Комплексная система обеспечения качества элегаза в электрооборудовании

Глава четвертая

КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕГАЗА
В ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИИ

4.1.        ВВЕДЕНИЕ В ПРОБЛЕМУ КАЧЕСТВА ЭЛЕГАЗА

Обеспечение качества элегаза в электрооборудовании явля­ется одним из наиважнейших элементов комплексной системы физико-химического обеспечения работоспособности элегазового оборудова­ния. Проблема качества элегаза — это физико-химическая проблема, связанная с наличием тех или иных химических примесей в элегазе электроаппарата, которые каким-либо образом могут мешать его рабо­те. Приведем простейший пример. Нормативная влажность товарного элегаза определяется точкой росы – 40 °С. При избыточном давлении в аппарате 0,6 МПа температура конденсации составит – 21,5 °С. Это значит, что при более низкой температуре аппарат работать не должен. Но суть проблемы несколько сложнее: если даже в аппарат закачивать хорошо осушенный элегаз, то очень скоро может обнаружиться, что усилия были тщетны! Элегаз окажется увлажненным.

Задача состоит в том, чтобы, прежде всего, обрисовать существо про­блемы и определить нормативные условия, обеспечивающие требуемое качество элегаза в аппарате. В этом суть идеологии: в целях обеспечения надежности, а также с экономических позиций выгоднее принять пре­вентивные меры, создав условия для обеспечения нормативов на весь срок эксплуатации, нежели решать эти вопросы в процессе эксплуата­ции посредством диагностических мероприятий. На это и направлена созданная на базе физико-химических исследований система обеспече­ния качества элегаза в электротехническом оборудовании [4.1— 4.8]: на разработку комплекса мер в виде технических требований на все стадии создания электроаппарата (конструирование, технология производства и процедуры при подготовке к эксплуатации), исполнение которых неиз­бежно приведет к решению проблемы обеспечения качества элегаза в электроаппарате в течение всего срока эксплуатации.

Качество элегаза оказывает влияние на функционирование элегазо­вого высоковольтного электрооборудования. Излишнее содержание га­зообразных примесей в элегазе может привести к ухудшению рабочих характеристик и снижению ресурса оборудования, а в определенных

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,

       ρв ( /100),

где ρв = 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

       Cвоздух =  + 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 = Vг + Vж;

       m = Vгρг + Vжρж,

где V, Vг и Vж — общий объем, объем газовой и жидкой фаз элегаза; m — общая масса элегаза; ρг и ρж — плотность газовой и жидкой фаз элегаза. Откуда

       Vж = (m – Vρг) /(ρж – ρг);

       Vг = –(m – Vρж) /(ρж – ρг)                (4.2)

и соответственно

       mж = ρж(m – Vρг) /(ρж – ρг);

       mг = – ρг(m – Vρг) /(ρж – ρг).                (4.3)

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

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

       Qж = 10–3mжC,

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

       Qж = 10–3Cρж(m – Vρг) /(ρж – ρг).                        (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

       Kр = Cж /Cг = (Qж /Vж) /(Qг /Vг),                                (4.5)

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

       Qг = (QжVг) /(KрVж).

Поскольку

       Vг = V – Vж = V – (m – Vρг) /(ρж – ρг),

а

       Qж /Vж = 10–3Cρж,

то

       Qг = 10–3Cρж [V – (m – Vρг) /(ρж – ρг)] /Kр.                                (4.6)

Общая масса примеси в баллоне

       Q = Qг + Qж =

= 10–3Cρж [V – (m – Vρг) /(ρж – ρг)] /Kр + 10–3Cρж (m – Vρг) /(ρж – ρг),                                                        (4.7)

где V — объем баллона, л; ρж и ρг — плотность элегаза в газовой и жид­кой фазах, кг/л; Kр — 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*)

ρг = 0,1915 кг/л (табл. 1.4)

ρж = 1,3908 кг/л (табл. 1.4)

= 3 (гл. 1)

Vж = 28,30 л [уравнение (4.2)]

mж = 39,36 кг [уравнение (4.3)]

Vг = 11,7 л [уравнение (4.2)]

mг = 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.

4.3.3.        ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ ИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА КАЧЕСТВО ЭЛЕГАЗА В АППАРАТЕ

Расчет влагосодержания элегаза

Если концентрация воды  определена в весовых единицах, г/кг, то масса воды, г, может быть определена как

       Q = V,                (4.8)

где V — объем аппарата, м3;  — плотность элегаза в аппарате, кг/м3.

Если влагосодержание задано абсолютной влажностью А, г/м3, то

       Q = АV.

Расчет влагосодержания изоляционных материалов

Масса воды в изоляционном материале, г, при условии его полного насыщения, может быть подсчитана как произведение массы изоляци­онного материала qк, кг, на его предельное влагосодержание, %-масс.

       Q = (qк – /100)1000 = 10 qк.

Предельное влагосодержание некоторых изоляционных материалов, полученное экспериментально, приведено в табл. 4.3.Если изоляционный материал равномерно пропитан водой при отно­сительной влажности В, то масса воды в нем будет равна

       Q = 10 Вqк.

Однако поскольку диффузионный процесс в твердом материале про­текает очень медленно, для реальных изоляторов необходимо учиты­вать нелинейность распределения концентрации воды по толщине изо­лятора и динамику этого процесса. Концепция нелинейного распределения влаги в изоляционном материале

Диффузия вещества через твердый материал описывается вторым за­коном Фика, который связывает первую производную концентрации по времени со второй производной концентрации по расстоянию через ко­эффициент диффузии D

       дС /дt = D д2C /дx2.                (4.9)

Решение этого уравнения позволяет рассчитать распределение кон­центрации как функцию времени и толщины слоя твердого материала. Для удобства расчета вводится понятие нормализованного времени [4.11]

       Й = πDt /d 2.                (4.10)

где d — половина толщины твердого материала, см; t — время, с.

Расчет выполняется с привлечением графика относительной инте­гральной адсорбции как функции нормализованного времени (рис. 4.2).Интегральная адсорбция a вне зависимости от распределения — это общее количество воды в твердом материале, выраженное в объемных единицах, см3 H2O/ см3 полимера, т. е. обобщенное влагосодержание

       a = [(m – m0) /] /[m0 /ρп],                        (4.11)

©™∑ ρп и  — плотность полимера и воды; m0 и m — масса полимера до и после адсорбции воды. Относительная интегральная адсорбция (безразмерная величина) — отношение интегральной адсорбции a к ее предельному значению as.

Распределение вещества в твердом материале зависит от времени, концентрации воды у поверхности полимера и толщины твердого мате­риала (рис. 4.3). Из приведенных рисунков следует, что при поглощении половины возможного количества вещества нормализованное время равно 0,6, а все количество вещества поглощается за время, соответст­вующее Й = 10.

Используя этот метод, можно рассчитать относительную интеграль­ную адсорбцию (относительное интегральное влагосодержание) изоля­ционных материалов a/as (рис. 4.2) в зависимости от времени и от усло­вий хранения изоляторов и количество воды в них

       Q =10 В(a /as)qк.                (4.12)

Пример 4.2. Определить время достижения равномерного распределения воды в слое изолятора толщиной 0,5; 1 и 4 см. Коэффициент диффузии принять равным 2ж10–9 см2/с (по данным [4.11]).

Полному насыщению изолятора соответствует Й = 10. Из уравнения (4.10)

       t = Йd 2 /πD.

Значение d по определению — половина толщины. Тогда

для 2 d = 0,5        t = [10(0,5/2)2] /[πж2ж10–9ж3600ж24ж365] = 3 года

для 2 d = 1        t = 12,6 лет

для 2 d = 4        t = 200 лет

Пример 4.3. Определить относительную интегральную адсорбцию изоляционного ма­териала толщиной 2 см (D = 2ж10–9) за 0,5, 10, 20 и 30 лет.

Определяем нормализованное время (уравнение 4.10):

За        0,5 лет        Й = πж2ж10–9ж3600ж24ж365ж0,5 /(2/2)2 =         0,1

       10                        1,98

       20                        3,96

       30                        5,94

Из рис. 4.2 находим насыщение изоляционного материала от максимально возможного, %, для полученных значений нормализованного времени

Й        a /as

0,1        20

1,98        80

3,96        95

5,94        97

Пример 4.4. Определить влагосодержание изоляторов из КФ-4 толщиной 0,5, 1, 2 и 4 см при хранении их в течение 6 месяцев в хранилище с относительной влажностью 40 % (B = 0,4).

Находим Й и по графику (рис. 4.2) a/as.

Для        0,5 см        Й = πж2ж10–9ж0,5ж3600ж24ж365 /(0,5/2)2 = 1,6 a/as =                        0,7

       1                0,4        0,4

       2                0,1        0,2

       4                0,025        0,1

Предельное влагосодержание КФ-4 (табл. 4.3) составляет 0,46 г Н2О на 100 г компаунда. При 40 %-ной относительной влажности равновесное влагосодержа­ние составило бы 0,46ж0,4 г Н2О на 100 г компаунда. С учетом неравномерного распределения влагосодержание изоляторов будет равно

0,46ж0,4жa/as = 0,46ж0,4ж0,7 =        0,129 г Н2О на 100 г компаунда
               при его толщине 0,5 см

       0,074                1 см

       0,037                                        2 см

       0,018                                        4 см

4.3.4.        ВЛИЯНИЕ ДИФФУЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ
НА КАЧЕСТВО ЭЛЕГАЗА В АППАРАТЕ

Явление диффузии веществ внутрь аппарата имеет место вне зависимости от давления в аппарате, поскольку движущей силой этого процесса является химический потенциал, выражаемый в данном случае разницей концентрации (или парциального давления) какого-ли­бо компонента внутри и снаружи аппарата. А ареной действия диффу­зионных процессов является полимерный материал уплотнения [4.12]. Подготавливая аппарат к эксплуатации, мы задаемся целью снизить концентрацию примесей в аппарате, и тем самым увеличиваем разницу парциального давления для ряда веществ, присутствующих в воздухе: кислорода, азота и воды. Поэтому возникают диффузионные потоки этих веществ, направленные внутрь аппарата, в то время как диффузи­онный поток элегаза, отсутствующего в атмосферном воздухе, направ­лен в атмосферу.

Количество диффундирующего компонента QD, г, определяется по закону Фика [4.13]

       QD = PΔpτΣ(s /x)M /22400,                        (4.13)

где P — коэффициент газопроницаемости, см3жсм/(см2жМПажс); Δp — перепад парциального давления, МПа; τ — интервал времени, с; M — молекулярная масса диффундирующего компонента; Σ(s/x) — характе­ристика геометрических размеров уплотнения, представляющая собой

сумму отношений сечения уплотнения s, перпендикулярного диффузи­онному потоку, к длине диффузионного пути x. Рис. 4.4 поясняет опре­деление характеристики геометрических размеров уплотнения Σ(s/x).

Коэффициенты газопроницаемости воды были экспериментально определены для ряда сортов резины [4.14], предложенных ленинград­ским отделением НИИРП для применения в элегазовом аппаратострое­нии, и для общеупотребительной резины НО-68. Коэффициенты газо­проницаемости резин по кислороду взяты как утроенные значения по азоту, представленные НИИРПом. Сводка коэффициентов газопро­ницаемости приведена в табл. 4.4. Для газопроницаемости элегаза уда­лось установить только порядок этой величины.∉∑∑⎪◊™ ™◊®⎣∑⎨⎝ Δp определяется из условия работы аппарата с учетом установленных нормативов. Перепад парциального давления для кислорода — величина постоянная, практически равная парциаль­ному давлению кислорода в атмосферном воздухе.

Перепад парциального давления воды зависит от предназначения и условий эксплуатации электроаппарата. При этом элегазовое оборудо­

вание следует поделить на три группы: аппараты внутренней установ­ки, аппараты наружной установки и коммутационные аппараты, которые для краткости будем называть «выключатели», и рассматри­вать самые неблагоприятные погодные условия.

Аппарат внутренней установки находится практически в одинаковых условиях в течение всего срока эксплуатации. Температура помещения 15—25 °С и относительная влажность до 80 %. Поэтому среднее парци­альное давление воды снаружи аппарата может быть принято равным

       p2 = 26,4ж0,8 = 21,1 гПа,

где 26,4 — давление насыщенного пара воды при температуре 22 °С (см. табл. 4.6). В соответствии с нормативом температура конденсации в течение всего периода эксплуатации должна быть ниже 0 °С (об этом мы узнаем далее), а поскольку влажность элегаза в аппарате может только увеличиваться, то в начале эксплуатации — еще ниже. Примем среднее значение p1 = 4 гПа (для температуры –5 °С). Тогда для аппара­та внутренней установки Δp = 21 – 4 = 17 гПа или 0,0017 МПа.

Для аппарата наружной установки диапазон температуры значительно шире и величина среднего значения зависит от климатической зоны. С учетом необходимости выбора неблагоприятных условий, а это экс­плуатация в летних и влажных условиях, примем p2 при средней темпе­ратуре, равной +10 °С, при максимально возможной влажности (см. табл. 4.6), а p1 — с учетом норматива при температуре, равной –10 °С (на 20 °С ниже, о чем мы узнаем далее), и определим перепад давления Δp = 12,3 – 2,59 = 9,7 гПа или 0,001 МПа.

Для выключателя самый неблагоприятный вариант (в плане перепа­да парциального давления воды) — это установка его в помещении (где мы приняли значение p2 = 21,1 гПа, большее, чем для внешних усло­вий). За счет работы поглотителя парциальное давление внутри аппара­та ничтожно мало (< 0,3 гПа). Поэтому, перепад парциального давления оказывается максимальным: Δp = 0,0021 МПа.

Итак, для всех расчетов диффузии воды в аппарате можно принять обобщенные значения перепада парциального давления воды на уп­лотнениях:

аппарата внутренней установки	0,0017 МПа
аппарата наружной установки	0,0010 МПа
выключателя	0,0021 МПа

Подставляя молекулярную массу воды в уравнение (4.13) и учиты­вая, что расчет выполняется на год (3,1557ж107 с) или несколько лет, получаем для диффузионного потока воды

       QD = 3,1557ж107PΔpNΣ(s/x)18 /22400

или

       QD = 25358,3ΔpNΣ(s/x),                                (4.14)

где N — время до конца эксплуатации (срока службы), год.

Перепад парциального давления кислорода для расчета диффузион­ного потока в выключателе (мы уже знаем, что ограничения по кисло­роду важны только для выключателя) определяем по концентрации ки­слорода в воздухе (21 %-об.)

       p2 = 1000ж0,21 = 210 гПа

и по концентрации кислорода, допустимой в выключателе — 150 ppm-масс. (об этом мы узнаем далее),

       p1 = 1000ж150ж10–6(22,4 /32)(Z /Zн)(750 /760),

где поправка на сжимаемость Z /Zн введена для согласования состояния элегаза в аппарате (p, T, Z) и состояния элегаза в нормальных условиях (0,1 МПа, 20 °С, Zн). Таким образом, при давлении 0,6 МПа (абс) чис­ленное значение Z /Zн равно 0,936/0,985 = 0,95, плотность (по табл. 1.5) 38,7 кг/м3 и

       p1 = 1000ж38,7ж150ж10–6(22,4 /32)ж0,95ж(750 /760) = 3,8 гПа

и перепад парциального давления кислорода на уплотнении

       Δp = 210 – 3,8 = 206 гПаили0,021 МПа.

Приведем несколько типичных примеров расчета потоков в узле уп­лотнения.

Пример 4.5. Рассчитать массу воды, которая попадет в выключатель КРУЭ-110 кВ за 10 лет, если в качестве уплотнительного материала использована резина НО-68, размер ка­навки под уплотнения 4×8 мм (размеры, до которых будет деформировано сечение резино­вого кольца, см. рис. 4.4), общая длина уплотнений 3 м.

Коэффициент влагопроницаемости 1,3ж10–4 см3жсм/(см2жМПажс) (табл. 4.4).

Перепад парциального давления воды 0,0021 МПа (см. выше).

Геометрическая характеристика уплотнения Σ(s/x) = 300ж0,4/0,8 = 150 см2/см.

Вычисляем ответ [уравнение (4.14)]:

       QD = 25358,3ж1,3ж10–4ж0,0021ж10ж150 = 10,4 г.

Пример 4.6. Определить увеличение концентрации кислорода за 10 лет (условия те же, что и в предыдущем примере, но резина ИРП 1225А, плотность элегаза в выключателе 30 кг/м3, объем выключателя 0,3 м3).

Газопроницаемость по кислороду 2,4ж10–8 см3жсм/(см2жМПажс) (табл. 4.4).

Перепад парциального давления кислорода 0,021 МПа.

Сумма геометрических характеристик уплотнения 150 см2/см.

Определяем массу диффузионного кислорода по уравнению (4.13):

       QD = 2,4ж10–8ж0,0021ж10ж3,1557ж107ж150ж32/22400 = 0,034 г.

Масса элегаза в аппарате m = V = 30ж0,3 = 9 кг.

Прибавка концентрации составит (0,034/9000)ж106 = 3,8 ppm-масс. (допусти­мое значение 10 ppm-масс. в соответствии с установленным далее нормативом).

Пример 4.7. Рассчитать диффузионную потерю элегаза за 1 год (условия те же).

Давление в выключателе при плотности 30 кг/м3 около 0,48 МПа при темпе­ратуре 20 °С.

По уравнению (4.13)

       QD = 10–8ж0,48ж1ж3,1557ж107ж150ж146/22400 = 0,15 г

или (0,15 /9000)ж100 = 1,6ж10–3 % от общей массы.

4.3.5. СВОЙСТВА АДСОРБЕНТОВ

Исследование адсорбционных характеристик ряда адсорбен­тов (силикагеля, алюмогеля, цеолита) было необходимо для обоснован­ного выбора материала для удаления воды и продуктов разложения эле­газа. Выбор был сделан однозначно в пользу цеолита из-за максималь­ной емкости по воде при малой относительной влажности (характерные условия работы электроаппарата) и способности к хемосорбции, необ­ратимому поглощению продуктов разложения.

Изотермы адсорбции цеолита NaX по воде aNaX, г на г NaX, для удобства использования в расчетах выражены уравнениями во всем диа­пазоне относительной влажности (p/ps) и в рабочем диапазоне темпера­туры от –40 до +60 °С:

       aNaX = 0,81 [еxp (–1,35ж10–5T 2)] /[2,1431 + 0,0013 /(p/ps)]                (4.15)
для p/ps < 0,0227;                                                        

       aNaX = (p/ps)0,2081ж0,81 еxp (–1,35ж10–5T 2)        (4.16)

для p/ps > 0,0227,                                                        

где T — температура, К.

Адсорбционная емкость синтетического цеолита NaX по четырех­фтористой сере представлена в табл. 4.5. Адсорбционная емкость про­каленного цеолита по четырехфтористой сере составляет 10,5 %, а по­сле пребывания в атмосферном воздухе в течение получаса — 8,1 %. Как видим, адсорбционная емкость на продукты разложения падает с увлажнением. Поэтому, продолжительность контакта прокаленного це­олита с воздухом строго регламентируется: не более получаса от момен­та вскрытия герметичной емкости с прокаленным цеолитом до начала вакуумирования полностью собранного аппарата. Некоторым неудобством цеолита является необходимость его акти­вировать при температуре выше 350 °С. Исследования показали, что оп­тимальной температурой прокалки является температура 375 °С, несмотря на то, что в ТУ на цеолит рекомендуется более высокая тем­пература. Действительно, удаление воды из цеолита проходит полнее при более высокой температуре, но при этом происходит необратимое изменение структуры цеолита, что в конечном счете приводит к безвоз­вратной потере адсорбционной емкости. В особой степени это относит­ся к адсорбции продуктов разложения. Поэтому прокаливание следует выполнять при 370 ± 10 °С в течение 3,5 ч на противне в слое толщиной не более 3 см.

Ни силикагели, ни алюмогели не могут конкурировать по совокупно­сти свойств с синтетическим цеолитом. И тот, и другой обладают высо­кими абсорбционными характеристиками по воде при высокой относи­тельной влажности, что не всегда применимо к электроаппаратам, а в части абсорбции продуктов разложения — адсорбционная активность алюмогеля невелика, а силикагель за счет химической реакции явится источником нового химического соединения — четырехфтористого кремния.

4.4.        ФОРМИРОВАНИЕ НОРМАТИВОВ КАЧЕСТВА ЭЛЕГАЗА В ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИИ

Итак, надлежит определить значения четырех нормативов: это — температура конденсации примесей в элегазе, содержание шес­тифтористой серы, концентрация кислорода и содержание продуктов разложения. Наиболее правильным подходом к решению вопроса было бы определение степени влияния каждой из примесей, определяющих существо этих нормативов, на электротехнические и физико-химиче­ские параметры аппарата и на этой основе выбор такого значения, кото­рое, с одной стороны технически достижимо и может быть проконтро­лировано имеющимися средствами контроля и с другой стороны — не приведет к ухудшению работоспособности аппарата. Несомненно, что для всех видов примесей должна существовать общая тенденция: к сни­жению их концентрации.

ТЕМПЕРАТУРА КОНДЕНСАЦИИ

Условия для выпадения росы или инея возникают при достижении в газовой фазе концентрации насыщенного пара воды за счет снижения температуры. Соотношения между параметрами влажности и темпера­турой задаются гигрометрической таблицей (табл. 4.6). Это фактически табличные значения кривой насыщения воды (давление — температу­ра), дополненные расчетными данными по концентрации в различных выражениях. Парциальное давление воды, гПа, над чистой водой описывается уравнением        lg  = А – В/(t + C),                (4.17а)

гдеА = 8,18363,        В = 1729,9875,        С = 233,856        для t > 0 °С;

А = 10,6597,        В = 2716,9306,        С = 275,169        для t < 0 °С.

Уравнение для диапазона температуры от 0,01 до 100 °С дано в [1.33].

Абсолютная влажность газа, г/м3, над чистой водой описывается уравнением

       lg At = А – В /(t + C),                (4.17б)

где

А = 8,0528,        В = 1729,9875,        С = 233,856        для t > 0 °С;

А = 10,5296,        В = 2716,9306,        С = 275,169        для t < 0 °С.

Под температурой конденсации понимается температура, при ко­торой в газе в имеющихся условиях начинается выпадение конденсата.

Точка росы — это температура конденсации этого газа при нормаль­ном давлении (1013 гПа). Практически все решения вопросов, связан­ных с влажностью требуют обращения к гигрометрической таблице. Поэтому приведем несколько примеров работы с ней.

Пример 4.8. Определить точку росы элегаза, находящегося при атмосферном давлении при температуре 20 °С, если концентрация воды в нем равна 14 г/м3.

Находим строчку в таблице со значением концентрации, близкой к 14 г/м3. Против температуры 17 °С — 14,33 г/м3. Это и есть искомое значение. Более точно оно может быть найдено интерполяцией (+ 16,63 °С).

Пример 4.9. Определить температуру конденсации газа, находящегося при давлении 0,4 МПа (абсолютных) при температуре 20 °С, если концентрация воды в нем составляет 152 ppm по массе.

Заметим, что концентрация в выражении в миллионных долях не зависит от давления. Если для элегаза концентрация составляет 152 ppm-масс., то по табли­це можно найти остальные параметры для газа при температуре 20 °С и давлении 1013 гПа. Это — строчка с температурой –18 °С (0,992 г/м3). Но для искомого случая элегаз сжат в четыре раза (до давления 0,4 МПа). Следовательно, его аб­солютная влажность составит 0,992ж4 = 3,97 г/м3, что соответствует температуре — 2 °С. Таким образом, точка росы элегаза равна –18 °С, температура конденса­ции равна –2 °С. (Заметим, если этот элегаз сжать до давления 1 МПа, то при той же точке росы температура конденсации в нем поднялась бы до + 11 °С).

Пример 4.10. Определить температуру конденсации газа при давлении 0,5 МПа (из­быточных) и температуре 20 °С, если точка росы составляет –10 °С.

Точке росы –10 °С соответствует давление насыщенного пара 2,59 гПа. Под давлением 0,5 МПа (избыточных) элегаз сжат в шесть раз (0,6 МПа абсолют­ных) по сравнению с нормальным. Следовательно, при сжатии возрастет и пар­циальное давление воды до 2,59ж6 = 15,54 гПа, что соответствует температуре конденсации +13,5 °С.

Пример 4.11. Элегаз с плотностью 30 кг/м3 имеет точку росы –25 °С. Определить тем­пературу конденсации.

При давлении 1013 гПа и температуре 20 °С — условиях, соответствующих точке росы по определению — элегаз имеет плотность 6,166 кг/м3. Точке росы –25 °С соответствует абсолютная влажность 0,467 г в м3 аппарата. В реальных условиях абсолютная влажность в аппарате равна 0,467 (30/6,166) = 2,27 г/м3.

По таблице это значение абсолютной влажности соответствует температу­ре –8 °С.

Пример 4.12. Элегаз (давление 0,3 МПа абс. при температуре –10 °С) имеет влаж­ность 1 г/м3. Определить температуру конденсации и точку росы элегаза.

Температура конденсации определяется сразу по указанному значению влажности: значению 1 г/м3 по таблице соответствует температура –17 °С (заме­тим, вне зависимости от температуры и давления, при которых находится эле­газ). Для определения точки росы (т. е. температуры конденсации при температу­ре 20 °С и давлении 1013 МПа) необходимо выполнить приведение к этим пара­метрам. К температуре 20 °С приведем через плотность (см. табл. 1.5). При тем­пературе –10 °С и давлении 0,3 МПа плотность элегаза составляет 21,26 кг/м3. При температуре 20 °С эта плотность соответствует давлению 0,334 МПа. При разжатии элегаза до нормального давления концентрация влаги уменьшится до 0,1 /0,334 = 0,294 г/м3. Этой абсолютной влажности соответствует температу­ра –29,5 °С. Итак, температура конденсации равна –17 °С, а точка росы –29,5 °С.

Как уже отмечалось, конденсация в высоковольтном элегазовом ап­парате (если она не обусловлена конденсацией самой шестифтористой серы) определяется наличием, главным образом, воды. Источники попа­дания воды в аппарат известны. Их пять:

—        элегаз, использованный для заполнения аппарата;

—        воздух, оставшийся в аппарате после вакуумирования;

—        внутренние поверхности аппарата, на которых влага находится в адсорбированном состоянии;

—        изоляционные материалы, в которых влага растворена;

—        уплотнения, через которые влага проникает диффузионным путем.

∇◊®⎨∑⎨⎝∑ ®⎢⎣◊™◊ ⎢◊⎛™⎩©⎩ ⎝⎜ ⎝⟩∫⎩⎟⎨⎝⎢⎩® ®⎩™⎦ ® ◊⎪⎪◊◊∫∑, ⎪⎩⎣⌠⎟∑⎨↑⎨⎩∑ ⎨◊ ⎩⟩⎨⎩®◊⎨⎝⎝ ◊⟩⎟∑∫◊, ⎪⎝®∑™∑⎨⎩ ® ∫◊⟨⎣.€4.7. ∪⎜ ⎪⎝®∑™∑⎨⎨⎩©⎩ ◊⟩↑⎟∑∫◊ ®⎝™⎨⎩, ⎟∫⎩ ⎢⎩⎣⎝⎟∑⟩∫®⎩ ®⎩™⎦, ®⎨⎩⟩⎝⎧⎩∑ ⟩ ®⎩⎜™⌠⌡⎩⎧ ⎝ ⎩⟩∫◊⎭⎤∑∑⟩ ⎨◊€⟩∫∑⎨⎢◊⌡ ◊⎪⎪◊◊∫◊ ⟩∫⎩⎣⎫ ⎧◊⎣⎩ (~ 3 %) из-за процедур при подготовке аппарата, что без погрешности может быть опущено, тем более, что для расчета последней требуются данные по адсорбции, получить которые, ввиду многообразия поверхностей и широты температурного диапазона, не представляется никакой возможности. Поэтому далее будут рассмат­риваться только основные источники: элегаз, изоляционные материалы и уплотнения.

После заполнения аппарата элегазом попавшая в аппарат влага начи­нает перераспределяться между тремя влагоносителями (элегаз, твердая изоляция, внутренние поверхности аппарата), причем этот процесс за­висит от температуры. Любые изменения температуры приводят к ново­му перераспределению влаги. Способной к конденсации оказывается,

естественно, лишь та влага, которая находится в газовом пространстве аппарата. Если снижение температуры происходит ниже уровня, когда парциальное давление воды в элегазе становится равным давлению на­сыщения при данной температуре, происходит конденсация влаги. По­этому, главная задача — правильно оценить концентрацию влаги в эле­газе, возникшую в результате перераспределения.

Перераспределение влаги от пяти источников между тремя влагоно­сителями происходит с разной скоростью. Перемешивание элегаза и воздуха (а следовательно, и влаги, содержащейся в них) и процессы сорбции-десорбции, происходящие на поверхностях, — процессы быст­рые. Выделение влаги, растворенной в толще полимерного материала, как и диффузия через уплотнения, происходят медленно.

Сразу после заполнения элегазом в аппарате устанавливаются равно­весные концентрации воды в газовой фазе и на поверхностях. Далее на фоне медленного выделения воды из изоляционных материалов и по­ступления ее через уплотнения происходит перераспределение воды под действием изменяющейся температуры. Поскольку процесс обмена воды между твердым диэлектриком и элегазом протекает медленно, он не успевает проследовать за всеми колебаниями температуры в течение суток. Можно считать, что процесс перераспределения воды будет под­чиняться сглаженному ходу среднесуточных значений температуры ап­парата*.

С повышением температуры содержание воды в изоляционных мате­риалах несколько снижается за счет уменьшения относительной влаж­ности газового пространства. Поэтому, в летний период большее коли­чество влаги из изоляционных материалов выделяется в газовое про­странство, в то время как зимой основное количество влаги будет сосре­доточиваться в изоляционных материалах. Кроме того, при пониженной температуре увеличивается адсорбция на поверхностях аппарата, что тоже способствует снижению влагосодержания газа и, в конечном сче­те, снижению температуры конденсации примесей в элегазе. Таким образом, наличие изоляционных изделий и поверхностей, способных адсорбировать, имеет то положительное качество, что при снижении температуры они поглощают воду и снижают влагосодержа­ние газа (т. е. уровень конденсации), но при этом обладают тем недос­татком, что сами являются источником попадания влаги в аппарат.

Отсюда возникает решение: с одной стороны, влиять на снижение количества вносимой в аппарат воды, а с другой – создать такие условия для распределения влаги в аппарате, чтобы ни при какой рабочей тем­пературе парциальное давление воды в газе не приближалось к давле­

нию насыщенного пара. Последнее условие и представляет собой сущ­ность условия предотвращения конденсации.

Теперь следует рассмотреть динамику конденсации.

Очевидно, что этот вопрос касается главным образом аппаратов на­ружной установки, т. е. аппаратов, эксплуатирующихся на открытом воздухе. Итак, если температура монотонно будет меняться по сезонам, то изоляционные материалы, выступая в роли, хотя и медленных, но аб­сорбентов, могли бы поглотить избыточную влагу из элегаза и предот­вратить конденсацию. Так что, очевидно, не эти медленные сезонные изменения могут быть виновниками выпадения конденсата. Условия, приводящие к конденсации, будут характеризоваться не значением тем­пературы, а величиной ее резкого понижения, при котором влага не ус­пеет перераспределиться между тремя влагоносителями, и для сохране­ния равновесия потребуется образование новой фазы — конденсата. И на самом деле: амплитуда колебания температуры около среднесу­точного значения может достигать 16 °С, так что перепад резкого сни­жения температуры может составить 31 °С. Причем это явление, как по­казывает анализ данных Гидрометеоцентра по колебаниям температуры за 1973—1982 гг. по девяти географическим точкам (Архангельск, Мо­сква, Свердловск, Тобольск, Актюбинск, Хатанга, бухта Провидения, Чульман и Чара), характерно не только для континентальных районов страны. Таким образом, чтобы избежать конденсации, необходимо до­полнительно создать развернутую адсорбирующую поверхность в аппа­рате, на которой сможет происходить быстрое перераспределение вла­ги. В качестве такого адсорбента также может быть использован синте­тический цеолит NaX, обладающий чрезвычайно полезным для этого свойством — сравнительно большой адсорбционной емкостью по воде при малой относительной влажности. Сущность решения условия пре­дотвращения конденсации влаги состоит в расчете количества цеолита, необходимого для обеспечения разницы между среднесуточной темпе­ратурой и температурой конденсации, большей, чем возможные колеба­ния в сторону понижения от среднесуточной температуры. Как видно, норматив влажности должен выражаться не каким-либо заданным зна­чением влажности, а интервалом температуры, некоторым запасом по температуре. В качестве такого интервала между температурой конден­сации влаги в аппарате и среднесуточным значением принимается раз­ница в 20 °С, которая перекрывает возможные резкие колебания темпе­ратуры на всей территории стран СНГ, и решение условия предотвраще­ния конденсации состоит в расчете количества цеолита, необходимого для обеспечения этого интервала. Принятое для аппаратов наружной ус­тановки условие распространяется на все другие виды аппаратов как универсальное средство.

Для аппаратов, устанавливаемых в помещении — аппаратов внут­ренней установки, где колебания рабочей температуры лежат в преде­лах плюсовых значений, требования по влажности значительно снижа­ются. Установление норматива температуры конденсации ниже 0 °С при температуре помещения 20 °С одновременно будет отвечать двум требованиям: 1) на 20 °С ниже средней температуры помещения и 2) ес­ли и возникнут условия, приводящие к конденсации, то конденсат будет образовываться не в виде жидкости, а в виде инея (что считается отно­сительно безопасным [4.15]).

Для коммутационных аппаратов, в которые помещают адсорбент (тот же цеолит) для удаления продуктов разложения элегаза, требования по влажности жестче. Но эти требования уже не выражают насущную необходимость предотвратить конденсацию, а отражают фактическую работоспособность адсорбента: температура конденсации при темпера­туре 20 °С не должна быть выше –30 °С.

СОДЕРЖАНИЕ ШЕСТИФТОРИСТОЙ СЕРЫ

Балласт легких газов в элегазе, находящемся в электрооборудовании, не всегда является отрицательным явлением. В ряде случаев для сниже­ния нижнего предела рабочей температуры, обусловленной конденсаци­ей элегаза, используется смесь газов в качестве газовой изоляции, глав­ным образом, смесь элегаза с азотом. Так что смысл нормирования бал­ласта заключается не в ограничении величины балласта, а в установле­нии интервала допустимых отклонений от заданной величины концен­трации, не приводящих к снижению изоляционных характеристик при заданной вероятности пробоя. В этом понимании данный норматив луч­ше рассматривать как «содержание шестифтористой серы».

Допустимая рабочая напряженность E(P) определяется из выражения

       E(P) = Eм – (1/α) {lnS – ln2[1 /(1 – P)]},

устанавливающего взаимосвязь этой величины с напряженностью элек­трического поля модели Eм; вероятностью пробоя P; мерой дисперсии α, равной 1,28 /(Eмσ), где σ — стандартное отклонение напряженности поля (5 % , или 0,05), и кратностью площадей высоковольтных электродов S. Из него следует, что среднее относительное отклонение, %, напряженно­сти поля, соответствующей двум значениям вероятности пробоя, составит

       100(E(P) – E(P1)) /Eм = (5/1,28){ln2[1/(1 – P)] – ln2[1/(1 – P1)]}.

Если принять, что вероятность пробоя элегазового оборудования не должна превышать 1 % (P = 0,01) и десятая часть этой вероятности пробоя будет приходиться на отклонение в приготовлении смеси газов и поддержание заданного состава (P1 = P ± 0,001), то среднее относи­тельное отклонение будет равно ±0,4 %, т. е. допустимое значение будет

равно – 0,4 %. (Заметим, что, если вероятность пробоя за счет колеба­ний состава смеси принять как одну двадцатую часть, то снижение до­пустимого значения напряженности составит 0,2 %.)

Для оценки допустимого отклонения состава газовой смеси восполь­зуемся зависимостью относительной электрической прочности смеси элегаза с азотом от состава

       Eсмеси / = (146 + 0,4ж28) /(146 + 28),                                                        (4.18)

где  и  — парциальное давление элегаза и азота; 146 и 28 — их молекулярные массы; 0,4 — относительная электрическая прочность азота по сравнению с элегазом (рис. 4.5).

Используя это выражение, определяем допустимое отклонение в со­ставе смеси, которое не приведет к снижению электрической прочности более чем на 0,4 %. Полученные значения представим в виде графика (рис. 4.6), определяющего нижний предел отклонения содержания эле­газа в смеси в зависимости от заданного состава для обозначенного вы­ше условия. Из рис. 4.6 видно, что максимальное отклонение допускает­ся для чистого элегаза (из-за пологости характеристики относительной электрической прочности в этой области на рис. 4.5). Оно может дости­гать 3 %, т. е., если вместо «чистого» элегаза в оборудовании окажется 97 % по объему шестифтористой серы, то электрическая прочность не уменьшится более, чем на 0,4 %, и вероятность пробоя из-за этого фактора не превысит 0,1 %. При меньшем содержании элегаза, требова­ние к поддержанию состава элегазовой смеси становится более жест­

ким. Так, для 30 %-ной смеси элегаза с азотом содержание шестифтори­стой серы не должно быть меньше 29,5 % по объему (68,6 %-масс.).

СОДЕРЖАНИЕ КИСЛОРОДА

Влияние кислорода на коммутационные характеристики высоко­вольтных элегазовых аппаратов исследованы не настолько, чтобы мож­но было с полной определенностью указать его верхний предел содер­жания в аппарате. Поэтому к решению вопроса о нормировании кисло­рода подойдем с позиций минимизации.

Концентрация кислорода в выключателе (для которого и устанавли­вается этот норматив) складывается из количества кислорода, оставше­гося в аппарате после вакуумирования, и количества, поступающего в аппарат с элегазом [уравнение (4.1)]:

       C =  + 297( ) /( – ).

Значение первого члена  зависит от качества элегаза. Несмотря на то, что товарный элегаз нормируется по показателю «концентрация кислорода», содержание кислорода в элегазе, идущем на заполнение ап­парата, может быть разным. Это связано с тем, что нормируется концен­трация в жидкой фазе элегаза, а в баллоне имеется также и газовая фаза, и состав примесей в элегазе, поступающем на заполнение аппарата, за­висит от способа его извлечения из баллонов. В разд. 4.3.2 было пока­зано, что в зависимости от способа извлечения элегаза из баллона кон­центрация кислорода может колебаться в широких пределах. Если про­изводить отбор элегаза из газовой фазы, то в начальный момент содер­жание кислорода в отбираемом газе составит 712 ppm-масс. Полное из­влечение элегаза из баллона обеспечит концентрацию кислорода в гази­фицированном продукте 133 ppm-масс. Извлечение из жидкой фазы по­зволяет получить минимальную концентрацию кислорода, которая несильно меняется по мере извлечения. Очевидно, что для аппаратов, в которых концентрация кислорода должна быть ограничена, например, для выключателей, можно воспользоваться именно этим способом за­полнения: при отборе жидкой фазы концентрация кислорода будет ни­же 100 ppm-масс.

Второе слагаемое уравнения (4.1) позволяет проанализировать при­бавку к концентрации кислорода, обусловленную процедурами подго­товки аппарата. В табл. 4.8 приведены расчетные значения этой величи­ны в зависимости от вакуумирования в интервале давления 0,1—100 гПа (0,075—75 мм рт. ст.) и заполнения чистым азотом в интервале абсолют­ного давления 0,1—0,4 МПа с последующим повторным вакуумировани­ем и заполнением элегазом до плотности 25 кг/м3. Из таблицы видно,

что даже грубое вакуумирование до значения 10 гПа с заполнением азо­том до атмосферного давления обеспечивает надежное удаление кисло­рода (прибавка концентрации кислорода — 1,2 ppm-масс.). При простом вакуумировании такого результата можно добиться только при остаточ­ном давлении 0,1 гПа. Однако достижение высокого вакуума в крупных аппаратах вызовет трудности из-за наличия влаги на стенках аппарата. Промывка азотом в значительной мере ускорит подготовку аппарата к заполнению элегазом при тех же конечных значениях концентрации остающихся примесей (как балласта, так и воды).

Итак, чередование вакуумирования с промывкой азотом сводит к незначительной величине вклад в концентрацию кислорода за счет ос­тающегося в аппарате воздуха. Поэтому норма содержания кислорода может быть приближена к значению концентрации кислорода в элегазе. Учитывая тенденцию к минимизации и исходя из возможности получать низкий уровень концентрации кислорода при отборе элегаза из жидкой фазы баллона, принимаем нормированное значение 150 ppm-масс., что в равной степени допускает использование для заполнения выключате­лей как жидкую фазу элегаза, так и элегаз, полностью извлеченный из баллона.

Диффузионное натекание кислорода в аппарат необходимо ограни­чить также на очень низком уровне, так, чтобы за весь срок эксплуата­ции диффузионная прибавка концентрации кислорода была ниже преде­ла определения, т. е. так, чтобы за длительный срок эксплуатации не бы­ло выявлено увеличения этого параметра. В примере 4.6 пп. 4.3.4 мы по­

казали, что применение улучшенного сорта резины позволяет ограни­чить диффузионное поступление кислорода за 10 лет на уровне не­скольких ppm-масс. Чувствительность измерительного устройства, при­меняемого для контроля, находится на уровне 10 ppm-масс. В расчете на год нормативная величина диффузионного натекания может быть принята на уровне 1 ppm-масс.

СОДЕРЖАНИЕ ПРОДУКТОВ РАЗЛОЖЕНИЯ

К образованию продуктов разложения элегаза приводит электриче­ский разряд. Для коммутационного аппарата — это регламентирован­ный, штатный режим. Выключатель обязан выполнить заданное число отключений и включений тока. Образовавшиеся продукты — весьма ре­акционноспособные — должны быть удалены, чтобы ограничить их воздействие на материалы аппарата. И выполняется это посредством ус­тановки в выключатель поглотителей адсорбционного типа. В качестве адсорбента используется тот же цеолит NaX, что и для адсорбции воды. Но в отличие от адсорбции воды, поглощение продуктов разложения на цеолите происходит необратимо, по типу хемосорбции. Так что, тем­пературные колебания не могут привести к обратной десорбции фтори­дов серы, но и цеолит после контакта с продуктами разложения не мо­жет быть регенерирован.

Хотя и следует стремиться к снижению величины разложения элега­за в результате коммутации, добиваясь этого как конструктивными и технологическими решениями, так и путем решения материаловедче­ских задач, все же разложение элегаза неизбежно. Поэтому, решая во­прос о сущности нормируемого параметра, мы приходим к выводу, что нормировать надо не степень разложения, а скорость удаления образо­вавшихся реакционноспособных продуктов, или, вернее, допустимое время их нахождения в аппарате, увязывая решение этой задачи с зада­чей защиты материалов от действия продуктов разложения: суммарное время пребывания продуктов разложения в аппарате за весь срок экс­плуатации не должно привести к изменению основных функций узлов аппарата. В особой степени это касается твердой изоляции — наиболее ответственного и напряженного узла высоковольтного элегазового ап­парата. Как мы видели (см. гл. 3), материалы должны выдерживать сум­марное воздействие 10 чжг/л, что проистекает из условия удаления про­дуктов разложения за срок в 48 часов. Конструктивно поглотитель дол­жен быть спроектирован так, чтобы обеспечить этот срок. Решая эту за­дачу для изоляционных материалов, мы фактически подтверждаем уста­новленный интервал времени разрешенного существования продуктов разложения в аппарате: итак, через 48 часов после акта коммутации в коммутационном аппарате не должно быть продуктов разложения. При­сутствие продуктов разложения после 48 часов после последней комму­

тации свидетельствует о конструктивных или технологических просче­тах в организации поглотителя. Теперь следует уяснить понятие «отсут­ствие продуктов разложения». Минимально определяемая концентра­ция метода определения кислотности — это примерно 1 ppm-масс. (в расчете на HF). Реально, кислотность 10—20 ppm-масс. не повлияет на коррозионную ситуацию в аппарате*, что и можно принять за основу.

Следует иметь в виду, что поглотительная способность цеолита по продуктам разложения уменьшается при его увлажнении (см. табл. 4.5). Поэтому следует нормировать также и допустимое время контакта акти­вированного цеолита с воздухом в процессе установки поглотителя в аппарат. Завершив обсуждение вопросов нормирования и объяснение путей формирования установленных значений, предлагаем сводку нормативов качества элегаза в электрооборудовании (табл. 4.9).

Пути достижения нормативов качества неравноценны. И, как мы увидим дальше, особую трудность составляет обеспечение параметра влажности.

4.5.        ПУТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НОРМАТИВОВ КАЧЕСТВА ЭЛЕГАЗА В ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИИ

Борьба за достижение нормативов качества элегаза и обес­печение их в период эксплуатации должна начинаться с самых началь­ных этапов создания электрооборудования: с проектирования самого аппарата и разработки технологии его производства — в этом и состоит сущность комплексной системы обеспечения качества элегаза в элек­трооборудовании. Итак, конечная задача состоит в том, чтобы создать условия для обеспечения четырех нормативов качества элегаза в экс­плуатации, отраженных в табл. 4.9.

4.5.1.        ОБЕСПЕЧЕНИЯ НОРМАТИВА «СОДЕРЖАНИЕ ШЕСТИФТОРИСТОЙ СЕРЫ»

Товарный элегаз характеризуется нормативным значением 99,9 %-масс. основного продукта в жидкой фазе, но рассматривая спо­собы извлечения элегаза из баллона (пп. 4.3.2), мы увидели, что они мо­гут приводить к различным результатам. Самый неблагоприятный слу­чай сводится к тому, что для заполнения аппарата будет взят элегаз из газовой фазы нового баллона. В начальный момент в газовой фазе кон­центрация каждой из примесей максимальна, чистота элегаза равна 99,39 %-масс. Далее при любом способе извлечения элегаза концентра­ция примесей в газовой фазе снижается. Это значит, что с учетом неиз­бежного попадания воздуха [что, правда, повлияет на изменение соста­ва только в тысячных долях процента (см. пример 4.1 в пп. 4.3.1)] даже при самом неблагоприятном варианте норматив «содержание шести­фтористой серы» будет обеспечен. С позиций обеспечения этого норма­тива пригоден любой способ извлечения элегаза из баллона. Таким об­разом, никаких затруднений в достижении этого норматива нет.

4.5.2.        ОБЕСПЕЧЕНИЕ НОРМАТИВА «СОДЕРЖАНИЕ КИСЛОРОДА»

Этот норматив распространяется только на выключатели, легко реализуется, если заполнение выключателя проводить из жидкой фазы в расчете на использование 30—34 кг из стандартного баллона, или элегазом после его полного извлечения из стандартного баллона (с помощью установки обслуживания). Процедура подготовки аппарата к заполнению (вакуумирование — заполнение азотом — вакуумирова­ние) значительно снижает добавку концентрации кислорода за счет ос­тавшегося в аппарате воздуха (см. табл. 4.8). Таким образом, трудности в достижении этого норматива нет.

Нормирование увеличения концентрации кислорода в аппарате за счет диффузии, хотя и обусловлено повышенными требованиями к коммутационным аппаратам, распространено на все виды аппаратов как мера повышения качества узлов уплотнения. Поскольку концентра­ция кислорода, поступающего через уплотнения, [с использованием уравнения (4.13)] равна

        = τΔpΣ(s/x)(32/22400)ж103 /(V)        (4.19)

и не должна превысить 1 ppm-масс/год, то        1 = ж3,1557ж107ж0,02жΣ(s/x)(32/22400)ж103 /(V).

∈∫⎢⌠™◊        Σ(s/x) g 10–6V / ,                        (4.20)

где V, м3; , кг/м3; Σ(s/x), см2/см; , см3жсм/(см2жМПажс). Это вы­ражение представляет собой «лимит на уплотнения» по кислороду, ус­ловие, согласующее объем аппарата, сорт резины в уплотнении и плотность элегаза в аппарате с геометрическими размерами уплотне­ний с целью обеспечения нормы прироста концентрации кислорода на уровне, не превышающем 1 ppm-масс/год.

4.5.3.        ОБЕСПЕЧЕНИЕ НОРМАТИВА «СОДЕРЖАНИЕ ПРОДУКТОВ РАЗЛОЖЕНИЯ»Реализация норматива содержания продуктов разложения элегаза достигается размещением в выключателе адсорбента для погло­щения образовавшихся продуктов. Адсорбент закладывается в выключа­тель в таком количестве, чтобы полностью поглотить продукты разложе­ния элегаза, образующиеся в течение всего срока эксплуатации, и таким образом, чтобы обеспечить поглощение за 48 часов. В качестве адсор­бента используется синтетический цеолит NaX (ТУ 38-10281—80).

Удаление нежелательных компонентов газовой среды в элегазовых выключателях автопневматического и автокомпрессионного типов и в других коммутационных аппаратах осуществляется за счет их диффу­зии к поглотителю. Поэтому поглотитель представляет собой патрон с сетчатыми или перфорированными стенками, в который помещается расчетное количество активированного цеолита, складывающееся из двух частей: части, необходимой для поглощения продуктов разло­жения, которые образуются в результате выработки коммутационного ресурса, и части, необходимой для поглощения воды.

Способность цеолита поглощать продукты разложения представлена в табл. 4.5. Проблематичным, однако, является вопрос предсказания ко­

личества элегаза, разлагающегося при коммутации. Этот вопрос являет­ся существенным, поскольку расчет и проектирование поглотителя осу­ществляется на стадии проектирования выключателя.

Разложение элегаза зависит от многих причин. Конструкция дугога­сительного устройства, динамика дугогашения, материал дугоприемных контактов, выделяющаяся энергия и мощность этого выделения — это характеристики, обобщающие влияние целого ряда параметров, но не дающие возможности точно рассчитать количество разложенного элегаза. CIGRE предлагает считать, что на 1 кДж выделившейся энер­гии разлагается 2,7 см3 элегаза. По нашим данным, полученным при ис­пытаниях в ВЭИ им. , при коммутации токов от 22 до 40 кА на 1 кДж энергии разлагается 5 мл элегаза (760 мм рт. ст., 20 °С).

Зная по техническим данным ресурс отключений токов короткого за­мыкания и принимая время горения дуги 25 мс и напряжение на дуге 400 В, определим энергию Q, кДж, выделившуюся при коммутации, на одном разрыве и в выключателе в целом:

       Q = 400ж25ж10–3жn1Iкз n2,

где n2 — число разрывов; n1 — число отключений тока короткого замы­кания Iкз, кА. Далее, используя соотношение «1 кДж — 5 мл элегаза», находим объем разложенного элегаза  = 5Q, из которого находим массу разложенного элегаза, г, через плотность

        = 5ж6,16жQ /1000

и массу образовавшейся четырехфтористой серы, г,         = 108 /146.

Зная адсорбционную емкость цеолита (см. табл. 4.5), рассчитываем массу цеолита, г, необходимую для адсорбции образовавшейся четырех­фтористой серы        q′ = 100 /,

где  — адсорбционная емкость цеолита, %, с учетом дезактивации за время контакта с воздухом. Учитывая, что четырехфтористая сера яв­ляется, хотя и основным продуктом разложения, но не единственным, расчетную массу цеолита следует увеличить. Это будет создавать бла­гоприятные условия для адсорбции продуктов разложения в конце сро­

ка эксплуатации. С учетом 20 %-ного запаса масса цеолита, г, для вы­ключателя равна

       q′ = 120 /  =

       = 120ж5жn1Iкзж400ж25ж10–3жn2ж6,16ж108 /(8,1ж1000ж146)

или

       q′ = 3,4Iкзn1n2.                (4.21)

Если условия отключения тока слишком отличаются от принятых в расчете, то следует использовать более общую формулу

       q′ = 0,34Iкзn1n2Uτ,

где U — напряжение на разрыве, В; τ — время горения дуги, с.

Итак, можно определить массу адсорбента для поглощения продук­тов разложения. Но норматив задан в виде скорости: за 48 часов кон­центрация продуктов разложения должна быть понижена до значения, эквивалентного кислотности, равной 10 ppm-масс. Быстрого поглоще­ния продуктов разложения можно добиться, уменьшая сопротивление диффузионному потоку. И здесь требуются конструкционные решения. Прежде всего это означает, что к адсорбенту должен быть хороший дос­туп, поверхность адсорбера должна быть как можно более доступной, а толщина слоя цеолита снижена (не более 3— 4 см). При больших объ­емах выключателя адсорбент следует разместить в нескольких контей­нерах с целью сокращения диффузионного пути.

Удаление продуктов разложения адсорбентом посредством диффузии подчиняется закону Фика и может быть выражено уравнением [4.16]

       ln (C/C0) = – DSt /(δV),                        (4.22)

где C/C0 — отношение текущей концентрации к начальной; D — коэф­фициент диффузии, см2/с, (можно принять равным 0,01/p, где p — дав­ление, МПа); S — площадь адсорбента; t — время; δ — толщина слоя массообмена (от 0,3 до 3 см); V — объем аппарата.

Пример 4.13. Выключатель (объем 1 м3, давление 0,5 МПа абс.) имеет адсорбцион­ный патрон с общей площадью поверхности 600 см2. Определить, во сколько раз снижается концентрация продуктов разложения за 48 часов после коммутации. (Толщину слоя адсор­бента, в котором осуществляется массообмен, принять равной 0,5 см.)

Решение:

       ln (C/C0) = – (0,01 /0,5)ж600ж(48ж3600) /(0,5ж106) = – 4,15.

C/C0 = 0,016, т. е. концентрация снизилась в 60 раз.

Опираясь на этот пример, можно считать, что в выключателе на 220 кВ с одним разрывом после единичного акта коммутации тока, ко­торый по нашим данным приведет к образованию примерно 0,04 %-вес. SF4, в течение 48 часов концентрация снизится до 400/60 ≈ 7 ppm-масс.

Проверка выполнения требования норматива производится при ис­пытаниях опытного образца выключателя.

Здесь целесообразно рассмотреть еще один вопрос, связанный с разложением элегаза в оборудовании. Элегазовое оборудование многообразно, и в ряде случа­ев, в аппаратах специального назначения могут допускаться значительные уров­ни коронного и искрового разрядов. Примем для рассмотрения протяженный объект с давлением 1,2 МПа элегаза, пятиметровый участок (секция) которого объемом 1260 л оснащен адсорбционным патроном, установленным на патрубке с площадью сечения 1 см2 и длиной 5 см. В соответствии со спецификой данного объекта допускается средний ток короны на пятиметровом участке 10–7 A и один пробой в 10 суток с энергией 700 Дж. В задачу входит определить коррозионную ситуацию в объекте при условии, что срок службы его составляет 4 года.

За 4 года на корону будет израсходовано 10–7ж3,1557ж107ж4 = 12,62 кулона. Удельное разложение под действием короны составляет от 600 до 1400 мкмоль/С (см. гл. 3). Разложение элегаза составит до 1400ж10–6ж12,62 = 0,018 моля (395,85 мл). В пересчете на четырехфтористую серу это составит 0,018ж108 = = 1,91 г. Таким образом, четырехфтористая сера будет образовываться со скоро­стью 1,91/(4ж3,1557ж10–7) = 1,51ж10–8 г/с.

Искровой разряд характеризуется величиной разложения элегаза 10 нмоль/Дж. Тогда за 4 года на пятиметровом участке будет разложено 4ж(365/10)× ×700ж10ж10–9 = 0,001 моля (22,89 мл элегаза), что обеспечит образование четы­рехфтористой серы со скоростью 0,001ж108/(4ж3,1557ж107) = 8,7ж10–10 г/с.

Поскольку источник разложения является распределенным по объему, то счи­таем концентрацию продуктов разложения одинаковой во всех точках объема.

Единственным поглотителем образовавшихся продуктов является адсорбент в адсорбционном патроне. Диффузионный поток N моль/с в патрубке, соеди­няющем адсорбционный патрон с объемом аппарата, подчиняется закону Фика и определяется уравнением

       ,

где p — общее давление, МПа; D — коэффициент диффузии, см2/c;  — градиент парциального давления SF4, МПа/см; S — площадь сечения патруб­ка, см2; R — газовая постоянная [8,31 см3жМПа/(мольжК)]; T — температура;  — парциальное давление элегаза (в данном случае равное общему). Под­ставляя данные, с учетом, что D = 0,01/p, см2/с, и градиент парциального давле­ния SF4 равен парциальному давлению четырехфтористой серы в объеме к дли­

не патрубка, получаем N = 0,011 /(8,31ж293ж1,2ж5) = 6,84ж10–7, моль/с, где парциальное давление в МПа. Поскольку молекулярная масса SF4 равна 108 г, поток N€′, г/с, равен N€′ = 7,39ж10–5. С учетом того, что при 0,1 МПа концентрация SF4 равна 108/22,4 = 4,82 г/л, N ′ = l,53ж10–6.

Учитывая, что в объем секции SF4 поступает со скоростью (1,51ж10–8 + + 8,7ж10–10) г/с, а убывает за счет адсорбции со скоростью (1,53ж10–6), г/c, то текущую концентрацию, г/л, можно найти из баланса

       ,где t — время, с, или  = 1,2675ж10–11t/(1 + 1,2143ж10–9t), откуда концентра­ция четырехфтористой серы в объеме секции к концу первого года (3,1557ж107 с) составит 0,385ж10–3 г/л, второго — 0,743ж10–3 г/л, третьего — 1,076ж10–3 г/л и четвертого — 1,387ж10–3 г/л. Суммарное воздействие, чжг/л, продуктов разложе­ния элегаза на изоляцию аппарата составит

       8765,83[0,385/2 + (0,385 + 0,743) /2 + (0,743 + 1,076) /2 +        + (1,076 + 1,387) /2]ж10–3 = 25,4 чжг/л,

где 8765,83 — число часов в году.

Норма химического воздействия для твердых изоляторов, изготовленных из компаунда на основе электрокорунда, составляет 34 чжг/л (см. гл. 3). Если бы расчетное значение превышало норму, следовало бы поискать другое конструк­тивное решение: увеличить количество адсорбционных патронов, увеличить диаметр патрубка или уменьшить его длину.

4.5.4.        ОБЕСПЕЧЕНИЕ НОРМАТИВА ВЛАЖНОСТИ

Обеспечение норматива влажности основано на концепции условия предотвращения конденсации влаги в аппарате [4.1, 4.2] и скла­дывается, на первом этапе, из ограничения поступления воды в аппарат от различных источников и лимита на размеры уплотнения и, на втором — размещения расчетной массы адсорбента.

Рассмотрим первый этап.

Решение условия предотвращения конденсации влаги, приводящее к расчету минимального количества адсорбента для патрона предотвра­щения конденсации, связано в первую очередь с ограничением поступ­ления воды в аппарат.

Количество воды, поступающей в аппарат с элегазом, определяется способом отбора элегаза из баллона, и ее концентрация при полном из­влечении составит 16,2 ppm-масс. Концентрация невелика, но аппарат

с таким элегазом при давлении 0,35 МПа будет иметь температуру кон­денсации влаги только –28 °С.

Данные табл. 4.7 хорошо иллюстрируют оправданность мер по огра­ничению поступления воды с изоляционными материалами и посредст­вом диффузии. Изоляционные материалы элегазовых аппаратов, основу которых составляют компаунды горячего отверждения, по способу про­изводства получаются сухими. Но в процессе нерегламентированного хранения они увлажняются. И хотя этот процесс медленный и степень увлажнения невелика, тем не менее вклад этого источника влаги может оказаться большим. Ограничение контакта с атмосферной влажностью значительно снижает этот показатель. Очевидно, что предусмотреть ме­ры по предупреждению контакта с влагой воздуха значительно проще, чем сушить увлажненное изделие. Среди таких мер могут быть ис­пользованы:

1)        снижение влажности воздуха при хранении изоляционных мате­риалов и изделий из них,

2)        снижение влажности воздуха в сборочных цехах,

3)        ограничение времени контакта изоляционных изделий с влагой окружающего воздуха.

Забегая вперед, укажем, что в качестве основного способа хранения изоляционных изделий устанавливается хранение в специальных поме­щениях с относительной влажностью не более 40 % в течение не более 0,5 года. Кроме того, накладываются ограничения на время сборки ап­паратов в зависимости от влажности в сборочных цехах.

Влагосодержание изоляционного материала определяется с учетом концепции нормализованного времени, вытекающей из второго закона Фика для диффузии, для нелинейного распределения влаги по толщине материала. В соответствии с этой концепцией для средней толщины изо­лятора 2 см пребывание изолятора во влажной среде в течение 0,5 года соответствует суммарному увлажнению на 20 %, а в течение 10 лет — на 80 % от возможного в этих условиях (см. пример 2 пп. 4.3.3). Естествен­но, более тонкие изделия увлажнятся больше. Но прослеживать за каж­дым изоляционным изделием и всеми колебаниями влажности у его по­верхности нет ни возможности, ни необходимости. Поэтому при даль­нейшем анализе рассматривается некоторый обобщенный изолятор.

Второй по величине источник влаги — уплотнения. Он может быть значительно уменьшен применением специальных сортов резины с по­ниженной влагопроницаемостью (см. табл. 4.4).

Итак, принятие мер по защите изоляционных изделий от увлажнения и применение специальных резин для уплотнения позволяет, по край­ней мере, на порядок уменьшить поступление воды в аппарат.

Второй этап обеспечения условия предотвращения конденсации со­стоит в расчете количества цеолита для патрона предотвращения кон­

денсации, которое обеспечило бы необходимое снижение абсолютной влажности в аппарате в тот период времени, когда могут быть созданы условия для конденсации.

Пути обеспечения нормативов влажности определяются на основе решения уравнения материального баланса по воде.

Рассмотрим уравнение материального баланса воды в аппарате внутренней установки. Влагосодержание, г, в начале эксплуатации в расчете на главные влагоносители составится из влагосодержания эле­газа Vж1000 и влагосодержания изоляционных материалов, размещенных в специальных хранилищах (разд. 4.3.3)

       1000В(20 %/100)gк(/100) или 0,2Вж10Σ(gк).

За срок службы Nн, год — назначенный срок службы — диффузион­ным путем в аппарат попадет (см. пп. 4.3.4)

       ΔpΣ(s/x)Nнж3,1557ж107ж18 /22400 г воды.

При усредненной концентрации влаги в элегазе 16,2 ppm-масс. коли­чество воды в аппарате будет определено выражением        16,2ж10–3V + 2ВΣ(gк) + 25358,3NнΔpΣ(s/x).

В конце срока службы в соответствии с нормативом при 20 °С (по гигрометрической таблице абсолютная влажность А = 17,3 г/м3), темпе­ратура конденсации в аппарате должна быть не выше 0 °С (А = 4,5 г/м3), т. е. относительная влажность p/ps = А/Аs = 4,5 /17,3 = 0,26. Влагосодер­жание элегаза составит 4,5V, увлажнение изоляторов достигнет 80 — 97 % от максимально возможного и составит

       0,8ж0,26Σ(gкж1000/100)*или2,1Σ(gк).

Материальный баланс по воде на начальные и конечные условия вы­разится уравнением        16,2ж10–3V + 2ВΣ(gк) + 25358,3NнΔpΣ(s/x) =

       элегаз        изоляция        диффузия

       = 4,5V + 2,1Σ(gк),                                                                (4.23)

       элегаз        изоляция

Подставим средний перепад парциального давления воды на уплот­нении Δp = 0,0017 МПа и упростим выражение:

       16,2ж10–3V + (2В – 2,1)Σ(gк) + 43,1NнΣ(s/x) = 4,5V.

Как видно из уравнения, при заданном способе хранения изоляторов (В = 0,4) они оказываются в начале эксплуатации суше, чем могут ока­заться в конце (2В < 2,1), т. е. они даже могли бы поглотить некоторое количество воды. Однако в начале эксплуатации распределение воды по толще изолятора неравномерно и приповерхностные слои будут значи­тельно увлажнены, так что сначала изолятор будет отдавать воду в эле­газ. Учитывая разнообразие процессов перераспределения влаги в изо­ляционных изделиях и их малые скорости, можно принять, что в целом влияние материала изолятора на влажность элегаза в аппарате будет ни­велировано установленным способом хранения и ограничениями на время сборки аппаратов. Тогда уравнение упростится

       16,2ж10–3V + 43,1NнΣ(s/x) = 4,5V,

а при средней плотности элегаза 18—22 кг/м3

       43,1NнΣ(s/x) = 4,2V.

Отсюда получаем простое выражение, которое можно назвать «ли­митом на уплотнения» по воде:        Σ(s/x) g 10–1V /Nн,                        (4.24)

где Nн — назначенный срок службы, год.

Лимит на уплотнения по воде, также как и лимит на уплотнения по кислороду для выключателя [уравнение (4.20)], ограничивает геометри­ческие размеры уплотнения в зависимости от объема аппарата и приме­няемого для герметизации сорта резины. Это условие предопределяет поддержание нормативной влажности в аппаратах внутренней установ­ки в течение всего срока службы, если при производстве были выпол­нены требования на хранение изоляторов и сборку аппаратов. Лимит на уплотнения, необходимый для аппаратов внутренней установки, рас­сматривается как универсальное условие конструирования аппаратов и распространяется на все виды аппаратов как условие ограничения по­ступления воды в аппараты, как условие «хорошей производственной практики» (GMP — good manufacturing practice).

Аппараты наружной установки подвержены колебаниям темпера­туры и для борьбы с конденсацией влаги в них располагают патроны для предотвращения конденсации с адсорбентом — цеолитом NaX — это и есть та самая развернутая поверхность, на которой могут проте­кать быстрые процессы сорбции воды при резком снижении температу­

ры. В связи с этим, в материальном балансе воды [уравнение (4.23)], со­ставленном на условия заполнения элегазом и конечные условия, появ­ляется еще один член — количество воды на адсорбенте:

       

                                                                                                (4.25)Определенную трудность вызывает интерпретация величины увлаж­нения изоляционных изделий в конце срока эксплуатации в связи с большим диапазоном температуры окружающей среды. Аппараты на­ружной установки могут попасть в условия от – 60 °С до + 60 °С. Диапа­зон среднесуточных значений температуры, конечно, меньше (от – 40 °С до +40 °С), но и он достаточно велик. Учитывая, что независимо от тем­пературы, исходя из формулировки норматива влажности для этого типа аппаратов, двадцатиградусный интервал между температурой конденса­ции влаги в аппарате и среднесуточной температурой должен выдержи­ваться, диапазон допустимой относительной влажности элегаза в аппарате лежит в следующих пределах: от 0,3 при среднесуточной тем­пературе + 40 °С (A20 /A40 = 17,3/54,54 = 0,317) до 0,07 — при температу­ре –50 °С. Но при этом адсорбционная емкость цеолита [уравнения (4.15) и (4.16)] увеличивается от 0,17 до 0,24 г/г за счет снижения температуры. Как крайний вариант, выбираем значение допустимой относительной влажности в аппарате наружной установки p/ps = 0,1 (мы рассматриваем тем самым более тяжелые условия, принимая, что к концу срока экс­плуатации изолятор мог бы оказаться более сухим, т. е. влагу из газа должен будет поглотить абсорбент). Так, для среднесуточной температу­ры –30 °С (At = 0,281 г/м3) (а это значит, что текущая температура может достигать значения – 46 °С) абсолютная влажность в конце срока экс­плуатации должна соответствовать температуре конденсации –50 °С (A = = 0,0291 г/м3), а относительная влажность p/ps = A/At = 0,0291/0,281 = = 0,104. Влагосодержание цеолита aNaX, по изотерме адсорбции, [уравне­ние (4.16)] при – 30 °С и p/ps = 0,104 составит 0,226 г/г. Так мы опреде­лили значения A, p/ps и aNaX. Исходное влагосодержание цеолита после прокалки и регламентированного контакта с атмосферным воздухом при установке патронов в аппарат не должно превышать 0,017 г/г (см. табл. 4.5). Перепад парциального давления на уплотнении этого ви­да аппарата равен 0,001 МПа (пп. 4.3.4). Тогда

       16,2ж10–3V + 2ВΣ(gк) + 25358,3Nн0,001Σ(s/x) + qж0,017 =

       = 0,0291V + 10ж0,8ж0,1Σ(gк) + qж0,226.                                                                                         (4.26)

Из уравнения видно, что для нивелировки влияния изоляционных материалов на окончательное перераспределение влаги необходимо вы­полнить условие        2ВΣ(gк) = 10ж0,8ж0,1Σ(gк),                        (4.27)

из которого и вытекает требование о необходимости поддержания отно­сительной влажности в хранилище на уровне, не превышающем 40 %,        В = 10ж0,8ж0,1 /2 = 0,4.

С учетом этой нивелировки решение уравнения материального ба­ланса для аппаратов наружной установки

       16,2ж10–3V + 25,36NнΣ(s/x) + qж0,017 = 0,0291V + qж0,226

позволяет определить массу цеолита, необходимую для размещения в аппарате с целью поглощения воды из элегаза при резком снижении температуры в течение всего срока службы. С учетом лимита на уплот­нения [уравнение (4.24)] при  = 18—22 кг/м3

       q g 14V,        (4.28)

т. е. размещение 14 г прокаленного цеолита на каждый кубометр объема аппарата наружной установки вне зависимости от срока службы позво­ляет предотвратить конденсацию влаги в аппарате при любых колеба­ниях температуры* при условии выполнения лимита на уплотнения и ограничений на хранение изоляционных изделий. Еще раз отметим, сославшись на табл. 4.7, что до введения ограничения на хранение изо­ляционных изделий именно с изоляторами вносилось в аппарат наи­большее количество воды, и расчетное количество цеолита, необходи­мое для предотвращения конденсации увеличивалось на порядок.

Выключатель снабжен поглотителем, предназначенным для удале­ния продуктов разложения элегаза, которые образуются при актах ком­мутации. Одновременно цеолит поглотителя выполняет функции осу­шителя. Количество адсорбента намного превышает необходимое для предотвращения конденсации влаги при резком снижении температуры. Однако к концу эксплуатации часть цеолита окажется отработанной в результате необратимой адсорбции продуктов разложения элегаза,

и оставшаяся часть должна обеспечить поддержание норматива влажно­сти. В соответствии с нормативом влажности температура конденсации влаги в нем должна быть не выше –30 °С при температуре аппарата 20 °С. Эти условия принимаем для расчета адсорбции воды на цеолите в конце эксплуатации. При той низкой относительной влажности, кото­рую должен поддерживать в выключателе цеолит (от 1,6 % при 20 °С до 0,5 % при – 60 °С), изоляционные материалы могут оказаться практиче­ски сухими!

При определении количества цеолита, необходимого для поддержа­ния норматива влажности, следует исходить из уравнения материально­го баланса воды на момент введения оборудования в эксплуатацию и на условия в конце срока службы, определяемые нормативом,

       

                       (4.29)где q′ — условная часть адсорбента для поглощения продуктов разложе­ния элегаза [уравнение (4.21)]; q ″ — условная часть адсорбента для ре­гулирования влажности; 0,2 и 0,8 — степень насыщения изоляторов в начале и в конце десятилетнего срока соответственно (см. пример 4.2 пп. 4.3.3) — принимаем это как худший вариант; 0,4 — относительная влажность хранилища; 0,005 — возможный нижний предел относитель­ной влажности элегаза в выключателе в конце эксплуатации при низкой температуре. Адсорбционная емкость цеолита по воде aNaX при p/ps = = 0,281 /17,3 = 0,0162 (отношение абсолютной влажности при –30 °С и при 20 °С) и 20 °С равна 0,1143 г/г [уравнение (4.16)], а исходная — после прокаливания и монтажа —  = 0,017 г/г (табл. 4.5). При плот­ности элегаза 30 кг/м3, соблюдении лимита на уплотнения [уравнение (4.24)] и среднем перепаде парциального давления воды на уплотнении этого вида аппарата 0,0021 МПа получаем

       0,49V + 0,8Σ(gк) + 25358,3Nн0,0021ж10–2V + (q′+ q ″)0,017 =

       = 0,281V + 0,04Σ(gк) + q′ж0,017 + q ″ж0,1143.

Откуда

       q ″ = 56,9V + 7,8Σ(gк).

Если учесть, что, принимая во внимание только основные источники воды в аппарате, мы несколько занизили расчетное значение, а также с учетом уравнения (4.21), полная масса адсорбента, г, в выключателе (округленно)        q = q′+ q ″ = 3,4Iкзn1n2 + 60V + 8Σ(gк).                                        (4.30)

Размещение расчетной массы прокаленного цеолита в выключателе обеспечит поддержание качества элегаза в течение всего срока службы при условии соблюдения лимитов на уплотнения и ограничений на хра­нение изоляционных изделий. Приведем пример расчета адсорбера для уточнения использованной размерности.

Пример 4.14. Рассчитать количество цеолита для выключателя 110 кВ.

Исходные данные:

коммутационная способность — 10 отключений тока 31,5 кА,

число разрывов — 1,

объем бака — 0,8 м3,

масса изоляционных материалов:

компаунд КФ-1        10 кг,         = 0,42, (табл. 4.4)

лавсан-текстолит        50 кг,         = 0,03,

фторопласт        2,2 кг,         = 0,006.

Определяем по уравнению (4.30)        q = 3,4ж31,5ж10 + 60ж0,8 + 8ж(10ж0,42 + 50ж0,03 + 2,2ж0,006) =

       = 1071 + 48 + 45,7 = 1165 г.

Округленно 1,2 кг.

Итак, обеспечение норматива «температура конденсации влаги» и, следовательно, предотвращение конденсации влаги в эксплуатации эле­газового оборудования достигается для аппаратов внутренней установ­ки способом хранения изоляционных изделий и технологией сборки, предохраняющими их от увлажнения, а для аппаратов наружной уста­новки и выключателей — дополнительным размещением расчетного ко­личества цеолита.

Как видим, вопрос обеспечения качества элегаза в электротехниче­ском оборудовании является прежде всего вопросом культуры проекти­рования и культуры производства. Поэтому первейшим вопросом при обеспечении качества элегаза является формулирование технических

требований на все стадии разработки высоковольтного электротехниче­ского элегазового оборудования:

на стадии конструирования        —        технические требования к конст­рукции;

на стадии изготовления        —        технические требования к органи­зации производства;

на стадии подготовки

к эксплуатации        —        технические требования к обслу­живанию при подготовке,

с тем чтобы в процессе эксплуатации элегазовое высоковольтное обору­дование не требовало никакого обслуживания в части обеспечения ка­чества элегаза.

При конструировании аппарата, кроме согласования геометрических размеров уплотнения с сортом резины в соответствии с лимитом на уп­лотнения, должны быть учтены особенности проектирования, размеще­ния и монтажа патронов с адсорбентом и поглотителей, геометрия рас­положения штуцеров для заполнения и отбора проб газа на анализ, воз­можность быстрой сборки узлов и сборочных единиц. Кроме ограниче­ний на время и условия хранения изоляторов, производственный про­цесс должен быть организован так, чтобы обеспечить быструю сборку изделий, защиту их от контакта с влагой атмосферного воздуха, подго­товку адсорбента и комплектацию им патронов и поглотителей при ми­нимальном времени его контакта с влагой атмосферного воздуха. Тре­бований не так много, они не сложны, но только их безоговорочное вы­полнение позволит получить оборудование, не требующее обслужива­ния в эксплуатации.

4.6. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
К ПРОИЗВОДСТВУ ЭЛЕГАЗОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕГАЗА В ОБОРУДОВАНИИ
В ТЕЧЕНИЕ ВСЕГО СРОКА ЭКСПЛУАТАЦИИ

ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕГАЗОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

1.        Для обеспечения норматива влажности в течение всего назначен­ного срока службы количество уплотнений в герметизированном объе­ме (отсеке) оборудования и свойства материала уплотнений должны быть согласованы с объемом отсека

       Σ(s/x) < 10–1V /Nн.

Для обеспечения норматива прироста содержания кислорода (глав­ным образом, для выключателя) выбранное уплотнение должно удовле­творять условию

       Σ(s/x) < 10–6 V.

Выполнения этих условий следует добиваться, применяя улучшен­ные сорта резины, уменьшая общее число разъемов и их диаметры, из­меняя форму профиля уплотнения и канавки под нее, а также применяя герметики или увеличивая количество прокладок на одном разъеме. Стыковочные узлы между транспортными единицами и прочими элементами, подготовленными на заводе и монтируемыми на месте экс­плуатации, должны оснащаться уплотнением с возможностью контроля утечки газа.

2.        Выключатели должны быть оснащены поглотителями с синтети­ческим цеолитом NaX (ТУ 38-10281—80) в качестве адсорбента. Погло­тители выключателя следует размещать в зоне отсутствия электриче­ских полей для исключения попадания цеолитной пыли в электрическое поле. Крепление поглотителя должно позволять осуществить в корот­кий срок проведение его монтажа и демонтажа без вскрытия основных фланцев выключателя. Контейнер поглотителя должен изготавливаться из сетки или перфорированного металлического листа для обеспечения свободного доступа газа. Для ограничения попадания цеолитной пыли в объем аппарата поглотитель должен снабжаться пылезащитной обо­лочкой из тонкой хлопчатобумажной ткани. Конструкция контейнера должна обеспечить возможность быстрого помещения в него активиро­ванного цеолита. Толщина слоя адсорбента в поглотителе не должна превышать 4—5 см.

3.        Масса цеолита q, г, в выключателе, достаточная для поглощения продуктов разложения элегаза и поддержания норматива влажности в течение всего срока службы, определяется по формуле

       q = 3,4Iкзn1n2 + 60V + 8Σ(gк).

4.        Элегазовое оборудование наружной установки (кроме выключа­теля) оснащается патроном для предотвращения конденсации влаги. Масса адсорбента в патроне для предотвращения конденсации опреде­ляется из расчета размещения 14 г прокаленного цеолита на каждый ку­бический метр объема аппарата. Размещение патронов следует произво­дить в наиболее удаленной от теплопотоков зоне, наилучшим образом воспринимающей температуру окружающей среды и так, чтобы пыль от цеолита не попадала в общий объем.5.        Для исключения пылеобразования штуцер для заполнения бака выключателя элегазом не должен располагаться напротив поглотителя,

чтобы струя элегаза не омывала последний. Целесообразно вакуумиро­вание и заполнение аппаратов выполнять по разным трактам. Узел за­полнения должен быть снабжен фильтром для удаления пыли.

6.        Место пробоотбора (для анализа элегаза) необходимо располо­жить либо на равном расстоянии от симметрично расположенных по­глотителей, либо посередине между поглотителем и дальним концом бака выключателя.

7.        Конструкция элегазового аппарата должна обеспечивать возмож­ность его сборки из подготовленных сборочных единиц за одну рабо­чую смену. Если процесс сборки оборудования требует по времени бо­лее одной рабочей смены, то для сборочных единиц, содержащих изо­ляционные материалы, должны быть спроектированы технологические заглушки для их герметизации и вакуумирования на этот период.

8.        Часть элегазового оборудования, представляющая отдельное гру­зовое место, должна быть снабжена герметичными транспортными крышками для предотвращения загрязнения разъема и увлажнения изо­ляционного материала.

9.        Каждый изолированный объем (аппарата или его части) должен оснащаться датчиком давления.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ОРГАНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА

1.        Относительная влажность воздуха в сборочном цехе должна быть понижена. Произведение относительной влажности воздуха в цеховом помещении, %, на суммарное время контакта изоляционного изделия с воздухом цехового помещения в часах не должно превышать 300 %жч.

2.        Изоляционные детали или части оборудования с изоляционными деталями, а также изоляционные материалы, предназначенные для их изготовления, должны храниться в специальных хранилищах при отно­сительной влажности не более 40 % или в индивидуальных герметич­ных полиэтиленовых мешках, исключающих их увлажнение атмосфер­ным воздухом. Допускается не помещать изоляционное изделие в спе­циальное хранилище или полиэтиленовый мешок, если оно сразу пере­дается на последующую операцию при условии, что суммарное время контакта изоляционного изделия с воздухом заводских помещений от момента изготовления (выемки из термошкафа) до момента вакууми­рования элегазового оборудования находится в пределе, обусловленном предыдущим пунктом. Допускается хранение изолятора в хранилище не более 6 месяцев, в полиэтиленовом мешке (при толщине полиэтилена 0,15—0,23 мм) — не более 1 месяца. Внутри мешка перед герметизаци­ей необходимо создать небольшое разрежение, чтобы состояние мешка сигнализировало о его герметичности. В полиэтиленовый мешок может быть помещен пакет с сухим индикаторным силикагелем.

Изоляторы из фторопласта и из стеклопластика со сплошным фторо­пластовым покрытием, нанесенным в процессе изготовления стеклопла­стика, специальной сушке до сборки элегазового оборудования не под­вергаются.

Хранение изоляционных материалов, предназначенных для изготов­ления изоляционных изделий, в специальном хранилище с относитель­ной влажностью 40 % сроком не ограничиваются.

3.        Технологический цикл сборки элегазового оборудования или транспортных единиц должен обязательно заканчиваться мерами по ог­раничению контакта изоляционных изделий с влагой:

для собранных аппаратов — откачкой атмосферного воздуха;

для собранных транспортных единиц — установкой транспортных крышек и вакуумированием всех объемов;

для изделий, сборка которых не закончена — установкой технологи­ческих крышек и вакуумированием объемов, в которых имеются изоля­ционные изделия.

Сразу после вакуумирования аппарат может быть заполнен сухим азотом.

4.        Прокаливание цеолита NaX по ТУ 38-10281—80 в гранулах 4—5 мм осуществляется при температуре 370 ± 10 °С в течение не менее 3,5 ч на противне в слое толщиной не более 3 см. В горячем состоянии цеолит пересыпают в контейнер поглотителя, адсорбционный патрон и прочее для использования в оборудовании или в заранее заготовленную сухую и гер­метичную тару, после чего ее парафинируют. В герметизированном со­стоянии адсорбент хранится не более 15 суток, после чего активация долж­на быть повторена.

5.        Контакт активированного цеолита с атмосферным воздухом (от момента вскрытия тары или момента заполнения контейнера горя­чим цеолитом после прокаливания до начала вакуумирования аппарата) при установке адсорбционных патронов или поглотителя в выключа­тель должен быть ограничен: произведение квадрата относительной влажности воздуха, взятого в процентах, в цеховом помещении на вре­мя контакта активированного цеолита с воздухом цехового помещения, взятого в минутах, не должно превышать 24 000.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ДОКУМЕНТАЦИИ НА ЭЛЕГАЗОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ИЛИ СБОРКУ, ИМЕЮЩУЮ ЕДИНЫЙ ГАЗОВЫЙ ОБЪЕМ

В документации должны быть указаны:

номинальная плотность элегаза        , кг/м3;

объем газового пространства V, м3;

масса адсорбента в адсорбционном патроне для аппарата наруж­ной установки и поглотителе выключателя q, г;

масса изоляционных материалов (по типам) gki, кг;

допустимая потеря массы сопла Qс, г;

допустимая потеря массы контактов Qк, г.

После выполнения анализов перед пуском в эксплуатацию в техни­ческую документацию вносится:

содержание шестифтористой серы, %-масс.;

содержание кислорода, %-масс.;

содержание четырехфтористого углерода, %-масс.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ОБСЛУЖИВАНИЮ ПРИ ПОДГОТОВКЕ
К ЭКСПЛУАТАЦИИ

1.        Заполнение оборудования элегазом производится:

а)        после вакуумирования до остаточного давления меньше 0,1 гПа,

б)        после вакуумирования до остаточного давления меньше 5— 10 гПа с заполнением сухим азотом до 0,1 МПа (абс) и повтор­ным вакуумированием до остаточного давления меньше 5 гПа.

Вторая процедура предпочтительнее, поскольку значительно сокра­щает время вакуумирования, не требует прецизионных средств измере­ния вакуума и обеспечивает надежный результат.

Если раньше не была установлена газоплотность на натекание, то это следует сделать при вакуумировании. При этом за промежуток времени, равный 1 ч, не должно происходить изменений показания ва­кууметра более, чем на 0,4 гПа (вне зависимости от объема аппарата).

Аппарат, заполненный азотом, может быть подвергнут грубым испы­таниям на утечку (если качество уплотнений не гарантируется техноло­гией изготовления и сборки) по изменению давления за промежуток времени в несколько часов. В этом же состоянии можно определить объем аппарата, если он раньше не был установлен.

2.        Заполнение оборудования элегазом и азотом необходимо произве­сти через противопылевой фильтр. Максимальный размер частиц, допус­тимый в элегазовом оборудовании, находится в пределах 20—30 мкм.

3.        Заполнение выключателя производят из стандартного баллона, содержащего элегаз по ТУ 6-02-1249—83, из жидкой фазы (вентилем вниз) из расчета извлечения до 34 кг.

4.        Заполнение элегазового оборудования (кроме выключателя) про­изводят из стандартного баллона, из газовой фазы (вентилем вверх). При этом может быть использован элегаз, оставшийся в баллонах от за­полнения выключателя.

5.        Допускается заполнение оборудования элегазом другими спосо­бами (с помощью специализированной установки обслуживания, с по­мощью насосно-компрессорной установки, из емкости, содержащей

элегаз и т. п.), если качество элегаза в них позволяет обеспечивать нор­мативы качества элегаза в оборудовании.

6.        Заполнение оборудования элегазом производится до номиналь­ной плотности, которая определяется давлением элегаза при температу­ре заполнения, с добавлением некоторого избытка для выполнения ана­лизов и компенсации утечки.

7.        Если блоки оборудования соединяются на монтажной площадке, на месте введения в эксплуатацию, то сборка одного узла от момента снятия транспортировочных крышек до вакуумирования полости между состыкованными изоляторами должна происходить за одну рабочую смену. Не допускается прямое попадание влаги в стыковочный узел. За­полнение элегазом полостей между состыкованными изоляторами про­изводится так же, как и заполнение элегазового оборудования.

8.        Дозаполнение элегазового оборудования элегазом, в случае, если оно по условиям поставки доставлено на монтажную площадку с пони­женной плотностью элегаза, осуществляется в соответствии с требова­ниями пунктов 2—6 этого раздела.

ТРЕБОВАНИЯ К ТЕХНИЧЕСКОМУ ОБСЛУЖИВАНИЮ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Элегазовое оборудование, установленное в промышленную эксплуа­тацию, изготовленное и подготовленное в соответствии с данными тех­ническими требованиями, в течение всего срока эксплуатации не требу­ет никакого обслуживания в части обеспечения качества элегаза.

4.7.        МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ КАЧЕСТВА ЭЛЕГАЗА В ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИИ

В процессе подготовки, наладки, испытаний, перед выпус­ком оборудования и после его установки на месте эксплуатации возни­кает необходимость контроля регламентированных параметров. В соот­ветствии с установленными нормативами качество элегаза в электро­оборудовании может быть установлено посредством четырех видов ана­лиза: определения содержания кислорода, содержания влаги, содержа­ния шестифтористой серы и содержания кислотных примесей. Все виды анализа описаны в главе 2. Объем необходимых определений и порядок их выполнения устанавливается планом мероприятий по определению качества элегаза (табл. 4.10).

Практически, аналитический контроль промышленного оборудова­ния, вводимого в эксплуатацию, сводится к двум определениям: хрома­тографически определяют содержание шестифтористой серы и кисло­рода и по точке росы или другим инструментальным методом определя­ют влажность. При этом газохроматографический анализ может быть

выполнен из отобранной пробы, а влагосодержание необходимо опреде­лять непосредственно в объеме аппарата.

В табл. 4.10 иллюстрируется конечный итог исследований в области обеспечения качества элегаза в электрооборудовании: разработанная система обеспечения качества привела к тому, что собственно аналити­ческие определения выполняются в очень ограниченном объеме и толь­ко в начальный момент в качестве проверки соблюдения установленной технологии. Полученное при анализе значение концентрации кислорода и шести­фтористой серы непосредственно сравнивается с нормативными показа­телями, а значение влажности требует дополнительной интерпретации.

4.8.        ОПРЕДЕЛЕНИЕ СООТВЕТСТВИЯ ВЛАЖНОСТИ ЭЛЕГАЗА НОРМАТИВУ ВЛАЖНОСТИ

Поскольку установленные нормативы качества элегаза должны выполняться в течение всего срока эксплуатации оборудования, а в соответствии с планом мероприятий по определению качества эле­газа последние анализы газа на влажность выполняются спустя неделю

после заполнения оборудования элегазом и далее для промышленной эксплуатации никакие анализы не предписываются, создается ситуация, когда фактически по данным анализов, полученным при подготовке оборудования к эксплуатации, необходимо сделать заключение о воз­можности выполнения установленного норматива в течение всего срока эксплуатации. Для норматива «содержание шестифтористой серы» и да­же для норматива «содержание кислорода» никакие сложности не воз­никают. Норматив «содержание продуктов разложения» в условиях пуска в эксплуатацию не оценивается, он проверяется только на стадии испытаний опытного образца. Так что, эта ситуация распространяется только на интерпретацию данных анализа влажности с целью подтвер­ждения выполнения норматива «температура конденсации влаги». Ин­терпретация данных анализа влажности элегаза вызывает трудности по причине постоянного изменения влагосодержания элегаза, связанного с непрерывным перераспределением воды между влагоносителями под действием температуры на фоне постоянного поступления воды в обо­рудование диффузионным путем.

Для аппарата наружной установки норматив влажности формулиру­ется из условия предотвращения конденсации. Смысл условия предот­вращения конденсации заключается в том, что температура конденса­ции влаги в аппарате должна быть не менее чем на 20 °С ниже средне­суточной температуры. Именно двадцатиградусный интервал, выведен­ный на основании анализа атмосферных колебаний температуры в раз­личных областях нашей страны, является сутью норматива влажности элегаза. Поскольку с изменением температуры окружающей среды из­меняется температура конденсации и интервал между ними, появляется необходимость найти способ по данным состояния влажности в аппара­те при одной температуре определить влажность элегаза в аппарате при любой другой температуре с тем, чтобы иметь возможность сделать за­ключение о выполнении норматива влажности в рабочем диапазоне температуры.

Норматив влажности для аппаратов внутренней установки менее же­сткий, так как при размещении оборудования в помещении резких ко­лебаний температуры воздуха не предполагается.

Требование норматива влажности для выключателя более жесткое, чем для аппаратов наружной установки. В связи с этим выключатели без каких-либо оговорок могут эксплуатироваться как аппараты наруж­ной установки. Отличительной особенностью выключателя является размещение в нем большого количества адсорбента, предназначенного для удаления продуктов разложения, но его отличие от аппарата наруж­ной установки заключается в том, что по мере выработки ресурса часть адсорбента перестает участвовать в процессе перераспределения влаги.

Все эти особенности должны быть учтены при интерпретации полу­ченного при измерении результата анализа влажности. Таким образом, результат конкретного анализа влажности перед сравнением с норма­тивным значением должен быть оценен в диапазоне рабочей температу­ры и экстраполирован во времени до конца эксплуатации. Несмотря на ряд причин, усложняющих интерпретацию результатов анализа, точные представления о физических процессах, обусловливающих влагообмен, и соответствующий математический аппарат позволяют решить задачу с высокой достоверностью. Соответствие влажности элегаза в аппарате нормативу влажности должно явиться подтверждением точного выпол­нения всех предписанных технических требований.

Аппараты внутренней установки не оснащаются какими-либо осу­шающими или регулирующими распределение влаги приспособления­ми. Сразу после заполнения аппарата элегазом начинается перераспре­деление влаги. При этом происходит существенное изменение профиля концентрации влаги по глубине изоляционного материала, а именно, распределение влаги по глубине выравнивается, сглаживается. Дальней­шее перераспределение воды протекает под действием диффундирую­щей через уплотнения воды. И поскольку этот процесс медленный, мы вправе принимать в дальнейшем распределение воды по изоляционному материалу как равномерное и соответствующее относительной влажно­сти элегаза.

Если абсолютная влажность A в аппарате определена анализом, то масса воды Q, г, в аппарате внутренней установки равна

       Q = AV + 10(A/At)Σ(gк),

где At — абсолютная влажность при насыщении при температуре аппа­рата t. За срок N до конца эксплуатации в аппарат диффузионным путем попадет

       NΔpΣ(s/x)ж3,1557ж107ж18 /22400 г воды.

В соответствии с нормативом влажности допустимо, чтобы к концу срока эксплуатации влажность A в аппарате составила 4,5 г/м3 (при на­сыщении при температуре 20 °С At = 17,3 г/м3). Материальный баланс воды в расчете на момент измерения влажности и конечные условия со­ставится так

       

       .                                                        (4.31)

С учетом лимита на уплотнения [уравнение (4.24)] и перепада парци­ального давления воды на уплотнении этого вида аппарата (пп. 4.3.4) по­лучаем

       .        (4.32)

Норматив влажности будет выполнен в течение всего срока эксплуа­тации, если измеренная в какой-либо момент влажность Aизм в аппарате будет ниже расчетного значения

       .        (4.33)

Это уравнение позволяет проанализировать соответствие измеренно­го значения влажности нормативу влажности при любой температуре аппарата внутренней установки (через значение At) и в любой момент времени (через N), если конструкция аппарата соответствует установ­ленным техническим требованиям (п. 4.6).

Пример 4.15. Анализ элегаза на влажность при пуске элегазового аппарата внутренней установки в эксплуатацию показал, что точка росы составляет –15 °С при температуре окру­жающей среды +18 °С. Определить, будет ли соответствовать этот показатель нормативу в течение 10 лет эксплуатации?

Технические данные аппарата:

объем аппарата 1 м3, давление 0,2 МПа избыточное,

масса изоляционных материалов:

компаунд КЭ-3 — 70 кг,

фторопласт — 3 кг,

стеклотекстолит — 0,5 кг.

Из табл. 4.3 определяем влагосодержание изоляционных материалов: 0,35; 0,006 и 0,02 % соответственно. По гигрометрической таблице находим At (табл. 4.6) для 18 °С: At = 15,3 г/м3; N = Nн = 10. Выполняем расчет по уравне­нию (4.32):

        г/м3.

Измеренное значение точки росы –15 °С соответствует 1,22 г/м3 (см. табл. 4.6). Под давлением 0,3 МПа (абс) Aизм = 3ж1,22 = 3,66 г/м3. Поскольку это значение меньше расчетного (3,76 г/м3), норматив влажности в этом аппарате, изготовлен­ном с соблюдением всех требований, будет выполнен в течение всего десятилет­него срока эксплуатации.

Аппараты наружной установки для предотвращения конденсации влаги оснащаются патроном с цеолитом NaX, количество которого вне­сено в техническую документацию на аппарат. Для решения вопроса о соответствии измеренной влажности нормативу влажности составим материальный баланс воды в аппарате в момент измерения и в наиболее тяжелой ситуации в конце эксплуатации.

Рассмотрим состояние аппарата в конце эксплуатации при среднесу­точной температуре –25 °С. В соответствии с установленным нормати­вом влажность в аппарате должна соответствовать температуре кон­денсации – 45 °С*. Относительная влажность элегаза p/ps при этом равна A/At = 0,0532 /0,467 = 0,1139. Адсорбционная емкость цеолита при тем­пературе – 25 °С и относительной влажности 0,1139 составит 0,225 г/г [по уравнению (4.16)]. Суммарное содержание воды в аппарате в этих условиях в конце эксплуатации будет равно

       0,0532V + 10ж(0,0532 /0,467)Σ(gк) + 0,225q.

В момент измерения влажности элегаза (с целью оценки норматива влажности) относительная влажность элегаза выразится соотношением Aизм/At. Находящийся в аппарате адсорбент быстро реагирует на измене­ние влажности, и относительная влажность Aизм/At является также рав­новесной влажностью цеолита, т. е. определяет его влагосодержание (адсорбционную емкость).

Интерпретация значения относительной влажности, равновесной влажности изоляционных материалов, несколько сложнее. Но этот во­прос мы уже обсуждали и пришли к выводу, что концентрация воды по глубине изоляционного изделия выравнивается. Все дальнейшее пе­рераспределение под действием сезонной температуры происходит со сравнительно небольшой частью воды и не приводит к глубоким изме­нениям профиля концентрации воды в компаунде. Поэтому правомерно принять, что равновесная влажности изоляционных материалов относи­тельная влажность элегаза равна Aизм/ , где  — абсолютная влаж­ность при среднесуточной температуре tср, и полагать, что вода распре­делена в изоляционном материале равномерно. Тогда уравнение мате­риального баланса воды приобретает вид

       AизмV + 10(Aизм/)Σ(gк) + NΔpΣ(s/x)ж25358,3 + qaNaX =

       = 0,0532V + 10(4,5 /17,3)Σ(gк) + 0,225q,        (4.34)

где aNaX при Aизм и текущей температуре, при которой выполнено изме­рение влажности. Из материального баланса выводим уравнение для ре­шения вопроса о соответствии влажности элегаза нормативу влажности

       

       , (4.35)где aNaX соответствует измеренной влажности при текущей температуре.

Это неравенство позволяет проанализировать соответствие измерен­ного значения влажности при любой среднесуточной температуре (че­рез значение ) и в любой момент времени (через значение N) уста­новленному нормативу в аппарате наружной установки, конструкция которого соответствует установленным техническим требованиям. Вы­полнение неравенства будет означать, что норматив влажности будет выполняться до конца срока эксплуатации.

Пример 4.16. Точка росы в элегазе аппарата наружной установки при пуске в эксплуатацию по данным анализа составила –38 °С. Температура окружающей среды в мо­мент измерения равна +2 °С. Среднесуточная температура за истекшие сутки составила +5 оС. Определить, соответствует ли влажность элегаза нормативу в расчете на 30 лет экс­плуатации?

Технические данные аппарата:

объем аппарата 1 м3, давление 0,4 МПа (абс),

масса изоляционных материалов:

компаунд КЭ-3 — 70 кг,

фторопласт-4 — 3 кг,

стеклотекстолит — 0,5 кг,

масса цеолита в патроне — 20 г.

По гигрометрической таблице (табл. 4.6) определяем:

для точки росы –38 °С абсолютная влажность 0,119 г/м3, с учетом давле­ния 0,4 МПа (абс) Aизм = 0,119ж4 = 0,48 г/м3,

для температуры + 2 °С At = 5,22 г/м3,

для температуры + 5 °С Atср = 6,45 г/м3.

Относительная влажность в аппарате в момент измерения равна Aизм/At = = 0,38 /5,22 = 0,073.

Адсорбция на цеолите [уравнение (4.16)] при p/ps = A/At = 0,073 и +2 °С рав­на aNaX = 0,1691 г/г. Данные о влагосодержании изоляционных материалов вы­бираем из табл. 4.3. N = Nн = 30. Определяем расчетное значение для сравнения с измеренным результатом

       

       ,         г/м3.

Измеренное значение влажности (0,48 г/м3) меньше расчетного. Следова­тельно, норматив влажности будет выполнен в течение всего срока эксплуата­ции и во всем диапазоне значений рабочей температуры.

В выключателе в конце эксплуатации, исходя из норматива, абсо­лютная влажность может составить 0,281 г/м3 при температуре 20 °С, а относительная A/At = 0,281 /17,3 = 0,0162*. Адсорбционная емкость цеолита при этих условиях равна 0,1143 г/г. Общее количество воды в выключателе к концу срока эксплуатации при условии выполнения норматива может быть равно

       Q = 0,281V + 10(0,281/17,3)Σ(gк) + [q – 3,4Iкзn1n2]ж0,1143 +

       + [3,4Iкзn1n2].                                                                        (4.36)

Третье слагаемое в правой части — условная часть адсорбента, при­нимающая участие в процессе регулирования влажности, q€″; четвертое слагаемое — условная часть адсорбента (со своей исходной влажно­стью) q€′, предназначенная для поглощения продуктов разложения эле­газа. В момент проведения измерений влажности количество воды мо­жет быть подсчитано как

       AизмV + 10(Aизм/)Σ(gк) + [q – 3,4n2Σ(Iini)]aNaX +

       + [3,4n2Σ(Iini)],

где Ii и nt — ток и количество отключений тока за истекший период экс­плуатации, причем величина тока не меньше 60 % тока короткого замы­кания. Третье слагаемое — условная часть адсорбента, реально прини­мающая участие во влагообмене; четвертое слагаемое — условная часть адсорбента, реально выведенная из влагообмена продуктами разложе­ния элегаза. Учитывая диффузионный поток воды с Δp = 0,0021 МПа за срок до конца эксплуатации и лимит на уплотнения, получаем

       

               ,        (4.37)где Iкз — ток короткого замыкания по техническому заданию (данные ресурса); aNaX — соответствует Aизм при температуре измерения.

Приведенное уравнение для выключателя, конструкция которого от­вечает установленным техническим требованиям, позволяет оценить со­ответствие состояния элегаза выключателя нормативу влажности по из­меренному значению Aизм при любой температуре (через ) в любой момент времени (через N) и при выработке части ресурса отключений [через Σ(Iini)].

Пример 4.17. Выключатель на 110 кВ с одним разрывом с объемом газового про­странства 0,8 м3 содержит 10 кг КФ-4, 50 кг лавсантекстолита, 2,2 кг фторопласта и 1200 г цеолита. Не произвел никаких отключений (в начале десятилетней эксплуатации). Измерен­ное значение температуры конденсации – 68 °С при температуре окружающего воздуха 20 °С. Среднесуточная температура 18 °С. Ресурс отключений тока 31,5 кА — 10 раз. Опре­делить, соответствует ли измеренная влажность в выключателе нормативу?

Atср        при 18 °С        15,26 г/м3,

At        при 20 °С        17,3 г/м3,

Aизм        при – 68 °С        0,0026 г/м3,

aNaX для p/ps = 0,0026/17,3 и 20 °С 0,0236 г/г,

Σ(gк) = 10ж0,42 + 50ж0,03 + 2,2ж0,006 = 5,7132 (табл. 4.3).

N = Nн = 10.

Подставляем значения в уравнение (4.37)

       

               ,

       Aизм ≤ 0,334 г/м3.

Измеренное значение (0,0026 г/м3) меньше расчетного. Норматив выполняется.

Пример 4.18. Условия те же, но температура окружающей среды 17 °С при среднесу­точной температуре 18 °С.

At при 17 °С        14,33 г/м3,

aNaX для p/ps = 0,0026/14,33 и 17 °С0,0280 г/г.

       .

Измеренное значение (0,0026 г/м3) больше расчетного. Норматив не выпол­няется*. (Этому аппарату не угрожает конденсация влаги, но невыполнение норматива свидетельствует о том, что к концу срока эксплуатации поглощение продуктов разложения будет протекать замедленным темпом.)

Пример 4.19. Условия те же, что и в примере 4.17. Выключатель отработал 3 года и выполнил пять отключений тока 30 кА и одно отключение тока 25 кА. Получено значение температуры конденсации – 65 °С.

Aизм при – 65 °С0,0040 г/м3,

aNaX для p/ps = 0,004/17,3 и 20 °С0,0327 г/г.

       

       .Норматив выполняется: измеренное значение (0,004 г/м3) меньше расчетного.

Приведенные примеры показывают, насколько велико влияние изме­ренных значений (температура и влажность) на результат расчета.

4.9.        ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ЭЛЕГАЗА В АППАРАТАХ, ВЫПУЩЕННЫХ ДО ВВЕДЕНИЯ УСТАНОВЛЕННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ

Обобщение технических требований, правил работы, мето­дик анализа, нормативов, плана мероприятий, интерпретации результа­тов, необходимого справочного материала и расчетных уравнений вы­полнено в виде Руководящего документа РД 16-066—83 [4.3], обяза­тельного к применению на предприятиях, производящих высоковольт­ное элегазовое оборудование.

Определенное количество единиц элегазового оборудования было выпущено до введения в действие РД 16-066—83 и соответственно без тех конструкторских и технологических мер, которые определяют под­держание показателей качества элегаза на заданном уровне. Определе­ние состояния такого оборудования и соответствия параметров качества элегаза в нем нормативам качества особенно важно.

Для аппаратов внутренней установки основными отличиями могут быть использование более влажных изоляционных материалов и превы­шение лимита на уплотнения. Использование влажной изоляции непо­средственно отразится на результате анализа влажности, а нарушение лимита на уплотнения должно быть учтено в уравнении использованием конкретных данных по уплотнению. По аналогии с уравнением (4.33)

       .        (4.38)

Для аппаратов наружной установки, кроме нарушения лимита на уплотнения и неконтролируемой влажности изоляционных материалов, возможно размещение в аппаратах недостаточного количества цеолита или полное его отсутствие. В этом случае может идти речь о допусти­мой минимальной среднесуточной температуре tм, при которой можно вести безопасную эксплуатацию оборудования без принятия каких-либо мер по осушке из условия поддержания двадцатиградусного интервала между этой температурой и температурой конденсации влаги.

Для аппарата наружной установки без адсорбента влажность элега­за зависит от колебания среднесуточной температуры. Поэтому в мо­мент измерения

       Q = AизмV + 10(Aизм /)Σ(gк).

В момент, когда будет реализовываться нормативное условие при искомой температуре tм,

       Q = V + 10(/)Σ(gк).

Следовательно,        AизмV + 10(Aизм /)Σ(gк) + 25,4NΣ(s/x) =

       = V + 10(/)Σ(gк).                                                                        (4.39)

Отсюда итерацией находят значение допустимой минимальной сред­несуточной температуры tм (из  по гигрометрической таблице).

Пример 4.20. Аппарат наружной установки, предназначенный для эксплуатации в те­чение 10 лет, объемом 150 л содержит 25 кг компаунда КЭ-3, давление 0,3 МПа (абс), на­ходится в эксплуатации 2 года, имеет три уплотнения резиной НО-68 (диаметром 300 мм), размер канавки под уплотнение 5×8 мм (размеры, до которых будет деформировано сече­ние резинового кольца, рис. 4.4). Измеренная влажность: точка росы –20 °С. Среднесуточ­ная температура 17 °С. Определить допустимую минимальную среднесуточную температуру.

Рассчитываем Σ(s/x) = 3(πж30ж0,5 /0,8) = 176,7 см2/см.

Коэффициент влагопроницаемости для НО-68 (см. табл. 4.4) 1,3ж10–4 см3жсм / /(см2жМПажс). Лимит на уплотнения не соблюден, так как 1,3ж10–4ж176,7 > > 10–1ж0,15/10. Определяем температуру конденсации и абсолютную влаж­ность элегаза в аппарате по измеренному значению точки росы (см. табл. 4.6): при –20 °С A = 0,763 г/м3, при 0,3 МПа Aизм = 0,763ж3 = 2,289 г/м3, темпера­тура конденсации – 8 °С.

Рассчитываем Σ(gк) (см. табл. 4.3): Σ(gк) = 25ж0,35 = 8,75.

Решаем уравнение (4.39):        2,289ж0,15 + 10(2,289/14,33)ж8,75 + (10 – 2)1,3ж10–4ж176,7ж25,4 =

       = ж0,15 + 10(/)ж8,75,

        + 583,33(/) = 126,586.Равенство выполняется при tм = +10,6 °С ( = 9,4 г/м3). Это означает, что до среднесуточной температуры, равной 11 °С, аппарат будет сохранять способ­ность выдерживать резкое охлаждение на 20 °С без конденсации влаги. Эксплуатация такого аппарата может осуществляться до текущей температуры – 9 °С без конденсации и потребует ежесезонных измерений влажности для про­верки состояния.

Пример 4.21. Соединительный узел между аппаратами объемом 150 л содержит 70 кг компаунда КЭ-3 (два раза по пол-изолятора), давление 0,3 МПа (абс), имеет уплотнитель­ный узел с двумя последовательными резиновыми (НО-68) кольцами на диаметре 650 и 670 мм, размер канавки под уплотнение 5×8 мм (размеры, до которых будет деформирова­но сечение резинового кольца, рис. 4.4). После двух лет эксплуатации из десяти предписан­ных измерена точка росы элегаза: –20 °С. Среднесуточная температура равна 17 °С. Опре­делить допустимую минимальную среднесуточную температуру.

Рассчитываем Σ(s/x) = π[(65 + 67) /2]ж0,5 /(2ж0,8) = 64,8 см2/см. (Принимаем среднюю длину уплотнения и удваиваем диффузионный путь).

        = 1,3ж10–4 см3жсм /(см2жМПажс).

        при 17 °С равна 14,33 г/м3.

       Aизм = 2,289 г/м3(см. предыдущий пример).

       Σ(gк) = 70ж0,35 = 24,5 (табл. 4.3).

Решаем уравнение (4.39):        2,289ж0,15 + 10(2,289 /14,33)ж24,5 + 8ж1,3ж10–4ж64,8ж25,4 =

       = ж0,15 + 10(/)ж24,5.

        + 1633,33(/) = 274,601.         = 4,34 г/м3,tм = – 0,5 °С.

∈⟨◊∫⎝⎧ ®⎨⎝⎧◊⎨⎝∑, ⎟∫⎩ ™®⎩⎡⎨⎩∑ ⌠⎪⎣⎩∫⎨∑⎨⎝∑ ®™®⎩∑ ⟩⎨⎝⎛◊∑∫ ™⎝⎮⎮⌠↑⎜⎝⎩⎨⎨⌠⎭ ⌡◊◊⎢∫∑⎝⟩∫⎝⎢⌠ ⌠⎪⎣⎩∫⎨∑⎨⎝ Σ(s/x).

Из сравнения этих двух примеров, видно, что решающее значение в решении имеют члены, описывающие влагосодержание твердой изо­ляции: соединительный узел находится в лучших условиях, благодаря большей на единицу объема массе компаунда, который выполняет роль адсорбента, прослеживающего за сглаженным ходом среднесуточной температуры.

Для аппарата наружной установки с адсорбентом количество воды в аппарате в момент измерения влажности равно

       Q = AизмV + 10(A/)Σ(gк) + qaNaX,

где aNaX рассчитывается при Aизм и текущей температуре. Неизвестное значение относительной влажности элегаза A/ при среднесуточной температуре, равновесное влажности изоляционных материалов, для некоторого упрощения и без заметной ошибки может быть заменено на Aизм/At (измеренным значением при текущей температуре)

       Q = AизмV + 10(Aизм/At)Σ(gк) + qaNaX,

где aNaX расчитывается при Aизм и текущей температуре, не слишком от­личающейся от среднесуточной tср. Количество диффузионной воды — 25,4NΣ(s/x). Абсолютная влажность при допустимой минимальной среднесуточной температуре tм в аппарате должна соответствовать абсо­

лютной влажности при насыщении (p/ps = 1*) при температуре на 20 °С ниже (tм – 20). Учитывая уравнение адсорбции цеолита для p/ps = 1 [уравнение (4.16)], уравнение материального баланса запишется

       AизмV +10(Aизм/At)Σ(gк) + qaNaX + 25,4NΣ(s/x) = V +

       + 10(/)Σ(gк) + q0,81еxp[–1,35ж10–5(tм + 253)2],                        (4.40)

где aNaX рассчитывается при Aизм и текущей температуре.

Уравнение решается итерацией до согласования значений,  и предельной адсорбционной емкости цеолита по воде при tм – 20 (в виде 0,81еxp[–1,35ж10–5(tм + 253)2]). Значение допустимой минималь­ной среднесуточной температуры tм находят из  по гигрометрической таблице.

Пример 4.22. Соединительный узел (см. предыдущий пример) оснащен патроном для предотвращения конденсации. Масса цеолита в патроне 80 г. Температура окружающей среды 18 °С. Остальные условия те же. Определить допустимую минимальную среднесуточ­ную температуру.

Адсорбционная емкость цеолита при Aизм = 2,289 г/м3 и 18 °С aNaX = 0,174 г/г; At при 18 °С равна 15,26 г/м3.

Решаем уравнение (4.40):

       2,289ж0,15 + 10(2,289/15,26)ж24,5 + 80ж0,174 + 25,4ж8ж1,3ж10–4ж64,8 =

       = ж0,15 + 10(/)ж24,5 + 80ж0,81еxp[–1,35ж10–5ж(tм + 253)2],

       tм = –53 °С.

Введение патрона с адсорбентом в соединительный узел позволяет отнести его в разряд неконтролируемых: при всех условиях норматив будет соблюден. Однако заметим, что для достижения такого результа­та потребовалось количество адсорбента намного больше того, которое потребовалось бы для соединительного узла, изготовленного с соблюде­

нием требований РД 16-066—83 (пункт 4 технических требований в п. 4.6).

Анализ соответствия влажности элегаза нормативу влажности для выключателей, выпущенных до введения РД 16-066—83, приводит к весьма громоздким выражениям. Учитывая, что до введения РД в вы­ключатель закладывалось значительно большее количество адсорбента, ожидать нарушения норматива влажности не приходится. Нарушение лимита на уплотнения выразится только в повышенном темпе увеличе­ния концентрации кислорода, что в качестве последствия может привес­ти к несколько большему разложению элегаза при коммутации.

Уравнения для определения соответствия влажности элегаза норма­тиву влажности приобретают особое значение в связи с разработкой системы автоматического контроля элегазового оборудования.

4.10.        ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОДГОТОВКИ ЭЛЕГАЗОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
       К ЭКСПЛУАТАЦИИ

Заполнение аппаратов элегазом на заводе-изготовителе про­изводится с целью подготовки их к испытаниям. В процессе подготовки осуществляют ряд измерений. Среди них — измерение натекания под вакуумом, измерение объема газового пространства для нового типа оборудования, выполняемое на промежуточной стадии заполнения азо­том, и измерение утечки элегаза. После испытаний элегаз частично уда­ляется и в таком состоянии с небольшим избыточным давлением обору­дование транспортируется, если не требует разукрупнения, на место эксплуатации. После установки на месте производится дозаполнение элегазом до номинальной плотности, вакуумирование и промывка азо­том стыковочных элементов, повторное вакуумирование и заполнение их элегазом. Пуску в эксплуатацию предшествуют только комплекс ана­лизов в соответствии с планом мероприятий и испытания на месте экс­плуатации (п. 4.7).

ВАКУУМИРОВАНИЕ ЭЛЕГАЗОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Вакуумирование элегазового оборудования производится с целью удаления из него воздуха и влаги, и является процедурой, завершающей технологический цикл сборки единого газового объема. Откачка возду­ха осуществляется масляным ротационным насосом. Достижение хоро­шего разряжения может оказаться затруднительным. При понижении давления начинает испаряться со стенок адсорбированная вода, которая заполняет камеру разряжения масляного насоса, в результате чего он начинает работать вхолостую. С этим явлением легко бороться, если на­

сос снабжен устройством для продувки или если эту продувку прово­дить искусственно. И хотя удаление влаги из аппарата всегда целесооб­разно, стремиться к достижению глубокого вакуума не обязательно. Бы­ло показано (см. табл. 4.8), что последующая промывка азотом обеспе­чит хорошее удаление воздуха, даже если вакуум будет на уровне 5 гПа. Постараемся решить вопрос об эффективности этой меры в плане уда­ления адсорбированной влаги. Примем исходную влажность воздуха равной 10 г/м3 — примерно 40 % относительной влажности при 22 °С. Даже если предположить, что адсорбированная на стенках вода при первом вакуумировании до остаточного давления 5 гПа будет оставать­ся на стенках, то в результате вакуумирования в газовом пространстве аппарата будет создана влажность, равная

       10ж5/1000 = 0,05 г/м3.

Последующее заполнение азотом с точкой росы – 55 °С (0,015 г/м3) до давления 0,1 МПа (абс) увеличит влажность в объеме до

       0,05 + 0,015ж1 = 0,065 г/м3.

Повторное вакуумирование до 5 гПа обеспечит

       0,065ж5/1000 = 0,00033 г/м3,

т. е. равновесное парциальное давление воды упадет в 30 тыс. раз. Это означает, что удаление влаги со стенок должно протекать эффективно и особенно если азот при заполнении подогревать, предотвращая его ох­лаждение за счет дросселирования, что создаст благоприятные условия к быстрому достижению состояния равновесия.

Если глубокая откачка воздуха вызывает большие трудности, то ее можно прекратить при достижении остаточного давления в пределах 5— 10 гПа, скомпенсировав это нарушение избыточным давлением азота.

Глубина вакуума в подготавливаемом для работы объеме электротехниче­ского аппарата является и технологическим фактором производства. Рассмот­рим этот вопрос на уже приведенном примере: вакуумирование до 5 гПа с по­следующим заполнением азотом до атмосферного давления и повторным ва­куумированием до 5 гПа обеспечивает снижение парциального давления воды в 30 тыс. раз (без учета изотерм и динамики сорбции—десорбции и без учета осо­бенности работы ротационного масляного насоса — с позиций чистой стати­ки!). Эквивалентом этого было бы прямое вакуумирование до 0,033 гПа. Рас­смотрим временной фактор. Теоретически, изменение давления в объеме во вре­мени подчиняется экспоненциальному закону

       p = p0 exp(–Ft/V)илиt = V/F ln(p0/p),

где p0 и р — начальное и текущее значение давления; F — производительность насоса; V — объем аппарата; t – время.

Выберем для примера: производительность насоса 40 м3/ч (666,7 л/мин), объем аппарата 2,5 м3. При вакуумировании аппарата от атмосферного давления (1000 гПа) до 0,033 гПа потребуется

       t = 2500/666,7 ln(1000/0,03) = 39 мин.

При вакуумировании до 5 гПа — 20 мин, т. е. время двойного вакуумирова­ния до 5 гПа равно времени простого вакуумирования до 0,03 гПа (свойство экспоненты!). Так что остается сравнивать только времена заполнения аппарата азотом и реальное время вакуумирования аппаратов до достижения заданного вакуума. Первое лежит в пределах 10 минут, а второе — растягивается на часы. При этом и средства контроля меняются: в первом случае необходимо регист­рировать диапазон 1—5 мм рт. ст., а во втором — уже сотые доли.

ИЗМЕРЕНИЕ ГАЗОПЛОТНОСТИ НАТЕКАНИЕМ

Перед тем, как наполнить элегазовое оборудование азотом, необхо­димо провести измерение газоплотности натеканием в вакуум как этап определения газоплотности оборудования в целях обеспечения регла­ментированной утечки элегаза. Это измерение является грубым, не тре­бует каких-либо приспособлений, кроме тех же средств измерения ва­куума, которые используются при откачке. Сохранение вакуума в сис­теме за промежуток времени в 15 минут свидетельствует, что грубых нарушений газоплотности нет. Следует иметь в виду, что некоторое из­менение вакуума может происходить в герметичной системе из-за пере­распределения адсорбированной на поверхности влаги. Поскольку этот процесс имеет предел, то в случае, если первое определение показало натекание выше нормы (0,4 гПа за 1 час), его следует повторить при удалении азота.

ЗАПОЛНЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ АЗОТОМ

Эта операция выполняется от баллонной рампы со стандартными со­рокалитровыми баллонами и обеспечивает значительное сокращение времени подготовки аппарата к заполнению и увеличение эффективно­сти удаления примесей. Давление, до которого необходимо произво­дить наполнение, зависит от глубины вакуума и номинальной плотно­сти элегаза. Используя уравнение (4.1а) и исходя из условия, что загряз­нение аппарата воздухом не должно превышать 1,2—1,3 ppm-масс. (т. е. вчетверо больше чем, из расчета по кислороду — 0,3 ppm-масс. по табл. 4.8), получаем

        = 1000()2/,                        (4.41)

где  — давление азота при промывке аппарата для обеспечения аде­кватности процедуры;  — остаточное давление, достигнутое при удалении воздуха (гПа, мбар);  — номинальная плотность элегаза,

кг/м3, при условии, что вакуум при откачке азота будет не хуже достиг­нутого при откачке воздуха.

Таким образом определяется давление азота в гПа (1 бар = 0,1МПа = = 1000 гПа), необходимое при заполнении для обеспечения эквивалент­ности подготовки аппарата. Так, если был достигнут вакуум 10 гПа и предполагается заполнить аппарат до плотности 20 кг/м3 элегазом, то давление заполнения азота должно быть равным

        = 1000ж102/20 = 5000 гПа (или 5 бар).

Естественно, что достижение лучшего вакуума будет способствовать снижению расхода азота. Если достигается вакуум менее 5 гПа (3,7 мм рт. ст.), то заполнение азотом выполняется до давления, немного превы­шающего атмосферное. Удаление азота выкуумированием следует выполнять более тщатель­но и до меньшего остаточного давления (для чего уже созданы необходи­мые условия), чтобы остающийся азот не увеличивал балласта в элегазе.

Обобщающая рекомендация может выглядеть так: откачать воздух до 5—10 гПа, заполнить азотом оборудование до атмосферного давле­ния и откачать азот до 5 гПа.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМА ГАЗОВОГО ПРОСТРАНСТВА

Объем газового пространства нового аппарата, ориентировочно из­вестный по чертежам, должен быть измерен и внесен в техническую до­кументацию. Эту процедуру следует выполнить в тот момент, когда ап­парат заполнен азотом (для этого случая — с некоторым избыточным давлением).

Определение объема оборудования основано на измерении давления в оборудовании при удалении части рабочего газа (азота). Удаляемая часть рабочего газа при этом может быть измерена газовым счетчиком или помещена в сосуд известного объема. В первом случае расчет объ­ема осуществляется по формуле

       Vа = ΔV(pб – )Tаж10–4/(ΔpTсч),                                (4.42)

где Vа — объем газового пространства, дм3; Tа — температура окру­жающей среды (аппарата), К; Tсч — температура воды в счетчике, К; ΔV — разница показаний газового счетчика, дм3; Δp — изменение дав­ления, МПа; pб — атмосферное давление, гПа (мбар);  — давление насыщенного пара воды при Tсч.

Во втором случае расчет выполняется по формуле

       Vа = Vм(p2 – pбж10–4) /(p1 – p2),                        (4.43)

где p1 — давление в аппарате до перепуска части газа, МПа; p2 — дав­ление в аппарате после перепуска части газа, МПа; Vм — мерный объем, дм3; pб — атмосферное давление, начальное давление в мерном объеме, гПа (мбар), причем p1 — p2 ≥ 0,05 МПа и p2 ≥ 0,1 МПа (избыточное). Определение объема необходимо выполнять в условиях отсутствия те­пловых потоков, при постоянной температуре.

ЗАПОЛНЕНИЕ ЭЛЕГАЗОМ

Заполнение элегазом производится до номинальной плотности. Но­минальная плотность — это то значение плотности элегаза, которое за­ложено в расчетах электрической прочности аппарата. Она постоянна, т. е. не зависит от температуры. Но поскольку нет простых и удобных устройств для измерения этой величины, то ее расчет осуществляется по температуре и давлению в соответствии с уравнением реального газа [уравнения (1.4—1.6)]. Диапазон значений применяемой номинальной плотности невелик. Для элегазового электротехнического оборудования весь интервал охватывается значениями от 12 до 46 кг/м3. Для удобства выполнения процедуры заполнения элегазом до номинальной плотно­сти предлагается табл. 4.11, которая позволяет определить давление элегаза, до которого необходимо заполнить оборудование в зависимо­сти от температуры окружающей среды. Например, номинальной плот­ности 28,5 кг/м3 (0,45 МПа при 20 °С) соответствует абсолютное давле­ние 0,377 МПа при –20 °С, или 0,414 МПа при 0 °С, или 0,468 МПа при 30 °С. В этой же таблице (в шапке) приведены сведения о парамет­рах (давление и температура), при которых произойдет конденсация шестифтористой серы при данной плотности. Температурный интервал, данный в таблице, позволяет воспользоваться ею при заполнении аппа­ратов не только в заводских условиях (при проведении испытаний), но и в условиях эксплуатации. Во всех случаях, и, конечно, в том, когда температура заполнения находится за пределами, приведенными в таб­лице, можно воспользоваться диаграммой p, H (давление—энтальпия), приведенной в гл. 1 (см. рис. 1.5). Там же дано объяснение, как это сде­лать (пример 1.5).

Таблица 4.11. Абсолютное давление элегаза, МПа, при температуре заполнения для обеспечения номинальной плотности

Темпера тура за полне ния, °С	Плотность элегаза, кг/м3, (в скобках давление при 20 °С) (ниже  давление, МПа, и температура, °С, конденсации элегаза данной плотности)
15,49 (0,25 МПа) (0,181, 54,5)	18,69 (0,3 МПа) (0,220, 50,8)	21,93 (0,35 МПа) (0,270, 47,0)	25,20 (0,40 МПа) (0,300, 44,0)	28,52 (0,45 МПа) (0,340, 41,0)	31,88 (0,50 МПа) (0,385, 37,5)	35,28 (0,55 МПа) (0,425, 34,5)	38,73 (0,60 МПа) (0,470, 31,5)	42,24 (0,65 МПа) (0,520, 29,0)	45,82 (0,7 МПа) (0,560, 26,5)	49,47 (0,75 МПа) (0,607, 24,1)
45	0,188	0,224	0,259
30	0,202	0,242	0,231	0,320	0,358	0,397	0,435	0,473
20	0,212	0,254	0,295	0,336	0,377	0,418	0,458	0,498	0,539	0,579	0,619
15	0,217	0,260	0,302	0,344	0,386	0,428	0,470	0,511	0,553	0,595	0,636
10	0,222	0,263	0,309	0,352	0,396	0,439	0,482	0,525	0,567	0,610	0,653
8	0,224	0,268	0,312	0,356	0,399	0,443	0,486	0,530	0,573	0,616	0,659
6	0,226	0,270	0,315	0,359	0,403	0,447	0,491	0,535	0,579	0,622	0,666
4	0,227	0,272	0,317	0,362	0,407	0,451	0,496	0,540	0,584	0,628	0,672
2	0,229	0,275	0,320	0,365	0,410	0,455	0,500	0,545	0,590	0,634	0,678
0	0,231	0,277	0,323	0,368	0,414	0,459	0,505	0,550	0,595	0,640	0,685
2	0,233	0,279	0,326	0,372	0,418	0,464	0,509	0,555	0,601	0,646	0,692
4	0,235	0,282	0,328	0,375	0,421	0,468	0,514	0,560	0,606	0,652	0,698
6	0,237	0,284	0,331	0,378	0,425	0,472	0,519	0,565	0,612	0,658	0,705
8	0,239	0,286	0,334	0,381	0,429	0,476	0,523	0,570	0,617	0,664	0,711
10	0,241	0,289	0,337	0,384	0,432	0,480	0,528	0,575	0,623	0,670	0,717
12	0,243	0,291	0,339	0,387	0,436	0,484	0,532	0,580	0,628	0,676	0,723
13	0,243	0,292	0,341	0,389	0,438	0,486	0,534	0,582	0,631	0,679	0,728
14	0,244	0,293	0,342	0,391	0,439	0,488	0,537	0,585	0,634	0,682	0,731
15	0,245	0,294	0,343	0,392	0,441	0,490	0,539	0,588	0,636	0,685	0,734
16	0,246	0,295	0,345	0,394	0,443	0,492	0,541	0,590	0,639	0,688	0,737
17	0,247	0,297	0,346	0,395	0,445	0,494	0,543	0,593	0,642	0,691	0,740
18	0,248	0,298	0,347	0,397	0,446	0,496	0,546	0,595	0,645	0,694	0,744
19	0,249	0,299	0,349	0,398	0,448	0,498	0,548	0,598	0,647	0,697	0,747
20	0,250	0,300	0,350	0,400	0,450	0,500	0,550	0,600	0,650	0,700	0,750
21	0,251	0,301	0,351	0,402	0,452	0,502	0,552	0,603	0,653	0,703	0,753
22	0,252	0,302	0,353	0,403	0,454	0,504	0,555	0,605	0,655	0,706	0,756
23	0,253	0,303	0,354	0,405	0,456	0,506	0,557	0,607	0,658	0,709	0,760
24	0,254	0,305	0,355	0,406	0,457	0,508	0,559	0,610	0,661	0,712	0,763
25	0,255	0,306	0,357	0,408	0,459	0,510	0,561	0,612	0,664	0,715	0,766
26	0,256	0,307	0,358	0,409	0,461	0,512	0,563	0,615	0,666	0,718	0,769
27	0,257	0,308	0,359	0,411	0,463	0,514	0,566	0,617	0,669	0,721	0,772
28	0,258	0,309	0,361	0,413	0,464	0,516	0,568	0,620	0,672	0,724	0,775
29	0,258	0,310	0,362	0,414	0,466	0,518	0,570	0,622	0,674	0,726	0,779
30	0,259	0,311	0,364	0,416	0,468	0,520	0,572	0,625	0,677	0,729	0,782
40	0,268	0,323	0,377	0,431	0,485	0,540	0,694	0,649	0,704	0,758	0,813

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УТЕЧКИ ЭЛЕГАЗА

Строго говоря, вопрос утечки элегаза (тем более, если она в преде­лах нормы) не является вопросом качества элегаза, а вопросом культу­ры производства. Но поэтому мы и рассматриваем этот вопрос здесь, так как именно система обеспечения качества элегаза и закладывает ос­новы «хорошей производственной технологии». С другой стороны, эта процедура — одно из звеньев цепи подготовительных процедур.

Потери элегаза из оборудования в период эксплуатации имеют по крайней мере два неприятных последствия. Прежде всего, потеря элега­за приводит к уменьшению плотности его внутри аппарата и, следова­тельно, к снижению электрической прочности. Кроме того, потери эле­газа снижают экономический эффект эксплуатации элегазового обору­дования, так как доля стоимости элегаза высока. В дальнейшем, когда элегазовое оборудование в основном заменит устаревшие распредели­тельные комплексы традиционного исполнения и глубоко проникнет в архитектуру энергетики, станет существенным еще одно обстоятельст­во: загрязнение окружающей среды. Поэтому на газоплотность элегазо­вого оборудования — способность удерживать в себе газовую среду продолжительное время и в любых климатических условиях — обраща­ется особое внимание.

Под утечкой понимают долю теряемого вещества от его общего ко­личества в замкнутом объеме за какой-либо промежуток времени и вы­ражают в процентах в год:

       u = 8765,83ж100(m0 – m1) /(m0τ),                                (4.44)

где m0 и m1 — масса элегаза до и после утечки; τ — интервал времени, ч; 8765,83 — число часов в году.

Масса элегаза в аппарате может быть выражена через его плотность и объем газового пространства аппарата

       m = Vа.

Так что m0 = Vаρ0 и m1 = Vаρ1, где ρ0 и ρ1 — плотность элегаза до и после утечки. Поэтому утечка может быть выражена через значения плотности

       u = 876583(ρ0 – ρ1) /(ρ0τ).                        (4.45)

В свою очередь, плотность элегаза связана с температурой и давлением

        = p /(ZRT),

где Z — сжимаемость элегаза, и выражение для утечки приобретает вид

       u = 876583[p0 /(Z0T0) – p1 /(Z1T1)] /[p0 /(Z0T0)τ].

Если наблюдения за утечкой выполняются в изотермических услови­ях, выражение может быть упрощено

       u = 876583 [p0 /Z0 – p1 /Z1] /[τp0 /Z0],

а учитывая, что регистрируемые величины очень близки, значениями сжимаемости можно пренебречь

       u = 876583(p0 – p1) /(p0τ)приT = const.                                        (4.46)

Потеря элегаза из электротехнического аппарата может происходить двумя путями: через неплотности в сварных швах, через дефекты метал­ла оболочек или неплотности прилегания уплотнительных изделий к фланцам — с одной стороны, и с другой — непосредственно через уп­лотнительные материалы. Эти два пути представляют собой различные физические явления. Первый путь характеризуется физическим процес­сом истечения через отверстия и определяется перепадом давления. Второй путь определяется газопроницаемостью материалов, обычно применяемых для уплотнения, и является следствием диффузионных процессов. В отличие от истечения диффузионный процесс зависит от градиента концентрации (или парциального давления) компонента. Так как уплотнительные изделия электроаппарата изготавливают из по­лимерных материалов, то даже при условии полной герметичности ме­таллического корпуса утечка будет существовать. Это минимальное значение утечки определяется диффузионными характеристиками и геометрией уплотнений. Как показано в примере 4.7 (пп. 4.3.4), диф­фузионная утечка элегаза составляет малую величину: порядка тысяч­ных долей процента в год. Из этого следует, что реально определяемые утечки являются следствием процесса истечения через дефекты метал­лического корпуса и по границе металл—резина в узле уплотнения. Утечка элегаза из электротехнических аппаратов не должна превышать 1 %/год. Какой же разнице плотности или давления соответствует утеч­ка в 1 %/год, если эту величину потребуется определить, например, за один час? Из уравнений (4.45) и (4.46) находим эти значения

       1 = 876583(ρ0 – ρ1) /(ρ0ж1);

       1 = 876583(p0 – p1) /(p0ж1)

при средних значениях плотности и давления 25 кг/м3 и 0,4 МПа (абс.)

       ρ0 – ρ1 = 28ж10–6 кг/м3 или 28 мг/м3 и

       p0 – p1 = 0,45ж10–6 МПа или 45 мкм водяного столба!

Как мы видим, величины весьма деликатные, ясно показывающие, что определение утечки 1 %/год за столь короткое время с помощью из­мерения давления невозможно, и что сама величина утечки 1 %/год

не столь доступна, как кажется на первый взгляд.

В быстром определении норма­тивной утечки возникает необходи­мость при заводских испытаниях. По­скольку элегаз, заполняющий элек­троаппарат, по своим свойствам рез­ко отличается от атмосферного воз­духа, то, используя его специфиче­ские физико-химические особенно­сти, можно определить количество элегаза, покинувшего аппарат и по­павшего во внешнюю среду, по ре­зультатам анализа окружающего воздуха [4.17]. Этот вид определения может быть реализован только при наличии высокочувствительного способа детектирования шестифтористой серы, так как практическое выполнение метода связано с неизбежным разбавлением элегаза боль­шим количеством окружающего аппарат воздуха. Аппарат помещают в герметичную камеру, снабженную вентилятором для перемешивания воздуха. За пределами камеры устанавливают измерительное устройст­во для определения концентрации элегаза в воздухе камеры. В качестве измерительного устройства должно быть использовано устройство, спе­циально предназначенное для количественного определения малых кон­центраций элегаза, например хроматограф с электронозахватным детек­тором. По данным анализа определяется концентрация элегаза в возду­хе камеры, например, как масса шестифтористой серы в единице объе­ма воздуха, г/см3, и ее прирост во времени (рис. 4.7). Обработав мето­дом наименьших квадратов полученные экспериментальные точки, оп­ределяем ход прямой зависимости концентрации элегаза в объеме каме­ры от времени

        = А + Вt.

∉⎩⟩⎢⎩⎣⎫⎢⌠        ΔC = Δmж10–6/Vв = Вτ,

где Δm — масса элегаза, г; Vв — объем воздуха камеры, м3; τ — интер­вал времени, ч, за который ведется наблюдение, а

       Vв = Vк – .

где Vк — геометрический объем камеры, м3;  — объем воздуха, вы­тесняемый аппаратом, м3, то

       m = ΔC(Vк – )ж106.

Используя выражение для утечки (4.45), получаем

       .        (4.47)

С учетом выражения для коэффициента В, определяемого методом наименьших квадратов,

       ,        (4.48)

где n — число определений.

Анализ этого уравнения показывает, что для не слишком неблаго­приятного соотношения объема камеры и объема аппарата определение утечки на уровне 1 %/год может быть выполнено в пределах одного ча­са, благодаря тому, что электронозахватный детектор является специфи­ческим детектором на шестифтористую серу и позволяет надежно заре­гистрировать 10 –12 г SF6 в 1 мл пробы.

Пример 4.23. Аппарат с плотностью элегаза 25,2 кг/м3, объемом 250 л (объем вытесняе­мого воздуха ориентировочно 280 л) помещен в камеру объемом 10 м3.

Данные анализа:

текущее время, t        концентрация элегаза, г/см3

12 ч 30 мин (12,5 ч)        2ж10–12

12 ч 42 мин (12,7 ч)        50ж10–12

12 ч 52 мин (12,87 ч)        95ж10–12

13 ч 15 мин (13,25 ч)        180ж10–12

Расчет: Σ(t) = 4267,315ж10–12; Σ = 327ж10–12; Σt = 51,317; Σt2 = 658,6622; n = 4.

По уравнению (4.48)        .

Метод определения утечки по анализу окружающего аппарат воздуха не лишен недостатков. Во-первых, необходимость организации громозд­кой герметичной камеры. Во-вторых, большой объем подготовительных работ. Наконец, обслуживание высокочувствительных аналитических систем всегда сопряжено с большими трудностями в обеспечении ста­бильной, устойчивой их работы. При этом нельзя забывать, что там, где есть необходимость определять утечку, существует определенная за­

грязненность воздуха элегазом. В таких условиях измерение утечки на уровне повышенного фона может вызвать дополнительные трудности. Но, к сожалению, в настоящее время нет другого надежного метода, по­зволяющего решать проблему определения утечки в короткое время.

В условиях эксплуатации определение утечки еще более осложняет­ся: применить метод анализа окружающего воздуха становится невоз­можным, а определение изменений плотности затрудняется дополни­тельными температурными воздействиями как внутренними (из-за про­текающего тока), так и внешними.

И тем не менее, метод оценки утечки по состоянию элегаза в аппа­рате применяется в эксплуатации, поскольку в этом случае фактор вре­мени не является существенным. Такая задача решается с помощью системы автоматического контроля (см. п. 5.1, гл. 5). Но практика пока­зывает, что истинное значение утечки на уровне 1 %/год в условиях экс­плуатации может быть получено только за 5—6 месяцев (2 %/год при­мерно за 3 месяца, 5 %/год примерно за 1 месяц и т. д.).

Косвенное указание на уровень утечки элегаза из элегазового ком­плекса, расположенного в вентилируемом помещении, может быть по­лучено посредством анализа выхлопа вентиляции (см. пп. 5.2.5, гл. 5), и это приблизительно то же самое, что вести строгий учет расхода ис­пользуемого для подпитки элегаза.

Как мы видим, получение численного значения утечки вызывает оп­ределенные трудности. В условиях эксплуатации проблема быстрого определения утечки становится нерешаемой. Поэтому к достижению стабильной и малой утечки следует идти технологическим путем, обес­печивая правильное проектирование и высокое качество изготовления уплотнительного элемента и канавки под уплотнение.

Основные конструктивные особенности проектирования канавок под полимерные уплотнительные кольца круглого сечения определены ГОСТ 9833—73. Тем не менее для достижения значений утечки на уров­не, эквивалентном 0,1 —0,001 %/год, при конструировании канавки дос­таточно использовать два правила вне зависимости от формы канавки:

1)                сечение канавки после соединения деталей должно составлять 0,95—1 сечения резинового кольца,

2)                линейная деформация резинового кольца по диаметру сечения должна быть около 25 %.

При этом может быть использована простая форма канавки прямо­угольного сечения. Во всем диапазоне давления в элегазовых аппаратах, чем выше давление, тем меньше утечка.

Требования к полимерной основе уплотнительного элемента сле­дующие:

1 )                        срок жизни до начала старения — не менее 30 лет,

2)         влагопроницаемость — не более 2ж105 см3жсм/( сжМПа жм2),

3)        газопроницаемость по кислороду — не более 8 ж10 –8 с м3жсм//( сжМПажм2),

4)        масло - и бензостойкость,

5)        морозостойкость до –50 °С,

6)        допустимая деформация при сжатии — не менее 40 %,

7)        допустимая деформация при растяжении — не менее 10 %,

8)        светостойкость,

9)         кислородостойкость (воздухостойкость),

10)        отсутствие отделения пластификатора при любых деформациях. Наконец, самое главное для нормальной работы уплотнения — обеспе­чение чистых поверхностей:

1)                        в смысле шероховатости поверхности канавки, шероховатости полимерного кольца и отсутствия механических повреждений и микро­трещин,

2)                        в смысле обеспечения чистоты поверхности деталей собираемого узла, отсутствия грязи, пыли, волокон.

Эти правила позволяют получать скользящие и фланцевые уплотне­ния с эквивалентной утечкой до 0,001 %/год.

ПОДГОТОВКА АППАРАТОВ НА МЕСТЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Три вида работ необходимо осуществить на месте эксплуатации при установке и монтаже элегазового оборудования в плане обеспечения ка­чества элегаза в нем. Первый — это дозаполнение аппаратов элегазом до номинальной плотности. Второй — подготовка стыковочных узлов и их заполнение. И третий — выполнение аналитических работ.

Существование двух разнородных по качеству газовых объемов оп­ределяется условиями поставки оборудования. Если это малое или сред­нее оборудование, умещающееся в транспортные габариты, то оно мо­жет быть неразъемным и полностью подготовленным на заводе-изгото­вителе. Но крупногабаритное оборудование перед отправкой приходит­ся частично демонтировать до транспортных единиц (т. е. до размеров, позволяющих осуществить транспортировку). При этом возникают мес­та разъема. В комплектных распределительных устройствах эти полос­ти образуются герметичными изоляторами. Технические требования предусматривают защиту изоляционных изделий в местах разъема от увлажнения установкой технологических крышек в перерывах между монтажом или транспортировочных крышек — перед отправкой. На эти газовые объемы стыковочных узлов распространяются технические тре­бования в том, что цикл подготовки такого газового объема завершается вакуумированием и что допустимое время монтажа должно быть согла­совано с влажностью цехового помещения. При подготовке к испытани­ям эти газовые объемы также вакуумируются, промываются азотом,

снова вакуумируются и заполняются элегазом. Но в отличие от основ­ных газовых объемов аппарата, в которых элегаз, хотя и в редуцирован­ном состоянии, но остается, из газовых объемов стыковочных узлов элегаз удаляется по возможности полностью, чтобы далее этот узел ра­зобрать, установить транспортировочную крышку, полость под ней от­вакуумировать и заполнить небольшим избытком сухого азота или воз­духа. На монтажной площадке осуществляется обратный процесс, и вы­полнить его следует с соблюдением тех же технических требований, что и на заводе-изготовителе:

с обеспечением чистоты монтируемого узла,

с согласованием времени монтажа (от снятия транспортировочной
       крышки до начала вакуумирования собранного узла) с атмосфер-
               ной влажностью,

с вакуумированием до остаточного давления не более 10 гПа,

с проверкой натекания,

с заполнением азотом до расчетного давления,

с повторным вакуумированием до остаточного давления не более 5 гПа,

с последующим заполнением элегазом до номинальной плотности.

Как правило, небольшой объем стыковочного узла, чтобы не уста­навливать лишние средства измерения и контроля, подсоединяется к од­ному из основных объемов оборудования. Тем не менее, если все основ­ные узлы прошли проверку на герметичность, то стыковочные узлы ли­бо вообще ее не проходили, либо были перемонтированы. Поэтому сты­ковочный узел в обязательном порядке должен иметь конструктивную возможность контроля герметичности уплотнения (см. пп. 5.2.5). Тогда его аналитическое обследование позволит сделать заключение о газо­плотности собранного узла. Только после этого объем стыковочного уз­ла может быть соединен с одним из основных объемов аппарата.

В целях упрощения конструкции и улучшения экономических пока­зателей элегазовое оборудование стали проектировать без стыковочных узлов. Аппараты или их сборки поставляют на монтажную площадку с защитными крышками, которые удаляют в момент стыковки. Такое конструктивное упрощение накладывает более строгие требования к со­блюдению технологической дисциплины при монтаже и увеличивает объем монтажных работ, так как каждый объем требует выполнения полного комплекса подготовительных работ на месте монтажа.

В ряде случаев на месте монтажа выполняется сборка элегазового оборудования из деталей — это характерно для токопроводов В этом случае, изоляторы поставляются на монтажную площадку в средствах защиты от увлажнения. Этот вид сборки в наибольшей степени требует неукоснительного соблюдения требований технологии с соблюдением всех установленных нормативов.

Заполнение объемов стыковочных узлов, так же как и дозаполнение основных объемов аппарата элегазом, производится до номинальной плотности в соответствии с табл. 4.11 или диаграммой состояния (рис. 1.5).

После заполнения элегазом наступает последний этап проверки каче­ства элегаза. В соответствии с планом мероприятий (табл. 4.10) на сле­дующие сутки после заполнения элегазом (или позже) необходимо вы­полнить хроматографический анализ на содержание шестифтористой серы и кислорода (для выключателя) и не раньше, чем через неделю — анализ на влажность. Если к этому времени оборудование прошло ис­пытание на месте в соответствии с правилами и нормами на высоко­вольтное оборудование, то выполнением этого анализа завершается комплекс работ по обеспечению качества элегаза, и, если полученные результаты анализа отражают соответствие нормативам качества элега­за, то оборудование может быть введено в эксплуатацию.

УСТАНОВКИ ДЛЯ ОБСЛУЖИВАНИЯ ЭЛЕГАЗОВЫХ АППАРАТОВ

Подготовку элегазовых аппаратов к испытаниям или к эксплуатации удобно выполнять с помощью специальных установок, созданных для этой цели*. Как правило, это мобильные установки с запасом газообраз­ного или жидкого элегаза, оснащенные компрессорами, вакуумным на­сосом, механическим и адсорбционным фильтрами, а также гибкими шлангами для подключения к элегазовому аппарату и полным комплек­том арматуры и измерительных устройств для выполнения всего ком­плекса работ по заполнению аппаратов. Кроме того, в их функции вхо­дит удаление элегаза из аппаратов, перемещение элегаза из одних емко­стей в другие, извлечение элегаза из баллонов и розлив в них, а также очистка элегаза от механических и химически активных примесей. На рис. 4.8 приведена схема одной из установок обслуживания.

Имеющееся в сервисных установках оборудование для механического пере­мещения элегаза используется для удаления элегаза из объектов с целью его ре­зервирования в емкости самой установки или во внешней, дополнительной ем­кости. На простом примере покажем расчет времени на выполнение операций по удалению элегаза. Секция токопровода объемом 25,2 м3 содержит 471 кг элегаза (плотность 18,7 кг/м3, 0,3 МПа, при 20 °С). Сухой компрессор производительностью 15 м3/ч

может удалить элегаз до 0,1 МПа (плотность 6,1 кг/м3, остающаяся масса 154 кг). Далее в схему включается мембранный компрессор с производительно­стью 5,5 м3/ч, который удаляет элегаз до 50 гПа (остаток 7,7 кг). Рассчитать вре­мя работы сервисной установки.

Расчет по массе. Расчетная формула

       G = G0exp(–Ft/G0)илиt = G0 /F ln(G0 /G),

где G и G0 — текущая и начальная масса элегаза в аппарате; F — производи­тельность компрессора, в массовом выражении на начальный момент; t — вре­мя. Откуда

       t = [471/(15ж18,7)] ln(471/154) + [154 /(5,5ж6,1)] ln(154 /7,7) = 1,9 + 13,7 = 15,6 ч.

Расчет по давлению. Расчетная формула

       t = V/F ln(p0 /p),

где p и p0 — текущее и начальное давление; F — механическая объемная про­изводительность компрессора; V — объем аппарата; t — время.

       t = (25,2 /15) ln(3000 /1000) + (25,2 /5,5) ln(1000 /50) = 1,9 + 13,7 = 15,6 ч.

Далее перед вскрытием аппарата в целях безопасности откачать остаток (7,7 кг*) элегаза вакуумным насосом (производительностью 40 м3/ч), например до 1 гПа. На это потребуется

t = (25,2 /40) ln(50 /l) = 2,5 ч.

ОЧИСТКА ЭЛЕГАЗА ВЫМОРАЖИВАНИЕМ

В результате перекачки в аппараты и обратно элегаз неизбежно за­грязняется воздухом, водой, продуктами разложения и четырехфтори­стым углеродом. Установки обслуживания, которые предназначены для выполнения всех газотехнологических операций, снабжены, как прави­ло, заменяемыми фильтрами-поглотителями, в которых элегаз освобож­дается от продуктов разложения и воды. Эффективность работы этих устройств в установках обслуживания по отношению к влажности и ки­слотности определяется анализом. Cложнее обстоит дело с накоплени­ем балласта воздуха. Скорость увеличения содержания балласта в зна­чительной степени зависит от качества подсоединительных коммуника­ций, от простоты и надежности их соединения с аппаратом, от исполь­зованной запорной арматуры, от возможностей вакуумного насоса и многих других причин. Но следует заметить, что при аккуратном вы­полнении всех процедур, поступление воздуха в установку обслужива­ния полностью компенсируется пополнением свежим элегазом, так что концентрация кислорода и азота поддерживается на постоянном и до­пустимом уровне.

Разбавление элегаза может быть и умышленным, когда применяют в качестве изоляционной и дугогасительной среды смесь газов, напри­мер элегаза с азотом. И в этом случае, и в случае непредвиденного за­грязнения после использования изоляционного газа может возникнуть необходимость избавления от балласта.

По существу удаление легких газов и в том, и в другом случаях вы­полняется одним и тем же методом — сублимационной очисткой, но концентрация баласта наложит определенный отпечаток на технологи­ческое оформление этого процесса.

Сущность сублимационного метода заключается в охлаждении эле­газа до его кристаллизации. Оставшаяся газовая подушка, содержащая главным образом балласт, удаляется.

Поскольку охлаждение производится жидким азотом вплоть до тем­пературы –140 °С, сосуд, в котором производится кристаллизация — кристаллизатор — должен выполняться из стали, допускающей охлаж­дение до такой температуры без потери прочности. Обычные баллоны для этой цели непригодны.

После охлаждения заполненного жидким элегазом кристаллизатора до температуры – (120—130) °С оставшееся избыточное давление (если оно есть) сбрасывается в атмосферу. Кристаллизатор вакуумиру­ется 5—7 минут, что обеспечивает почти полное удаление легких газов. Потери элегаза неминуемы, поскольку равновесное давление шестифто­ристой серы в диапазоне установленной температуры находится на уровне от 2 до 7 гПа (см. табл. 1.5 в гл. 1). Для удаления четырехфтори­стого углерода кристаллизатор согревают до –100 °С и дополнительно вакуумируют. При удалении четырехфтористого углерода потери элега­за значительно возрастают (равновесное парциальное давление шести­фтористой серы составляет примерно 60 гПа). В табл. 4.12 приведен пример сублимационной очистки по описанной схеме. Как видно из таблицы, сублимационная очистка позволяет почти полностью осво­бодиться от воздуха и значительно (в 5—10 раз) снизить содержание че­тырехфтористого углерода.

Задача отделения шестифтористой серы от «инертного» газа встает при использовании смесей элегаза с азотом, гелием или другими некон­денсируемыми газами. Использование смесей становится актуальным для оборудования высоких классов напряжения, обладающих большими объемами изоляционного пространства, прежде всего, из-за экономии сравнительно дорогого элегаза. Пока использовался чистый элегаз в ка­честве изоляции проблема его хранения не вставала: использовалось его очень полезное свойство ожижаться при сравнительно невысоком дав­лении (2,1 МПа, 20 °С) и посредством этого — возвращать элегаз в ком­пактные емкости для хранения перед повторным использованием. В этом состоит одна из функций установок обслуживания. Использова­ние смеси элегаза с неконденсируемым газом осложняет задачу, по­скольку резервирование такой смеси требует либо большого объема, либо высокого давления. Чтобы не увеличивать габариты емкостей для хранения, необходимо при откачке смеси из оборудования в установку обслуживания произве­

сти разделение смеси с тем, чтобы резервировать только дефицитную составляющую — элегаз, а балласт выбросить в атмосферу. Разделение смеси должно быть выполнено с минимальными потерями элегаза.

Это разделение напоминает процесс, используемый при очистке эле­газа — кристаллизацию с последующим вакуумированием. Отличие за­ключается в том, что содержание балласта в исходной смеси может быть намного более в широких пределах, но и требования к элегазу в части содержания балласта намного ниже, так как далее этот элегаз предпола­гается использовать для тех же целей: для приготовления смеси.

Схема для выделения элегаза из смеси представлена на рис. 4.9. Два холодильника 3 и 4 с температурой – 80 °С предназначены для сбора ос­новной массы элегаза, холодильник 5 с температурой –130 °С — для улавливания элегаза из выбрасываемого в атмосферу азота. Процесс разделения следует вести при повышенном давлении — 1 МПа — для снижения потерь элегаза. На линии выброса неконденсируемого газа в атмосферу устанавливается низкотемпературная ловушка 6 для кон­троля процесса: образование наледи в ловушке является сигналом «про­скока» элегаза. При этом необходимо снизить скорость потока газа или остановить процесс. В последнем случае холодильники размораживают­ся до – 50 °С, и шестифтористая сера, превратившаяся в жидкость, сли­вается в охлаждаемую емкость 8 для хранения.

Рассмотрим конкретную задачу резервирования элегаза, содержаще­гося в 2 нм3 (при нормальном давлении) смеси элегаза (75 %-об.) с азо­том, размещенной в высоковольтном оборудования под давлением.

Эта смесь состоит из 500 л (0,6 кг) азота и 1500 л (9,4 кг) шестифто­ристой серы (сжимаемостью пренебрежем). Под давлением 1 МПа объ­ем неконденсируемого азота составит 50 л, они и определят поток газа по линиям. Покидая холодильники с температурой – 80 °С, азот будет загрязнен шестифтористой серой, давление пара которой составит око­

ло 32 гПа (см. табл. 1.5). Следовательно, масса шестифтористой серы, покидающей второй холодильник составит

       50ж(32/1000) = 16 лили16ж6,16 = 98,6 г.

На холодильник 5 с температурой –130 °С попадет примерно 100 г шестифтористой серы, а холодильники 3 и 4 должны вместить 9,3 кг шестифтористой серы. Для этой массы достаточно было бы одного хо­лодильника, но обеспечение теплообмена при намораживании шести­фтористой серы может оказаться проблематичным.

Смесь, состоящая из азота и примерно 100 г шестифтористой серы, поступает на холодильник 5 для более глубокого разделения. Покидая холодильник 5, азот увлечет с собой

       50ж(2/1000)ж6,16 = 0,62 г SF6,

что составит безвозвратные потери этого процесса.

После размораживания и слива шестифтористой серы в емкость для хранения часть ее останется в холодильниках 3, 4 и 5 с плотностью при­мерно 20 г/л (см. табл. 1.4), что составит

       (10 + 10 + 1)ж20 = 420 г SF6.

Следовательно, в емкость для хранения будет собрано примерно 9 кг жидкой шестифтористой серы со значительным содержанием раство­ренного в ней азота. Однако, если эта шестифтористая сера предназна­чена для повторного приготовления смеси с азотом, дополнительная очистка не нужна. В противном случае ее надо направить на сублима­ционную очистку или к описанной процедуре добавить процесс вакуу­мирования.

Таким образом, представленный процесс разделения позволит со­брать в емкость для хранения примерно 9 кг элегаза (95,7 % от общей массы), в холодильниках останется примерно 0,4 кг (4,3 %) и безвоз­вратные потери составят 0,007 %.

Представленные процессы очистки элегаза от балласта могут быть использованы на заводе-изготовителе элегаза для выделения шестифто­ристой серы из возвратного отработанного элегаза.

В аспекте обсуждаемой темы рассмотрим так называемый «термический цикл». Процесс сублимационной очистки эффективен, надежен и прост. Но его существенный недостаток — нетехнологичность. Поэтому возникает желание хотя бы частично заменить его каким-либо непрерывным процессом.

Известно, что растворимость газов в жидкостях, как правило, снижается с повышением температуры. Этим эффектом пользуются для дегазации жидко­стей. Нельзя ли использовать этот «термический цикл» для снижения концентра­ции растворенных газов в жидком элегазе? Коэффициенты распределения кисло­рода, азота и четырехфтористого углерода между газовой и жидкой фазами эле­газа с повышением температуры снижаются [уравнение (1.11)], т. е. перераспре­

деление идет в сторону увеличения концентрации в геометрическом объеме га­зовой фазы. Но повышение температуры приближает состояние шестифтори­стой серы к критическому (45,56 °С) и резко увеличивает плотность газообраз­ного элегаза (см. табл. 1.4). Коэффициент распределения по определению — это отношение концентрации компонента в жидкой фазе к концентрации компонен­та в газовой фазе при выражении концентрации в единицах массы на объем (на­пример, г/л), где объем в состоянии равновесия (т. е. при температуре и давлении равновесия)

       K = /.

Для преобразования в относительные единицы концентрации, например, в миллионные доли по массе (ppm-масс.), в которых обычно и представляют ре­зультаты анализа, необходимо учесть плотность фаз элегаза        K = Cж /(Cг).

Истинное соотношение распределенных между фазами масс примеси на единицу массы элегаза отсюда        Cж /Cг = K (/).

Рассмотрим для примера ситуацию с четырехфтористым углеродом при со­держании его в жидкой фазе элегаза 3000 ppm-масс. Разместим результаты рас­чета в табл. 4.13.Из таблицы видно, что с увеличением температуры перераспределение са­мой шестифтористой серы идет более интенсивно, чем перераспределение при­меси четырехфтористого углерода, и в замкнутом объеме массовая концентра­ция примеси в жидкой фазе возрастает, несмотря на снижение коэффициента в диапазоне от 20 до 40 °С почти в полтора раза. Другими словами, реализовать снижение коэффициента распределения при повышении температуры для сни­жения концентрации примеси в жидкой фазе нельзя из-за интенсивного испаре­ния самой шестифтористой серы.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СМЕСЕЙ С ЭЛЕГАЗОМ

Основной причиной, побуждающей использовать смесь элегаза с ка­ким-либо другим газообразным компонентом, является предотвращение ожижения элегаза при низкой температуре. Но не менее важным при этом оказываются и две другие причины: снижение стоимости изоляции за счет замены дорогого элегаза более дешевым газом и снижение на­грузки на атмосферу за счет снижения количества используемого элега­за в электроэнергетических установках (гл. 6).

Наиболее целесообразной смесью можно считать смесь элегаза с азотом из-за доступности, экологической безопасности и дешевизны последнего.

Высокая электрическая прочность и дугогасительная способность ап­парата достигается повышением плотности элегаза. С повышением плотности поднимается нижняя граница рабочей температуры аппарата (мы рассматривали этот вопрос в гл. 1). Таким образом, при необходи­мости обеспечить работу аппарата при низкой температуре возникает ограничение по использованию высокой плотности элегаза с целью реа­лизации его исключительных изоляционных свойств. Разрешить это противоречие можно двумя путями: при той же плотности увеличить изоляционный промежуток или в том же изоляционном промежутке ис­пользовать смесь элегаза с инертным неконденсируемым газом. В пер­вом случае результат будет достигнут, но массогабаритные характери­стики оборудования будут ухудшены. Что же даст использование смеси?

Использование смеси опирается на свойство, отражаемое графиком зависимости относительной электрической прочности смеси элегаза с азотом от состава (рис. 4.5), называемое «синергизмом» — усилением какой-либо функции по сравнению с ее линейным изменением. График имеет выпуклость в координатах объемного состава*, определяющую эффект снижения электрической прочности только лишь на 13 % от прочности элегаза при разбавлении элегаза вдвое. Эту особенность сме­си можно с успехом использовать.

Если имеющийся аппарат заполнить элегазом до давления 0,1 МПа при 20 °С (плотность 6,1 кг/м3) и после этого азотом до 0,5 МПа, то, соз­дав условия для перемешивания, мы получим 20 %- ную смесь элегаза с азотом. В соответствии с графиком относительной электрической прочности [см. рис. 4.5 или уравнение (4.18)] такая смесь имеет электри­ческую прочность около 72 % от электрической прочности чистого эле­газа при 0,5 МПа (с плотностью 31,9 кг/м3). Если бы стояла задача реа­лизовать эту электрическую прочность в аппарате с помощью чистого

элегаза, то потребовалось бы заполнить аппарат до 0,37 МПа (23 кг/м3). В результате: за счет сравнительно небольшого повышения общего дав­ления до 0,5 МПа (против 0,37 МПа), реализованного с помощью азота, использование 20 %-ной смеси привело к реализации той же электриче­ской прочности промежутка, но при значительном снижении расхода элегаза (6,1 кг вместо 23 кг на каждый кубометр, в 3,8 раза) и при суще­ственном расширении диапазона рабочей температуры — нижний пре­дел, определяемый конденсацией шестифтористой серы, для плотности 23 кг/м3 составляет минус 46 °С, а для плотности 6,1 кг/м3 — минус 70 °С (см. рис. 1.5). Таким образом, использование смесей элегаза с азотом дает неоценимые преимущества: расширяя диапазон рабочей температуры, снижает потребность элегаза, решая как экономическую, так и экологическую проблему. А платой за эти преимущества является лишь сравнительно небольшое повышение общего давления, не отра­жающееся на конструкции аппарата, дополнительный расход азота и необходимость более строгого контроля состава (см. п. 4.4).

Японские исследователи [4.18] приводят данные о составе и общем давлении смеси элегаза с азотом одинаковой электрической прочности с чистым элегазом при 0,4 МПа:

SF6, %	100	30	20	10
N2 , %	0	70	80	90
Давление, МПа	0,4	0,56	0,63	0,75

из которых следует, что снижение расхода элегаза в 5,5 раза (на 72 %) может быть достигнуто использованием 10 %-ной элегазовой смеси за счет повышения общего давления в 1,9 раза.

Более общая картина приведена в [4.19 ]. Из сообщения следует, что, если оборудование рассчитано на некоторое давление чистого элегаза, то элегаз может быть заменен на смесь с той же электрической прочностью:

—        5 % SF6 с повышением давления примерно в 2,5 раза,

—        10 % SF6 с повышением давления примерно в 1,6 раза.

Условие равнопрочности смесей элегаза с азотом в области линейности за­кона подобия базируется на зависимости, выраженной уравнением (4.18):

       ,                                                                                                                 (4.49)

где  —  электрическая прочность смеси состава  и  (по объему, ) пр и давлении Рсм;  — электрическая прочность чистого эле­газа при давлении, равном Рсм; 146 и 28 — молекулярные массы шестифтори­

стой серы и азота; 0,4 — относительная электрическая прочность азота по эле­газу. Поскольку умножением объемных долей на молекулярную массу произво­дится пересчет в массовые доли и

       и, где Сi — концентрация, %-масс ., уравнение (4.49) может быть записано как

       ,

т. е. относительная электрическая прочность смесей элегаза с азотом линейно изменяется в зависимости от состава, выраженного массовыми единицами. Хамада, Такума и Ямамото [4.25] предложили другой вид уравнения для от­ражения явления синергизма

       ,

где V1 и V2 — пробивное напряжение газа 1 и 2 при V1 > V2; Vm — пробивное напряжение смеси газов; k — объемная доля газа 1; С — коэффициент от 0 до 1, определяющий синергизм. Если С = 1, зависимость линейна (синергизма нет). С приближением значения С к нулю синергизм увеличивается. Анализ этого уравнения показывает, что для смеси элегаза с азотом при С = 0,19178 решение по нему полностью совпадает с решением по уравнению (4.49 ). Со­отношение молекулярных масс азота и шестифтористой серы (28/146) также численно равно 0,19178. При подстановке соотношения молекулярных масс С = 28/146 и преобразовании это уравнение полностью переходит в уравнение (4.49 ).

Поэтому в качестве общего уравнения можно принять следующую форму

       ,                                                                                                                 (4.50)

где С — коэффициент, отражающий синергизм.

Итак, известно, что электрическая прочность смеси элегаза с азотом состава  при давлении Рсм составляет некоторую долю d от прочности чистого эле­газа при том же давлении (Pсм)

       .        (4.51)Поскольку d есть доля от электрической прочности чистого элегаза при Рcм, а электрическая прочность чистого элегаза пропорциональна давлению, то соот­ношение равнопрочности можно записать следующим образом

       ,

т. e. электрическая прочность смеси определенного давления () равнопроч­на доли d прочности чистого элегаза при том же давлении ( ) и равнопрочна чистому элегазу с давлением (), составляющим долю d от давления смеси (dРсм). Например, смесь при 10 бар состава  = 0,5 (d = 0,9) равнопрочна чис­тому элегазу с давлением 0,9ж10 бар, т. е. 9 бар. Таким образом,

       .Подставляя сюда d из (4.51), получаем уравнение для расчета равнопрочных смесей

                                                                                                                                (4.52)

или в общем виде        ,                                                                                                                         (4.53)

где С — коэффициент от 0 до 1, определяющий синергизм, и индекс х относится к электрически более прочному компоненту.

В табл. 4.12. приведен пример расчета равнопрочных смесей по уравне­нию (4.5 2).

Последняя строчка таблицы фактически отражает коэффициент увеличения давления при переходе от чистого элегаза к смеси с азотом равной прочности. Из таблицы следует, что, если выбранная для аппарата рабочая напряженность реализуется определенным давлением чистого элегаза, то при переходе, напри­мер, на 10 %-н ую смесь с азотом (что снизит расход элегаза в 2,5 раза) потребу­ется поднять давление примерно в 1,6 раза. А если в данном оборудовании до­пустимо применить удвоенное общее давление (по сравнению с чистым элега­зом), то расход элегаза будет снижен в 6 раз использованием смеси с азотом с = 0,04.

Препятствием к широкому использованию смесей элегаза с инерт­ными газообразными компонентами являлась до сих пор проблема реге­нерации элегаза. Других проблем нет: ни с позиций загрязнения изоля­ционного газа продуктами разложения, ни с позиций контроля плотно­сти, ни с позиций утечки, ни с позиций перемещения газовой смеси. Та­ковыми же остаются и методы контроля и диагностики. Однако это не означает, что аппараты, разработанные для чистого элегаза, могут без ограничений заполняться смесью. Необходимо проявить определен­ное внимание, особенно к коммутационным аппаратам, поведение сме­си в которых отличается от поведения чистого элегаза (в части дугога­сительной способности и повышения давления при акте коммутации).

Вопросы использования смесей элегаза (с азотом, четырехфтористым углеродом и др.) подробно рассмотрены в материалах СИГРЭ [4.20] и 9‑го Международного симпозиума по газовым диэлектрикам [4.21 ].

Разделение смеси элегаза с азотом с целью резервирования элегаза будет оставаться актуальным до тех пор, пока не будут созданы соот­ветствующие технологические установки. Выпуск технологических ус­тановок для оперирования смесями элегаза с азотом придаст новый им­пульс созданию электрооборудования, использующего обедненные эле­газовые смеси. Очевидно, что именно в этом направлении будет разви­ваться элегазовая электроэнергетика. Общая тенденция сводится к тому, что существующие установки обслуживания, использующие чистый элегаз без сжижения, могут быть использованы для всех операций с ап­паратами со смесью при дополнительном контроле состава, а разделе­ние смесей с целью регенерации шестифтористой серы будет выпол­няться централизовано, в заводских условиях. При этом считается, что криогенный способ будет использован для снижения концентрации шестифтористой серы до 30 %, а дальнейшее извлечение будет выпол­нено с использованием мембранной технологии. Неизвлекаемый оста­ток с целью предотвращения загрязнения атмосферы должен уничто­жаться термическим разложением.

Первая информация об установке обслуживания оборудования с га­зовой смесью элегаз-азот появилась в Electrical Insulation Magazine [4.22]. Японская Toshiba Corporation выпустила установку под названи­ем i-GREEN («integrated Gas REcycler for mixed gas, friendly to the ENvi­ronment»), позволяющую выделить и собрать до 99 % шестифтористой серы из смеси. Реклама обещает высокую чистоту выделенного элегаза. Для выделения используется оригинальная технология, объединяющая ситовой эффект цеолита (не адсорбирующего шестифтористую серу, а только азот) с переменным давлением. Основные агрегаты установки: охладитель, компрессор для ожижения, вакуумный насос и компрессор для создания давления с целью контроля адсорбции, адсорберы с цеоли­

том и сосуды для ожиженного элегаза. Установка предназначена для ра­боты со смесью, содержащей от 3 до 30 % шестифтористой серы. Про­изводительность установки от 9 до 15 л смеси/мин.

Мембранная технология, ранее успешно примененная для разделе­ния кислорода и азота, нашла свое воплощение для разделения смеси элегаза с азотом [4.23, 4.24]. С помощью полых трубчатых мембран, объединенных в сепаратор с площадью поверхности 2,3 м2, и двух ва­куум-компрессоров осуществляется непрерывное разделение при 100 °С с производительностью около 13 нормальных литров в минуту. Потери элегаза не превышают 1 %, а чистота его достигает 98 %. Все процессы освоены в производственном масштабе и будут использованы практически в ближайшие несколько лет. Предполагается создание мо­бильной установки с производительностью до 250 нм3/ч.

Очевидно, что будущее за мембранной технологией, и в процесс соз­дания мобильных установок, которые могут быть использованы как для разделения O2 /N2 и SF6 /N2, так и более сложных смесей, уже включи­лись такие фирмы, как AGA Gas, Dilo и Solvay.

4.11.        ОБСЛУЖИВАНИЕ ЭЛЕГАЗОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ В ЭКСПЛУАТАЦИИ

Изложенная в этой главе комплексная система обеспечения качества элегаза направлена на полное высвобождение эксплуатацион­ного персонала от вопросов контроля и обеспечения качества элегаза в процессе эксплуатации. Если соблюдены все требования и конечные результаты анализа на содержание шестифтористой серы (и кислорода, для выключателя) и влаги показали соответствие нормативам, то каче­ство элегаза в оборудовании гарантируется на весь срок службы.

За этот срок из-за утечки элегаза может возникнуть необходимость только в проведении дополнительного обслуживания, но не в части ка­чества элегаза, а в части компенсации утечки. Регламентированная по­теря элегаза невелика, но за 10 лет аппараты потеряют десятую часть элегаза. Так что, в ходе эксплуатации встанет вопрос о компенсации утечек элегаза.

Следует иметь в виду, что дозаполнение элегазом — это начало от­счета утечки, которая должна прослеживаться по факту в течение всей эксплуатации. В связи с этим же, нельзя планировать автоматическую систему поддержания номинальной плотности элегаза без возможности контроля расхода, так как непредвиденная разгерметизация может при­вести к потере всего запаса элегаза.

Если аппарат работает не на грани конденсации элегаза, то целесо­образно для компенсации утечек создавать в аппарате некоторый запас (например, на 5 % больше), чтобы процедуру дозаполнения выполнять не так часто.

С другой стороны, производители элегазового оборудования разви­тых стран обсуждают возможность установления нормы утечки на уровне 0,1 %/год.

4.12.        ОБСЛУЖИВАНИЕ ЭЛЕГАЗОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЗА ПРЕДЕЛАМИ НАЗНАЧЕННОГО СРОКА ЭКСПЛУАТАЦИИ

Когда выполнялась разработка системы обеспечения качест­ва элегаза в электрооборудовании срок эксплуатации в 10 лет для раз­рабатываемого элегазового оборудования казался необозримым. Тем не менее, сроки службы в 20—30 лет для элегазового оборудования должны являться нормой. И как мы увидели из этой главы, система обеспечения качества элегаза справится с этой задачей. Выполнение ус­тановленных технических требований на все стадии производства обо­рудования позволяют обеспечить поддержание нормативов качества элегаза в течение любого срока службы, если другие элементы смогут выдержать такие сроки эксплуатации (твердая изоляция, уплотнения).

Но установленный срок службы изделия (аппарата, комплекса) кон­чится, и встанет вопрос о его дальнейшем использовании. Для решения подобных вопросов необходимо обратиться к средствам и методам ди­агностики состояния изоляции оборудования как наиболее ответствен­ного элемента, обеспечивающего работоспособность изделия по его электротехническому предназначению. Вопросы диагностики, или в бо­лее общем виде — вопросы контроля состояния оборудования, рассмат­риваются в следующей главе.

Рис. 4.7. Изменение концентрации элегаза в воздухе камеры при измене­нии утечки элегаза из аппарата