Elegas i les seves propietats
El gas SF6 —gas elèctric— és hexafluorur de sofre SF6 (sis fluor)... El gas SF6 és l'aïllant principal dels elements cel·lulars aïllats amb SF6.
A pressió de treball i temperatures normals, gas SF6: gas incolor, inodor i no inflamable, 5 vegades més pesat que l'aire (densitat 6,7 enfront de 1,29 per a l'aire), pes molecular també 5 vegades superior al de l'aire.
El gas SF6 no envelleix, és a dir, no modifica les seves propietats amb el temps; es descompon durant una descàrrega elèctrica, però es recombina ràpidament, recuperant la seva rigidesa dielèctrica original.
A temperatures de fins a 1000 K, el gas SF6 és inert i resistent a la calor, fins a temperatures d'uns 500 K és químicament inactiu i no és agressiu cap als metalls utilitzats en la construcció d'aparells de commutació SF6.
En un camp elèctric, el gas SF6 té la capacitat de capturar electrons, donant lloc a una alta rigidesa dielèctrica del gas SF6. En capturar electrons, el gas SF6 forma ions de baixa mobilitat que s'acceleren lentament en un camp elèctric.
El rendiment del gas SF6 millora en un camp uniforme, per tant, per a la fiabilitat operativa, el disseny dels elements individuals de l'aparell ha de garantir la màxima uniformitat i homogeneïtat del camp elèctric.
En un camp no homogeni, apareixen sobretensions locals del camp elèctric, que provoquen descàrregues corona. Sota la influència d'aquestes descàrregues, l'SF6 es descompon, formant fluorurs inferiors (SF2, SF4) al medi ambient, que tenen un efecte nociu sobre els materials estructurals. aparell complet aïllat en gas (GIS).
Per evitar fuites, totes les superfícies dels elements individuals de les peces metàl·liques i les reixetes de les cèl·lules estan netes i llises i no han de tenir rugositat ni rebaves. L'obligació de complir aquests requisits ve dictada pel fet que la brutícia, la pols i les partícules metàl·liques també creen tensions locals en el camp elèctric i, per tant, la rigidesa dielèctrica de l'aïllament SF6 es deteriora.
L'alta rigidesa dielèctrica del gas SF6 permet reduir les distàncies d'aïllament a baixa pressió de treball del gas, com a resultat de la qual cosa es redueix el pes i les dimensions de l'equip elèctric. Això, al seu torn, permet reduir la mida de l'aparell, que és molt important, per exemple, per a les condicions del nord, on cada metre cúbic de local és molt car.
L'alta rigidesa dielèctrica del gas SF6 proporciona un alt grau d'aïllament amb dimensions i distàncies mínimes, i la bona capacitat d'extinció de l'arc i la capacitat de refrigeració de l'SF6 augmenten la capacitat de trencament dels dispositius de commutació i redueixen escalfar les parts actives.
L'ús de gas SF6 permet, en igualtat de condicions, augmentar la càrrega actual en un 25% i la temperatura admissible dels contactes de coure fins a 90 °C (a l'aire 75 °C) a causa de la resistència química, la no inflamabilitat, la seguretat contra incendis. i major capacitat de refrigeració del gas SF6.
Un desavantatge de l'SF6 és la seva transició a un estat líquid a temperatures relativament altes, que estableix requisits addicionals per al règim de temperatura de l'equip SF6 en funcionament. La figura mostra la dependència de l'estat del gas SF6 de la temperatura.
Gràfic de l'estat del gas SF6 en funció de la temperatura
Per al funcionament d'equips SF6 a temperatures negatives menys 40 gr. Cal que la pressió del gas SF6 a l'aparell no superi els 0,4 MPa a una densitat de no més de 0,03 g / cm3.
A mesura que augmenta la pressió, el gas SF6 es liquarà a una temperatura més alta. per tant, per tal de millorar la fiabilitat dels equips elèctrics a temperatures d'aproximadament menys 40 ° C, s'ha d'escalfar (per exemple, el dipòsit d'un interruptor automàtic SF6 s'escalfa a més 12 ° C per evitar el pas del gas SF6 a un líquid). estat).
La capacitat d'arc del gas SF6, en igualtat de coses, és diverses vegades més gran que la de l'aire. Això s'explica per la composició del plasma i la dependència de la temperatura de la capacitat calorífica, calor i conductivitat elèctrica.
En estat de plasma, les molècules de SF6 es desintegren. A temperatures de l'ordre de 2000 K, la capacitat calorífica del gas SF6 augmenta bruscament a causa de la dissociació de les molècules. Per tant, la conductivitat tèrmica del plasma en el rang de temperatures 2000 - 3000 K és molt més alta (en dos ordres de magnitud) que la de l'aire. A temperatures de l'ordre de 4000 K, la dissociació de les molècules disminueix.
Al mateix temps, el sofre atòmic de baix potencial d'ionització format a l'arc SF6 contribueix a una concentració d'electrons que és suficient per mantenir l'arc fins i tot a temperatures de l'ordre de 3000 K. A mesura que la temperatura augmenta encara més, la conductivitat del plasma disminueix, assolint la conductivitat tèrmica de l'aire i després torna a augmentar. Aquests processos redueixen la tensió i la resistència d'un arc en flames en gas SF6 en un 20-30% en comparació amb un arc a l'aire a temperatures de l'ordre de 12.000-8.000 K. Com a resultat, la conductivitat elèctrica del plasma disminueix.
A temperatures de 6000 K, el grau d'ionització del sofre atòmic es redueix significativament i es millora el mecanisme de captura d'electrons per fluor lliure, fluorurs inferiors i molècules de SF6.
A temperatures d'uns 4000 K, s'acaba la dissociació de les molècules i comença la recombinació de les molècules, la densitat d'electrons disminueix encara més a mesura que el sofre atòmic es combina químicament amb el fluor. En aquest interval de temperatura, la conductivitat tèrmica del plasma encara és significativa, l'arc es refreda, això també es facilita per l'eliminació d'electrons lliures del plasma a causa de la seva captura per molècules de SF6 i fluor atòmic. La rigidesa dielèctrica de la bretxa augmenta gradualment i finalment es recupera.
Una característica de l'extinció de l'arc en el gas SF6 rau en el fet que a un corrent proper a zero, la vareta d'arc prima encara es manté i es trenca en l'últim moment de l'encreuament del corrent pel zero.A més, després que el corrent passa per zero, la columna d'arc residual del gas SF6 es refreda intensament, inclòs a causa de l'augment encara més gran de la capacitat calorífica del plasma a temperatures de l'ordre de 2000 K, i la rigidesa dielèctrica augmenta ràpidament. .
L'augment de la rigidesa dielèctrica del gas SF6 (1) i l'aire (2)
Aquesta estabilitat de la combustió de l'arc en gas SF6 fins a valors de corrent mínims a temperatures relativament baixes provoca l'absència d'interrupcions de corrent i grans sobretensions durant l'extinció de l'arc.
A l'aire, la rigidesa dielèctrica de la bretxa en el moment en què el corrent d'arc creua zero és més gran, però a causa de la gran constant de temps de l'arc a l'aire, la velocitat d'augment de la rigidesa dielèctrica després que el corrent creua zero és menor.