Разложение при возникновении электрических разрядов

SF₆ частично разлагается при возникновении электрических разрядов, которые можно сгруппировать в 4 основные типа, а именно:

- Частичные разряды коронного типа;

- Искровые разряды;

- Электрические дуги, возникающие в момент коммутации;

- Дуги КЗ.

Частичные Разряды

Действие частичных разрядов коронного типа вызвано нарушениями изоляции Они разлагают элегаз, главным образом, на SF₄ и F,которые, в дальнейшем, взаимодействуют с микропримесями кислорода, O₂, и воды, H₂O, с образованием соединений HF, SO₂, SOF₂, SOF₄ и SO₂F₂ [1.11]. Также образуются высшие химические соединения, такие как, S₂F₁₀, S₂OF₁₀ и S₂O₂F₁₀, однако в меньших и, практически, незначительных количествах. [1.6], [1.7]. В результате низкой интенсивности разрядов, количество образованных продуктов разложения очень мало, главным образом, в диапазоне нескольких десятков ppmv при давлениях заполнения SF6 около 500 кПа [1.9].

Искровые разряды

Искровые разряды могут возникать при крупных нарушениях изоляции, таких как плавающие проводники, и при коммутации разъединителя. Образовавшиеся продукты разложения имеют тот же самый вид, что и при коронных разрядах, однако их количественные скорости генерации и состав различны [1.8], [1.12]. Количества, образованные в разъединителях очень малы, потому что эти устройства функционируют редко и только отключают малые емкостные токи. Большие количества могут накапливаться только в тех случаях, если в течение длительных периодов времени будут преобладать серьезные нарушения изоляции, вызывающие постоянные искровые разряды, и, если оборудование не оснащено никакими адсорберами. Рекомендуется систематическое использование адсорберов, т.к. они подавляют накапливание продуктов разложения даже при таких наихудших условиях.

Электрические дуги, возникающие в момент коммутации

Дуги, возникающие при коммутации, встречаются в выключателях нагрузки и силовых выключателях. Большой ток в этих дугах вызывает значительное разрушение контактов и изоляционных материалов под действием горячей дуги. Основной причиной разложения элегаза является реакция этих продуктов разрушения с компонентами термически диссоциирующего элегаза и других незначительных газовых примесей, таких как кислород и водяной пар [1.11].

Наиболее важные из этих реакций можно выразить тремя формулами:

Cu + SF6 —> CuF₂ + SF₄ (1)

W + 3SF₆ —> WF₆ + 3SF₄ (2)

CF₂ + SF₆ —> CF₄ + SF₄ (3)

Первые две реакции – реакции присоединения эродированного материала дугогасительных контактов, обычно изготавливаемых из меди-вольфрама. Последняя реакция происходит из-за разрушения политетрафторэтилена (PTFE) (полимера CF₂), который используют в большей части коммутационной аппаратуры для изоляции дуги.

 

Первичные продукты, образованные реакциями (1) - (3) - твердый медный фторид CuF₂ и два газа SF₄ и WF₆. Два эти газа являются очень химически активными. Они выводятся из объема газа посредством:

- сорбции в адсорбере с последующим преобразованием химическими реакциями (хемосорбция);

- побочными реакциями в объеме газа, главным образом, реакцией гидролиза с остаточной влагой;

 

Коррозионные действия регулируются абсолютным парциальным давлением корродирующего агента. В современных конструкциях, однако, избегают использовать материалы, вещества восприимчивые к коррозии.

Некоторые из загрязняющих примесей химически инертны, например, воздух, CF4, а влага может воздействовать на изоляционную способность газа и коммутационную способность выключателя, если она присутствует в очень высоких концентрациях. Они могут также влиять на конвективный теплообмен через изоляционный газ. Эти влияния приблизительно пропорциональны, то есть они зависят от относительных концентраций загрязняющих примесей.

В зависимости от конденсированных (жидких и твердых) загрязняющих примесей необходимо различать три категории:

С теоретической точки зрения; основной проводящей жидкой загрязняющей примесью является вода, конденсирующаяся из водяного пара (влаги) в форме капель воды или пленок. Так как вода имеет чрезвычайно высокую диэлектрическую постоянную и высокую удельную электропроводность, она вызывает усиление локального поля в капельках и пленках проводящей поверхности вдоль изоляторов, что приводит к ухудшению изоляционных свойств. Необходимо отметить, что конденсация влаги в виде льда не влияет на изоляцию [1.13] [1.15].

 

Влага, главным образом, вносится в результате десорбции с поверхностей и внутренней структуры полимеров, см. Приложение 4, раздел 4. Ее конденсация регулируется абсолютной влажностью, которая лучше выражается в единицах парциального давления водяного пара p_H20

Конденсация жидкости возникает при p_H20 > 611 Па и температурах выше 0 °C.

Помимо воды, на изоляторах может осаждаться масло, здесь оно может обугливаться в результате термических или химических реакций и, таким образом, образовывать проводящие поверхностные слои. Так как это загрязнение очень трудно контролировать, его, по возможности, необходимо полностью избегать, например, путем использования безмасляной смазки и путем проведения газотехнологических операций исключительно с помощью оборудования, работающего без смазки.

Непроводящие твердые продукты разложения образуются от разрушенных дугой металлов в результате реакции с диссоциированным элегазом [1.11]. Они, главным образом, состоят из медного фторида CuF₂, оксида вольфрама WO₃, фторокиси вольфрама WO₂F₂ и WOF₄, создаваемых в результате эрозии контакта коммутационной аппаратуры ("коммутационная пыль"), и фторида алюминия AlF₃ в случае внутреннего дугового разряда. Они не наносят вреда изоляции, до тех пор пока не подвергаются воздействию избыточной влаги. Их необходимо принимать во внимание, только в случае выделения из оболочки при ремонте или пробое, т.к. они могут содержать токсичные и коррозионные газы в адсорбированной форме.

Проводящие твердые загрязняющие примеси, такие как углеродистая и металлическая пыль, могут стать критическими при осаждении на незащищенных поверхностях изолятора в виде проводящего слоя. В результате карбонизации полимерных материалов может образоваться сажа. Металлические пылинки, образованные при механическом трении могут переноситься потоком газа.

Анализ основных загрязняющих примесей, их природы, и результаты их вредного влияния впервые приводятся в первых 3 колонках Таблицы 1 в разделе 4.3.2.

В приложении 1 содержится детальное рассмотрение вышеупомянутых механизмов деградации и приблизительная оценка уровней примесей, ниже которых функциональные ухудшения могут быть исключены.

 

- побочные реакции на поверхностях оболочки, главным образом, гидролиз с адсорбированной с поверхности влагой, и реакции с окислами металлов / гидроксидами и кремнийсодержащими веществами, такими как кварцевые наполнители в полимерных изоляторах.

 

В коммутационной аппаратуре сорбция в адсорбере - доминирующий механизм удаления влаги. Два других процесса сравнительно незначительны с количественной точки зрения. Наличие адсорбера приводит к тому, что высокие концентрации продуктов разложения не могут накапливаться постоянно. Только в редких случаях кратковременного высокого уровня коммутационных операций, например, тяжелого режима отключения короткого замыкания, повышенная концентрация может существовать в течение некоторого времени, определяемого скоростью адсорбционного процесса, обычно от нескольких часов до нескольких дней.

Дуги КЗ

Дуги КЗ, являющиеся результатом пробоя изоляции или выхода коммутационной аппаратуры из строя при выполнении операции отключения, возникают чрезвычайно редко. В этих случаях дуга горит, главным образом, между металлическими деталями, которые не рассчитаны на дуговой разряд, например, из алюминия, меди и стали. Эти материалы обладают относительно высокой степенью эрозионного изнашивания. Кроме того, величина тока часто попадает в диапазон токов КЗ. Количество эродированного материала и соответствующее количество продуктов разложения газа может достигать концентраций в диапазоне нескольких объемных процентов [1.10]. В дополнение к этому, в более высоком количестве могут образовываться твердые продукты разложения.