Элегаз: мифы и реальность

Кратко о свойствах элегаза

• — электрическая прочность выше чем у воздуха в 2-4 раза (способен захватывать электроны, что и увеличивает его прочность)
• — пробивное напряжением 89 кВ/см
• — не стареет (в результате распада после электрического разряда рекомбинирует)
• — высокая диэлектрическая прочность (как следствие уменьшение размеров оборудования)
• — хорошая способность гашения дуги (как следствие уменьшается нагрев токоведущих частей)
• — при высоких температурах переходит в жидкое состояние (необходимо следить за температурным режимом электрооборудования)
• — при низких температурах (порядка минус сорок градусов цельсия) для сохранения рабочих характеристик элегаз необходимо подогревать

Токсичные соединения

Сам по себе элегаз не токсичен, ГОСТ относит его к малоопасным веществам (четвёртый класс опасности). Инертность гексафторида серы лишь немного не дотягивает до инертности гелия.

Разлагается он при температуре выше 1100°С, так что воздействие электрической дуги приводит к возникновению ядовитых газообразных продуктов — низших фторидов и соединений серы.

Если внутрь заполненной элегазом камеры попадают водяные пары и кислород, могут возникнуть агрессивные соединения фтороводородов, плавиковая кислота и прочие высокотоксичные продукты.

Установленные в современных коммутационных и распределительных устройствах фильтры-адсорберы поглощают влагу и газообразные продукты разложения, а твёрдые оседают в самих аппаратах, никак не сказываясь на их работоспособности.

К тому же устройства с элегазовой изоляцией не требуют частого обслуживания, во многих из них заполненные гексафторидом серы герметичные контейнеры вообще не вскрываются в течение всего срока эксплуатации.

Проблемы возникают во время ремонта, который должны проводить квалифицированные сотрудники с использованием специального оборудования: даже при соблюдении всех мер безопасности утечку токсичных соединений полностью исключить не получится.

Взрывоопасность

Иногда из-за внутреннего короткого замыкания на корпус возникает устойчивая электрическая дуга, которая приводит к резкому росту давления внутри контейнера с элегазом.

Когда гексафторид серы только начинали использовать в энергетике, это создавало проблемы, которые в современных устройствах решены: производители оснащают их клапанами сброса избыточного давления и другими защитными механизмами.

В большинстве случаев они спасают элегазовые устройства от «взрыва», однако в случае заводского брака или неправильного подключения последствия могут быть трагическими.

Определение и применение элегаза

Элегаз – это шестифтористая сера, которую относят к электротехническим газам. Благодаря изоляционным свойствам ее активно применяют при производстве электротехнических устройств.

В нейтральном состоянии элегаз представляет собой негорючий газ без цвета и запаха. Если его сравнивать с воздухом, то можно отметить высокую плотность (6,7) и молекулярную массу, превышающую воздушную в 5 раз.

Одно из преимуществ элегаза – устойчивость к внешним проявлениям. Он не меняет характеристик при любых условиях. Если происходит распад во время электроразряда, то вскоре наступает полноценное, необходимое для работы восстановление.

Секрет в том, что молекулы элегаза связывают электроны и образуют отрицательные ионы. Качество «электроотрицания» наделило 6-фтористую серу такой характеристикой, как электрическая прочность.

На практике электропрочность воздуха в 2-3 раза слабее, чем то же свойство элегаза. Кроме прочего, он пожаробезопасен, так как относится к негорючим веществам, и обладает охлаждающей способностью.

Когда возникла необходимость отыскать газ для гашения электродуги, стали изучать свойства SF6 (шестифтористой серы), 4-хлористого углерода и фреона. В испытаниях победила SF6

Перечисленные характеристики сделали элегаз максимально подходящим для применения в электротехнической сфере, в частности, в следующих устройствах:

• силовые трансформаторы, работающие по принципу магнитной индукции;
• распределительные устройства комплектного типа;
• линии высокого напряжения, связывающие удаленные установки;
• высоковольтные выключатели.

Но некоторые свойства элегаза привели к тому, что пришлось усовершенствовать конструкцию выключателя. Основной недостаток касается перехода газообразной фазы в жидкую, а это возможно при определенных соотношениях параметров давления и температуры.

Чтобы оборудование работало без перебоев, необходимо обеспечить комфортные условия. Предположим, для функционирования элегазовых устройств при -40º необходимо давление не более 0,4 МПа и плотность менее 0,03 г/см³. На практике при необходимости газ подогревают, что препятствует переходу в жидкую фазу.

Химические свойства

Гексафторид серы — достаточно инертное соединение, не реагирует с водой, вероятно, из-за кинетических факторов. Не реагирует также с растворами HCl и NaOH, однако при действии восстановителей могут протекать некоторые реакции.

В составе молекулы газа 21,95 % серы и 78,05 % фтора по массе.

Взаимодействие с металлическим натрием проходит только при нагревании, однако уже при 64 °C взаимодействует с раствором натрия в аммиаке:

SF6+8Na→Na2S+6NaF

Гексафторид серы реагирует с литием с выделением большого количества тепла:

SF6+6Li→S+6LiF

При этом продукты реакции — элементарная сера и фторид лития — имеют меньший объём, чем исходные вещества, что нашло применение в некоторых экзотических тепловых двигателях (см. ).

С водородом и кислородом гексафторид не реагирует. Однако, при сильном нагревании (до 400 °C) SF6 взаимодействует с сероводородом, а при 30 °C — с иодоводородом

Опасен ли элегаз для персонала подстанции?

При комнатной температуре и давлении порядка 1 атм элегаз, в том числе и в смеси с воздухом, напрямую не опасен для человека. Но при его утечке в условиях закрытого помещения он будет вытеснять воздух, затрудняя дыхание. Проблема решается правильно организованной вентиляцией.

Газообразные побочные продукты распада элегаза при температуре +1100 в присутствии молекул воздуха и воды.

Элегаз стоит дорого, поэтому для снижения общей стоимости решения его закачивают в оборудование в смеси с азотом или хладоном. Даже если заполнять оборудование только элегазом, в нем естественным образом имеются примеси, например, водяные пары. В результате аварийной ситуации элегаз может нагреться до температуры выше +1100 °C, что приводит к его реакции с другими газами, присутствующими в смеси, с образованием высокотоксичных веществ. Поскольку аварийные ситуации зачастую сопровождаются разгерметизацией оборудования, эти вещества выходят наружу и способны причинить вред здоровью персонала подстанции.

Из-за высокой текучести элегаза приходится применять дополнительные меры по герметизации оборудования

В элегазовых выключателях при коммутации кратковременно возникает электрическая дуга, которая быстро затухает. Тем не менее в ней при температуре порядка нескольких тысяч градусов по Цельсию происходит частичное разложение гексафторида серы; результаты разложения постепенно накапливаются внутри выключателя. При нарушении герметичности его камеры эти токсичные вещества попадают наружу.

Давление элегаза внутри электрооборудования может достигать 7 атм. При быстром его выбросе из оборудования в результате аварии либо неправильных действий персонала из-за высокого коэффициента теплового расширения температура вещества падает ниже 0 °C. Люди, попавшие в струю элегаза при таких условиях, могут получить обморожение.

Тем не менее все эффекты, связанные с элегазом, хорошо предсказуемы, от них имеется защита. Поэтому при соблюдении установленных правил эксплуатации устройства с применением элегаза безопасны для обслуживающего персонала.

Элегаз отличается высокой текучестью, позволяющей ему просачиваться через уплотнительные соединения или через металлические оболочки контейнеров.

Однако даже в высоковольтных устройствах, где давление в камере достигает семи атмосфер, норма годовой утечки не превышает 1% (на практике ещё меньше). В устройствах среднего напряжения проблем с утечками и вовсе нет.

Предельно допустимая концентрация элегаза в производственных помещениях составляет 5000 мг/м³.

Если он накопится в более высокой концентрации, у персонала может возникнуть кислородная недостаточность: отечественные «Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей» требуют оснащать помещения с ячейками комплектных распределительных устройств с элегазовой изоляцией (КРУЭ) приспособлениями, сигнализирующими о недопустимой концентрации гексафторида серы и включающими приточно-вытяжную вентиляцию.

Борьба с изменением климата

Будучи инертным при температуре до +800 °C, электрический газ, попадая в стратосферу, практически не разлагается, вытесняя оттуда озон. Кроме этого, оптические свойства элегаза таковы, что он плохо пропускает длинноволновое инфракрасное излучение, способствуя тем самым парниковому эффекту. В связи с этим гексафторид серы был отнесен к газам, способствующим глобальному потеплению. По мнению экологических активистов, один килограмм элегаза, попавшего в атмосферу, оказывает влияние на климат, как 23-29 тонн (!) углекислого газа.

Отработанный элегаз подлежит в обязательном порядке сбору и повторному использованию после глубокой очистки. Эти процессы в нашей стране регламентируются ГОСТ Р 54426-2011 (МЭК 60480:2004) «Руководство по проверке и обработке элегаза (SF6 ), взятого из электрооборудования, и технические требования к его повторному использованию».

Монреальский протокол, принятый в 1987 г., регламентировал выбросы в атмосферу газов, способствующих возникновению озоновых дыр. В 2007 г. принимается Киотский протокол, ограничивающий выбросы газов, вызывающих парниковый эффект. Оба международных соглашения ратифицированы Россией.

Как в Монреальском, так и в Киотском протоколе элегаз упомянут в числе веществ, способствующих изменению климата на планете. Данное обстоятельство является почвой для спекулятивных рассуждений на тему якобы грядущего полного запрета элегаза. А что на самом деле?

Мы не будем здесь рассуждать, что до сих пор точно не установлено, может ли вообще попасть элегаз, с его плотностью в 5 раз больше воздуха, в стратосферу. Отставим в сторону и критику Киотского протокола со стороны авторитетных ученых. Рассмотрим только формальную юридическую сторону вопроса.

Монреальский и Киотский протоколы сами по себе не запрещают применение тех или иных газов. Они ограничивают их выброс в атмосферу. Например, газ, содержащийся в аэрозольных баллончиках, невозможно собрать и использовать повторно. Поэтому сразу после принятия Монреальского протокола по всему миру стали применять в аэрозольных баллончиках другие газы, более безопасные для озонового слоя. Организовать же сбор и повторное использование элегаза возможно. Поэтому при соблюдении соответствующих правил его применение не противоречит указанным международным документам.

Вокруг аппаратуры с элегазом на напряжения от 6 до 35 кВ в Евросоюзе развернулась нешуточная борьба. Первоначально после принятия Киотского протокола был взят курс на полный отказ от применения элегаза в таком оборудовании. С 1 января 2015 г. вступили в действие новые правила по выбросам парниковых газов, которые уже не столь категоричны в отношении данного класса устройств. Предполагалось к 2020 г. рассмотреть возможность отказаться от применения там элегаза, но только, если будут найдены менее вредные альтернативы. До сих пор никакого решения так и не было принято, а это значит, что элегаз и в Евросоюзе по-прежнему можно беспрепятственно использовать в электрооборудовании. Дополнительно новые правила обязывают устанавливать датчик утечки на установки, где содержится более 22 кг элегаза (что характерно для оборудования на 110 кВ и выше).

Тем не менее так и не реализованная инициатива по запрету элегаза является внутренним делом Евросоюза, не влияющим на применение вещества за его пределами.

Альтернативы элегазу

Элегаз используется в качестве изоляции и коммутационной среды в распределительных устройствах. Данный газ обладает хорошими коммутационными свойствами и позволяет уменьшить размеры распределительных устройств с газовой изоляцией в сравнении со стандартными распределительными устройствами с воздушной изоляцией. Однако, несмотря на то, что для распределительных устройств высокого напряжения (>52 кВ), используемых в сетях электропередачи, отсутствуют экономически выгодные альтернативы элегазу, его применение в распределительных устройствах среднего напряжения (<52 кВ) является абсолютно излишним.

На рынке присутствуют альтернативы элегазовым устройствам, ничуть не уступающие им по качеству [2]. В качестве альтернативы элегазу может применяться комбинация вакуумной технологии для коммутации и высококачественных материалов для изоляции. За счет этого можно уменьшить размеры распределительных устройств до размеров, сравнимых с элегазовыми распределительными устройствами.

Устройство и виды элегазовых выключателей

Эти системы предназначены для оперативного контроля состояния высоковольтных линий электропередач. Они очень похожи на масляные, но имеют иную рабочую среду — принцип действия основан на свойствах соединения газов вместо масла. В качестве среды используется SF6 (шестифтористая сера).

Преимущество элегаза — неприхотливость. Если масляным моделям требуется особый уход, периодическая замена масла и очистка, то элегазовые с такой проблемой не сталкиваются. Кроме того, газ долговечен: он не деградирует со временем и почти не вредит механическим элементам выключателя.

Физически SF6 — негорючий бесцветный и лишенный запаха газ. Он гораздо плотнее воздуха, а молекулярная масса в 5 раз превышает воздушную. Газ стоек ко внешним воздействиям и сохраняет характеристики: даже если в нем возникнет дуга и начнется распад, через некоторое время состояние смеси восстановится.

Элегазовые выключателя (далее ЭВ) бывают двух видов:

• баковый;
• колонковый ЭВ.

Колонковые ЭВ применяют в сетях 220 В, это стандартные однофазные выключатели. Они состоят из двух связанных между собой частей:

• дугогасительная;
• контактная часть.

Обе имеют одинаковые размеры и объем.

Баковые ЭВ меньше. В их состав входит один из видов, рассмотренных ниже приводов. Распределение привода идет на несколько фаз, благодаря чему устройство мягко изменяет уровень напряжения. Еще одно достоинство баковых — большая допустимая нагрузка, что достигается наличием встроенного трансформатора.

Привод здесь — одновременно и регулятор: он обеспечивает включение/разрыв потока электричества и поддержания электродуги. Выделяют следующие типы приводов ЭВ:

• пружинно-гидравлические (ППРГ);
• более простые пружинные (ППРМ).

Обычно привод монтируется на низкой опоре или у земли, чтобы обслуживающий персонал мог легко до него добраться и отрегулировать. Деталь состоит из:

• включающего механизма;
• устройства расцепления;
• фиксирующей защелки.

Пружинные надежны и устроены весьма просто, в них используется лишь несложная механика. При вводе в эксплуатацию устанавливается определенное сжатие пружины, а после смещения контрольного рычага происходит ее распрямление с дальнейшим размыканием контактов. Этот тип ЭВ часто служит стендом для презентаций поведения шестифтористой серы под действием электрического поля.

Пружинно-гидравлическое элегазовое оборудование имеет гидравлическое управление. Оно дороже, но эффективнее, поскольку способно самостоятельно менять позицию фиксатора.

Помимо конструкции, различают виды ЭВ по принципу прерывания электрической дуги:

• вращающие;
• воздушные (автокомпрессионные) ЭВ;
• продольного дутья;
• аналогичные предыдущему пункту, с разогревом газа.

Все внутренние компоненты ЭВ размещены в заполненной элегазом емкости. Контроль работы осуществляется дистанционно, с помощью электроники, или механическим способом вручную. Схема расположения всех компонентов типичного ЭВ

Такие особенности приводят к довольно крупным габаритам приборов. Отметим, что сугубо ручное управление актуально для маломощных образцов, в других случаях прибегают к:

• механическому контролю;
• грузовому управлению;
• пружинному;
• электромагнитному способу;
• пневматическому.

Но практически везде предусмотрен аварийный ручной рычаг.

Электромагнитный привод нуждается во внешнем питании, поэтому такой ЭВ подключают к источнику тока на 220 В и 58 А. Система весьма надежна и успешно эксплуатируется в неблагоприятных условиях. У пневматического, рабочим узлом выступает цилиндр с поршнем. Действие сжатого воздуха обеспечивает высокую скорость срабатывания.

Принцип работы

Элегазовые выключатели выполняют свою функцию путем изолирования фаз газовой прослойкой. Получив сигнал на отключение электрооборудования, контакты размыкаются, образуется находящаяся в среде газа дуга. Электричество разлагает SF6, но дуга при этом слабеет за счет высокого уровня давления. Если же выключатель отрегулирован на малое давление, в действие вступают нагнетающие компрессоры. Также используют выравнивающие ток шунты.

Как уже указывалось, секрет заключен в рабочей среде — элегазе. Его молекулы легко связывают содержащиеся в SF6 электроны и производят отрицательные ионы. Иногда это свойство называют «электрической прочностью». У воздуха она, например, слабее почти в три раза. Кроме того, SF6 способен эффективно охлаждать.

Благодаря этому системы на его основе получили распространение в электротехники, например:

• в силовом трансформаторном оборудовании;
• распределительных устройствах;
• выключателях высокого напряжения;
• на соединяющих удаленные системы высоковольтных линиях электропередач.

В баковых образцах управление выполняется трансформаторами и входящими в схему приводами.

Достоинства и недостатки

Учитывая вышеупомянутое, между плюсами выключателей элегазового типа можно отметить следующее:

• возможность установки в электроустановках как закрытого, так и открытого выполнения буквально всех классов напряжения;
• отмечается простота и надежность конструкции в эксплуатации;
• высокая интенсивность скорости срабатывания;
• низкие динамические нагрузки на фундаментные опоры;
• неплохая отключающая способность;
• небольшие габаритные пропорции и сумма веса;
• наличие в приводе автоматического управления двух ступеней обогрева;
• большой коммутационный ресурс контактной системы;

Недостатки элегазовых выключателей:

• требуется более внимательное отношение к использованию и учету элегаза;
• высокие необходимые условия к качеству элегаза;
• необходимость специально подготовленных устройств для заполнения, перекачки и фильтрации элегаза;
• относительно высокая стоимость элегаза;
• сложность и накладность изготовления – при производственном изготовлении неизбежно нужно соблюдать высокоё качество аппарата;
• дороговизна конструкции и второстепенных элементов;
• при выводе из строя выключателя в режиме ЧП, починка данного аппарата может быть не актуальной.

Почему разработчики отказываются от электротехнического газа?

Несмотря на все достоинства элегаза, безэлегазовые технологии набирают обороты. Безусловно, элегаз — хороший изолятор. Но его вред для окружающей среды в десятки тысяч раз выше, чем от диоксида углерода или метана. Если у последнего показатель ПГП («потенциал глобального потепления», или GWP, — введён Киотским протоколом в 1997 году) на отрезке в 20 лет равен 72, то ПГП гексафторида серы — уже 16 300, притом время его существования в окружающей среде достигает 3200 лет (в сравнении с 12 годами у метана). И это ещё не всё.

Помимо этого, в случае возникновения внутреннего дугового замыкания, при котором неизбежно происходит разгерметизация бака с элегазом, продукты горения и разложения элегаза крайне опасны для человека, так как являются ядовитыми веществами.

Использующие элегаз устройства требуют особой тщательности исполнения. Даже незначительные шероховатости на стенках камеры приводят к образованию очагов перенапряжённости электрического поля, вызывающих коронные разряды. Под их воздействием элегаз разлагается на низшие фториды, химически агрессивные к материалам, из которых сделана ячейка.

Также обстоят дела и с утилизацией элегазовых устройств — серьёзная техническая проблема, требующая дорогих технических решений. Например, в Австралии работает целый завод, единственная задача которого — восстановление гексафлорида серы для повторного использования.

Таким образом, полный цикл эксплуатации элегазовых устройств связан с серьёзными расходами. Они особенно велики при выводе подстанций из эксплуатации. Цена утилизации элегазового оборудования может достигать 50 % от остаточной стоимости устройств. Просто выбросить их нельзя, причём не только по морально-этическим соображениям, — в ряде стран закон относит гексафторид серы к ядовитым газам, требующим особой процедуры утилизации.

Когда уйдёт элегаз?

Технологии, позволяющие использовать вакуумную и твёрдую изоляцию, появились ещё в 50-е годы прошлого века. Но любые инновационные разработки, как правило, стоят достаточно дорого. К тому же, для значительной части компаний защита окружающий среды не являлась приоритетным элементом корпоративной миссии.

В течение длительного периода безэлегазовые устройства дешевели, и сегодня их цена практически сравнялась со стоимостью элегазовых изделий. В то же время экологическая повестка стала частью не только корпоративных стратегий компаний, но и государственных политик ряда стран. В Европе использование элегаза уже запрещено во многих отраслях, и хотя электротехническая промышленность не входит в их число, ещё в 2018 году был принят ряд нормативных актов, достаточно жёстко регламентирующих его применение.

По этим причинам, вероятнее всего, отказ от использования элегаза в электротехнических устройствах — уже среднесрочная перспектива. Именно сейчас потребителю пора планировать замену морально устаревшего и экологически небезопасного оборудования на современное, использующее в качестве изоляционной среды вакуум и твёрдые материалы.

Что предлагает компания Eaton?

Компания Eaton приступила к разработке безэлегазовых устройств ещё в середине прошлого века — безопасность и экологическая чистота всегда были приоритетными в её корпоративной системе ценностей. На сегодняшний день она обладает одной из самых высоких компетентностей в данной области.

Свою стотысячную безэлегазовую ячейку Eaton выпустили ещё в 2018 году. В настоящее время Eaton производит комплектные распределительные устройства (КРУ) Xiria с номинальным током сборных шин 630 А для сетей с напряжением до 24 кВ. Они не только не содержат элегаза, но и не нуждаются в использовании смазки для механических элементов. Благодаря этим свойствам ячейки практически не требуют специального обслуживания, что заметно снижает совокупную стоимость владения.

Утилизация ячеек Eaton Xiria также не влечёт дополнительных затрат, поскольку устройство состоит только из материалов, подлежащих переработке. В качестве твёрдого изолятора используется эпоксидная смола, которая может быть разрушена в конце срока службы. Остальные компоненты выполнены из меди, алюминия и других металлов, пригодных для повторного использования.