» Статьи об энергетике » Статьи об энергетике » Свойства элегаза и его использование в коммутационном оборудовании

Свойства элегаза и его использование в коммутационном оборудовании








Свойства SF6 и его использование в коммутационном оборудовании среднего и высокого напряжения
В данном разделе представлены общие свойства элегаза (элегаза) и его побочных продуктов. Приводится краткая история использования элегаза в коммутационной аппаратуре. Обсуждается влияние SF6 на окружающую среду. Дается руководство для работы с элегазом и элегазовым оборудованием при нормальных и аномальных условиях эксплуатации.
Содержание данного документа основано на техническом отчете Международной электротехнической комиссии МЭК 1634 «Оборудование высокого напряжения - использование элегаза (SF6) в аппаратах высокого напряжения».

1 Производство SF6

Единственный используемый в настоящее время промышленный процесс производства использует синтез гексафторида серы, при котором фтор, полученный при электролизе, взаимодействует с серой согласно экзотермической реакции, выраженной формулой:
S + 3F2 = SF6 + 262 ккал
В течение этой реакции формируется некоторое количество других фторидов серы, например, SF4, SF2, S2F2, S2F10 , а так же примесей из-за присутствия влажности, воздуха и угольных анодов, используемых для электролиза фтора. Эти побочные продукты удаляются различными способами очистки (см. рис. 1).

1.2 Другие виды применения SF6

Уникальные свойства SF6 привели к его использованию в различных отраслях науки и промышленности, например:
медицинская сфера: электрическая изоляция в медицинском оборудовании (в рентгеновских установках) или в хирургии;
электрическая изоляция в научном оборудовании (электронные микроскопы, ускорители частиц, например, генератор Ван дер Графа);
акустическая изоляция в оконных стеклопакетах;
газ для отслеживания потока воздуха в вентиляционных системах (например, в шахтах) или в верхних слоях атмосферы;
газ для обнаружения утечки в герметичных системах;
создание специальной атмосферы при металлургической обработке алюминия и магния или для военных целей.

Свойства SF6 - Свойства элегаза и его использование в коммутационном оборудовании


2. Физические и химические свойства SF6
2.1. Физические свойства
SF6 - один из самых тяжелых известных газов (см. рис. 2). Его плотность при 20°C и 0,1 МПа (т.е. при давлении, равном одной атмосфере) равна 6,139 кг/м3, почти в пять раз выше, чем у воздуха. Его молекулярная масса составляет 146,06. Он является бесцветным и не имеет запаха. SF6 может находиться в жидком состоянии только при повышенном давлении.

Плотность

6,14 кг/м3

Теплопроводность

0,0136 Вт/м K1

Критическая точка:

 

* Температура

45,55 °C

* Плотность

730 кг/м3

* Давление

3,78 МПа

Скорость распространения звука

136 м/с

Показатель преломления

1,000783

Теплота образования

-1221,66 кДж/моль

Удельная теплоёмкость

96,6 Дж/моль-K

Табл. 2: Основные физические свойства SF6 при атмосферном давлении и температуре 25 °C
Уравнение состояния
Газ гексафторида серы, имеющий уравнение состояния по типу Битти-Бриджмена, до температуры, приблизительно равной 1200 °K, ведет себя как идеальный газ: pv2 = R T (v + b) - a, где: p = давление (Па) v = объем (м3/моль)
R = константа идеального газа (8,3143 Дж/моль-К) T = температура Кельвина (K) a = 15,78 x 10-6 (1 - 0,1062 x 10-3 v-1) b = 0,366 x 10-3 (1 - 0,1236 x 10-3 v-1)
Зависимость давления от температуры


Зависимость давления от температуры линейная и относительно небольшая, в диапазоне рабочих температур от -25 до +50 °C (см. рис. 3).
Удельная теплоёмкость
Объемная удельная теплоёмкость SF6 в 3,7 раз больше, чем у воздуха. Это имеет важные последствия для уменьшения эффектов нагрева в электрическом оборудовании.
Теплопроводность
Теплопроводность SF6 ниже, чем у воздуха, но его полная теплоотдача, в особенности, если учитывается конвекция, очень хорошая, как водорода и гелия, и выше, чем у воздуха. При высоких температурах кривая теплопроводности SF6 (см. рис. 4) демонстрирует одно из исключительных качеств этого газа, которое позволяет использовать его для гашения дуги путем теплопередачи. Пик теплопроводности соответствует температуре распада молекулы SF6 при 2100 - 2500 °K. В процессе распада поглощается значительное количество теплоты, испускаемой при преобразовании молекул на периферии дуги, ускоряя теплообмен между горячими и более прохладными областями.
Электрические свойства
Превосходные диэлектрические свойства SF6 происходят вследствие электроотрицательного типа его молекулы. Газ имеет явную тенденцию к захвату свободных электронов, образуя малоподвижные тяжелые ионы, вследствие чего развитие электронных лавин становится очень трудным.

Диэлектрическая прочность SF6 приблизительно в 2,5 раз выше, чем у воздуха при тех же условиях. Преимущество SF6 как диэлектрика по сравнению с азотом хорошо заметно на кривой (см. рис. 5).
Для неоднородных полей (см. рис. 6) максимальное напряжение пробоя получается при давлении приблизительно равном 0,2 МПа.

Вследствие низкой температуры распада и высокой энергии распада SF6 является идеальным газом для гашения дуги.
Когда электрическая дуга охлаждается в SF6, она остается проводящей до относительно низкой температуры, таким образом, минимизируя прерывание тока перед переходом через ноль, и тем самым, избегая высоких перенапряжений. На рис. 7 приведены основные электрические характеристики SF6.

Скорость звука в SF6 в три раза меньше скорости звука в воздухе, вследствие чего SF6 является хорошим акустическим изолятором.

2.2. Химические свойства

Гексафторид серы полностью удовлетворяет требованиям к валентности молекулы серы. Его молекулярная структура представлена восьмигранником с молекулами фтора на каждой вершине. Эффективный диаметр столкновения молекулы SF6 - 4,77 Е. Шесть связей являются ковалентными, что объясняет исключительную стабильность этого соединения.
SF6 можно нагреть без его распада
до 500°C в отсутствии каталитических металлов.
SF6 не воспламеняется.
Водород, хлор и кислород не оказывают никакого воздействия на этот газ.
SF6 не растворяется в воде.
Кислоты не оказывают никакого воздействия на этот газ.
В чистом состоянии SF6 нетоксичен, что регулярно подтверждается на новом газе перед его поставкой. Для проверки мышей помещают на 24 часа в атмосферу, состоящую на 80% из SF6 и на 20% - из кислорода (биологическое исследование, рекомендованное Международной электротехнической комиссией МЭК 376).
Продукты разложения дуги
В электрической дуге температура может достигать 15000 °K, и малая часть SF6 при этом распадается. Продукты распада формируются при следующих условиях:
электрическая дуга, сформированная при расхождении контактов, обычно состоящих из сплавов на основе вольфрама, меди и никеля, содержащих остаточные количества кислорода и водорода;
такие примеси в SF6, как воздух, CF4 и водяной пар;
изолирующие компоненты, включающие пластмассы на основе углерода, водорода и диоксида кремния;
другие металлические или неметаллические материалы, из которых произведено оборудование.
Вышесказанное объясняет, почему твердые и газообразные продукты распада содержат (помимо фтора и серы) такие элементы как углерод, кремний, кислород, водород, вольфрам, медь и т.д. Принципиальные газообразные побочные продукты, идентифицированные в лабораториях, исследующих данный вопрос, объединяющие хроматографию газовой фазы с масс-спектрометрией, следующие:
фтористоводородная кислота - HF;
диоксид углерода - CO2;
диоксид серы - SO2;
тетрафторид углерода - CF4;
тетрафторид кремния - SiF4;
фторид тионила - SOF2;
фторид двуокиси серы - SO2F2;
дисерный декафторид - SF4;
тетрафторид серы - S2F10.
Некоторые из этих побочных продуктов могут быть токсичными, но большинство из них очень легко адсорбируется такими материалами как активированный оксид алюминия или молекулярные сетки. Некоторые побочные продукты также образуются в чрезвычайно малых количествах (S2F10).
Если адсорбент (молекулярная сетка или активированный оксид алюминия) присутствует в оборудовании в достаточном количестве, то уровень коррозии из-за продуктов распада SF6 (фтористоводородной кислоты, в частности) является очень невысоким, а то и вообще незначительным. Причина этого в том, что адсорбенты действуют настолько быстро и эффективно, что коррозийные газы не успевают реагировать с другими присутствующими материалами.
Однако, чтобы избежать любого риска, компания Merlin Gerin запретила использование некоторых материалов и составляющих с признаками распада, после длительных испытаний с высоким уровнем загрязнения при отсутствии адсорбентов.
Анализ газа, взятого из оборудования
Многочисленные аспекты можно изучить, проведя анализ газа и его продуктов распада. Здесь мы рассмотрим только влияние адсорбентов, а именно молекулярной сетки. На хроматограмме а на рис. 8 показаны результаты анализа газа, взятого с опытного контакта без использования какого-либо адсорбента. На хроматограмме b на рис. 8 показаны результаты анализа газа, взятого с такого же контакта, подвергнутого таким же электрическим воздействиям, но с использованием молекулярной сетки. Таблица на рис. 9 позволяет сравнить количества газообразных продуктов распада для этих двух случаев. Эффективность применения адсорбента очевидна.
a - Хроматограмма без адсорбента

Санитарно-гигиенические характеристики чистого SF6

Чистый SF6 нетоксичен и биологически нейтрален. Испытания, проведенные на животных, показали, что при наличии элегаза в концентрации до 80% и 20% кислорода неблагоприятные эффекты отсутствуют.


Газ

Без адсорбента (%)

С адсорбентом (молекулярной сеткой) (%)

Air

0,17

0,03

CF4

2,83

2,80

SiF4

2,88

0,25

CO2

0,24

-

SF6

остаток

остаток

SO2F2

0,12

-

SOF2

3,95

небольшое кол-во

H2O + HF

0,20

0,05

SO2

2,90

небольшое кол-во

Табл. 9: Результаты анализа SFB в выключателях с использованием молекулярной сетки и без нее
Несмотря на то, что вдыхаемый воздух может содержать высокую концентрацию SF6, на здоровье какие-либо вредные эффекты не влияют. Максимальная концентрация газа в производственных помещениях, где рабочие находятся до восьми часов в день пять раз в неделю, не должна превышать 1000 ppmv (6000 мг/м3). Данное предельное пороговое значение (TLV) обычно используется для безопасных газов, обычно не присутствующих в атмосфере. Чистый SF6 не оказывает какого-либо вредного воздействия на окружающую среду, мутагенного или канцерогенного влияния на здоровье (ни на ДНК, ни на эпигенез).
Поэтому при работе с новым SF6 достаточно принять процедуры, гарантирующие, что указанная максимальная концентрация не превышена. Вследствие производственного процесса, серийно выпускаемый SF6 не совершенно чист. Разрешенные уровни примесей установлены в стандарте Международной электротехнической комиссии МЭК 376. Они показаны на табл. 10.


Примесь

Макс. допустимое кол-во

CF4

500 ppm (вес.)

O2, n2

500 ppm (вес.)

Вода

15 ppm (вес.)

HF

0,3 ppm (вес.)

Гидролизный фторид

1,0 ppm (вес.), выражено в HF

Табл. 10: Максимальный допустимый уровень примесей в новом SFe
Оценка риска здоровью, оказываемого SF6 при горении дуги
Уровень риска здоровью, оказываемого используемым SF6, зависит от ряда факторов:
степени распада SF6 и типов присутствующих продуктов распада;
растворения используемого SF6 в окружающей среде;
времени, в течение которого человек находится в среде, содержащей использованный SF6.


Несмотря на то, что используемый SF6 содержит многокомпонентную смесь химических веществ, как было показано, один конкретный элемент доминирует при определении токсичности. Это газообразный продукт распада фторид тионила SOF2. Доминирование этого компонента следует из его высокой нормы выработки (образованный объем в л на энергию дуги в кДж) по сравнению с нормами выработки других продуктов распада в сочетании с его уровнем токсичности. TLV для SOF2 составляет 1,6 ppmv. SOF2 может далее реагировать с водой, приводя к образованию диоксида серы SO2 и фтористоводородной
кислоты HF. Однако, вследствие схожей концентрации и значений TLV полное оказываемое токсичное воздействие подобно воздействию SOF2 или продуктов его гидролиза.
В таблице на рис. 11 сравниваются три продукта распада:
фторид тионила SOF2;
серный фторид SO2F2;
дисерный декафторид S2F10.
Первые два продукта являются самыми широко распространёнными продуктами распада в результате дуги в SF6 , тогда как последний продукт считается наиболее ядовитым.
Чтобы оказывать токсичное воздействие, химический реагент должен присутствовать в достаточном количестве относительно его TLV. «Индекс риска» в таблице указывает относительные вклады трех продуктов распада в полную токсичность газа. В типичном образце дугового SF6 вклад продукта SOF2 в токсичность превышает вклад продукта SO2F2 примерно в 200 раз, а вклад продукта S2F10 - примерно в 10000 раз. Вкладом в токсичность продукта S2F10 можно явно пренебречь, то же относится и к SO2F2 . В главе 4 количество SOF2, произведенного при различных условиях, будет рассчитано и использовано для оценки уровней риска для рабочих, принимая во внимание степень растворения используемого SF6 в окружающей среде и вероятное время нахождения в ней.

Обзор элегазового коммутационного оборудования - Свойства элегаза и его использование в коммутационном оборудовании


3. Обзор элегазового коммутационного оборудования
3.1. Коммутационное оборудование среднего напряжения (СН) и высокого напряжения (ВН)


Как было отмечено ранее, производители коммутационного оборудования используют уникальные диэлектрические и изоляционные свойства элегаза при проектировании оборудования. Главное назначение SF6 - применение в коммутационном оборудовании среднего и высокого напряжения (см. рис. 12).


Назначение

Коммутационное

СН

ВН

 

оборудование

(- 52 кВ)

(> 52 кВ)

Изоляция

КРУЭ

+ + +

+ + +

 

RM6

+ + +

NA

Разрыв цепи

Выключатели

+ +

+ + +

 

Разъединители

+ +

+ + +

Доля на мировом рынке:
Низкая + КРУЭ (элегазовое изоляционное коммутационное оборудование Средняя ++ RM6
Высокая +++ CB (автоматический выключатель) LBS (разъединитель)
Табл.12 : Место SFg в коммутационном оборудовании
В области высокого напряжения SF6 скоро станет во всем мире единственной технологией, используемой для КРУЭ (см. рис. 13) и CB (см. рис. 14). Старые технологии с применением масла или сжатого воздуха исчезают вследствие многочисленных преимуществ SF6.


В области среднего напряжения, где необходимо компактное коммутационное оборудование, SF6 является единственным решением (КРУЭ, RM6) (см. рис. 15 и 16). Однако, для отдельных компонентов технология SF6 делит рынок с воздушными выключателями нагрузки- разъединителями, но доля рынка технологий с использованием воздуха быстро уменьшается в пользу SF6 и вакуумных выключателей. Вакуумные и элегазовые выключатели являются современными решениями, и будут продолжать развиваться вследствие снижающегося влияния технологии с применением масла.



Чтобы полностью охватить возможные применения, мы должны упомянуть трансформаторы с элегазовой изоляцией, главным образом популярные в Японии, и газовые изолированные кабели высокого напряжения, для которых используется технология, очень похожая на технологию для КРУЭ высокого напряжения.
3.2. Потребление SF6 и количество коммутационной аппаратуры

a - коммутационное оборудование СН

 

SF6 масса на единицу

Полное установленное количество

Ежегодный дополнительный прирост выключателей

 

(кг)

Количество

Масса SF6 (т)

Количество

Масса SF6 (т)

ПМ6/ выключатели нагрузки -разъединители

0,6

3000000

1850

240000 RM6 + 70000 выключателей

140
8

КРУЭ

6

50000

300

7000

42

Выключатели

0,3

500000

150

40000

17

Всего

-

-

2000 - 2500

-

200

b - коммутационное оборудование ВН

 

SF6 масса на единицу

Полное установленное количество

Ежегодный дополнительный прирост выключателей

 

(кг)

Количество

Масса SF6 (т)

Количество

Масса SF6 (т)

КРУЭ

500

20000

10000

3000

1500

Выключатели откр. типа

50

100000

5000

8000

400

Газоизолированные кабели

 

30000 м

1000

3000 м

100

Всего

-

-

20000

-

2000


Во всем мире потребление SF6 разделено между коммутационным оборудованием и неэлектрическими приборами: МЭК оценивает полное ежегодное потребление в 5-8000 тонн, разделенных на две более или менее равные части между этими двумя применениями.
Чтобы понять относительную пропорцию SF6 в области среднего и высокого напряжения, полезно оценить мировой парк установленного элегазового оборудования и количество оборудования, ежегодно вводимого в эксплуатацию (см. таблицу на рис. 17).
Из таблиц хорошо видно, что применение SF6 является преобладающим в оборудовании высокого напряжения: 90% от общего объема элегазового коммутационного оборудования предназначено для высокого напряжения, и только 10% - для среднего напряжения. В коммутационном оборудовании среднего напряжения потребление SF6 касается главным образом RMS/выключателей нагрузки-разъединителей и КРУЭ; часть, относящаяся к выключателям среднего напряжения, пренебрежимо мала.


Использование элегаза в коммутационном оборудовании - Свойства элегаза и его использование в коммутационном оборудовании


4. Использование и обращение с газом SF6 в коммутационном оборудовании

Данный раздел отвечает на вопросы потребителей относительно возможного воздействия элегаза и его продуктов распада на безопасность персонала или окружающую среду. За более подробной информацией обратитесь к техническому отчету МЭК 61634.

Практический пример, условия и расчеты для оборудования высокого напряжения


A

Объем помещения (м3)

 

700

B

Объем корпуса выключателя (м3)

 

0,5

C

Давление заполнения (МПа)

 

0,5

D

Объем SF6/выключателя (м3)

B x C

0,25

E

Количество выключателей

 

7

F

Ток короткого замыкания выключателя (кА)

 

31,5

G

Напряжение дуги (В)

 

500

H

Длительность дуги (с)

 

0,015

I

Энергия дуги (1 разрыв/1 контакт) (кДж)

F x G x H

236,25

J

Энергия дуги (3 разрыва/3 контакта) (кДж)

9 x I

2126

K

Норма выработки SOF2 (л/кДж)

 

3,7 x 10-3

L

Количество вырабатываемого SOF2 в выключателе (л)

K x J

7,87

M

Общее количество SOF2 (л)

E x L

55,07

N

Обычный объем утечек (% в год)

 

1

P

Объем утечки SOF2 в год (л)

MxN/100

0,55

Q

Концентрация через 1 год (ppmv)

P/A x 103

0,79


4.2. Утечка элегаза из элегазового оборудования

В данном разделе рассматриваются значение утечки элегаза и газообразных продуктов распада в окружающую среду внутри помещения. Потенциальная токсичность атмосферы рассчитана с помощью концентрации фторида тионила SOF2.
Представлены два практических примера (один для оборудования высокого напряжения и один для оборудования среднего напряжения). В обоих примерах сделаны следующие худшие предположения:
помещение с коммутационным оборудованием изолировано от внешней атмосферы, т.е. вентиляция в нем отсутствует;
помещение с коммутационным оборудованием содержит соответственно 7 и 15 выключателей;
в корпусах коммутаторов не используются адсорбенты;
каждый из выключателей трижды отключал номинальный ток короткого замыкания;
* норма выработки SOF2 - 3,7x10-3 л/кДж энергии дуги, (наиболее часто цитируемое в научной печати значение).
В таблицах на рис. 19 и 20 приведены данные и вычисления для каждого случая. Результаты показывают, что в обоих случаях TLV для SOF2 (1,6 ppmv) не превышен через 1 год утечки при максимальной скорости утечки в изолированном помещении. В действительности, при обычной вентиляции продукт SOF2 разбавился бы до еще менее значительной концентрации.
Соответственно, риск для здоровья вследствие обычной утечки используемого элегаза из коммутационного оборудования отсутствует.

4.3. Обслуживание элегазового оборудования

Герметичное оборудование среднего напряжения не требует обслуживания частей, находящихся внутри элегазовых корпусов.
Следовательно, они не рассматриваются в данном разделе. Для некоторых конструкций КРУЭ среднего напряжения может потребоваться обслуживание, а для большинства выключателей среднего напряжения обслуживание должно осуществляться на периодической основе. Расширение распределительного щита КРУЭ, как среднего, так и высокого напряжения может потребовать удаления SF6. Для предоставления информации по безопасным методам работы в данных условиях существует много местных строительных норм и правил, а также рекомендации производителя.
Следующие руководящие принципы являются общими для большинства из них:
При удалении элегаза, который может содержать продукты распада, необходимо соблюдать осторожность. Газ не следует выпускать внутри помещения. Газ необходимо собрать в резервуар для хранения. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы не вдохнуть газ SF6, выпускаемый из оборудования. Если это невозможно, необходимо использовать респиратор. Респиратор должен быть оснащен фильтром, который удаляет газы как описано в § «Продукты распада дуги».
Практический пример, условия и расчеты для оборудования среднего напряжения


A

Объем помещения (м3)

 

120

B

Объем корпуса выключателя (м3)

 

45 x 10-3

C

Давление заполнения (МПа)

 

0,3

D

Объем SF6/ выключателя (м3)

B x C

13,5 x 10-3

E

Количество выключателей

 

15

F

Ток короткого замыкания выключателя (кА)

 

31,5

G

Напряжение дуги (В)

 

200

H

Длительность дуги (с)

 

0,015

I

Энергия дуги (1 разрыв/1 контакт) (кДж)

F x G x H

94,5

J

Энергия дуги (3 разрыва/3 контакта) (кДж)

9 x I

850,5

K

Норма выработки SOF2 (л/кДж)

 

3,7 x 10-3

L

Количество вырабатываемого SOF2 в выключателе (л)

K x J

3,147

M

Общее количество SOF2 (л)

E x L

47,2

N

Обычный объем утечек (% в год)

 

0,1

P

Объем утечки SOF2 в год (л)

M x N/100

0,0472

Q

Концентрация через 1 год (ppmv)

P/A x 103

0,39


Корпуса необходимо откачать, чтобы удалить как можно больше остаточного элегаза. В некоторых случаях рекомендуется продуть корпус сухим воздухом или азотом перед его вскрытием.
В любом случае, обслуживающий персонал должен знать о присутствии остаточного элегаза при первом открытии корпуса и использовать респираторы. Вентиляция рабочей зоны должна быть надлежащей, чтобы быстро удалить любой газ, выпущенный из корпуса в рабочую зону.
Металлические порошки фторида более химически активны во влажной среде, поэтому они должны быть в сухом состоянии до и во время их удаления. Мелкие пылинки могут оставаться в воздухе в течение долгого времени, в таком случае необходимо пользоваться респираторами с субмикронными фильтрами. Особое внимание необходимо уделить защите глаз.
* Компоненты, металлические порошки фторида и адсорбенты, извлеченные из рабочего оборудования, необходимо упаковать в герметичные контейнеры для их последующей нейтрализации

4.4. Окончание срока службы элегазового оборудования

Для элегазового оборудования, снятого с эксплуатации, может потребоваться нейтрализация продуктов распада, оставшихся после удаления элегаза. Для защиты окружающей среды SF6 необходимо удалить и не выпускать в атмосферу (см. § «SF6 и мировая окружающая среда»). Необходимость нейтрализации зависит от уровня распада; ожидаемые уровни распада приведены в таблице на рис. 21 .
Общее описание процедуры
Перед утилизацией оборудования SF6 необходимо извлечь для повторного использования. Оборудование затем необходимо обработать в соответствии с нормами с ожидаемым уровнем распада. После обработки оборудование можно утилизировать как обычные отходы (с соблюдением инструкций), либо подвергнуть восстановлению, чтобы извлечь металлы. Растворы, используемые в процессе нейтрализации, можно утилизировать как обычные отходы.
Малый распад
Специальные действия не требуются.
Средний и высокий распад
Внутренние поверхности газовых корпусов необходимо нейтрализовать с помощью раствора гашеной извести (гидроксид кальция) - 1 кг извести на 100 литров воды. Обрабатываемый корпус необходимо, по возможности, заполнить раствором извести на 8 часов, а затем опорожнить корпус. Если корпус впоследствии необходимо снова использовать, его следует сначала промыть чистой водой.
Большие корпуса, которые сложно заполнить, можно очистить с помощью пылесоса, оборудованного фильтрами для нейтрализации различных веществ в отдельности. Внутренние поверхности необходимо затем промыть раствором извести, который следует оставить на месте в течение по крайней мере одного часа, а затем промыть чистой водой.

Применение

Ожидаемая степень распада SF6

Выключатель нагрузки - разъединитель среднего напряжения (КРУЭ и RМ6)

от 0 до нескольких десятых процента
видимые отложения пыли отсутствуют

Выключатели среднего и высокого напряжения

среднее:
до нескольких процентов
небольшие порошковые отложения

Любой корпус, в котором произошло аномальное образование дуги

высокое:
может превысить 10%
порошковые отложения, от средних до значительных


4.5. Нештатные ситуации

Данный раздел посвящен оценке риска для обслуживающего персонала в случае нештатной ситуации, ведущей к неконтролируемому выпуску элегаза в атмосферу. Такие ситуации, которые возникают очень редко, следующие:
* нештатная утечка газа вследствие разгерметизации корпуса, в котором содержится газ SF6;
внутреннее короткое замыкание вследствие неконтролируемого образования дуги в корпусе, в котором содержится газ SF6;
внешнее возгорание, приводящее к нештатной утечке.
Нештатная утечка
Метод оценки риска схож с методом, используемым в разделе «утечка из элегазового оборудования», который относится к обычной утечке. Тот же пример будет использован для оборудования высокого и среднего напряжения. В следующих расчетах предполагается, что утечка всего элегаза в одном из выключателей происходит внезапно, помещение подстанции герметичное, а вентиляция не работает (см. рис. 22). Таким образом, если бы полная утечка элегаза произошла на подстанции, концентрация SOF2 достигла бы 9,0 ppmv, т.е. приблизительно в 6 раз больше предельного порогового значения TLV.
На практике внимание было бы привлечено к нештатной утечке датчиками снижения давления, установленными на выключателях. Они обычно срабатывают при падении давления до ~80% от величины нормального давления заполнения, и в этот момент только 20% имеющегося элегаза находится в атмосфере, вследствие чего концентрация SOF2 становится равной 1,8 ppmv. В случае нештатной утечки SF6 в помещении, где находится подстанция среднего напряжения (см. рис. 23), концентрация SOF2, связанная с полной утечкой SF6 из одного выключателя, достигла бы 17,5 ppmv. Концентрация SOF2 в помещении подстанции при 20%-ом относительном снижении давления (обычно это является сигнальным уровнем) составила бы 3,5 ppmv.

Практический пример, условия и расчеты для оборудования высокого напряжения


A

Объем помещения (м3)

 

700

B

Объем корпуса выключателя (м3)

 

0,5

C

Давление заполнения (МПа)

 

0,5

D

Объем SF6/выключателя (м3)

B x C

0,25

E

Количество выключателей

 

7

F

Ток короткого замыкания выключателя (кА)

 

31,5

G

Напряжение дуги (В)

 

500

H

Длительность дуги (с)

 

0,015

I

Энергия дуги (1 разрыв/1 контакт) (кДж)

F x G x H

236,2

J

Энергия дуги (3 разрыва/3 контакта) (кДж)

9 x I

2,126

K

Норма выработки SOF2 (л/кДж)

 

3,7 x 10-3

L

Количество вырабатываемого SOF2 в выключателе (л)

K x J

7,87

M

Давление заполнения относительно атмосферного (МПа)

C - 0,1

0,4

N

Количество SOF2, утечка которого возможна (л)

L x M/C

6,3

P

Концентрация SOF2 в коммутационном зале (ppmv)

N / A

9,0

Рис. 22: Нештатная утечка SF6 в помещении подстанции высокого напряжения (145 кВ)
Практический пример, условия и расчеты для оборудования среднего напряжения


A

Объем помещения (м3)

 

120

B

Объем корпуса выключателя (м3)

 

45 x 10-3

C

Давление заполнения (МПа)

 

0,3

D

Объем SF6/выключателя (м3)

B x C

13,5 x 10-3

E

Количество выключателей

 

15

F

Ток короткого замыкания выключателя (кА)

 

31,5

G

Напряжение дуги (В)

 

200

H

Длительность дуги (с)

 

0,015

I

Энергия дуги (1 разрыв/1 контакт) (кДж)

F x G x H

94,5

J

Энергия дуги (3 разрыва/3 контакта) (кДж)

9 x I

850,5

K

Норма выработки SOF2 (л/кДж)

 

3,7 x 10-3

L

Количество вырабатываемого SOF2 в выключателе (л)

K x J

3,147

M

Давление заполнения относительно атмосферного (МПа)

C - 0,1

0,2

N

Количество SOF2, утечка которого возможна (л)

L x M/C

2,098

P

Концентрация SOF2 в коммутационном зале (ppmv)

N / A

17,5


В обоих описанных выше случаях TLV для SOF2 (1.6 ppmv) может быть превышено, но незначительно. При этих обстоятельствах воздействие в течение короткого периода представляет незначительный риск. Острый, неприятный запах SOF2 можно почувствовать при концентрации приблизительно 1 ppmv, и это означает, что большинство людей немедленно почувствуют присутствие газа при концентрациях, приближающихся к TLV. Однако для того, чтобы определить наличие газа, воздух вдыхать не рекомендуется.
Внутреннее короткое замыкание
Внутреннее короткое замыкание может произойти, если дуга неправильно образовалась между главными контактами коммутационного устройства или между главным контактам и заземлением. Такие замыкания происходят очень редко. Неправильное образование дуги приводит к быстрому увеличению давления, что может привести к выбросу горячих газов и других продуктов. Хотя внутреннее короткое замыкание может произойти в любом корпусе высокого напряжения, данный раздел посвящен внутренним коротким замыканиям в корпусах, заполненных газом SF6. Существуют три возможные причины возникновения таких замыканий:
- Внутреннее короткое замыкание, которое не приводит к нештатному выбросу элегаза. Это может произойти, если энергия, поданная коротким замыканием, недостаточна для того, чтобы вызвать возгорание или срабатывание предохранительного клапана (устройства разгрузки давления).
- Внутреннее короткое замыкание, при котором энергия дуги приводит к расплавлению стенки (обычно металлической, образующей один электрод дуги) или ее испарению, в результате чего в ней образуется отверстие. Этот тип замыкания относится главным образом к КРУЭ высокого напряжения.
- Внутреннее короткое замыкание, при котором повышение давления в корпусе достаточно для срабатывания устройств разгрузки давления. Этот процесс управляется перепускным клапаном или происходит разрушение специально ослабленной области корпуса, что приводит к направленному выбросу горячего газа.
Рассмотрим риск для обслуживающего персонала при замыканиях типа 2 и 3. Риск, связанный с использованием SF6 оцениваются на основании количества выпускаемого в атмосферу газа SOF2. Потенциально вредное воздействие других ядовитых паров, не связанных с использованием SF6, также рассматривается. Будет отмечено, что эти другие побочные продукты, которые также присутствуют при внутреннем коротком замыкании в оборудовании любого типа, могут нести основной вклад в токсичность атмосферы.
Делаются следующие предположения:
Для оборудования среднего напряжения, содержащего небольшой объем SF6, предполагается, что большая часть газа выпускается из корпуса за 50 мс. Данное предположение основано на измерениях давления, сделанных во время испытаний на внутреннее короткое замыкание.
Количество образованного SOF2 рассчитывается, используя период производства, равный 50 мс.
Для оборудования высокого напряжения будет использоваться период производства SOF2, равный 100 мс, поскольку длительность короткого замыкания в системах высокого напряжения обычно ограничивается приблизительно 100 мс.
Предполагается, что помещение подстанции изолировано от внешней окружающей среды.
Воздействие адсорбентов, вероятно, будет незначительным в пределах интересующего периода времени.
Весь SOF2, произведенный при коротком замыкании, выпускается в помещение (см. рис. 24 и 25). Результаты показывают, что в пределах помещения могут быть образованы существенные концентрации SOF2. Подробные токсикологические данные для SOF2, к сожалению, недоступны, но известно, что большие млекопитающие (кролики) могут выдержать воздействие в течение одного часа при концентрациях до 500 ppmv (см. раздел 4.2.2. стандарт МЭК 1634 -1995).
Практический пример, условия и расчеты для оборудования высокого напряжения


A

Объем помещения (м3)

 

700

B

Объем корпуса выключателя (м3)

 

31,5

C

Напряжение дуги (В)

 

1,000

D

Длительность дуги (с)

 

0,1

E

Энергия дуги (2 дуги, фаза-фаза) (кДж)

B x C x D

6,300

F

Норма выработки SOF2 (AI электроды) (л/кДж)

 

10 x 15-3

G

Количество SOF2, образованного в выключателе (л)

E x F

94,5

H

Концентрация SOF2 в коммутационном зале (ppmv)

G/A

135

Рис. 24: Внутреннее короткое замыкание внутри помещения подстанции с КРУЭ высокого напряжения (145 кВ)
Другие потенциально ядовитые вещества образуются при внутреннем коротком замыкании, включая пары металлов и пластмассы. Эти неизбежные продукты, которые не связаны с использованием SF6, могут доминировать, если рассматривать полную токсичность атмосферы. Это относится к любому типу коммутационного оборудования, элегазового или нет (см. раздел C 4.7.2. и C 4.7.3 стандарт МЭК 1634-1995).
Например, при коротком замыкании ошиновки испаряется только 10 граммов меди в атмосферу используемого в примере помещения, концентрация (пренебрегая эффектами окисления) будет равна (масса меди/объем помещения) 83 мг/м3. TLV для пара меди составляет 0,2 мг/м3. Это означает, что концентрация паров меди могла достигнуть значения, в 400 раз превышающего пороговое значение TLV. Аналогично, полное испарение только 32 граммов поливинилхлорида (эквивалент изоляции 1,2 м стандартного провода сечением 1 мм2) может привести к концентрации винилхлорида в атмосфере, превышающей TLV в 100 раз (2,6 мг/м3) .
Таким образом, можно сделать вывод, что при любом внутреннем коротком замыкании коррозийные и/или токсичные пары образуются вне зависимости от того, присутствует газ SF6, или нет. В случаях, когда эти пары попадают в атмосферу помещения подстанции, продукты, не связанные с газом SF6 будут наверняка иметь доминирующий вклад в общую токсичность. Это дополнительно говорит в пользу того, что использование элегаза в коммутационном оборудовании не приводит к существенному увеличению риска, связанного с образованием внутреннего короткого замыкания.
Внешнее возгорание
Возгорания на открытом воздухе редко создают проблемы вследствие относительного отсутствия огнеопасного материала рядом с коммутационным оборудованием. Для оборудования внутри помещения, особенно для подстанций среднего напряжения, существует большой риск возгорания рядом с коммутационным оборудованием. Исследования показали, что температура возгорания редко превышают 800°C, а температура рядом с корпусами элегазового оборудования, защищенного металлической наружной обшивкой, наверняка будет намного ниже этого значения. Очень маловероятно, чтобы выброс SF6 был вызван возгоранием. Если же это все же произошло, средние температуры, вероятно, будут слишком низкими (поскольку SF6 будет быстро рассеян посредством конвекции в области с меньшими температурами), чтобы привести к существенному распаду, для которого требуется температура не менее 500°C. SF6 не воспламеняется и будет гасить возгорание.
Рабочие, участвующие в борьбе с пожаром, должны использовать соответствующее снаряжение для защиты от паров горящей пластмассы.

Практический пример, условия и расчеты для оборудования среднего напряжения


A

Объем помещения (м3)

 

120

B

Объем корпуса выключателя (м3)

 

31,5

C

Напряжение дуги (В)

 

1,000

D

Длительность дуги (с)

 

0,5

E

Энергия дуги (2 дуги, фаза-фаза) (кДж)

B x C x D

1,575

F

Норма выработки SOF2 (Cu электроды) (л/кДж)

 

3,7 x 10-3

G

Количество SOF2, образованного в выключателе (л)

E x F

5,83

H

Концентрация SOF2 в коммутационном зале (ppmv)

G/A

48,6






Всего комментариев: 0



Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]


Новости сайта ukrelektrik.com


Последние статьи ukrelektrik.com


Последние ответы на форуме ukrelektrik.com

Электрическое отопление

Электроотопление
A_l_ik Multiki / 45

Влагозащищенные розетки

Электрозащитные средства
marketing4796 costyadziu2017 / 10