозионную стойкость узлов и материалов.

Но прежде чем приступить к изложению путей формирования зна­чений и путей достижения нормативов качества элегаза в электрообо­рудовании, необходимо рассмотреть ряд теоретических и практиче­ских аспектов.

4.3. НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Создание комплексной системы обеспечения качества эле­газа базируется на системе знаний о законах разбавления, законах тер­модинамического распределения, законах адсорбции, законах диффузии и банке данных о свойствах элегаза. Далее приводятся основные поня­тия, уравнения и фактические данные, необходимые для решения задач физико-химического обеспечения надежности оборудования в эксплуа­тации путем нормирования параметров качества элегаза в аппарате.

4.3.1. ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕДУРЫ ПОДГОТОВКИ АППАРАТА
К ЗАПОЛНЕНИЮ НА КАЧЕСТВО ЭЛЕГАЗА
В АППАРАТЕ

Подготовка аппарата к заполнению элегазом представляет собой комбинацию вакуумирования и промывки его инертным газом с целью снижения концентрации примесей. Это касается как снижения концентрации примеси воздуха для обеспечения параметра «содержа­ние шестифтористой серы», так и примеси кислорода и воды для обес­печения соответствующих параметров качества элегаза. Процедура сво­дится к удалению из аппарата воздуха вакуумированием, заполнению инертным газом (азотом) и повторному вакуумированию с целью удале­ния азота. Эта процедура одновременно приводит к надежному удале­нию из аппарата воздуха и его составляющих — кислорода и воды.

Рассчитаем концентрацию кислорода, оставшегося в оборудовании после всех намеченных процедур. Концентрация кислорода в воздухе (т.е. до вакуумирования аппарата) составляет, кг/м³,

_в ( /100),

где _в = 1,29 кг/м³; — массовая концентрация кислорода в воздухе (23 %). После вакуумирования до остаточного давления , гПа или мбар, концентрация кислорода составит, кг/м³,

1,29 23 /100)( /1000).

Промывка аппарата азотом с заполнением до давления , гПа, и последующим вакуумированием до , гПа, приведет к значению концентрации, кг/м³,

1,29 (23/100)( /1000)[ /( – )].

После заполнения аппарата элегазом до плотности , кг/м³, кон­центрация кислорода, ppm-масс., составит

C = + 1,29 (23/100)( /1000)[ /( – )](10⁶ /)

или

C = + 297 () /[( – )], (4.1)

где — концентрация кислорода в аппарате, ppm-масс., образовав­шаяся за счет содержания кислорода в самом элегазе. Анализ этого уравнения делает возможным определить теоретическое значение кон­центрации кислорода в оборудовании в зависимости от выполненных при подготовке к заполнению процедур и от качества элегаза, использо­ванного при заполнении.

Концентрация воздуха, ppm-масс., может быть рассчитана по анало­гичному уравнению

C_воздух = + 1290 () /[( – )], (4.1а)

где — концентрация воздуха в самом элегазе, ppm-масс.

Концентрация шестифтористой серы, %-масс., в аппарате может быть подсчитана по аналогичному уравнению

= – 0,129 () /[( – )], (4.1б)

где — концентрация шестифтористой серы в самом элегазе, %-масс.

Пример 4.1. Намного ли снизится содержание шестифтористой серы в исходном эле­газе, если при подготовке аппарат отвакуумировали до 10 гПа, заполнили азотом до 0,1 МПа, снова откачали до 10 гПа и заполнили элегазом до 25 кг/м³?

Второй член уравнения (4.1б) позволяет рассчитать эту величину:

0,129 (10ж10) /[(1000 – 10)25] = 5,2ж10–⁴ %-масс.

4.3.2. ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ ИСТОЧНИКА ЭЛЕГАЗА
НА КАЧЕСТВО ЭЛЕГАЗА В АППАРАТЕ

Количество примеси, попадающее в аппарат из баллона с товарным элегазом нормированного качества, зависит от многих при­чин: от температуры баллона, от коэффициента заполнения баллона, от положения баллона — и все потому, что элегаз в баллоне представ­лен двумя фазами — жидкостью и газом — и примеси распределяются в них в соответствии с коэффициентом термодинамического распреде­ления, а нормированию подлежит только жидкая фаза. В этом подразде­ле мы проследим, как меняется содержание примесей в товарном элега­зе в зависимости от заполнения и положения баллона.

Расчет содержания примесей в стандартном баллоне
с товарным элегазом по ТУ 6-02-1249—83

Два уравнения — баланс объемов и баланс масс — с привлечением понятий плотности, коэффициента распределения, коэффициента запол­нения и массовой концентрации дают возможность рассчитать количе­ство каждой из примесей в баллоне и их распределение по фазам. Урав­нения баланса объемов и масс элегаза:

V = V_г + V_ж;

m = V_г_г + V_ж_ж,

где V, V_г и V_{ж —} общий объем, объем газовой и жидкой фаз элегаза; m — общая масса элегаза; _г и _ж — плотность газовой и жидкой фаз элегаза. Откуда

V_ж = (m – V_г) /(_ж – _г);

V_г = –(m – V_ж) /(_ж – _г) (4.2)

и соответственно

m_ж = _ж(m – V_г) /(_ж – _г);

m_г = – _г(m – V_г) /(_ж – _г). (4.3)

Примесь распределяется в газовой и жидкой фазах элегаза. Но в жидкой фазе элегаза примесь нормируется, так что масса примеси

в жидкой фазе Q_ж, г, определяется на основании нормы в технических условиях на товарный элегаз и массы жидкой фазы m_ж, кг,

Q_ж = 10–³m_жC,

где C — нормируемая концентрация примеси в жидкой фазе, ppm-масс. Тогда

Q_ж = 10–³C_ж(m – V_г) /(_ж – _г). (4.4)

Концентрация примеси в газовой фазе определяется коэффициентом распределения между газовой и жидкой фазами элегаза. Значения коэф­фициента распределения для кислорода, азота и четырехфтористого уг­лерода определены уравнением (1.11) в диапазоне температуры от 0 до 40 °С и при концентрации до 2 % по массе в жидкой фазе

K_р = C_ж /C_г = (Q_ж /V_ж) /(Q_г /V_г), (4.5)

где Q_г — масса примеси в газовой фазе, г. Отсюда

Q_г = (Q_жV_г) /(K_рV_ж).

Поскольку

V_г = V – V_ж = V – (m – V_г) /(_ж – _г),

а

Q_ж /V_ж = 10–³C_ж,

то

Q_г = 10–³C_ж [V – (m – V_г) /(_ж – _г)] /K_р. (4.6)

Общая масса примеси в баллоне

Q = Q_г + Q_ж =

= 10–³C_ж [V – (m – V_г) /(_ж – _г)] /K_р + 10–³C_ж (m – V_г) /(_ж – _г), (4.7)

где V — объем баллона, л; _ж и _г — плотность элегаза в газовой и жид­кой фазах, кг/л; K_р — коэффициент распределения примеси между фа­зами элегаза; C — концентрация примеси в жидкой фазе, ppm-масс.

Так, для температуры 20 °С в стандартном баллоне объемом 40 л распределение примесей будет соответствовать приведенному в табл. 4.2. Исходные данные для расчета следующие:

V = 40 л

m = 41,6 кг (коэффициент заполнения баллона 1,04*)

_г = 0,1915 кг/л (табл. 1.4)

_ж = 1,3908 кг/л (табл. 1.4)

= 3 (гл. 1)

V_ж = 28,30 л [уравнение (4.2)]

m_ж = 39,36 кг [уравнение (4.3)]

V_г = 11,7 л [уравнение (4.2)]

m_г = 2,24 кг [уравнение (4.3)]

Из табл. 4.2 видно, что концентрация примесей в газовой фазе высо­ка, а чистота элегаза составляет 99,39 %-масс., но основная доля приме­сей приходится на жидкую фазу. Поэтому, полное извлечение элегаза из баллона незначительно отражается на содержании основного компо­нента и примесей по сравнению с нормированным значением.

При другой температуре, конечно, распределение примесей окажет­ся другим.

Состав элегаза в зависимости от способа его извлечения

из баллона

В зависимости от способа извлечения элегаза из баллона (из газовой или жидкой фазы) и количества элегаза, остающегося в баллоне, в обо­рудование будет попадать различное количество примеси. На рис. 4.1 приводятся схемы изменения концентрации примесей в газовой и жид­кой фазах при изотермических условиях в зависимости от массы остав­шегося в баллоне элегаза, полученные на основании расчета.

Из схем видно, что при истечении из газовой фазы (баллон в нор­мальном положении, вентиль вверх) элегаз, поступающий в оборудова­ние (движение по стрелке Г на рис. 4.1), содержит большое количество примеси. По мере истечения газа из баллона концентрация примеси па­дает и становится минимальной и постоянной при полном израсходова­нии жидкой фазы.

При истечении элегаза из жидкой фазы — баллон в перевернутом положении, вентиль вниз — (движение по стрелке Ж) в оборудование поступает значительно меньшая концентрация примеси, незначительно уменьшающаяся до момента израсходования жидкой фазы. В этом по­ложении в оборудование поступает концентрация примесей, не превы­шающая установленный норматив для товарного элегаза. Но в баллоне остается 40 л газовой фазы (7,66 кг) с высоким содержанием компонен­тов: воды — 28, кислорода — 375, азота — 1820 и четырехфтористого углерода — 1120 ppm-масс. (чистота элегаза 99,67 %-масс.).

Практически управлять процессом извлечения элегаза сложно, так как изменяется температура, а следовательно, коэффициент распределе­ния и давление. Учесть все факторы, управляющие процессом переноса примеси из баллона в оборудование трудно, а на практике просто невоз­можно. Поэтому целесообразно принять вариант полного извлечения элегаза из баллонов, а следовательно, и полного извлечения примесей. Полное использование элегаза диктуется экономическими соображе­ниями и реализуется посредством компрессоров или специальных уста­новок для обслуживания элегазовых аппаратов. Концентрация примеси в объеме элегаза, извлеченного из баллона полностью, будет равна

C = 10³Q /m, ppm-масс.,

и для стандартного коэффициента заполнения, равного 1,04, составит 133 ppm-масс. кислорода, 572 ppm-масс. азота, 567 ppm-масс. четырех­фтористого углерода и 16,2 ppm-масс. воды. Чистота элегаза при этом составит 99,87 %-масс.