Elegas e le sue proprietà

Il gas SF6 - gas elettrico - è esafluoruro di zolfo SF6 (sei fluoro)... Il gas SF6 è il principale isolante negli elementi cellulari isolati con SF6.

Alla pressione di esercizio ea temperature normali gas SF6 — gas incolore, inodore, non infiammabile, 5 volte più pesante dell'aria (densità 6,7 contro 1,29 per l'aria), peso molecolare anche 5 volte quello dell'aria.

Il gas SF6 non invecchia, cioè non cambia le sue proprietà nel tempo; si decompone durante una scarica elettrica, ma si ricombina rapidamente, riacquistando la sua rigidità dielettrica originale.

A temperature fino a 1000 K il gas SF6 è inerte e resistente al calore, fino a temperature di circa 500 K è chimicamente inattivo e non aggressivo nei confronti dei metalli utilizzati nella costruzione dei quadri SF6.

In un campo elettrico, il gas SF6 ha la capacità di catturare elettroni, con conseguente elevata rigidità dielettrica del gas SF6. Catturando elettroni, il gas SF6 forma ioni a bassa mobilità che vengono lentamente accelerati in un campo elettrico.

Le prestazioni del gas SF6 migliorano in campo uniforme, pertanto, per l'affidabilità operativa, la progettazione dei singoli elementi del quadro deve garantire la massima uniformità ed omogeneità del campo elettrico.

In un campo disomogeneo compaiono sovratensioni locali del campo elettrico che provocano scariche corona. Sotto l'influenza di questi scarichi, l'SF6 si decompone formando fluoruri inferiori (SF2, SF4) nell'ambiente, che hanno un effetto dannoso sui materiali strutturali. quadro completo isolato in gas (GIS).

Per evitare perdite, tutte le superfici dei singoli elementi delle parti metalliche e delle griglie delle celle sono pulite e lisce e non devono presentare rugosità e sbavature. L'obbligo di soddisfare questi requisiti è dettato dal fatto che lo sporco, la polvere, le particelle metalliche creano anche sollecitazioni locali nel campo elettrico e quindi la rigidità dielettrica dell'isolamento in SF6 si deteriora.

L'elevata rigidità dielettrica del gas SF6 consente di ridurre le distanze di isolamento a bassa pressione di esercizio del gas, con conseguente riduzione del peso e delle dimensioni delle apparecchiature elettriche. Ciò, a sua volta, consente di ridurre le dimensioni del quadro, che è molto importante, ad esempio, per le condizioni del nord, dove ogni metro cubo di locale è molto costoso.

L'elevata rigidità dielettrica del gas SF6 fornisce un elevato grado di isolamento con dimensioni e distanze minime, mentre la buona capacità di estinzione dell'arco e la capacità di raffreddamento dell'SF6 aumentano la capacità di interruzione dei dispositivi di commutazione e riducono riscaldamento di parti in tensione.

L'utilizzo del gas SF6 consente, a parità di altre condizioni, di aumentare del 25% il carico di corrente e la temperatura ammissibile dei contatti in rame fino a 90°C (in aria 75°C) per resistenza chimica, non infiammabilità, sicurezza antincendio e una maggiore capacità di raffreddamento del gas SF6.

Uno svantaggio dell'SF6 è la sua transizione allo stato liquido a temperature relativamente elevate, che stabilisce requisiti aggiuntivi per il regime di temperatura dell'apparecchiatura SF6 in funzione. La figura mostra la dipendenza dello stato del gas SF6 dalla temperatura.

Grafico dello stato del gas SF6 rispetto alla temperatura

Per il funzionamento dell'apparecchiatura SF6 a temperature negative meno 40 gr, è necessario che la pressione del gas SF6 nell'apparato non superi 0,4 MPa con una densità non superiore a 0,03 g / cm3.

All'aumentare della pressione, il gas SF6 si liquefa a una temperatura più elevata. pertanto, per migliorare l'affidabilità delle apparecchiature elettriche a temperature di circa meno 40 ° C, è necessario riscaldarle (ad esempio, il serbatoio di un interruttore SF6 viene riscaldato a più 12 ° C per evitare il passaggio di gas SF6 in un liquido stato).

La capacità d'arco del gas SF6, a parità di altre condizioni, è parecchie volte superiore a quella dell'aria. Ciò è spiegato dalla composizione del plasma e dalla dipendenza dalla temperatura della capacità termica, del calore e conduttività elettrica.

Nello stato plasmatico, le molecole di SF6 si disintegrano. A temperature dell'ordine di 2000 K, la capacità termica del gas SF6 aumenta notevolmente a causa della dissociazione delle molecole. Pertanto, la conducibilità termica del plasma nell'intervallo di temperatura 2000 - 3000 K è molto più alta (di due ordini di grandezza) di quella dell'aria. A temperature dell'ordine di 4000 K, la dissociazione delle molecole diminuisce.

Allo stesso tempo, il basso potenziale di ionizzazione dello zolfo atomico che si forma nell'arco SF6 contribuisce ad una concentrazione di elettroni sufficiente a mantenere l'arco anche a temperature dell'ordine di 3000 K. Man mano che la temperatura aumenta ulteriormente, la conducibilità del plasma diminuisce, raggiungendo la conducibilità termica dell'aria e poi aumenta di nuovo. Tali processi riducono la tensione e la resistenza di un arco ardente nel gas SF6 del 20-30% rispetto a un arco in aria a temperature dell'ordine di 12.000-8.000 K. Di conseguenza, la conduttività elettrica del plasma diminuisce.

A temperature di 6000 K, il grado di ionizzazione dello zolfo atomico è significativamente ridotto e il meccanismo di cattura degli elettroni da parte del fluoro libero, dei fluoruri inferiori e delle molecole di SF6 è potenziato.

A temperature di circa 4000 K, la dissociazione delle molecole termina e inizia la ricombinazione delle molecole, la densità elettronica diminuisce ancora di più poiché lo zolfo atomico si combina chimicamente con il fluoro. In questo intervallo di temperatura la conduttività termica del plasma è ancora significativa, l'arco viene raffreddato, ciò è facilitato anche dalla rimozione di elettroni liberi dal plasma dovuta alla loro cattura da parte delle molecole di SF6 e del fluoro atomico. La rigidità dielettrica del gap aumenta gradualmente e alla fine si ripristina.

Una caratteristica dell'estinzione dell'arco nel gas SF6 risiede nel fatto che a una corrente prossima allo zero, la sottile asta dell'arco è ancora mantenuta e si interrompe all'ultimo momento dell'attraversamento della corrente attraverso lo zero.Inoltre, dopo che la corrente è passata per lo zero, la colonna dell'arco residuo nel gas SF6 si raffredda intensamente, anche a causa dell'aumento ancora maggiore della capacità termica del plasma a temperature dell'ordine di 2000 K, e la rigidità dielettrica aumenta rapidamente .

L'aumento della rigidità dielettrica del gas SF6 (1) e dell'aria (2)

Tale stabilità della combustione dell'arco nel gas SF6 a valori di corrente minimi a temperature relativamente basse comporta l'assenza di interruzioni di corrente e grandi sovratensioni durante lo spegnimento dell'arco.

In aria, la rigidità dielettrica dell'intercapedine nel momento in cui la corrente dell'arco attraversa lo zero è maggiore, ma a causa della grande costante di tempo dell'arco in aria, il tasso di aumento della rigidità dielettrica dopo che la corrente attraversa lo zero è minore.