Elegas und seine Eigenschaften
SF6-Gas – elektrisches Gas – ist Schwefelhexafluorid SF6 (sechs Fluor). SF6-Gas ist der Hauptisolator in SF6-isolierten Zellelementen.
Bei Arbeitsdruck und normalen Temperaturen ist SF6-Gas ein farbloses, geruchloses, nicht brennbares Gas, fünfmal schwerer als Luft (Dichte 6,7 gegenüber 1,29 für Luft), Molekulargewicht ebenfalls fünfmal so hoch wie Luft.
SF6-Gas altert nicht, das heißt, es verändert seine Eigenschaften im Laufe der Zeit nicht; Bei einer elektrischen Entladung zerfällt es, verbindet sich aber schnell wieder und erhält seine ursprüngliche Durchschlagsfestigkeit zurück.
Bei Temperaturen bis zu 1000 K ist SF6-Gas inert und hitzebeständig, bis zu Temperaturen von etwa 500 K ist es chemisch inaktiv und nicht aggressiv gegenüber den Metallen, die beim Bau von SF6-Schaltanlagen verwendet werden.
In einem elektrischen Feld hat SF6-Gas die Fähigkeit, Elektronen einzufangen, was zu einer hohen dielektrischen Festigkeit von SF6-Gas führt. Durch das Einfangen von Elektronen bildet SF6-Gas Ionen mit geringer Mobilität, die in einem elektrischen Feld langsam beschleunigt werden.
Die Leistung des SF6-Gases verbessert sich in einem gleichmäßigen Feld. Aus Gründen der Betriebssicherheit muss die Konstruktion der einzelnen Elemente der Schaltanlage daher die größtmögliche Gleichmäßigkeit und Homogenität des elektrischen Feldes gewährleisten.
In einem inhomogenen Feld treten lokale Überspannungen des elektrischen Feldes auf, die Koronaentladungen verursachen. Unter dem Einfluss dieser Entladungen zersetzt sich SF6 und bildet in der Umwelt niedere Fluoride (SF2, SF4), die schädliche Auswirkungen auf Baumaterialien haben. komplette gasisolierte Schaltanlage (GIS).
Um Undichtigkeiten zu vermeiden, müssen alle Oberflächen der einzelnen Metallteile und Zellengitter sauber und glatt sein und dürfen keine Unebenheiten und Grate aufweisen. Die Verpflichtung zur Erfüllung dieser Anforderungen ergibt sich aus der Tatsache, dass auch Schmutz, Staub und Metallpartikel örtliche Spannungen im elektrischen Feld erzeugen und dadurch die Spannungsfestigkeit der SF6-Isolierung verschlechtert.
Die hohe Spannungsfestigkeit des SF6-Gases ermöglicht eine Reduzierung der Isolationsabstände bei niedrigem Arbeitsdruck des Gases, wodurch Gewicht und Abmessungen der elektrischen Ausrüstung reduziert werden. Dies wiederum ermöglicht eine Reduzierung der Schaltanlagengröße, was beispielsweise für die Verhältnisse im Norden, wo jeder Kubikmeter Räumlichkeiten sehr teuer ist, sehr wichtig ist.
Die hohe Spannungsfestigkeit von SF6-Gas sorgt für ein hohes Maß an Isolierung bei minimalen Abmessungen und Abständen, und die gute Lichtbogenlöschfähigkeit und Kühlfähigkeit von SF6 erhöhen die Schaltleistung von Schaltgeräten und reduzieren sie Erwärmung spannungsführender Teile.
Die Verwendung von SF6-Gas ermöglicht bei sonst gleichen Bedingungen eine Erhöhung der Strombelastung um 25 % und der zulässigen Temperatur von Kupferkontakten auf bis zu 90 °C (in Luft 75 °C) aufgrund chemischer Beständigkeit, Nichtbrennbarkeit und Brandschutz und größere Kühlkapazität von SF6-Gas.
Ein Nachteil von SF6 ist sein Übergang in den flüssigen Zustand bei relativ hohen Temperaturen, was zusätzliche Anforderungen an das Temperaturregime der in Betrieb befindlichen SF6-Anlage stellt. Die Abbildung zeigt die Abhängigkeit des Zustands von SF6-Gas von der Temperatur.
Diagramm des Zustands von SF6-Gas in Abhängigkeit von der Temperatur
Für den Betrieb von SF6-Geräten bei Minustemperaturen von minus 40 g ist es erforderlich, dass der Druck des SF6-Gases im Gerät 0,4 MPa bei einer Dichte von nicht mehr als 0,03 g/cm3 nicht überschreitet.
Mit zunehmendem Druck verflüssigt sich das SF6-Gas bei höherer Temperatur. Um die Zuverlässigkeit elektrischer Geräte bei Temperaturen von etwa minus 40 °C zu verbessern, muss sie daher erhitzt werden (z. B. wird der Behälter eines SF6-Leistungsschalters auf plus 12 °C erhitzt, um zu vermeiden, dass SF6-Gas in eine Flüssigkeit gelangt). Zustand).
Die Lichtbogenkapazität von SF6-Gas ist unter sonst gleichen Bedingungen um ein Vielfaches höher als die von Luft. Dies wird durch die Zusammensetzung des Plasmas und die Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität, Wärme und erklärt elektrische Leitfähigkeit.
Im Plasmazustand zerfallen SF6-Moleküle. Bei Temperaturen in der Größenordnung von 2000 K steigt die Wärmekapazität von SF6-Gas aufgrund der Dissoziation der Moleküle stark an. Daher ist die Wärmeleitfähigkeit von Plasma im Temperaturbereich von 2000 bis 3000 K viel höher (um zwei Größenordnungen) als die von Luft. Bei Temperaturen in der Größenordnung von 4000 K nimmt die Dissoziation der Moleküle ab.
Gleichzeitig trägt der im SF6-Lichtbogen gebildete atomare Schwefel mit niedrigem Ionisierungspotential zu einer Elektronenkonzentration bei, die ausreicht, um den Lichtbogen auch bei Temperaturen in der Größenordnung von 3000 K aufrechtzuerhalten. Mit zunehmender Temperatur nimmt die Plasmaleitfähigkeit ab. erreicht die Wärmeleitfähigkeit von Luft und steigt dann wieder an. Solche Prozesse verringern die Spannung und den Widerstand eines brennenden Lichtbogens in SF6-Gas um 20–30 % im Vergleich zu einem Lichtbogen in Luft bei Temperaturen in der Größenordnung von 12.000–8.000 K. Dadurch nimmt die elektrische Leitfähigkeit des Plasmas ab.
Bei Temperaturen von 6000 K wird der Ionisierungsgrad von atomarem Schwefel deutlich reduziert und der Mechanismus der Elektroneneinfangung durch freies Fluor, niedere Fluoride und SF6-Moleküle verstärkt.
Bei Temperaturen von etwa 4000 K endet die Dissoziation der Moleküle und die Rekombination der Moleküle beginnt. Die Elektronendichte nimmt noch mehr ab, da sich atomarer Schwefel chemisch mit Fluor verbindet. In diesem Temperaturbereich ist die Wärmeleitfähigkeit des Plasmas noch erheblich, der Lichtbogen wird gekühlt, dies wird auch durch die Entfernung freier Elektronen aus dem Plasma aufgrund ihres Einfangens durch SF6-Moleküle und atomares Fluor erleichtert. Die Spannungsfestigkeit der Lücke nimmt allmählich zu und erholt sich schließlich wieder.
Ein Merkmal der Lichtbogenlöschung in SF6-Gas besteht darin, dass bei einem Strom nahe Null der dünne Lichtbogenstab noch erhalten bleibt und im letzten Moment des Stromdurchgangs durch den Nullpunkt abbricht.Darüber hinaus kühlt sich nach dem Nulldurchgang des Stroms die verbleibende Lichtbogensäule im SF6-Gas intensiv ab, auch aufgrund der noch stärkeren Erhöhung der Wärmekapazität des Plasmas bei Temperaturen in der Größenordnung von 2000 K, und die Spannungsfestigkeit steigt schnell an .
Die Erhöhung der Spannungsfestigkeit von SF6-Gas (1) und Luft (2)
Eine solche Stabilität des Lichtbogenbrennens in SF6-Gas auf minimale Stromwerte bei relativ niedrigen Temperaturen führt dazu, dass es beim Lichtbogenlöschen nicht zu Stromunterbrechungen und großen Überspannungen kommt.
In Luft ist die Durchschlagsfestigkeit des Spalts im Moment des Nulldurchgangs des Lichtbogenstroms größer, aber aufgrund der großen Zeitkonstante des Lichtbogens in Luft ist die Anstiegsrate der Durchschlagsfestigkeit nach dem Nulldurchgang des Stroms geringer.