автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.06, диссертация на тему:Физическая химия электротехнических аппаратов

РГб од

- 5 ИЮН 1995

ВСЕРОССИЙСКИЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им.В.И.Ленина

На правах рукописи

АРАКЕЛЯН ВАДИМ ГАРЕГИНОВИЧ

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

05.09.06 - электрические аппараты 02.00.04 - физическая химия

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1995

/

Официальные оппоненты:

Доктор химических наук, профессор

Сакодынский Карл Иванович

Доктор химических наук, член-корр.АЭН РФ

Гроздов Александр Григорьевич

Доктор технических наук член-корр.АЭН РФ

Белкин Герман Сергеевич

Доктор химических наук, старший научный сотрудник

Изидинов Сабри Османович

Ведущая организация - Российское Акционерное Общество

Энергетики и Электрификации ("ЕС" России), г.Москва

Защита состоится 20 июня 1995 г. в час на заседании диссертационного совета Д 143.04.02 при Всероссийском Электротехническом Институте им. В.И.Ленина по адресу Москва, 111250, ул.Красноказарменная. 12.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке ВЭИ им.В.И.Ленина

Диссертация в виде научного доклада

разослана " 1С" 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор-технических наук

П.'Ларионов/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. С ростом напряжения и единичной мощности агрегатов резко возрастает ущерб, наносимый отказом электрооборудования.' Надежности оборудования всегда уделялось большое внимание. На ее повышение направлены такие меры как установка резервного оборудования, обеспечение запасов по особо ответственным параметрам, но в настоящее время наиболее перспективное направление обеспечения надежности электроэнергетического оборудования связывается с развитием автоматических систем непрерывного контроля и диагностики.

Развернувшееся у нас в стране в конце шестидесятых годов создание нового вида электрооборудования на основе высокопрочного газообразного диэлектрика - гексафторида серы, ЗГ6 - получившего в России название "элегаз", инициировало исследования не только электротехнических проблем, но и комплекса вопросов физико-химического и-экологического обеспечения разработки, в том числе и вопросов диагностического контроля.

Для традиционного, маслонаполненного оборудования тенденция к продлению сроков эксплуатации также связывается с использованием методов • физико-химической диагностики, установкой приборов контроля и средств диагностики развивающегося дефекта.

Все еще остается актуальной проблема замены трансформаторного масла экологически безопасными, менее горючими и более прочными изоляционными жидкостями. Неудачный опыт применения хлорсо-держащих соединений в качестве подобных заменителей показал, что нельзя оставлять без внимания исследование экологических проблем.

Поэтому, поиск путей обеспечения надежности, продления рабо-

тоспособности электрооборудования средствами диагностического контроля, определения степени его воздействия на природу, прогнозирования этого влияния в будущем - являются важнейшими научно-техническими задачами электротехники и электроэнергетики. Это определило.актуальность исследований, выполненных в данной диссертационной работе, и вызвало к жизни новую отрасль знания -физическую химию электротехнических аппаратов.

Цель работы состояла в повышении надежности и безопасности высоковольтного электрооборудования посредством решения комплекса физико-химических и экологических проблем при создании элегазово-го оборудования и физико-химических проблем диагностики маслона-полненного оборудования.

Идеология, объекты, методы и задачи исследования.

Только комплексное решение задач механики, теплотехники, газодинамики, электротехники, приборостроения, физической химии, санитарии и экологии может привести к созданию современного безаварийного, надежного, экологически чис'того электротехнического аппарата и полноценной системы диагностического контроля его состояния в эксплуатации.

Поскольку санитария и экология электротехнических аппаратов связана в основном с химическими явлениями, то эти вопросы целесообразно рассматривать в рамках химических задач. Исследование физико-химического круга вопросов, характерных исключительно для электротехнического аппарата, вне зависимости от основной изоляционной среды составляет определенную последовательность: изучение свойств среды —> разработка методов анализа —> изучение особенностей энергетического воздействия на среду —> использование полученных закономерностей. Эта последовательность формирует методологию новой отрасли знания, являющейся составной частью электротехнической науки - физической химии электротехнических аппаратов. Ее формирование происходило в ходе создания элегазово-го электротехнического оборудования в результате последовательного решения физико-химических проблем. Структура исследований в области физической химии электротехнических аппаратов представлена на рис. 1.

В данной работе исследования выполнялись применительно к электротехническим аппаратам и комплексам высокого напряжения с элегазовой, масло-барьерной и бумажно-масляной изоляцией. В пер-

вом случае результаты исследования особенностей взаимодействия элегаза с электрическими разрядами и материалами аппарата были использованы в полном объеме (как показано на рис.1 и в табл.2), а во втором - для маслонаполненных аппаратов - исследование энергетического воздействия на изоляционные жидкости направлено, главньм образом, на разработку систем контроля и диагностики.

В работе широко использованы современные методы физической химии.

Достижение поставленных в диссертационной работе целей требовало решения следующих задач:

- для вновь создаваемого элегазового оборудования - создания базы данных физико-химических параметров элегаза; разработки методов анализа как самого элегаза,так и сред, которые он может загрязнять; исследования химических превращений элегаза под действием разрядов и стойкости материалов к продуктам разложения элегаза; определения влияния примесей в элёгазе на работу электроаппаратов; разработки нормативов качества элегаза в электрооборудовании и способов их обеспечения; разработки элементов системы автоматического контроля элегазового оборудования; исследования возможности физико-химической диагностики; изучения вопросов санитарного и экологического обеспечения элегазовой электроэнергетики,

- для маслонаполненного оборудования - создания аналитической и диагностической базы ранней диагностики повреждений трансформаторного оборудования; разработки методов непрерывного контроля

Энергетическое воздействие

Свойства изоляционной среды Исследование особенностей взаимодействия среды с аппаратом Методы анализа

1

1 1

1 1 1 1 1 1 ■1« ^ ^ >[■ ^ 1 1 1

Конструирование аппарата Нормирование и обеспечение нормативов Контроль и диагностика Санитария и экология

Рис.1. Структура исследований в области физической химии электротехнических аппаратов.

трансформаторного оборудования; исследования возможности замены трансформаторного масла на негорючие, экологически безопасные жидкие диэлектрики; исследования принципиальной возможности диагностирования состояния изоляции конденсаторного оборудования.

Научная новизна работы

Заложены основы новой отрасли знания - физической химии электротехнических аппаратов - являющейся неотъемлемой составной частью широкого комплекса исследований при создании электротехнических устройств.

Методология этой новой отрасли электротехники состоит:

- в изучении свойств изоляционной среды,

- в выборе методов анализа,

- в исследовании особенностей взаимодействия изоляционной среды с другими частями (материалами) аппарата и с энергетическими воздействиями, характерными для данного типа аппарата,

- в формировании нормативных параметров изоляционной среды,

- в разработке физико-химических методов обеспечения и контроля нормируемых значений,

- в разработке технических требований на производство электротехнического устройства,

- в разра^тке методов и приборов диагностики,

- в решении санитарных и экологических проблем.

Практическая значимость работы

1. Выполнен полный комплекс физико-химических исследований для создания нового вида надежного электротехнического оборудования - элегазовых КРУ, отдельно стоящих аппаратов и шинопроводов -что положило начало производству и широкому внедрению этого оборудования в электроэнергетику страны.

Создана область физико-химических знаний для проектирования и эксплуатации новых типов элегазовых электротехнических аппаратов и элегазовых энергетических комплексов.

2. Для традиционного, маслонаполненного оборудования выполнены исследования в направлении разработки методов анализа, изучения особенностей взаимодействия изоляционных жидкостей с электрическими, тепловыми и кавитационными воздействиями и разработки методов физико-химической диагностики, что позволило создать надежную систему диагностического контроля трансформаторного оборудования и конденсаторов.

Основные положения.выносимые на защиту

1. Формирование новой отрасли знания в рамках электротехнической науки - физической химии электротехнических аппаратов, определяющей в соответствии с методологией последовательное решение научных вопросов физической химии для создания и эксплуатации электротехнического оборудования.

2. Разработка комплекса методов химического и физико-химического анализа элегаза и изоляционных жидкостей, обеспечившего научные исследования при создании элегазовых аппаратов и экологический и диагностический контроль в эксплуатации элегазового и маслонаполненного оборудования.

3. Исследование химизма разложения элегаза в электротехнических аппаратах под действием, электрических воздействий и на этой основе - решение материаловедческой задачи конструирования элегазовых аппаратов и разработка физико-химической диагностики элегазового оборудования.

4. Разработка комплексной системы обеспечения качества элегаза в оборудовании - непременное условие высокой надежности элегазового аппарата в условиях эксплуатации - включающей научно обоснованные нормативы качества элегаза, технические требования на все стадии производства, методы контроля нормативных параметров и порядок их применения.

5. Создание лабораторного комплекса физико-химической диагностики трансформаторного оборудования для широкого контроля маслонаполненного оборудования в эксплуатации.

6. Разработка теоретических основ создания прибора непрерывного контроля уровня горючих газов в трансформаторном оборудовании, в основе которого лежит принцип диффузионной экстракции через полимерную проницаемую мембрану, разработка методики расчета а получение исходных данных для расчета основных его узлов.

7. Изучение разложения изоляционных жидкостей под действием <авитации, инициируемой ультразвуковым полем, и разработка на этой основе нового метода определения газостойкости изоляционных шдкостей,в качестве критериев использующего протяженность инкубационного периода и скорость образования газообразных компонентов.

8. Принцип хроматографической диагностики силовых конденсаторов и на его основе - метод отбраковки потенциально ненадежных мпульсных конденсаторов.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы были представлены на следующих научных совещаниях, конференциях и симпозиумах: 2 Всесоюзный симпозиум по химии неорганических фторидов, Москва,1970 г.; Всесоюзная научно-техническая конференция "Ленинский план электрификации СССР в действии",Москва, 1981 г.; научно-техническая конференция ВЭИ, Москва, 1984 г.; Всесоюзная конференция "Создание комплексов электротехнического оборудования высоковольтной, преобразовательной и сильноточной техники", Москва,1986 г.; Всесоюзное совещание "Состояние и перспективы развития электрической изоляции",Свердловск,1987 г.; Симпозиум СИГРЭ, Вена,1987 г.; 3 Международная конференция по свойствам и применению диэлектрических материалов, Токио, 1991 г.; 6 Международная конференция по диэлектрическим материалам, измерениям и применению, Манчестер,1992 г.

Публикации. По материалам работы опубликовано около 50 статей и тезизов докладов на научных конференциях и симпозиумах, получено 3 авторских свидетельства на изобретение.

Физико-химические проблемы создания элегазового оборудования изложены автором в книге "Элегазовое высоковольтное оборудование", подготовленной к публикации в ЭНЕРГОАТОМИЗДАТе.

Работа защищается в форме научного доклада.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Часть 1. Физико-химические проблемы создания элегазового оборудования

Интерес к шестифтористой сере возник после публикаций Е.М.Гохберга в сороковых годах. Уже в начале пятидесятых в США появились выключатели с ЗР6 в качестве изоляционной и дугогасящей среды, а 1С концу шестидесятых их производили ведущие фирмы Европы, Америки и Японии. Как отмечает А.И.Полтев в монографии "Элега-зовые аппараты" ("Энергия", 1971 г.) - первой на русском языке -практическое использование элегаза в электротехнике значительно опередило всестороннее его исследование. Книга Полтева хорошо иллюстрирует состояние вопроса применения элегаза в электротехнике к началу семидесятых годов. Сведения по вопросам физико-химического обеспечения практически не публиковались. Отрывочные сведения о возможности очистки элегаза,подвергшегося воздействию дуги.

от токсичных и химически активных примесей активированным глиноземом (1952 г.), о коррозионной устойчивости металлов к загрязненному элегазу в ряду латунь<сталь<медь<цинк<олово<алюминий, об удовлетворительной устойчивости к смеси элегаза с воздухом после воздействия на нее электрических разрядов таких материалов, как алюминий А00, медь М1, латунь Л-96, фторопласт-3, некоторых покрытий (анодированный алюминий, хроматированное цинковое покрытие) (1963 г.), о возможности использования аралдитовой смолы для изготовления твердой изоляции, о применении в элегазовых выключателях специально для них разработанных изоляционных материалов, а также осознание влияния примесей - по результатам исследования причин аварий - указывали на необходимость последовательного изучения таких вопросов, как разложение ЭГ6, коррозионная стойкость материалов, удаление продуктов разложения, нормирование качества элегаза и обеспечение безопасности обслуживающего персонала.

На рис.2 представлена схема физико-химических исследований, которые необходимо было выполнить для обеспечения разработки, производства и эксплуатации элегазового электротехнического оборудования (ЭО). Без решения этого спектра проблем создание полноценного, работоспособного элегазового оборудования оказалось бы невозможным. Все эти вопросы составили основу новой отрасли электротехнических знаний - физической химии электротехнических аппаратов, нашли свое решение в данной диссертационной работе и изложены далее в соответствии с установленной методологией.

1.1. Изучение свойств шестифтористой серы

Всестороннее изучение свойств главной изоляционной среды является основой практически всех решений при конструировании аппарата, и в особой степени в части физико-химических решений (рис.2).

Создание базы данных в ВЭИ по свойствам ЗР6 было начато под руководством В.П.Борисоглебского. Собранный обширный материал составил основу для ряда эмпирических обобщений (В.П. Борисоглебский и др. ЖФХ, 1972, т. 46, № 2, С. 529; ЖФХ, Т. 48, №5, с. 1119; и др.). Особое внимание уделялось свойствам ЗГ6, непосредственно используемым при конструировании элегазовых электротехнических аппаратов: плотности газа, сжимаемости, теплоемкости, теплопроводности и вязкости. Наш вклад в этой области заключается в предложении новой формы уравнения состояния, уравнения для давления насыщенного пара и в получении данных специфического физико-химического харак-

Конст- Техничес- Автомати- Доку- Вопросы Разреше- Расчет и Методы Методы Нормативная Методы

руиро- кие требо- ческая менты эколо- ние на констру- опреде- контро- документа- диагно-

вание вания к система ТБ гии примене- ирование ления ля ка- ция по стики

аппа- производ- непрерыв- ние ма- адсорбе- утечки чества качеству ЭО

ратов ству ЭО ного контроля териалов ров элегаза элегаза ЭО элегаза в ЭО

КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЭО

Рис. 2. Структура физико-химических исследований в области элегазового оборудования (ЭО).

тера для решения нового блока научных вопросов.

Новая форма уравнения состояния

Ру/ИТ = 1 - Т"4(АР-ВР2 +СР"1+БР3)

позволяет вычислять плотность как функцию температуры и давления. Приведенное к рабочему виду, уравнение для элегаза принимает вид:

р = 17600 [Т-Р-'-Ю'Г3 (104 - 66Р + 2-10"2Р"2 + 60Р2)]'1

где р - в кг/м3. Т - в К, Р - в МПа, и позволяет со средней точностью 0,33% (максимальная ошибка 1,5%) рассчитать плотность элегаза в интервале давления от 0,07 до 1 МПа и температуры от -40 до 300°С (с несколько большей погрешностью - до 1000°С),т.е. в области существования элегаза в электротехнических устройствах.

Для описания зависимости давления насыщенного пара от температуры нами предложено новое выражение, позволившее одним уравнением с пятью коэффициентами описать всю область существования давления насыщенного пара над жидкостью [26]

^Р = А-В/а+С)+Бехр[-ткр-1;)/и -Цр)]

где Р - абсолютное давление, I - температура в0С от тройной итр) до критической (1кр) точки. Средняя погрешность расчета давления насыщенного пара БР6 ( А=6,3130 для расчета в кПа, В=863,386, С=268, 72, 0=8, 73-10~3, Г=10,26; гкр =45, 56. гтр=-50,8) равна 0,072%.

Аналогичное уравнение для давления пара над твердой ЗЕ6:

^Р = 7, 850-1230/(1+273, 15) +0, 0329ехр [ - (-50, Ъ-Х,)/(1+212>. 15) ] где Р - абсолютное давление в кПа, I - в °С ниже -50,8.

Мы пополнили банк данных экспериментально полученными сведениями, необходимыми для решения конкретных вопросов физической химии электротехнического аппарата: о растворимости воды в жидком элегазе, о термодинамическом коэффициенте распределения примесей (02Л2, СГ4,Н20) в элегазе и о растворимости БР6 в изоляционных жидкостях. Собранные сведения по свойствам ЗР6, увязанные между собой и дополненные нашими исследованиями, вошли в подготовленное автором справочное пособие "Свойства элегаза", изданное в 1977 г в ВЭИ и распространенное по заинтересованным организациям, а в дальнейшем - использованы в книге "Элегазовое высоковольтное оборудование". Подготовленный справочный материал обеспечил возможность выполнения всех технических расчетов при конструировании элегазового аппарата с необходимой точностью.

1.2. Физико-химические методы анализа элегаза Разработка методов анализа элегаза является одной из основных наших задач с конца 60-х годов, т.к. именно методы анализа определяют глубину и достоверность исследований и вытекающих из них аппаратных решений. На основе разработанных методов анализа выполнен комплекс химических исследований, они же легли в основу контроля качества элегаза в электрооборудовании, контроля утечки и в основу методов диагностики. Наиболее важными из них являются хроматографические методы, определение влажности и кислотности.

1.2.1. Разработка хроматографических методов анализа. Анализ элегаза на состав,т.е. определение содержания 0г, и2, СЕ4 и БЕ6 было выполнено в газоадсорбционном варианте на цеолитовом молекулярном сите МХ как в изотермическом режиме [1,3,4,20,49], так и в режиме программирования температуры [20,49] (рис.За). Достоинства этого метода определили широкое его применение как при производстве элегаза, так и у его потребителей. Метод используется при оценке качества товарного элегаза, элегаза из электрооборудования, для контроля процесса очистки элегаза от легких примесей,для анализа состава смесей элегаза с азотом и для диагностических целей.

Разработка метода анализа элегаза на содержание продуктов разложения была необходима прежде всего с целью исследования процесса разложения элегаза пол действием электрических разрядов.

Рис.3. Хроматограммы основных анализов элегаза.

а. Определение содержания 02,М2 и СЕ4 в БЕ6. Колонка 2мхЗмм, ЛаХ, 0,25-0,4мм, 40° С, 20°/мин, 125° С, Не 33 мл/мин, катарометр, 125° С.

б. Определение БЕ4, БЕ-, и БОЕ-, в ЗЕ6. Колонка 2,8мх5мм, 33,4% ФС-303 на хроматоне Е,45-60 меш.22°С,Не 50 мл/мин,катарометр,125°.

в. Определение БЕ6 в воздухе. Колонка 0,93мх2,5мм, ИаХ,60-80 меш, 185° С, Аг 40 мл/мин, ЭЗД, 250° С.

г. Определение БЕ6 в воздухе. Колонка 1,5мх2,5мм, ИаА,60-80 меш, 70°С, 24 с, 30° /мин, 150°С, А г 40 мл/мин, ЭЗД, 150°С.

Удовлетворительного метода хроматографического разделения продуктов распада SF6 к тому времени не было. Трудность анализа заключалась в том, что продукты разложения - низшие фториды серы - химически активные вещества, легко гидролизуются с образованием ок-сифторидов, а далее - и кислот: серной, сернистой и плавиковой. Для преодоления этих трудностей мы предложили метод устранения адсорбционного и хемосорбционного влияния твердого носителя посредством его фторирования [8] и фторсиликоновую жидкую фазу отечественного производства ФС-303, на которой удалось разделить основные первичные продукты распада - двухфтористую и четырехфто-ристую серу - и продукт их окисления и гидролиза - фтористый тио-нил (рис. 36) [1,3,4,20,49].

На основе этой методики выполнено изучение направления и степени разложения SF6 в разрядах [6], исследование коррозионной стойкости конструкционных материалов [5,9,11,15,38] и адсорбционной способности поглотителей, что определило решение материало-ведческой задачи элегазового аппарата.

При конструировании аппаратов, использующих одновременно и жидкую, и элегазовую изоляцию вызывала беспокойство надежность системы герметизации между ними, несовершенство которой могло повлечь за собой образование газовых пузырей в жидкой изоляции. Для контроля этого вида оборудования.был разработан метод анализа "равновесной газовой фазы" в динамическом варианте в комбинации с высокочувствительным электронозахватным детектором. Метод [21,49] основан на анализе газа, барботирующего через содержащую растворенный элегаз жидкость, и опирается на экспоненциальный закон изменения концентрации и учет неравновесности процесса барботажа. В качестве адсорбента для хроматографического разделения используется цеолит NaX при температуре 185°С (рис.Зв). Соблюдая установленные ограничения [21], можно при средней чувствительности хро-матографической системы 3-10'9%-об. (при объеме пробы 0,5 мл) достичь минимально определяемой концентрации 7 -10"6 %-об. Разработанная методика была использована для контроля концентрации элегаза в трансформаторном масле с целью установления качества уплотнений и для определения предельных значений концентрации элегаза (растворимости) в трансформаторном масле и других изоляционных жидкостях в диапазоне рабочей температуры.

Это же хроматографическое разделение (рис.Зв) используется

для определения элегаза в атмосферном воздухе. Минимально определяемая концентрация из пробы 0,5 мл - 10~9 %-об. БГ6 [43]. На этом анализе основано определение нормированного показателя утечки элегаза при заводских испытаниях.

Создание элегазовых, электротехнических комплексов потребовало решения санитарных и экологических задач (т.е. контроля концентрации элегаза в воздухе производственных помещений, вентиляционных выбросах и в воздухе населенных мест за пределами санитарной зоны предприятий), что потребовало создания еще более чувствительного метода анализа элегаза в воздухе. Увеличение чувствительности метода на порядок достигнуто применением в качестве адсорбента молекулярного сита ИаА (рис.Зг), на котором ЗГ6 выходит первым пиком несорбируемого компонента - раньше пика кислорода. Отсутствие помехи со стороны пика 02 дает возможность увеличить объем пробы и получить необходимый уровень чувствительности: из пробы 2 мл минимально определяемая концентрация составила 10"10 %-об. Достижение столь низких значений концентрации требует не только тщательности подготовки хроматографической аппаратуры, но и устанавливает высокие требования к условиям калибровки (выполняемой методом экспоненциального разбавления) и к условиям пробоподготовки. Именно технологическое обеспечение достоверности результата явилось основной заботой при разработке метода [44].

1.2.2. Анализ влажности элегаза. При том, что это один из наиболее важных анализов, простых отечественных приборов для определения влажности не было. По рекомендациям МЭК мы спроектировали и изготовили партию приборов для измерения влажности элегаза (МЭК—2), которые были использованы для практических и исследовательских целей совместно с другими, импортного происхождения (ИК-спектроскопия, проводимость пленки А1203). На основе этих измерений была сформулирована научная концепция предотвращения конденсации влаги в электроаппарате - условие обеспечения норматива влажности элегаза в аппарате в течение всего срока эксплуатации.

1.2.3. Анализ кислотности элегаза. Метод, рекомендованный МЭК, был усовершенствован применением более эффективных барботаж-ных ячеек [18]. Но для выполнения измерений кислотности элегаза в условиях эксплуатации метод кислотно-щелочного титрования не может быть применен. Для этой цели разработан метод, основанный на принципе сухого титрования. В его основе лежит обесцвечивание су-

хого окрашенного адсорбента (оксида алюминия с бромкрезоловым индикатором на полисорбе) при пропускании через него газа с кислотными примесями [27]. Созданный индикаторный поверхностнослойный адсорбент позволил достичь высокой чувствительности: 0,1 ррт-масс. (в расчете на НЮ при объеме пропущенного элегаза до 5 л. Этот оперативный метод определения кислотности применяется для определения уровня ЧР в дефектном элегазовом оборудовании и для определения поврежденного (пробитого) элегазового аппарата в комплексах КРУ, шинопроводах и проч.

1.2.4. Внедрение методов анализа. Нами были реализованы все , методы анализа, рекомендованные МЭК для оценки качества элегаза. По каждому из них были составлены методики-инструкции, опирающиеся на собственный опыт. Задача состояла в том, чтобы осуществить широкое внедрение методов контроля качества элегаза во все заинтересованные организации: предприятия, осваивающие производство ЭО, предприятия, готовящиеся к эксплуатации ЭО, научные организации, приступившие к работам с элегазом. Методы физико-химического контроля (в виде комплекса методик, приборов МЭК-2 или чертежей на него) и нормативные материалы ( в том числе свойства элегаза и разработанные нами материалы по технике безопасности) были внедрены на "Электроаппарате", Тольяттинском и Истринском отделениях ВЭИ, СКТБ ВКТ Мосэнерго, ряде подстанций Москвы, центра России и Украины. В этих организациях создавалась аналитическая служба, персонал которой проходил стажировку в ВЭИ. К моменту создания промышленного ЭО были подготовлены кадры аналитиков и технологов для решения физико-химических вопросов на местах.

1.3. Исследование распада 8Г6 под действием электрических разрядов

Исследование воздействия электрических разрядов на элегаз вскрыло неприятную картину: под действием электрических разрядов из химически инертного элегаза образуются весьма агрессивные химические соединения. Появление агрессивных продуктов разложения элегаза под действием электрических разрядов поставило перед электротехникой ряд новых задач: необходимость создания стойких к продуктам разложения элегаза материалов, изучение способов и средств удаления продуктов разложения, санитарно-технические и санитарно-гигиенические проблемы - поскольку все продукты разложения элегаза являются сильно ядовитыми веществами. Для решения

этих задач прежде всего необходимо установить состав веществ, возникающих вследствие разрядов в элегазе, и определить глубину соответствующих химических превращений.

Мы исследовали разложение элегаза в двух, резко отличающих-. ся друг от друга видах электрического разряда: в дуговом разряде и искре [6]. Дуговой разряд поддерживался повышающим трансформатором. а искровой - создавался с помощью разряда конденсатора. В качестве микроразрядника - при той же удельной плотности энергии, что и в больших аппаратах - была использована камера из фторопласта с никелевыми электродами, установленная в схему хроматографа в качестве петли-дозатора, так что все образовавшиеся в результате воздействия разряда вещества тут же переносились на хро-матографическую колонку, разделялись и детектировались. В качестве первичных продуктов разложения элегаза зафиксированы низшие фториды серы - ЗР2 и . Полученные результаты представлены на рис.4. Состав продуктов разложения элегаза зависит от типа разряда и от его энергии. Поразительным оказалось образование намного большего количества БР4 ( и только ЗР4 ! ) в искре по сравнению с дуговым разрядом при том, что энергия искры была на порядок меньше энергии дугового разряда. Столь энергичное воздействие искры было обьяснено наличием необратимых химических реакций, инициируемых бомбардировкой электронов, т.е.механизмом электронного удара, в отличие от обратимых процессов, Имеющих место в дуге.

С учетом этой позиции теоретически проблема разложения БР6 описывается следующим образом.

Рис.4. Зависимость образования продуктов разложения БР6 в дуговом разряде (а)(мощностью от 8 до 214 Вт) и искре (б).

%-масс

, %-носсй

Отличительной особенностью дугового разряда является приближение температуры газа к температуре электронов. Энергия дугового разряда может достигать 107 Дж, а температура в стволе дуги -20000 К, что в соответствии с термодинамическим равновесием определяет существование БР6 в виде осколков молекулы - соединений, атомов, ионов и электронов. По мере выхода из зоны дуги осколки вступают в реакции рекомбинации, и при отсутствии каких-либо инородных примесей эти реакции приводят к полному синтезу БР6

теплота

БР6 -> Б + 6Р

Б + 2Р -> БР2

3 + 4Р -• БР4

БР2 + 2Р -> БР4

Б + 6? -> БР6

БР2 + 4Е -> БГ6

БР4 + 2Р -> БР6

Коронный разряд характеризуется несоответствием температуры газа и температуры электронов: в то время как энергия электронов может достигать 10 эВ, температура газа остается низкой. Энергия электронов значительно превышает энергию связи Б-Р, поэтому их энергетическое воздействие приводит к ее разрыву. Диссоциацию под действием электронного удара можно представить следующей схемой

БР6 -е-> БР5* + Р

Зру-е-, Зр4 + р

БР4 -е-> БР3* + Р

Вс° химические реакции, инициируемые электронньм ударом, протекают при комнатной температуре и необратимы, так как фторирование свободным фтором в этих условиях невозможно. При этом основным продуктом разложения является БР4 (и фтор), т.к. реально протекает только первая стадия, а образовавшийся возбужденный радикал БР5* тут же разлагается с образованием БР4.

Искра в зависимости ее энергии по воздействию на элегаз может приближаться как к дуговому, так и к коронному разрядам. Малые времена протекания, малые объемы горячих зон не позволяют достичь равновесного состояния плазмы. Происходит резкая "закалка" продуктов распада. В конечном счете в случае малых энергий искра по продуцированию продуктов разложения может приближаться к ко-

ронному разряду, фактически воздействуя на среду по типу электронного удара, как это было в нашем эксперименте [6].

Итак, при отсутствии влияния материалов электродов и примесей в элегазе электрические разряды приведут к образованию фтора и низших фторидов серы в качестве основных первичных продуктов разложения. Теоретический удельный выход продуктов распада (ЭГ4 и БГг) на единицу энергии в дуговом разряде очень мал из-за реакций рекомбинации, в то время как искровой и особенно коронный разряды, инициируя необратимые реакции, продуцируют более высокий удельный уровень продуктов разложения, главным образом БГ4 [6].

Условия реального протекания разрядов в электротехническом оборудовании отличаются от теоретических присутствием примесей в виде паров металла и примесей в самом элегазе. Дуговой разряд на дугоприемных электродах вызывает их эрозию, испарение материала электродов, что резко меняет картину процессов разложения

теллота _ „

т БГб -> т Б + 6т ?

шБ+бтР+пМ —> (т+х-п)ЗР6 + (п-у)МР2 +уМБ+(п-2х+ 2у)ЭР4 + (х-Зу)БК2

(символом М обозначаем как металл электродов, так и прочие примеси, взаимодействующие со фтором).

Образовавшиеся в условиях недостатка фтора в дуговом разряде и в условиях неравновесных реакций в коронном и искровом разрядах низшие фториды серы (и фтор, в случае искрового и коронного разрядов) взаимодействуют с примесями в оборудовании, производя целую серию ядовитых вторичных продуктов.

Столь сильное влияние примесей определяет и конечный результат: в мощных силовых выключателях уровень разложения элегаза составляет до 5 мл/кДж на медь-вольфрамовой композиции (по нашим прямым измерениям в процессе испытаний). Дуговой разряд на алюминии - результат аварийного перекрытия на оболочку - разлагает до 15 мл/кДж. Удельная величина разложения элегаза под действием искрового разряда составляет 0,25 мл/кДж, а коронного - 0,5 мл/кДж (данные СИГРЭ). Приведенные характеристики позволяют рассчитать разложение элегаза как в регламентированном режиме отключения тока, так и в случае аварийного отказа.

1.4. Конструкционные материалы элегазовых аппаратов

Главный продукт разложения элегаза - четырехфтористая сера -

весьма агрессивное химическое соединение, является сильным фторирующим агентом, легко взаимодействует с окислами, основаниями, а при гидролизе продуцирует плавиковую кислоту. В такой среде не может быть и речи об использовании традиционных материалов: так обычный эпоксидный компаунд с наполнением кварцевой мукой (КЭ-3) подвергается химическому воздействию и быстро приходит в негодность. То же самое происходит с фарфором. Для решения вопроса о материалах коммутационных аппаратов потребовалось найти методы оценки стойкости конструкционных материалов к реакционной среде.

Широкое исследование уровня разложения элегаза в коммутационных аппаратах, с одной стороны, а с другой - изучение динамики адсорбции продуктов разложения специальными устройствами -фильтрами-поглотителями - позволило определить уровень влияния продуктов разложения элегаза на материалы коммутационного аппарата, выразив его в виде суммарного воздействия, равного произведению концентрации SF4 (в г/л) на время воздействия (в часах). Расчеты показали, что максимальное значение' суммарного воздействия продуктов разложения на детали выключателя за весь период эксплуатации при полной отработке ресурса не превышает 3,4 час-г/л. Реальные коррозионные испытания при выборе материалов для выключателей осуществлялись при повышенном уровне суммарного воздействия SF4 и в ряде случаев при повышенной температуре. Окончательным испытаниям материалы подвергались непосредственно в выключателях. Испытания выполнены для всех видов материалов: изоляционных, конструкционных, материалов покрытий, материалов уплотнений [2,5,9,11,15,38].

Особое внимание - по причине особой функциональной значимости - уделено изоляционным материалам. На основе исследования поведения составляющих эпоксидных компаундов (смол, отвердителей, наполнителей) разработана серия компаундов КФ - компаундов, устойчивых к низшим фторидам серы [2]. Два из них - КФ-1 [5] и КФ-4 [9] - нашли широкое применение в области элегазового аппарато-строения. Компаунд КФ-1 с наполнением фтористым кальцием абсолютно устойчив в среде продуктов разложения. Он легко обрабатывается механически, но не обладает высокой механической прочностью. КФ-4 с наполнением микрокорундом квалифицируется как устойчивый.: он выдерживает значительное превышение суммарного воздействия при температуре до 150°С, очень прочен, но труден в обработке.

фарфор и другие силикатные материалы (стекло ,стеклотекстолит) разрушаются в среде продуктов разложения. Тем не менее, для ряда керамических материалов с увеличенным содержанием окиси алюминия (микролит,ГБ-7.ГБ-7Б, УФ-46) посредством специальных испытаний установлены границы их возможного использования в непосредственном контакте с продуктами разложения элегаза [38].

Нами было установлено, что полимерные материалы - резины, фторопласт, полиэтилен, полипропилен, полихлорвинил, капрон, лавсан, полйуретан - устойчивы к действию БР4 и могут применяться в элегазовых коммута_'.юнных аппаратах и как изоляционные и уплотни-тельные материалы, и как защитные покрытия. Стеклотекстолит, не выдерживающий агрессивной среды продуктов разложения элегаза, предложено заменить текстолитом на основе лавсана.

Коррозионным испытаниям была подвергнута большая группа металлов и их покрытий [11,15]. Устойчивость к этой среде показали никель, нержавеющая сталь и некоторые марки стали. Поверхность алюминия и его сплавов оставалась чистой. Эти металлы рекомендованы для конструирования элегазовых аппаратов. Из способов гальванической защиты наилучшими являются никелировка меди и ее сплавов, химическое пассивирование латуни и химическое оксидирование стали. Исследованные лакокрасочные покрытия испытания выдержали и могут широко применяться как защитные и от атмосферных воздействий, и от реакционной среды продуктов разложения элегаза.

Учитывая возможность создания аппаратов со сжиженным элега-зом, была исследована его активность как растворителя по отношению к большой группе органических материалов [19]: резин, полиуретанов, фторопласта, лавсана, полиэтилена, эмалей, лаков. В качестве неординарного явления была обнаружена способность фторсодержа-щих полимеров набухать в жидком элегазе: резины на основе фтор-каучуков - до 15%. фторопласт - до 10%.

Таким образом, в результате исследования физико-химических процессов разложения элегаза и влияния продуктов разложения на материалы аппаратов была решена материаловедческая задача при создании элегазового электротехнического оборудования.

1.5. Разработка системы обеспечения качества элегаза в аппарате

Обеспечен!:-; качества элегаза в электрооборудовании является одним из наиважнейших элементов комплексной системы физико-хими-

ческого обеспечения работоспособности элегазового оборудования. Примеси в элегазе - хотя по разному и в разной степени - оказывают отрицательное влияние на изоляцию электроаппарата. Источниками примесей в элегазе электроаппарата является товарный элегаз, изоляционные материалы, поверхности аппарата и уплотнения. Проследим на примере воды, определяющей наиболее ответственный нормативный параметр влажности элегаза - температуру конденсации. Вода содержится в товарном элегазе (точка росы -40°С). и при сжатии элегаза до 6 МПа - температура конденсации воды составит -22,5°С. Вода, равновесная атмосферной влажности, адсорбирована на поверхностях и растворена в полимерных материалах (изоляторах, уплотнениях). Наконец, после заполнения аппарата элегазом концентрация влаги в нем намного ниже атмосферной, что побуждает диффузионное движение воды внутрь аппарата через материалы уплотнений и активное выделение воды в элегаз из изоляционных материалов. При снижении температуры пары воды могут сконденсироваться, выпасть на изоляторе и определить его перекрытие. Все эти явления, характерные для электротехнического аппарата, являются предметом физической химии, и были нами исследованы в полном объеме. Таблица 1 одновременно иллюстрирует относительный вклад источников воды в аппарате и перспективность мер по ограничению ее поступления в аппарат: в целях повышения надежности и экономически выгоднее принять превентивные меры, создав условия для обеспечения нормативов на весь срок эксплуатации, нежели решать эти вопросы в процессе экс-

Таблица 1. Относительный вклад источников воды в элегазовом аппарате

Источники Без защиты С защитой изоляционных изделий

изоляционных от увлажнения

изделий С применением специальных резин

Элегаз 1 1 1

Воздух 0,03 0,03 0,03

Адсорбция

на стенках 0,1 0, 1 . 0.1

Изоляционные

материалы 40 1.3 1.3

Уплотнения

(за 10 лет) 9 9 0,9

плуатации. На это и направлена созданная на базе физико-химических исследований система обеспечения качества элегаза в электротехническом оборудовании [18].

1.5.1. Выбор нормируемых параметров [48]. Основными примесями в элегазе электрооборудования являются 02,.СГ4,Н20. В коммутационных аппаратах в процессе работы к ним добавляются продукты разложения элегаза - ЗК2, БР4 и 30Г2. Электрическая прочность большинства примесей ниже прочности ЗР6, поэтому количество "балласта" должно быть регламентировано, чтобы не приводить к снижению электрической прочности элегаза. Содержание воды и кислотных примесей определяет'Возможность образования конденсата при снижении температуры. Присутствие кислорода способствует расширению направлений химических реакций при коммутации, вызывая образование оксифторидов серы. И, наконец, продукты разложения элегаза не должны накапливаться в оборудовании, чтобы не создавать повышенного уровня воздействия на материалы.

В связи с этим, в качестве нормируемых параметров должны быть приняты следующие [48]: для всех видов 30

1. содержание основного продукта (ЗР6); электрическая прочность аппарата должна соответствовать проектной и не должна быть снижена за счет разбавления менее прочными газами;

Г температура конденсации; влажность элегаза в аппарате должна оставаться на уровне, не допускающем образования конденсата в условиях эксплуатации;

для коммутационных аппаратов /дополнительно/

1. концентрация кислорода; ограничивается с целью снижения уровня разложения элегаза в актах коммутации;

2. суммарная концентрация продуктов разложения; ограничивается с целью снижения их воздействия на узлы и материалы.

1.5.2. 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 качества элегаза в аппарате.

1. Влияние процедуры подготовки аппарата к заполнению на качество элегаза в аппарате [48]. Подготовка оборудования к заполнению элегазом представляет собой комбинацию процессов вакууми-рования и промывки инертным газом с целью снижения концентрации вредных примесей. Расчет концентрации кислорода в элегазе оборудования сводится к уравнению

С = СЗГ6 + Ю6 рв • Св • Р' • Р" [Р6 (Рм г ') Рб г б ]"1

где С и С5Г6 - концентрация кислорода в оборудовании и в исходном элегазе (ррш-масс.); рв, Св - плотность воздуха и массовая концентрация кислорода в воздухе (1,29 кг/м3, 0,23); Р\ Р", Р„2, Рб - остаточное давление после первого и второго вакуумирования, давление заполнения азотом и барометрическое (гПа); р5Г6 - плотность элегаза в аппарате после заполнения (кг/м3).

2. Влияние источника товарного элегаза на качество элегаза в аппарате. Количество примесей, попадающих в аппарат 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. Значения коэффициента распределения между газовой и жидкой фазами элегаза К=СЖ/СГ были исследованы хроматографически для' 02, и СР4 как функция температуры (от 0 до 40°С) и концентрации в жидкой фазе (до 2 %--масс.). Полученные значения аппроксимированы общим уравнением

К= А-ехр(В/Т)+ЬСж

где Сж - концентрация компонента в жидкой фазе, ррш-масс. Значение констант А, В и Ь в этом уравнении таковы:

Компонент А В Ь

02 0.1991 471.18 2.1871Х10"4

N2 0.2126 381.07 0.8129ХЮ"4

СР4 0,0038 1844,55 0,535хЮ~4

{оэффициент распределения воды принят равным 3.

3. Распределение примесей в баллоне [48]. Два уравнения - батане объемов и баланс масс - с привлечением понятий плотности, соэффициента распределения, коэффициента заполнения и массовой

концентрации дают возможность рассчитать общее количество примеси в баллоне 0. (в газовой фазе Цг и в жидкой фазе 0.ж), в граммах, и ее распределение по фазам:

,_3.„ Рж'С ,„ к-рг „ , к-рг

Ц = Ог+ Ож= Ю"3^- —- (1 - —1— ) + Ю-3 - У-рж • С (К Рж"Рг Рж-Рг

где V- объем баллона, л; к - коэффициент заполнения баллона, кг/л (по ТУ); рж рг - плотность элегаза в газовой и жидкой фазах, кг/л (из банка данных); К - коэффициент термодинамического распределения примеси (банк данных); С - концентрация примеси в жидкой фазе, ррт-масс.(по анализу или ТУ). В таблице 2 приведено распределение примесей в стандартном баллоне. Из таблицы видно, что концентрация примесей в газовой фазе значительно выше, чем в жидкости, но тем не менее полное извлечение элегаза из баллона незначительно отражается на содержании основного компонента.

4. Влияние положения баллона на качество элегаза в оборудовании [48]. В зависимости от способа извлечения элегаза из баллона (из газовой или из жидкой фазы) в оборудование будет поступать разное количество примесей. В основе расчета лежат уравнения материального баланса примесей и элегаза и данные о коэффициентах распределения. На рис.5 в качестве примера показана диаграмма изменения концентрации кислорода, полученная на основании расчета на ЭВМ. При истечении из жидкой фазы до момента ее израсходования в оборудование поступает значительно меньшая концентрация примеси, не превышающая установленный норматив для товарного элегаза, в то время как сначала концентрация примеси в газовой фазе высока.

Таблица 2. Распределение примесей в стандартном баллоне с товарным элегазом при 20°С. У=40 л, к=1,04, ш=41,6 кг, Уж=28, 3 Л, Уг=11, 7 л, тж=39, 36 кг, гаг=2,24 кг.

Примесь Всего, г В газовой фазе В жидкой фазе Концентрация при полном извлечении, ррт-масс.

0Г. г сг. ррш-м Ож-г Сж ррт-м, норма ТУ

о2 СГ4 Н20 5,531 23,780 23,592 0,672 1,595 8,036 3,912 0.082 712 3587 1746 36.6 3.936 15.744 19.680 0.590 100 400 500 15 133 572 567 16

Чистота БГ6 99.4%-м 99,9%-м 99.87%-м

Со&,ррт-масс.

т,кг

Рис.5. Изменение концентрации примеси 02 в газовой фазе (—) и жидкой

фазе (-) при истечении

элегаза из газовой (1) и жидкой (2) фазы при постоянной температуре. Концентрация примеси в исходящем элегазе обозначена линиями со стрелкой Г (из газовой фазы) и со стрелкой Ж (из жидкой фазы).

5. Влияние влажности изоляционных материалов на качество элегаза в аппарате. Влагосодержание ряда изоляционных материалов -компаундов КЭ-3, КФ-1, КФ-4, стеклотекстолита, лавсан-текстолита, фторопласта - было определено экспериментально [18]. При равномерном распределении влагосодержание изоляционного материала пропорционально относительной влажности среды. Насыщение сухого (по способу производства) изолятора водой, так же как и его сушка происходят медленно, с учетом динамики этого процесса необходимо принять во внимание нелинейность распределения концентрации воды по толщине изолятора [46]. Решение второго закона Фика позволяет рассчитать распределение концентрации как функцию времени и толщины слоя. Для удобства Кагпег и Б11е1ге1 ввели понятие нормализованного времени ас = ждЬ/д.г. где Б - коэффициент диффузии, см2/с; I - время, с; б - половина толщины, см, и привели зависимость интегральной адсорбции а/а3 от нормализованного времени эе. Таким образом, общее влагосодержание (йНго- Г) изоляционного изделия массой як, кг, может быть определено как функция относительной влажности среды В. предельного влагосодержания материала а%, в % по массе, времени хранения и толщины изделия

з.™

0нго = в • (а/а3) ■ Чк ■ ^ • 1000, где а/а3=Нэе)

6. Влияние диффузионных процессов на качество элегаза в аппарате. Расчет диффузии через уплотнения основан на первом законе Фика для стационарного процесса [10]

Q = Р ■ Др • I(S/x) • х где Q - количество диффузанта, Р - коэффициент газопроницаемости. Ар - перепад парциального давления,КS/x) - геометрическая характеристика уплотнения,т - время. Необходимые для расчета коэффициенты газопроницаемости были определены нами [12.18] для специальных сортов резины по основным компонентам: Н20 и 02 - для рассче-та потока внутрь аппарата. SF6 - для расчета диффузионной утечки.

7. Исследование свойств адсорбентов. Исследование адсорбционных характеристик ряда адсорбентов (силикагеля. алюмогеля, цеолита) было необходимо для обоснованного выбора материала для фильтра-поглотителя выключателя, для патрона предотвращения конденсации аппаратов наружной установки.Выбор был сделан однозначно в пользу цеолита из-за максимальной емкости по воде при малой относительной влажности и способности хемосорбировать продукты разложения.

В таблице 3 приведены характеристики цеолита NaX.

Изотермы адсорбции цеолита NaX по воде были изучены детально. Для удобства использования в расчетах адсорбционная емкость цеолита по воде, в г/г, выражена уравнениями [47] для рабочего диапазона от -40 до +60°С

0>81е-1.35.10-5Т2

а„аХ = --для р/р, < 0,0227

2,1431 + 0, 0013(p/ps )-1

- 5 2

. аЫаХ = 0,81е-1 •35,10 т • (p/ps2081 для p/ps > 0,0227 Таблица 3. Адсорбционные свойства синтетического цеолита NaX

■ Параметр 1 Значение I

Остаточная влажность высушенного при 375°С, % 0.31 1

Влажность после контакта с атмосферным воздухом, %

(на сухую массу):

в течение 0,5 часа 1,7 1

в течение 1 часа 3 1

Адсорбционная емкость по воде при 100% относительной

влажности и 20°С, % (на сухую массу) 25.4 1

Удельная поглотительная способность по ЗГ4, %

(на сухую массу):

в высушенном при 375°С состоянии 10.5 1

после контакта с воздухом 0,5 часа 8.1 1

после контакта с воздухом 1 час 6.6 1 1

где р/р<. - относительная влажность газа, Т - температура, К.

Выполненные в этих направлениях исследования позволили нам решить уравнения материального баланса воды в аппарате с целью разработки условия предотвращения конденсации и решения вопроса о соответствии влажности элегаза в оборудовании нормативу влажности.

1.5.3 Формирование нормативов [48]. Формирование нормируемых значений произведено на базе оценки степени влияния нормируемых параметров на электрические свойства аппарата с учетом их достижимости и возможностей средств контроля.

• Основное внимание уделено обеспечению работоспособности оборудования наружной установки, что связано прежде всего с проблемой влажности. На основе строгого учета количества воды в аппарате и динамики ее перераспределения [13] на основных влагоносите-лях нами сформулирована концепция'предотвращения конденсации: условие, при котором конденсация влаги становится невозможной во всем диапазоне рабочей температуры. Основой условия предотвращения конденсации является создание в аппарате дополнительной адсорбционной поверхности (цеолит ИаХ), на которой может происходить быстрое перераспределение влаги. Было показано, что сущность норматива долина выражаться не каким-либо значением концентрации воды в элегазе, а интервалом между температурой конденсации и среднесуточной температурой, большим, чем возможные атмосферные колебания в сторону понижения. По анализу данных ГИДРОМЕТЕОЦЕНТРа это значение было оценено ±16°С для всей территории бывшего СССР. Поэтому в качестве норматива для аппаратов наружной установки принят интервал в 20°С, с некоторьм запасом. Смысл решения условия предотвращения конденсации состоит в расчете количества цеолита, необходимого для его обеспечения.

Для аппаратов внутренней установки требования значительно снижаются. Установление норматива температуры конденсации ниже 0°С одновременно будет отвечать двум требованиям:- 1) на 20° ниже средней температуры помещения и 2) если и возникнут условия, приводящие к конденсации, то конденсат будет не в виде жидкости, а в виде инея, что считается безопасным.

Для выключателей требования по влажности жестче, но они определены наличием большого количества адсорбента, необходимого для поглощения продуктов разложения элегаза.

Допустимые отклонения концентрации основного продукта (ЗР6)

были определены на основе зависимости электрической прочности смеси элегаза с азотом от состава.

Норматив "содержание кислорода" определен из условия минимизации и возможности его обеспечения. При этом рассмотрены различные способы подготовки аппаратов к заполнению, способы извлечения товарного элегаза из баллонов и диффузионное натекание 02.

С целью ограничения влияния продуктов разложения в выключателе размещают адсорбционный поглотитель. 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 пришли к выводу, что нормировать надо не степень разложения, а скорость удаления образовавшихся продуктов, или, вернее, допустимое время их нахождения в аппарате, увязывая это решение с задачей защиты материалов. Значение суммарного воздействия 3,4 час-г/л рассчитано из условия удаления продуктов разложения от единичного акта коммутации за 48 часов. Присутствие продуктов разложения за пределами этого срока свидетельствует о конструктивных или технологических просчетах в организации поглотительного устройства.

Значения нормативов качества элегаза в электрооборудовании приведены в таблице 4 [48].

1.5.4. Пути обеспечения нормативов [18,46]. 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 - идеология может быть и не нова, но мы. выполнив соответствующие исследования, обеспечили ее применение при создании элегазового оборудования.

Пути достижения нормативов качества неравноценны. Особую трудность представляет обеспечение норматива влажности.

. Обеспечение норматива влажности основывается на концепции условия предотвращения конденсации влаги в аппарате [13,14,46] и решается, на первом этапе, ограничением поступления воды в аппарат с различными источниками, а на втором - размещением расчетного количества адсорбента.

Ограничение поступления воды в аппарат определяется способом

хранения изоляционных изделий и материалов при пониженной относительной влажности (с целью предотвращения увлажнения) и ограничением диффузионного поступления воды через уплотнения. Решение уравнения материального баланса воды для аппарата внутренней установки на условия при пуске в эксплуатацию и в конце эксплуатации

16- 10"3рУ+2В2:^к1а™к1 )+253583-РН20 -Др-КБ/х) = 4, 5У+2,, )

|_I I_I I_I I_I I_I

элегаз изоляц.мат. диффузия элегаз изоляц.мат.

(где р - плотность элегаза, кг/м3; V -объем аппарата, м3; В - относительная влажность в хранилище; gк - количество изоляционного материала сорта 1, кг; а~к - предельная влажность изоляционного материала сорта 1.%; РН20 - влагопроницаемость материала уплотнения, см3см/(см2-с-МПа); Ар - перепад парциального давления воды на уплотнении, МПа; Е(Б/х) - геометрическая характеристика уплотнения, см2/см)

Таблица 4. Нормативы качества элегаза в 30

Норматив Тип аппарата

коммутационный аппарат прочие

Температура конденсации* Ниже -30°С при температуре окружающей среды 20°С Ниже 0°С для аппаратов внутренней установки при температуре окружающей среды 20°С

Не менее, чем на 20°С ниже среднесуточной температуры для аппаратов наружной установки

Содержание гексафторида серы Не ниже 99,4%-масс. при заполнении чистым элегазом -"- 97,3 -"- для 90%-ной смеси ЗГ6 с (объем) -"- 93,4 -"- 75 -"--"- 83,4 -"- 50 -"--"- 68,6 -"- 30-"-

Содержание кислорода Не более 0, 015%-масс. при заполнении

Увеличение не более 1 ррш-масс./год**

Содержание продуктов разложения Кислотность меньше 10 ррт--масс. через 48 часов после коммутации

* В конце срока эксплуатации

** Не определяется. Обеспечивается лимитом на уплотнения

с соблюдением установленного норматива и при установленном способе хранения изоляционных изделий (В=0,4) приводит к выражению, получившему название "лимита на уплотнения" по воде

РН20-1(3/х) = 10"2У

которое ограничивает геометрические размеры уплотнения 1(Б/х) в зависимости от объема аппарата и сорта резины (в виде РН20).

Для аппаратов наружной установки решение уравнения материального баланса воды

16-10"3рУ + 2В-2^„,а~к1) + 253583 • РН20-Др-КБ/Х) + qa0NaX =

I_I I_I I_I I_I

элегаз изоляц.мат. диффузия адсорбент

= А- V + 10-0.8(р/р3)-1^к1а~к1) + ца„ах

I—I :_I I_I

элегаз изоляц.мат. адсорбент

(где д - количество цеолита, г; А и р/р3 - абсолютная(г/м3) и относительная влажность элегаза; а°ЫаХ и а„аХ - адсорбционная емкость цеолита в начале и в конце эксплуатации, г/г) приводит к выводу о необходимости хранить изоляционные изделия в хранилищах с относительной влажностью не более 40% и не более 0,5 года. Тогда количество адсорбента д , необходимое для управления процессом перераспределения влаги в аппарате,выразится уравнением

q = 14-У

т.е . размещение 14 г прокаленного цеолита на каждый кубометр объема аппарата позволяет предотвратить конденсацию в любых климатических условиях.

Решение уравнения материального баланса воды для выключателя

16- 10"3рУ+10- 0, 2- 0, 42 (ёК1 1 ) + ^^")а°„аХ+253583-Р„20 -Др-1(3/х)=

I_I I_I I_I I_|

элегаз изоляц.мат. адсорбент

= О, 281У + 10-0,8(0, 281/17, 3)1гёк1а~к1)

I_I I_I

элегаз изоляц.мат. адсорбент

(где q' и q" - условные части адсорбента, предназначенные для поглощения продуктов разложения и для перераспределения воды) позволяет определить минимальное количество цеолита q", необходимое для перераспределения воды.

диффузия

+ д"аиах + д'а°иах ,

Ч" * 62-V + 7-1(ёк1а~к1).

Обеспечение норматива "содержание ЗГ6" не вызывает трудности. Вакуумирование аппарата . промывка его азотом и повторное ва-куумирование обеспечивает надежное и быстрое удаление как кислорода, так и воды (в том числе со стенок аппарата). Из таблицы 2 следует, что указанный норматив будет всегда выполнен при заполнении товарньм элегазом вне зависимости от способа извлечения его из баллонов.

Обеспечение норматива "содержание кислорода", распространяющегося только на коммутационные аппараты (по причине его прямого влияния на процесс разложения элегаза при коммутации тока), реализуется тремя путями: заполнением из жидкой фазы стандартного баллона /рис.5/, заполнением элегазом, оставшимся в стандартном баллоне после частичного извлечения из него элегаза из газовой фазы /рис.5/ и элегазом после его полного извлечения из стандартного баллона с помощью установки обслуживания /табл.2/.

Ограничение диффузионного проникновения кислорода через уплотнения осуществляется на основе уравнения, получившего название "лимита на уплотнения" по кислороду

Рог-КБ/х) = 10"6У-р

где р - плотность БР6 в ЭО, кг/м3.

Обеспечение норматива "содержание продуктов разложения" достигается размещением расчетного количества адсорбента ч', г,

Ч' = 3,4-1КЗ-П1 -п2 (где 1кз - величина тока КЗ. кА; П! - число отключений тока КЗ по ресурсу; п2 - число разрывов системы дугогашения), так что общее количество цеолита, размещаемое в выключателе, равно ч = = 3.4-1кз-П!-п2 + 62-У + 7-1(ек1а~к1)

1.5.5. Определение соответствия влажности элегаза нормативу влажности [47]. Соответствие показателей качества элегаза нормативам проверяется при пуске в эксплуатацию. При этом по данным анализа необходимо сделать заключение о возможности выполнения норматива в течение всего срока эксплуатации. В этом отношении интерпретация данных анализа влажности вызывает трудности из-за непрерывного изменения влагосодержания элегаза под действием температуры на фоне постоянного притока воды через уплотнения. Несмотря на ряд причин, усложняющих интерпретацию результатов анали-

за, точные представления о физических процессах, обусловливающих влагообмен, и соответствующий математический аппарат позволяют решить задачу с высокой достоверностью.

В основе решения - материальный баланс воды на момент измерения влажности элегаза и в конце эксплуатации в соответствии с нормативом: для аппаратов внутренней установки

А-У+10(А/А4) -2(Як1а~к1 )+25358,3-И-РН20 ■&р-1(Б/Х)= " =4, 5-У+10(4, 5/17, 3)1(як1а~к1)

откуда

4, 5+2, 6У"1 -Е^а^аЭ-ОЛЗЫ

1 + 10-Ас"1-Г11(ек1а~к1)

для аппаратов наружной_установки

А-У+10(А/А(ср) -2(8к1а~к1 )+да„аХ+25358. 3-и-РН20 -Др-1(3/х)= =0,0532У+1,1392! (ёК1а%1 )+0,225д

• откуда

0. 0532+1,139У"1 -1(8К1 а%!) +qV-1 (0, 225-аНаХ ) -0, 254■ N 1 + 10-АГ1 Т'-Кь^!)

для выключателя

А-Ч+10А/А1-1(8к1а^к1)+а11аХ [ц-3,4п2 ^(^Пз)] + +3, 4п2 -к^п., ) •а°„аХ+25358,3-М-РН20 -Др-1(3/х)= =0,281У+0.162-2(ек1а~к1 )+0,1143(4-3,41,^П2 ) + +3.41КЗ-П!-Пг-а0^,,

откуда

0,281+0,162Г1 ■2(gкla•^>кl )+0,1143Г1 ^-3,41кз -п2 -П))

1 + 10-А1-1-у-1-2(8к1а~к1)

О, 0578V"1 [1кз • П] 'П2-п21(1зПз )]-аЫаХУ"1 Ся-З, 4п21(13п^)]-О, 58И

1 + 10-А1-1'Г1^(ёк1а~к1)

где А - измеренная абсолютная влажность элегаза, г/м3-; А1 и А^р -абсолютная влажность при температуре I или при среднесуточной температуре 1ср, г/м3; 13 и - величина тока, кА, и количество отключений, выполненное выключателем к моменту измерения влажности, N - срок до конца эксплуатации, год.

Приведенные уравнения позволяют проанализировать соответствие измеренного значения влажности при любой температуре (через А1 или А,;ср) . в любой момент времени (через Ы) и при выработке части ресурса отключений (!_, ,113).

Уравнения для определения соответствия влажности элегаза нормативу влажности приобретают особое значение с развитием системы автоматического контроля 30.

1.5.6. Практические аспекты подготовки ЭО к эксплуатации. Подготовка ЭО к эксплуатации является последним звеном в цепи мероприятий по обеспечению его работоспособности.

Удаление воздуха из аппаратов осуществляется вакуумированием. Достижение хорошего вакуума может оказаться затруднительным из-за присутствия на стенках аппарата воды. Допустимы широкие пределы остаточного давления первого вакуумирования от 0,1 до 10 гПа. Но от этого зависит расход азота, который применяется для продувки. При вакууме 0,1 гПа аппарат можно прямо заполнять элегазом. В остальных случаях для обеспечения равноценности конечного качества элегаза давление заполнения азотом подсчитывается из выражения

РЫ2 = 1000(Р')2/рЗГ6

где р5Г6 - номинальная плотность элегаза, кг/м3, из которого следует, что увеличение остаточного давления Р' (в гПа) в два раза, повлечет увеличение расхода азота вчетверо. Повторное вакуумиро-вание для удаления азота должно быть выполнено до меньшего остаточного давления (для чего уже созданы необходимые условия). После первого вакуумирования оборудование оценивается на газоплотность по натеканию в вакуум. После заполнения азотом производится определение объема газового пространства (для нового типа аппарата) и грубое определение газоплотности, а после заполнения элегазом до номинальной плотности выполняются электрические испытания (изоляционные и коммутационные) и измерение утечки элегаза.

Вопрос измерения нормативного параметра утечки, основанный на методе анализа ЗР6 в воздухе замкнутого пространства, в котором размещен аттестуемый аппарат, изучен детально с теоретической и практической стороны [43]. Величину утечки (и, %/год) определяют последовательным анализом концентрации БР6 в воздухе (стек- ррга-об.) с интервалом 10-30 мин и расчетом по уравнению

и = о.зг-ь-у-пг1

где V - объем камеры (за вычетом объема аппарата),м3; т - масса элегаза в аппарате, кг; Ь - коэффициент уравнения Стек= а + Ьт, х - текущее время от начала измерения, мин.

На место эксплуатации аппараты доставляются с небольшим избыточным давлением элегаза. После сборки аппараты дозаправляются элегазом, а стыковочные узлы обрабатываются полностью. Выполнение анализов на содержание ЗГ6, 02 и Н20 завершает программу обеспечения качества элегаза и, если полученные результаты отражают со-•ответствие нормативам, то оборудование может быть включено под напряжение - для испытаний и введения в эксплуатацию.

1. 5.7.* Технические требования к производству ЭО.В результате наших исследований вопрос обеспечения качества элегаза в электротехническом оборудовании перешел в разряд вопросов культуры проектирования и культуры производства. С целью безусловного обеспечения показателей качества был разработан Руководящий Документ 16-066-83 "Электрооборудование высокого напряжения.Технические требования к производству и методы контроля для обеспечения качества элегаза" [18], в котором отражены научно обоснованные технические требования на все этапы - при конструировании, при изготовлении, при подготовке к эксплуатации - с тем расчетом, чтобы в процессе эксплуатации ЭО не требовало никакого обслуживания в части обеспечения качества элегаза.' Этим документом, обязательным для применения на предприятиях электротехнических производств создана база физико-химического обеспечения безотказной работы 30. 1.6. Система автоматического физико-химического контроля ЭО Создание системы автоматического контроля является логическим следствием развития техники на современном этапе.

Контроль плотности элегаза - канал, обеспечивающий оперативное резервирование контролируемой группы аппаратов при резком снижении плотности до установленного значения или определяющий требование о необходимости дозаполнения аппарата - выполняется на каждом обособленном объеме. Нами была показана эквивалентность измерения плотности плотномерами (на принципе сравнения давления в рабочей и герметичной полости прибора или на принципе манометра с термокомпенсацией) и по каналам температуры и давления. Измеренные значения температуры и давления используются для подсчета плотности (см. гл'. 1.1), далее рассчитываются коэффициенты корреляционного уравнения изменения плотности во времени рзг6 = А - В-т и утечка и, в %/год,

и = 876583 В/А

где р5Г6 - в кг/м3, т - время в часах. Получаемые значения утечки в начальный период будут иметь большой разброс за счет неполного согласования температуры и давления, но с течением времени и за счет частоты опроса каналов будет выявляться действительное значение. Практика показывает,что истинное значение утечки на уровне 1%/год в условиях эксплуатации может быть получено за 5-6 месяцев (2%/год - за 2-3 месяца и т.д.). Программное обеспечение позволяет выявить быстрое падение плотности и осуществить резервирование.

1.7. Физико-химическая диагностика 30

Физико-химическая диагностика на основе анализа элегаза выполнена в трех направлениях: определение ЧР в элегазовой изоляции в эксплуатации, определение износа сопла и дугоприемных электродов мощных силовых выключателей. В изоляционной системе аппарата не должны иметь место разрядные процессы, и, следовательно, не должно происходить разложение элегаза. Контроль ЧР в газовой изоляции выполняется для проверки качества сборки аппаратов или секций. В нормально работающем аппарате эта характеристика имеет затухающий характер. Обнаружение ЧР в газовой изоляции в процессе эксплуатации является диагностическим признаком дефекта. Коммутационные аппараты в результате нормальной эксплуатации продуцируют фторсодержащие соединения, аналитическое определение которых и позволяет судить о состоянии ответственных узлов выключателя.

1.7.1 Определение ЧР химическим методом [29,36]. Из-за роста интенсивности электромагнитных помех с увеличением рабочей напряженности измерение уровня ЧР в элегазе электрическими методами становится затруднительным. Воздействие ЧР на элегаз приводит к его разложению. Корреляционная зависимость между интенсивностью ЧР и кислотностью элегаза может Служить ключом к определению уровня ЧР. В основе определения - метод сухого титрования [27]. Уровень ЧР ( в пКл) определяется из выражения

Ч = 41, 7([НЕ]2 -[№]!) -У-рЗГ6 Г1

где [ОТ] - значение кислотности, ррт-масс., по результатам анализа через интервал времени х, час; V - объем аппарата, м3; рЗГ6 -плотность элегаза. кг/м3. Пользуясь этим методом, можно уровень ЧР в 10 пКл определить в работающем аппарате объемом 1 м3 при давлении элегаза 0,3 МПа в течение 3-4 суток.

1.7.2. Диагностика износа сопла выключателя [16,17]. В ряде

конструкций выключателя формирование потока элегаза,направляемого на гашение дуги, осуществляется с помощью сопла. Сопло находится в сложных условиях воздействия высокой температуры, излучения и потока газа. Фторопласт и, в последнее время фторопласт,наполненный графитом, находят применение в качестве материала сопла. Химические процессы, проходящие на сопле, приводят к образованию четы-рехфтористого углерода

С-СГ2-)п + г^б -> п СР4 + п БР4

п С + 2п БР6 -> п СР4 + 2п ЭР4

что и явилось основой для практической диагностики фторопластового сопла. Износ фторопластового сопла определяется без вскрытия выключателя по увеличению концентрации СР4 в элегазе (%-масс.), которая не должна превысить значения

ССГ4 < 1,76-10-3К-ДРд-СЗГ6-т-1 + С°„4

где С5Г6 - измеренное значение содержания ЭР6 ,%-масс.; С°СГ4 -значение концентрации СР4 в начале эксплуатации выключателя, т -масса элегаза в выключателе, кг; К - коэффициент (для фторопласта равный 0,8); ДРд - допустимый износ сопла, г, по данным разработчика для данного типа выключателя.

1.7.3. Диагностика контактов выключателя. Износ контактов может быть определен по газовому анализу. Брутто-уравнение химической реакции, протекающей при гашении дуги в коммутационном аппарате, с учетом влияния паров металла и материала сопла

гБГб +пМе+(-СР2-)у = (г+х-п-у)БР6 +уСР4 +пМеР2 + (п-2х+у)БР4 +хЗР2

позволяет по измеренным концентрациям (в %-масс.) БГ4 и БГг, приросту концентрации СР4 и массе элегаза в аппарате (т, кг) определить расход металла:

число молей СР4 (М.масса 88) У=ДССГ4-т-1000/( 88-100)

число молей ЭР4 (М.масса 108) п-2х+у=С5Г4 -ш-1000/(108-100) число молей ЗР2 (М.масса 70) х=СЗГ2 •т-1000/( 70-100)

П=(СЗГ4/108+2СЗГ2/70-ДССГ4/88) • 10-т ак=пмср,

где Ок- потеря массы металла контактов (износ),в граммах, и Мср - средняя молекулярная масса металла (сплава,композиции).

Диагностика ЧР и диагностика сопел используется в практике. Диагностический контроль износа контактов имеет пока теоретическое значение. Практически его можно использовать при испытаниях экспериментальных образцов. Но в дальнейшем он может стать важным инструментом повышения надежности коммутационных аппаратов.

1.8. Санитария и экология элегазового оборудования

Расширение применения элегаза в качестве изоляционной и ду-гогасительной среды в электрическом оборудовании приводит к возрастающему интересу к процессам, происходящим с элегазом при эксплуатации 30. Если на первых этапах развития 30 вопросы разложения SF6 рассматривались в разрезе влияния на материалы, то в последнее время основной интерес научных исследований лежит в области токсикологических свойств продуктов разложения и мер по снижению их влияния на человека и окружающую среду.

Опасность работы с элегазом определяется двумя причинами:

- при нормальной плотности, в пять раз большей, чем у воздуха, элегаз способен затоплять углубления,кабельные каналы, помещения,

- все продукты, образующиеся из элегаза под действием электрических разрядов, ядовиты.

Контакт персонала с элегазом и продуктами его разложения может возникнуть при заполнении оборудования, его обслуживании, при плановом или аварийном ремонте, а также в случае аварийного выброса элегаза (и продуктов его разложения) в помещение подстанции.

1.8.1. Определение режимов выброса элегаза и продуктов его разложения. Производство и эксплуатация Э0 не обходится без регламентированных и непредвиденных выбросов элегаза и продуктов его разложения. Рассмотрение всех возможных вариантов позволяет определить три основных режима: регламентированый выброс элегаза при ревизии, регламентированный выброс элегаза за счет утечки и не-регламентированный выброс элегаза при аварии. Эти режимы были оценены. Наиболее тяжелый, гипотетический случай связан с прожогом оболочки в самом большом аппарате. Поскольку в этом случае дуга горит на алюминиевых оболочках, то кроме выброса всего количества элегаза в атмосферу зала выбрасываются газозообразные продукты разложения (с удельной нормой 15 мл/кДж) и твердые продукты в виде A1F3 (с удельной нормой 100 мг/кДж).

1.8.2. Токсичность продуктов разложения. Среди всех возможных низших фторидов серы особую.опасность представляет димер пя-

тифтористой серы, 32К10, токсичность которого в 60-200 раз выше токсичности других.При производстве элегаза он образуется за счет сгорания молекул 32 во фторе, и именно его возможное присутствие вызывает необходимость биоконтроля всех партий товарного элегаза. В разрядных процессах 32Р10 обнаружен в очень малых концентрациях. В отличие от других продуктов разложения 32К10 сравнительно инертен, устойчив и способен накапливаться.Тем не менее, несмотря на пристальный интерес к нему, 32Г10 не определяет токсикологиче-кую ситуацию вокруг элегазовой энергетики.

Отличительной особенностью большинства продуктов разложения элегаза является их склонность к гидролизу, приводящая к образованию № и 302. Гидролиз имеет место во влажном воздухе атмосферы, при контакте с водой,со слизистыми оболочками животных.организмов и т.д. Учитывая эту специфику, санитарную оценку предприятий с ЭО следует проводить в расчете на НР и 302, тем более что с позиций санитарии они обладают суммационным эффектом.

Токсичность химических соединений в отношении санитарно-тех-нических требований к производству и санитарно-гигиенических требований к местам проживания человека определяется предельно допустимыми концентрациями (ПДК): для рабочей зоны ПДКрз и за пределами санитарной зоны предприятия ПДКмр (максимальная разовая). Таким образом, для расчета выброса предприятий в части элегаза необходимы ПДКмр и ПДКрз фтористого водорода, сернистого ангидрида, фтористого алюминия и самого гексафторида серы, имеющиеся в соответствующих изданиях.

1.8.3. Расчет предельно допустимых выбросов (ПДВ). Возникающее в результате аварии превышение ПДКрз в производственном помещении ликвидируется вентиляцией. Выброс из вентиляционных труб должен быть организован так, .чтобы, на границе санитарной зоны не создавалась концентрация на уровне ПДКмр. Это зависит от производительности вентиляции.от диаметра устья и высоты труб,от местных климатических условий, от рельефа местности и прочее. Чем выше производительность вентиляции,тем быстрее рабочее помещение будет освобождено от вредных веществ,но при этом увеличивается мощность выброса за пределы санитарной зоны. Поэтому правильный выбор производительности вентиляции важен и для обеспечения санитарно-гигиенических норм, и для определения проектируемых объемов рабочих залов [51]. Используя экспоненциальный закон изменения кон-

центрации в вентилируемом объеме, мы провели увязку требований внутри рабочего помещения (на основе ПДКр3) и требований за пределами санитарной зоны (на основе ПДКмр через предельно допустимые выбросы, ПДВ, определяемые в соответствии с ОНД ГОСКОМГИДРОМЕТа):

V"1 < р-1 Г1 •1п[(3,6-106-ПДВ)/(Р-ПДКрз)]

где V - объем здания, м3; Р - производительность вентиляции, м3/час; х - время вентилирования, час. Приведенное уравнение позволяет проверить соответствие внешних ограничений с условиями обеспечения безопасности внутри рабочего помещения. Таким образом, созданы условия для выбора оптимальной вентиляции для заданного помещения (или решения обратной задачи) при безусловном выполнении санитарных требований,.т.е. дан ключ для экологически чистого проектирования элегазовых энергетических комплексов.

Расчет ПДВ элегаза и продуктов его разложения как пример типового решения экологической проблемы элегазовых энергетических комплексов был выполнен нами для строящейся Богучанской ГЭС.

1.8.4. Общая оценка влияния элегаза на природу. Элегаз нашел широкое применение в электротехнике, электронике и других областях благодаря уникальному комплексу физических и химических свойств. В естественной природе 8Р6 отсутствует и является продуктом техногенной деятельности человека. К настоящему времени производство БР6 по нашей оценке составляет 10 тыс.тонн/год [44]. Фоновое содержание в атмосферном воздухе 0,3-10"1°%-об. У поверхности Земли он безвреден. Так как БР6 сходен по своему строению и свойствам с фреонами, то можно предположить, что БР6 может влиять на экологическую ситуацию так же, как и фреоны. Фреоны, будучи инертными у поверхности Земли, поднимаются в верхние слои атмосферы и, разлагаясь там под действием ультрафиолета, способствуют разрушению озонового слоя, играющего важную роль в жизни на Земле. Анализ литературных данных по химическим процессам в стратосфере позволил нам сделать вывод о том, что 8Р6 в отличие от фреонов не может продуцировать ионы, участвующие в разрушении озонового слоя. Общий период полураспада ЗГ6 оценивается в 12-24 года, что намного больше, чем для фреонов, а содержание его в стратосфере в 200-300 раз меньше, чем какого-либо фтор-хлорсодержащего загрязнителя. Образуемая при распаде ЗР6 фтороводородная кислота является очень устойчивой молекулой, нейтральной по отношению к озо-

новому слою. Что касается серы, то то количество, которое образуется от разложения ЗР6 в стратосфере, ничтожно мало по сравнению с мировыми промышленными и природными выбросами соединений серы и заметного влияния на экологичекую ситуацию оказать не может.

Выполненные физико-химические исследования в области элега-зового оборудования совместно с достижениями специалистов высоковольтной электротехники обеспечили становление в нашей стране нового вида электротехнического оборудования - элегазового, успешно вошедшего в практику электроэнергетики.

Часть 2. Основы физико-химического контроля маслонаполненного оборудования

Основными объектами маслонаполненного оборудования в сфере наших исследований являются : трансформаторное оборудование (трансформаторы и реакторы) и конденсаторное оборудование (мощные силовые импульсные конденсаторы). Приложение физико-химических знаний к этим объектам было направлено, главным образом, на решение задачи увеличения сроков безопасной эксплуатации методами физико-химической диагностики. В связи с этим наши исследования проводились не по всем этапам принятой методологии, а лишь по тем, которые необходимы для решения вопросов диагностики повреждений: выбор методов анализа, исследование особенностей взаимодействия изоляционной среды с энергетическими воздействиями, разработка методов и приборов физико-химической диагностики, а также в направлении решения экологической проблемы.

2.1. Создание системы ранней диагностики повреждений трансформаторов и реакторов

Методы ранней диагностики повреждений и методы непрерывного контроля за работой электрооборудования получили свое развитие в связи с возможностью таким путем продлить сроки службы оборудования и снизить ущерб от аварий.

2.1.1. К настоящему времени во всем мире получил распространение метод ранней диагностики повреждений маслонаполненного оборудования, основанный на хроматографическом анализе газообразных продуктов разложения трансформаторного масла и изоляционных материалов. Первый опыт использования выделяющихся из масла газов для выявления повреждения относится к началу 30-х годов, когда было

создано реле Бухгольца. В конце семидесятых вместо анализа газа из реле стали использовать хроматографический анализ газов, растворенных в трансформаторном масле (IEC Standard, publ.567,1977; IEC Standard,publ.599,1978), а к середине восьмидесятых были созданы системы ранней диагностики в США, Великобритании, Франции, ФРГ, Японии, Италии (СИГРЭ-82, 12-01) и в СССР [23,24].

ВЭИ стал заниматься проблемой ранней диагностики в середине семидесятых годов в двух взаимосвязанных направлениях: разработка методики анализа необходимых для диагностики газов и разработка метода интерпретации результатов хроматографического анализа. •

Так как в результате теплового или электрического воздействия на трансформаторное масло, содержащее компоненты воздуха (02,N2,С02), образуются Н2,СН4,С2Н4,С2Н6,С2Н2 и другие углеводороды (вследствие разложения масла:), а также СО и С02 (вследствие окисления масла и разложения твердой изоляции), все эти компоненты должны быть предметом аналитического определения. Получение химико-аналитических результатов основывалось на выполнении серии анализов на разных колонках: на цеолитах - H2,02,N2,CH4 и СО, на порапаках (или полисорбах) - углеводороды и С02, или в других достаточно многочисленных вариантах. Во всех случаях анализ занимал много времени и не обладал ни достаточной чувствительностью, ни приемлемой точностью. Нами была сделана попытка на имеющемся сравнительно низком аппаратурном уровне решить проблему анализа из .одной пробы масла [7], что позволило повысить точность и резко сократить время анализа. Здесь же была выбрана позиция по системе выделения растворенных газов, отвечающей всем необходимым требованиям: высокой эффективности выделения газов из масла и транспортировки всех выделенных газов с одновременным сжатием до малого объема вводимой пробы для реализации высоких хроматографи-ческих показателей. Использование этой системы на современном автоматическом хроматографе, а также применение более жесткого режима программирования температуры по сравнению с рекомендациями Хыо-летт-Паккард (ANGC.1976) позволило при двойном сокращении времени анализа дополнительно зафиксировать такие важные показатели, как содержание воды и углеводородов С3 и С4 (рис.6). Все это позволило создать в ВЭИ уникальный лабораторный комплекс [20,23,24]. Процедура калибровки хроматографического комплекса, определяющая точность и достоверность аналитического результата, была упрощена

до анализа раствора трех газов (Н2,СН4 и С02) в трансформаторном масле, приготавливаемого.непосредственно в пробоотборниках. Использование медицинских шприцов в качестве пробоотборников позволяет выполнять оперативную диагностику маслонаполненного оборудования, расположенного не только на территории бывшего СССР, но и за его пределами. Мы ввели поправки к содержанию водорода в пробах с учетом экспоненциального закона снижения концентрации за счет диффузии [49,50] за время транспортировки

1пС0 = 1пС[ + оа

где С0 - концентрация водорода в оборудовании при отборе пробы, С4 - концентрация в масле через время Ь, а - коэффициент, характеризующий потери водорода для данного типа шприца.

Все эти мероприятия определили высокую чувствительность, точность и воспроизводимость хроматографических результатов, что и послужило основой для создания полноценной системы диагностики.

Разработанный для трансформаторного масла метод анализа растворенных газов был распространен на анализ продуктов разложе-

Рис.6. Схема анализа трансформаторного, масла на содержание легких газов и хроматограмма анализа.

Обозначения: К - катарометр, ПИД - пламенно-ионизацион-ны"' детектор, М - метанатор, VI и У2 - переключающие краны.

ния касторового масла и других изоляционных жидкостей.

Параллельно, на базе созданного метода анализа развивалась и критериальная база диагностики. Изучение процессов газообразования, определение норм концентраций для бездефектного отечественного оборудования, развитие критерия "скорость увеличения концентрации", дополнившего существующие критерии уровней концентрации и отношений характеристичных пар газов (Сенкевич Е.Д. Дисс.на соиск. уч.степ.канд. техн. наук. М., ВЭИ, 1980) позволило создать систему ранней диагностики маслонаполненного оборудования в эксплуатации [23. 24],а с привлечением компьютерной техники - лабораторный автоматический комплекс ранней диагностики [30]. Разработанная система ранней диагностики обеспечивает высокую надежность установленного диагноза, что неоднократно подтверждалось результатами ревизии: более 20 мощных трансформаторов выведены в ремонт, ни одного ошибочного диагноза.

Разработанный метод анализа применяется также для заводских испытаний трансформаторного оборудования.

2.1.2. В современных экономических условиях продление срока службы крупного электротехнического оборудования становится особенно актуальным. Поэтому возможность контроля состояния твердой изоляции трансформаторного оборудования приобретает особое значение. Наиболее распространенный вид твердой изоляции трансформаторов - бумажная. Термическое разложение молекул целлюлозы приводит к образованию ряда производных фурана, среди которых фурфурол -является важным представителем этого ряда, поскольку образовавшееся его количество коррелирует со степенью-полимеризации целлюлозы (СИГРЭ-1984,доклад 12-09;СИГРЭ-1988,доклад 12-08). Описанная СИГРЭ методика анализа фурфурола основана на экстракции несмеши-вающимся с трансформаторным маслом растворителем с последующим анализом экстракта на жидкостном хроматографе. Учитывая, что предприятия электроэнергетики России совершенно не располагают опытом жидкостной хроматографии, в то время как газовая хроматография в силу развития диагностики по растворенным газам все шире внедряется на местах эксплуатации, нами была решена задача анализа фурфурола в варианте газовой хроматографии [45,49]. Применение для экстракции - воды, а для детектирования - пламенно-ионизационного детектора, нечувствительного к воде, позволяет достичь минимально определяемой концентрации фурфурола в масле 0,2 мг/л, что

достаточно для практической диагностики. Ценность определения фурфурола возрастает, если он сочетается с диагностическим анализом растворенных в масле газов, особенно для старого оборудования и при решении вопроса об объеме предполагаемого ремонта.

2.1.3. Хроматографические методы диагностики трансформаторного оборудования широко применяются в энергосистемах. В сфере нашего контроля остается оборудование высших классов напряжения, а также разрешение спорных вопросов. В настоящее время закончено конструирование и начат выпуск специального хроматографического диагностического комплекса серии ЭЛХРОМ.

2.2. Приборы диагностического контроля трансформаторного оборудования

Система ранней диагностики маслонаполненного оборудования при всей полноте и надежности диагноза обладает тем недостатком, что требуется'периодический отбор проб масла из оборудования, т.е. постоянное внимание персонала службы эксплуатации ко всем трансформаторным объектам вне зависимости от их состояния. Установка простых датчиков, способных предупредить о начале развития дефекта, безусловно полезна. Так, регистрация общего газовыделения позволила бы отделить бездефектное оборудование от оборудования, требующего диагностического контроля. В связи с этим, мы приступили к созданию сигнализатора горючих газов (СГГ) [41.42]. СГГ предназначен для оповещения о достижении уровня горючих газов 500. 1500 и 3000 мкл/л. Для выделения газов из трансформаторного масла используется принцип диффузии через полимерную мембрану, а для их регистрации - термохимический детектор(ТХД). СГГ устанавливается на трансформатор так, чтобы труба-мембрана вошла в контакт с трансформаторным маслом. Газы,растворенные в масле, под действием сил диффузии проникают в трубу-мембрану и накапливаются в ней. Перемещение собранных газов в детектор позволяет получить суммарный сигнал от горючих компонентов (Н2, СО, СН4, С2Н4, С2Н6 и С2Н2).

2.2.1. Физико-химическая основа разработки.

Равновесие между концентрацией компонента в жидкости (Сж) и газовой фазе (Сг) определяется уравнением К = Сж/Сг, где К - термодинамический коэффициент распределения. Коэффициенты распределения легких газов в трансформаторном масле измерены экспериментально с использованием газохроматографического метода (табл.5).

Наличие полимерной проницаемой пленки между фазами не изме-

Таблица 5. Данные для расчета сигнала СГГ

Компонент 1 I Р (фторопласт) 1 см3-см/(см2-с-МПа) К при 20° С к

Н2 I 1, 7 • 10" 6 0,05 1

СО I МО"6 0,1 1

СНл I 1,3-Ю"7 0,3 4

С2Н2 I 2,4-Ю"7 4,0 5

С2Н4 1 2, 4-10"7 2,0 6

С2Н6 I 2,4-10"7 | 2,4 7

нит термодинамическое равновесие, а повлияет только на динамику его достижения. Время достижения состояния равновесия зависит от свойств диффузанта, проницаемости мембраны и объема газовой фазы. Экспериментально полученная зависимость концентрации компонента в газовой фазе (СГМ от времени I при постоянной концентрации в жидкости имеет форму, приведенную на рис.7 и описываемую уравнением

Сг' = Сж-Км [1- ехр(Р-Б - Ь-Ч'1 -х"1)]

где Р - коэффициент газопроницаемости; Б, V, х - площадь поверхности, объем и толщина стенки трубы-мембраны.

Сигнал термохимического детектора (Ь, мВ) является функцией концентрации й=а-С. Коэффициент отклика ТХД, а (мВ/ррт), был определен экспериментально в интересующей области значений концентрации. Нелинейность этой характеристики аппроксимирована двумя экспонентами

а = 2, 5-10"3ехр[-500К-С/(106-к -С)] + 5.5-10"3 ■ ехр[-4- 10"6С]

где к - стехиометрический коэффициент реакции горения, С - концентрация горючего компонента в трубе-мембране, ррш-об.

Коэффициенты газопроницаемости Р (см3см-см"2ст1МПа_1) получены экспериментально на основе второго закона Фика посредством продувки трубы-мембраны, погруженной в исследуемый компонент, постоянным потоком газа-носителя и измерением концентрации исследуемого вещества в потоке хроматографическим способом

Р = СЕ/[60(Б/х) • (Снар-С/2)]

где С - измеренная концентрация компонента в потоке, ррш-об.; Е -поток, мл/мин; Б/х - характеристика трубы-мембраны, см2/см; Снар-

концентрация компонента снаружи трубы-мембраны, ррт-об.

Экспериментально полученные данные по коэффициентам газопроницаемости и коэффициентам распределения (табл.5) составили основу расчета узлов СГГ и его выходного сигнала.

2.2.2. Модификации СГГ. СГГ разработан в двух модификациях. СГГ-1 предназначен для контроля единицы трансформаторного оборудования и может быть установлен как на баке, так и на системе охлаждения. СГГ-3 предназначен для контроля трех единиц трансформаторного оборудования и устанавливается на системе охлаждения.

-Приборы СГГ полностью управляются контроллером, который об-

В настоящее время начат выпуск опытной партии приборов СГГ, что знаменует собой начало непрерывного физико-химического контроля развивающихся дефектов в трансформаторном оборудовании с целью продления срока службы и предотвращения ущерба от аварий. 2.3. Исследование изоляционных жидкостей Исследования в области изоляционных жидкостей выполнено как для трансформаторной изоляции, так и для конденсаторной. В первом случае цель исследования - поиск негорючих жидкостей, во втором -поиск критериев оценки и возможности диагностики конденсаторов.

2.3.1. В связи с запретом использования хлорсодержащих органических соединений в качестве изоляционных жидкостей в трансформаторном оборудовании встал вопрос о поиске негорючих и нетоксичных жидких диэлектриков для их замены. При поиске кандидатов внимание было обращено на природные соединения растительного происхождения, сг 'Жные эфиры глицерина и других многоатомных спиртов, сложные эфиры двухосновных кислот, кремнийорганические соедине-

рабатывает сигналы детектора и формирует выходную информацию как на своем табло, так и на АСУ ТП. Приборы снабжены системой внутренней диагностики, контролирующей собственную работоспособность.

Рис. 7. Зависимость концентрации в трубе-мембране от времени накопления

^

'ния, фторорганические соединения и прочие технические продукты. выпускаемые в стране. Рассмотрению подвергнуто более 50 веществ. В результате было установлено, что природных материалов, пригодных для применения без переработки, нет. Такие жидкости могут быть получены путем синтеза. Эфир пентаэритрита и синтетических жирных кислот с длиной цепи 5-9 атомов углерода (ПЭТ5-9СЖК) был всесторонне изучен и испытан в качестве трансформаторной изоляции [32,33]. Его применение не только резко снижает пожароопас-ность оборудования, но и за счет большей электрической прочности обеспечивает повышение технико-экономических показателей при полной экологической безопасности. Опытный образец трансформатора на 160 кВА и 6 кВ с ПЭТ5-9СЖК в настоящее время прошел все испытания.

2.3.2. При исследовании изоляционных жидкостей для силовых конденсаторов было обращено внимание на их разложение под действием ЧР, тепла и кавитации [35,37]. Разработка специальной аппаратуры, совмещающей особенности высоковольтного разрядника и пробоотборного устройства, для изучения воздействия ЧР на различные сорта касторового масла позволила с помощью имевшихся в нашем распоряжении хроматографических методов анализа установить состав продуктов разложения и скорость их образования. Исследование термического разложения касторового масла в области от 60 до 130°С выявило особенности этого типа воздействия, выразившиеся в отсутствии среди продуктов разложения непредельных углеводородов, а также в преобладании окислительных процессов (образование С02) над деструктивными (образование СО). Исследование разложения изоляционных жидкостей в ультразвуковом поле было проведено, исходя из предположения, что появлением ультразвуковых колебаний сопровождаются многие электрические явления в устройствах, работающих как на переменном токе, так и в импульсном режиме. Все испытанные в ультразвуке изоляционные жидкости подвержены разложению с образованием тех же легких газов, что и в случае разложения под действием ЧР: водорода, окислов углерода и углеводородов С1-С3. Характерной особенностью кавитационного разложения является преимущественное образование этилена и окиси углерода. Кавитационное воздействие на изоляционные среды по своей физической сущности объединяет как воздействие высокого давления, высокой температуры, так и электрическое воздействие за счет пробоя разреженной полости кавитационного пузыря образовавшимся на его стенках заря-

дом в соответствии с электрической теорией кавитации (Маргу-лис М. А.• Звукохимические реакции и сонолюминисценция. М., Химия, 1986г). Полученные нами результаты вполне укладываются в рамки этой теории: выделяющийся спектр газов одновременно обладает особенностями, характеризующими и ЧР, и тепловое воздействие. Простота исследования газообразования в ультразвуковой ванне и информативность результатов позволили нам предложить этот метод в качестве экспрессной оценки сравнительной стойкости изоляционных жидкостей к энергетическому воздействию. При этом используются два критерия: средняя скорость газообразования и величина инкубационного периода, в течение которого жидкость сопротивляется образованию кавитационных пузырей. Опираясь на эти критерии, мы показали, что отечественное техническое касторовое масло обладает лучшими характеристиками как изоляционная жидкость для импульсных конденсаторов (средняя скорость газообразования в ультразвуке 47 кГц, 80 Вт в объеме 0,3 л - 50 мкл/(л-мин), инкубационный период - 50 мин; для сравнения, трансформаторное масло: 230 мкл/(л-мин), 4 мин).

2.4. Диагностика состояния импульсных конденсаторов

Изучение особенностей разложения конденсаторных изоляционных жидкостей позволило определить принципы диагностики импульсных конденсаторов хроматографическим методом.

Специфичность силового 'высоковольтного импульсного конденсатора как электротехнического изделия ставит несколько вопросов при определении идеологии диагносцирования: 1) нужна ли такая диагностика вообще, 2) в чем ее цель и 3) возможна ли хромато-графическая диагностика? Прежде всего, конденсатор - мелкий, неремонтопригодный объект, так что диагносцировать его с теми же целями, что и трансформатор, нецелесообразно; но это - объект, требующий очень высокой надежности. Поэтому, если диагностика может решить вопрос увеличения надежности в эксплуатации, то она нужна. Очевидно, что при таком подходе диагностика должна выполняться до эксплуатации, т.е. при заводских испытаниях. Плотная упаковка, малое количество вязкого масла, сложность с пробоотбо-ром ставили под сомнение возможность применения анализа растворенных газов. Так что первая экспериментальная задача состояла в определении с; оости растворения [34] и распределения образовавшихся газов [31,39]. Было показано, что при эксплуатационных воз-

действиях распределение газов по объему конденсатора происходит практически без запаздывания, в то время как при отсутствии воздействия распределение может продолжаться десятки часов. Основной вид развивающегося во времени повреждения конденсаторов - ЧР, которые в конечном счете завершаются пробоем. Поэтому цель исследования сводилась к поиску критериев, определяющих срок службы конденсатора. Стандартные испытания напряжением 1,1-1,3 ином и 20 циклами "заряд-разряд" не могут зафиксировать частичное повреждение изоляции. Всестороннее изучение образовавшихся в конденсаторе газов при различных нагрузках позволило нам сделать вывод, что критерием частичного повреждения неотбракованного конденсатора является появление в изоляционной жидкости ацетилена [39]. Ресурсные испытания импульсных конденсаторов позволили установить эмпирическую зависимость между концентрацией ацетилена после заводских испытаний (СС2Н2, мкл/л) и оставшимся сроком службы (в виде числа импульсов)

N = А-СС2Н2"а

где для конденсаторов ИК 100-0,4 А=6,2-103, а=0,64. Измерение концентрации ацетилена в касторовой изоляции конденсатора после стандартных заводских испытаний позволяет определить его остаточный ресурс и выявить потенциально ненадежные изделия [40,49]. Дополнение стандартных электрических приемо-сдаточных испытаний импульсных конденсаторов хроматографическим анализом конденсаторной жидкости на содержание ацетилена позволяет в 1,5 раза увеличить надежность (до 0,94 для 20000 импульсов) и передать потребителю данной продукции конденсаторы с гарантированным ресурсом.

Выполненные нами физико-химические исследования в области маслонаполненного оборудования обеспечили создание в нашей стране надежной системы хроматографического контроля трансформаторов и реакторов, позволили в 1,5 раза увеличить вероятность безотказной работы конденсаторной продукции (и установок на их основе), ввести в систему диагностики элементы непрерывного контроля, а также привели к созданию экологически . безопасных трансформаторных устройств, т. е. создали условия для безаварийной эксплуатации большой группы традиционного электроэнергетического оборудования.

Заключение.ВОПРОСЫ ПЕРСПЕКТИВНЫХ РАЗРАБОТОК

Таблица 6 обобщает представление о физико-химических задачах электроэнергетики. Как следует из вышеизложенного и из таблицы, в области элегазового оборудования среди наших еще нереализованных интересов (выделенные зоны) остается задача разработки универсальной системы автоматического контроля и разработки метода определения 32Г10 для широкого контроля этого ядовитого соединения с целью определения его истинной опасности. В области маслонапол-ненного оборудования: это - углубление физико-химического исследования изоляции, в частности, вводов, дальнейшее развитие приборов контроля физико-химических параметров, контроль полихлорбифе-нилов.

В целом, впереди широкое поле исследований в области физической химии электротехнических аппаратов. В ряде случаев мы только обозначили проблему. В первую очередь это касается кавитации. Глубокое изучение влияния ультразвука на изоляционные среды, изучение кавитации как вида воздействия в электротехническом оборудовании, а в перспективе - объединение влияния ЧР, тепла и кавитации в единую теорию энергетического воздействия на электрическую изоляцию - одно из перспективных направлений развития физико-химических знаний в области электротехники.

Разработка оперативного метода определения фурфурола только пробудила более глубокий интерес к проблеме термического разложения бумаги. Требуется более глубокое понимание влияния на этот процесс влаги, кислорода, рН среды, более детальный анализ компонентов разложения и поиск корреляций. Изучение этих вопросов, в том числе и в отношении хроматографического анализа, еще впереди.

Рассматривать систему ранней диагностики как завершенную тоже нельзя. В настоящее время мы изучаем корреляцию содержания углеводородов С3 и С4 со степенью старения изоляции, что завершится введением еще одного критерия оценки состояния трансформаторов.

В области создания диагностических приборов непрерывного контроля трансформаторного оборудования сделан лишь первый шаг. Уже сегодня рассматривается вопрос укомплектования сигнализатора горючих газов датчиками влажности, проводимости и тангенса угла диэлектрических потерь. А в перспективе - создание приборов, способных на базе хроматографического разделения извлекаемых газообразных компонентов выполнить и предварительную диагностику.

Таблица 6. Физико-химические задачи аналитического, диагностического и экологического контроля электроэнергетики.

АНАЛИЗ -

Элегаза

{

на содержание вгГю

—;—

на содержание О:,N2, СГ4

—;-

на содержание

80Р2

+

на содержание кислотных примесей

-^

на содержание воды

Воздуха

I .Г-

на содержание БРб

+

на содержание присадок

—;-

на содержание 112,02,№, СИ4,С0,С02> С2,Сз и С4

Масел I

на содержание фурфурола

—*-

на со-дер -жание воды

-*

на содержание хлорбифе-нилов и диоксинов

ДИАГНОСТИКА -

А

диалюстнка выключателей

оиреде- определение лепне из-уровня носа кон -разложе- тактов и ния 81:б сопел

1 1

продление ресурса

Элегазово! о оборудвания

определение-утечки

при заводских испытаниях

т

опреде ление-качества

ЭРб в оборудовании

Т

Маслонаполненного оборудования

контроль ЧР химическим путем и определение места понрежде-ния 1

система автоматич. контроля I

плотность 8рб

прочие каналы

обеспечение работоспособности

Г г

ранняя диагностика трансформаторов, реакторов и вводов

Г1"!

анализ установка масел сигнализа | тора

определение дефекта

т

диагнос тика конденсаторов при изготовлении

1

ультразвуковые исследования изоляционных жидкостей

V©

установление ресурса

ЭКОЛОГИЯ

Контроль объектов элегазовой энергетики

Контроль объектов энергетики с маслонапол-ненным оборудованием

проектируемые предприятия работающие предприятия |

| | анализ масел на загрязнение

саннтарно-техничес- санитарно-гигие- анализ выхлопов энерге- хлорированными бифенилами

кая оценка ническая оценка тичсских производств и диоксинами

I 1-1 I 1

экологическая оценка проектируемых предприятии

экологическая оценка работающих предприятий

РАЗРАБОТКА

Новых методов, приборов, каналов информации и нормативных документов

Экологические проблемы электроэнергетики также далеки от решения. Непредвиденные последствия применения хлореодержащих соединений привели не только к проблеме уничтожения их запасов, но и к загрязнению ими других изоляционных жидкостей. В связи с этим при уничтожении и переработке изоляционных жидкостей возникает проблема контроля диоксинов.

Все эти исследования должны пополнять область знания - физическую химию электротехнических аппаратов, обеспечивая возможность электротехникам и энергетикам самостоятельно решать текущие задачи разработки аппаратов и их эксплуатации.

В последние годы при конструировании электротехнических аппаратов в качестве газообразного диэлектрика рассматриваются такие газы, как С02, и газовые смеси с ЭГ6. Каждый из этих вариантов обладает своими преимуществами и может найти конкретное применение. Но во всех случаях, новая изоляционная среда потребует углубленного исследования в области физической химии электротехнических аппаратов в соответствии с изложенной методологией.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Решен комплекс физико-химических проблем создания нового вида высоконадежного оборудования - элегазового, включающий:

- формирование банка данных по свойствам элегаза,

- разработку методов анализа для проведения научных исследований и для контроля нормативных показателей,

- исследование разложения элегаза и совместимости конструкционных материалов с продуктами его разложения,

- разработку комплексной системы обеспечения качества элегаза в электрооборудовании - одного из важшейших элементов физико-ко-химического обеспечения работоспособности оборудования,

- разработку физико-химических методов диагностики основных узлов элегазовых дугогасительных устройств,

- разработку метода определения нормативного показателя утечки элегаза при заводских испытаниях,

- разработку информационного канала автоматического контроля плотности и утечки элегаза в эксплуатации,

- решение санитарно-технических, санитарно-гигиенических и экологических проблем элегазовой электроэнергетики.

2. Разработаны основы физико-химического контроля состояния

маслонаполненного оборудования, включающие:

- создание системы ранней диагностики повреждений трансформаторов и реакторов на базе автоматического хроматографического комплекса и компьютерной обработки результатов анализа,

- создание автоматического прибора непрерывного контроля состояния трансформаторного оборудования по уровню горючих газов,

- создание метода физико-химической диагностики импульсных конденсаторов.

3. Заложены основы новой области знания - физической химии электротехнических аппаратов. Показана перспективность глубокого, комплексного изучения физико-химических особенностей электротехнического оборудования, позволяющего решить не только текущие задачи конструирования и производства электротехнических аппаратов, но и проблемы долговременной эксплуатации и экологии.

4. Определена дальнейшая перспектива развития физико-химического и аналитического направления исследования элегазового и маслонаполненного электрооборудования высокого напряжения в русле физической химии электротехнических аппаратов.

Основные публикации по темо диссертации

1. Аракелян В.Г.,Кафельникова В.В. Использование фторсодержа-щих соединений в электротехнике. Хроматографический анализ шести-фтористой серы // 2 Всес.симпозиум по химии неорганических фторидов. Москва.ИОНХ АН СССР, 16-20 февраля 1970 г. Труды 2 Всес. симпозиума по химии неорг.-фторидов. М.. 1970. с. 178.

2.Аракелян В. Г.,Бочкарева Г.П. .Бортник И.М.,Головня Т.В. Электроизоляционные материалы для работы в элегазе. Определение стойкости компаундов к продуктам разложения шестифтористой серы // Электротехническая промышленность. Серия ЭМ,1974,вып.2(43),с.7-9.

3.Аракелян В.Г.,Кафельникова В.В. Анализ шестифтористой серы и продуктов ее разложения // Процессы в хроматографических колонках. Сб.НИИТЭХИМ, 1974, вып. 21, с. 86-88.

4.Аракелян В.Г.,Кафельникова В.В. Анализ шестифтористой серы и продуктов ее разложения // Электротехническая промышленность. Серия АВН, 1975,вып.4(48),с. 14-15.

5. Бочкарева Г. П., Аракелян В. Г., Бортник И. И., Комолкина П.П., Ямщикова Л.Н. Электроизоляционные материалы для работы в элегазе. Свойства заливочного компаунда КФ-1 // Электротехническая промышленность. Серия ЭМ, 1975, вып. 1(54),с.3-4.

6.Аракелян В.Г.,Бортник И.М. Исследование распада шестифтористой серы в разряде // Электротехническая промышленность.Серия АВН, 1976, вып. 5(61), с. 10-13.

7.Аракелян В.Г.,Пошеманский В.М. Уточнение хроматографичес-кого метода МЭК анализа газов, растворенных в трансформаторном масле // Электротехническая промышленность. Серия АВН, 1976, вып.19(66),с.4-6.

8.Головкин Г. В., Аракелян В.Г. .Руденко Б. А. .Крылова А.Ю. Способ получения газохроматографического носителя на диатомитовой основе // Авторское свидетельство №616590. Б. и. №27. с. 159,1978г.

9.Бортник И.М., Бочкарева Г.П.. Аракелян В.Г.. Головня Т.В. Изоляционные материалы для работы в элегазе. Компаунд КФ-4 для твердой изоляции элегазовых выключателей // Электротехническая промышленность.Серия ЭМ.1979.вып.12(133), с. 5-6.

10.Аракелян В.Г..Демина В.Н. Расчет диффузионных процессов в уплотнениях элегазовых аппаратов // Электротехническая промышленность. Серия АВН,1979,вып.И(103), с. 11-13.

11.Аракелян В.Г..Бортник И.М. Выбор конструкционных материалов для элегазовой аппаратуры // Электротехника, 1979, №7, с. 26-27.

12.Аракелян В.Г.,Демина В.Н.'Исследование диффузионных характеристик образцов листовой резины //Каучук и резина, 1981, №8, с. 44.

13.Аракелян В.Г. Предотвращение конденсации влаги в элегазовых электроаппаратах // Электротехника, 1981,№4,с.48-50.

14.Аракелян В.Г.,Бортник И.М. Способ предотвращения конденсации влаги в высоковольтных устройствах с элегазовой изоляцией // Авторское свидетельство №834791. Б. и. №20,1981 г.

15. Аракелян В.Г. .Бортник И.М. .Головня Т.В. Конструкционные материалы для высоковольтных элегазовых аппаратов // Электротехническая промышленность. Серия АВН,1981,вып.3(116).с. 1-4.

16.Аракелян В.Г.,Чемерис В.С.,Бортник И.М. Диагностика состояния фторопластового сопла элегазового выключателя // Труды ВЭИ. М. 1981, с. 20.

17. Аракелян В.Г. .Чемерис В. С. .Бортник И.М. Способ контроля состояния фторопластового сопла элегазового выключателя //Авторское свидетельство №991526. Б. и. №3,1983 г.

18.РД 16-066-83. Электрооборудование высокого напряжения. Технические требования к производству и методы контроля для обеспечения качества элегаза. Разработчик Аракелян В.Г., 101 с.

19.Аракелян В.Г.,Демина В.Н. Поведение конструкционных материалов в жидкой шестифтористой сере // Электротехническая промышленность. Серия АВН.1983, вып. 3(137), с. 3-4.

20.Аракелян В.Г. Газовая хроматография в электротехнике // В кн."Прикладная хроматография". Наука. М..1984, с.175-183.

21.Аракелян В.Г. Определение следовых количеств элегаза в трансформаторном масле // Электротехническая промышленность. Серия АВН. 1984, вып. 11 (157), С. 5-7.

22. Аракелян В.Г. Комплексная система обеспечения качества элегаза в высоковольтных аппаратах // Научно-техническая конференция ВЭИ,20-23 ноября 1984 г.

23.Аракелян В.Г..Сенкевич Е.Д. Ранняя диагностика маслона-

полненного высоковольтного оборудования // Электрические станции, 1985, №6, с. 50-54.

24.Аракелян В.Г.,Сенкевич Е.Д. Ранняя диагностика повреждения изоляции высоковольтного маслонаполненного оборудования // Обзорная информация ИНФОРМЭЛЕКТРО. Серия АВН. 1986,№3/7, 31 с.

25.Аракелян В.Г.,Дарьян Л.А. К вопросу определения предельных концентраций газов в изоляционных жидкостях // В сб."Конденсаторы и конденсаторные установки для повышения коэффициента мощности и качества напряжения".М.1986.ИНФОРМЭЛЕКТРО, с. 30.

26.Аракелян В.Г. Уравнение для давления насыщенного пара над жидкостью // Журн. физ. хим., 1986, том 60, № И, с. 2812-2816.

27.Аракелян В.Г.,Демина В.Н. Экспресс-метод определения кислотности элегаза в работающем оборудовании // Электротехника, 1986, Г12, с. 25.

28.Аракелян В.Г. Методы обеспечения качества элегаза в высоковольтных аппаратах // Всес.конференция "Создание комплексов электротехнического оборудования высоковольтной,преобразовательной и сильноточной техники".М.ВДНХ СССР,25-27 ноября 1986 г.Тезисы докладов,с.17.

29.Аракелян В.Г..Демина В.Н.,Вертиков В.П. Исследование разложения элегаза под действием частичных разрядов // Там же,с.18.

30.Аракелян В. Г., Сенкевич Е.Д. .Филиппов A.A. Автоматический комплекс для ранней диагностики маслонаполненного оборудования // Там же, с. 18.

31.Аракелян В.Г.,Лоханин А.К.,Дарьян Л.А. Опыт применения газовой хроматографии для диагностики высоковольтных импульсных конденсаторов // Всес. совещание"Состояние и перспективы развития электрической изоляции".Свердловск,8-10 сентября 1987г. Материалы совещания,Л.1987.С.39-40.

32.Senkevitch Е.D., Arakelian V.G.,Glasunova Т.V., Lipshtein R.А.,Morozova T.I.,Panova N.M. New synthetic liquids for transformers // SIGRE Symposium, Viena, 1987, section 5, №500-04,p. 1-6.

33. Морозова Т. И., Сенкевич Е. Д., Аракелян В. Г., Липштейн P.A., Глазунова Т.В.,Панова Н.М. Синтетические жидкости для трансформаторов // Электричество,1988,№ 11,с.7-11.

34.Аракелян В.Г.,Дарьян Л.А. Исследование динамики растворения газовых включений в касторовом масле // Деп.ИНФОРМЭЛЕКТРО. М., 1988. "Депонированные научные работы", 1988, №2, с. 198.

35.Аракелян В.Г.,Дарьян Л.А. .Лоханин А.К. Разложение изоляционных жидкостей под действием частичных разрядов,тепла и ультразвукового поля // Электричество, 1988, №5, с. 33-38.

36.Аракелян В.Г.,Демина В.Н.,Вертиков В.П. Химический метод определения уровня частичных разрядов в элегазовой изоляции // Бюллетень ИНТЕРЭЛЕКТРОТЕСТ,№ 12,с.32-35.М.ВЭИ.1990 г.

37.Arakelyan V.G.,Daryan L. А., Lokhanin A.K. Gas formation in insulation liguids under the stress of partial discharges,heat and ultrasonics; diagnostics of their behaviour // "Proc.3rd

Internat.Conf.Prop, and applic.Dielectr.Mater. ". July 8-12, 1991, Tokyo.Japan, p.890-893.

38. Харитонов Ф. Я., Вишневская С.С., Аракелян В. Г. .Чемерис B.C. Исследование устойчивости керамических материалов в продуктах разложения элегаза // Электротехника,1991,№ 1,с.13-16.

39.Аракелян В. Г..Дарьян Л.А..Лоханин А.К. Хроматографический метод диагностики высоковольтных импульсных конденсаторов при их производстве // Электричество,1992,№ 1,с.54-57.

40.Дарьян Л. А., Аракелян В.Г. .Лоханин А.К. Способ контроля качества высоковольтных импульсных конденсаторов, пропитанных минеральным маслом //Авторское свидетельство №1681682. Б. и. №36,1991г.

41.Arakelyan V.G..Vertlkov V.P. The checker system to provide control over gas concentration in a power transformer oil // 6 International Conference on Dielectric Materials,Mesurement and Application. Manchester, sept.7-10,1992,p.267-269.

42. Аракелян В.Г.,Вертиков В.П. Микропроцессорный стационарный сигнализатор горючих газов для диагностики маслонаполненных трансформаторов //"Автоматическое управление электроэнергетическими системами".Сб.научн.трудов ВЭИ.М.1992,с.139-146.

43. Аракелян В.Г. .Демина В.Н. Определение утечки элегаза из электротехнических аппаратов //Электротехника. 1992, №4-5, с. 65-68.

44. Аракелян В.Г. Газохроматографическое определение гекса-фторида серы в атмосферном воздухе на уровне триллионных долей // Журн. аналит. хим., 1993, том 48, № 10, с. 1676-1682.

45. Аракелян В. Г. Газохроматографическое определение фурфурола в трансформаторном масле для диагностики твердой изоляции трансформаторов и реакторов // Электротехника, 1993, №2, с. 17-19.

46. Аракелян В.Г. Предотвращение конденсации влаги в элегазо-вом электрооборудовании // Электротехника, 1993, №5, с. 54-57.

47.Аракелян В.Г. Анализ состояния влаги в элегазовом электрооборудовании // Электротехника, 1993, №9-10, с. 32-35.

48.Аракелян В.Г. Нормирование качества элегаза в электрооборудовании // Электротехника, 1993, №12, с. 26-34.

49.Аракелян В.Г. Газовая хроматография в диагностике высоковольтного оборудования // Электротехника, 1994, №2, с. 8-17.

50.Аракелян В.Г.,Демина В.Н. Исследование газоплотности медицинских шприцов, применяемых в качестве пробоотборников для трансформаторного масла // Электротехника, 1994, №5, с. 52.

51.Аракелян В.Г. Расчет необходимой вентиляции производственных помещений элегазовых электротехнических устройств // Электротехника, 1994, №5, с. 49.

Автор выражает благодарность И.М.Бортнику и Т.И.Морозовой за всестороннее содействие и помощь.