اهمیت آنالیز گاز SF6 در تجهیزات پستهای فشار قوی

 

کلیدهای گازیSF6:

در کلیدهایSF6 از گاز SF6 به عنوان عایق مابین قطعات مختلف و همچنین به عنوان خاموش کننده جرقه یا قوس الکتریکی استفاده می شود.در حال حاضر کلیدهایSF6 بعنوان مطمئن ترین ومناسب ترین کلید در شبکه های فشار قوی شناخته شده و بکار می روند و می توان گفت که هیچ یک از کلیدهای دیگر قابلیت رقابت کیفی با این کلید را ندارند . نکته مهم دیگر نیز قیمت اقتصادی این کلیدها      می باشد . هم اکنون در شبکه ایران ، تمام تقلضاهای جدید این نوع کلید را مد نظر دارند و یکی از شرکتهای داخلی نیز تحت لیسانس یکی از سازندگان معتبر نسبت به ساخت این کلیدها تا سطح ولتاژ 400KV اقدام می نماید.

ترکیب سولفور هگزا فلوراید(SF6)با اعمال مستقیم گاز فلوئور بر روی گوگرد در سال 1900 در فرانسه انجام شد. در همان سالها ، پایداری بالای شیمیایی این گاز تحت قوس الکتریکی نیز مشخص گردید.بعدها از همین خواص در عایقبندی تجهیزات فشار قوی استفاده به عمل آمد.

-خواص خاموش کنندگی:
 SF6ماده بسیار علی برای قطع قوس الکتریکی می باشد.انرژی بالای تجزیه این گاز، قوس را به خوبی خنک می کند و خاصیت الکترو نگاتیو بودن آن سریعا الکترونهای آزاد را جذب کرده و باعث می شود تا تحمل ولتاژهای بالا ممکن گردد. تحت شرایط مشابه قدرت خاموش کنندگی درSF6 بیش از صد برابر هوا می باشد.

-خواص استقامت الکتریکی 

  استقامت الکتریکی گازSF6 تحت شرایط مشابه بیش از دوبرابر  استقامت عایقی هوا است.خاصیت الکترونگاتیو بودن گاز SF6 و نقش آن در جمع آوری الکترونهای آزاد عامل اصلی این قابلیت است.

نکته مهم این است که اضافه شدن مقدار کمی گاز SF6 ، استقامت عایقی هوا را به شدت افزایش میدهد ولی برعکس اضافه شدن هوا به گاز SF6 تاثیر چندانی بر روی استقامت عایقی آن ندارد.

-سایر خواص فیزیکی:   

 SF6 گازی بی بو،بی رنگ،غیرسمی و غیر قابل اشتعال است و وزن ملکولی آن برابر 146.06 می باشد که 5 برابر سنگینتر از هوا می باشد.خواص خاموش کنندگی و عایقی گاز SF6 به دانسیته آن بستگی دارد و به همین جهت از دانسیته سنج در کنترل مقدار گاز در کلید استفاده می شود.دانسیته مناسب جهت استفاده در تجهیزات فشار قوی در محدوده 25 کیلوگرم بر متر مکعب تا 70 کیلوگرم بر متر مکعب است.برای درجه حرارتهای پائین باید توجه شود که دانسیته گاز به حدی نباشد که که در شرایط سرد سبب مایع شدن گاز گردد. مطابق استاندارد ، مقدار مجاز نشتی گاز SF6 کمر از یک درصد در سال می باشد.

-عملکرد  تحت شرایط تخلیه الکتریکی:

تخلیه الکتریکی سبب تجزیه گازSF6 می شود که تحت شرایط عادی قابل برگشت است.

SF6<=======>S+6F


پس از تجزیه گاز ، فعل و انفعال ثانویه با الکترودهای فلزی تصعید شده ترکیبات گاز یا جامد را بوجود می آورند.این ترکیبات خود نیز مواد عایقی خوبی هستند لذا رسوب آنها روی مقره از خاصیت عایقی نمی کاهد.اما در صورتی که رطوبت در محفظه از حدخاصی بالاتر باشد ترکیب هیدروژن فلوراید HF ایجاد می شود ، که این ماده شدیدا هر نوع ماده ای که شامل Sio2 باشد(همانند شیشه و چینی)را مورد آسیب قرار می دهد لذا حتما باید میزان رطوبت در محفظه در حد پائین نگه داشته شود.

CuF2+H2O=======>CuO+2HF
SF4+H2O=======>SOF2+2HF

استانداردIEC376 استاندارد مربوط به مشخصات گاز SF6 می باشد.

 

علت آزمایش گاز SF6

- افزایش ایمنی

- کاهش آثار مخرب زیست محیطی

- صرفه جوئی هزینه تعمیرات و نگهداری

- روشهای بکارگیری توسعه یافته ( بهینه سازی روشهای کاربرد قدیمی )

گاز هگزا فلوئورید گوگرد ( SF6) یک دی الکتریک عالی با خواص بی نظیر در قطع کنندگی ( خاموش کردن ) قوس می باشد و این ویژگی منجر به کاربرد وسیع و موفقیت آمیز در کلیدهای قدرت پستهای گازی شده است . معرفی و شناخت آن در سال 1960 بوده و تجهیزات گازی SF6 تا سال 1980 ساخته شده اند . امروزه ، کاربرد این گاز به حد مطلوبی رسیده و تعداد تجهیزات تعویضی ( تجهیزات روغنی جایگزین شده با گازی ) ، افزایش یافته است . عموما کلیدهای روغنی با تجهیزات گازی SF6 جایگزین می شوند . در حال حاضر گاز SF6 کاربرد زیادی در رده فشار قوی داشته و شواهد ، تمایل کاربرد این گاز را برای رده های پائین تر سطوح ولتاژ نشان می دهد .

تحت شرایط ایده آل ، وقتی یک عمل تخلیه در کلید رخ می دهد ، هرکدام از اتمهای فلوئور موجود در گاز SF6 یک الکترون گرفته و از اتم گوگرد جدا می شوند و هنگام پایان عمل ، آن الکترون بدست آورده را از دست داده و با ترکیب با یک اتم گوگرد ، دوباره گاز SF6 را تشکیل میدهد که به این مراحل “ خودسازی ” و یا “ خواص بازیابی ” گاز SF6 گویند . این واکنش در تجهیزات الکتریکی گازی ( SF6 ) فشار قوی رخ میدهد و وقتی که ذرات دیگری از قبیل اکسیژن ، آب حاصل از آلودگی اتمسفری ، کربن موجود در مؤلفه های تفلونی کلید ، مس ، تنگستن موجود در کنتاکتها و همچنین آلومینیوم ، با ذرات گوناگونی که از تجزیه SF6 بوجود آمده اند برخورد نماید ، واکنش میدهد .

علاوه بر مزایای فوق ، تجهیزات تزریق شده با گاز SF6 ، نیازی به تعمیرات و نگهداری نداشته و بدون دردسر می باشد . شایان توجه اینکه SF6 توانسته استفاده از تجهیزات روغنی را محدود سازد ، از اینرو با توجه به نیاز صنعت ، دستورالعملهای جدید مطابق با آنها ( تجهیزات گازی ) با موارد جدید باید تطابق یابد. ایمنی، نوع عملکرد آنها در خاموش کردن قوس و در نظر گرفتن اثر گلخانه ای محیط زیست این گاز ( عدم تاثیر در سوراخ شدن لایه ازن ) ، از جمله این موارد است که علاوه بر ایجاد تغییر کاربری قدیمی گاز SF6 ، انگیزه زیادی در ارزیابی فرآیند گاز و استفاده مجدد از گازهای ذخیره شده بوجود آورده است .

 

مزایا :

- کاهش هزینه تعمیرات ( به جهت اینکه کلیدهای گازی در مقایسه با دیگر کلیدها ، به تعمیرات کمتری نیاز دارند ) .

- امکان مونیتورینگ اجزاء داخلی کلید و کاهش هزینه بازرسی مؤلفه های داخلی کلید

- هزینه های راه اندازی در فرایندهای گازی کم می شود .

- قابلیت اطمینان بهبود میابد .

- ایمنی نیز زیاد میشود .

 

کاربرد تجزیه گاز SF6 :

تحلیل آلاینده های گاز ، فرایندهای تشخیص ترکیب مواد حاصل از تجزیه ، هنگام قوس الکتریکی و چگونگی انجام آن فرآیندها ، اصول تشخیص شرایط عملکرد تجهیزات گازی SF6 را فراهم می سازد .

حالت نمونه ذیل را ملاحظه فرمائید :

میزان گازهای موجود در کلید قدرت
فاز 3	فاز 2	فاز 1	مؤلفه ( ترکیب )
996190	995848	998191	هگزا فلوئورید گوگرد	SF6
2917	649	964	نیتروژن	N2
638	136	341	اکسیژن	O2
255	3365	504	تترا فلوئورید کربن	CF4
-	1	-	فلوئورید تیونیل	SOF2
-	1	-	دی اکسید کربن	CO2

این جدول مربوط به یک کلید 161 کیلوولتی و 2000 آمپری از نوع SF6 تک فشار ، تانک تحت ولتاژ و با مکانیزم عملکرد فنر است که جهت برقراری مدار یک بانک خازنی 168 مگاواری ، 2 تا 3 بار در روز عمل می کند . گازهای نامبرده در این جدول ، گازهائی هستند که هنگام عملکرد یک کلید گازی SF6 ، در محفظه قطع آن کلید متصاعد میشوند . درصد این گازها در هر فاز قابل ملاحظه است . بعنوان مثال، 8/99% از گاز داخل محفظه فاز 1 کلید مورد نظر ، گاز SF6 است ( جمع هر ستون ، مقدار 100000 است ) . در 20 سپتامبر 1997 ، یک واحد توزیع کنترل از راه دور ، این کلید را بکار انداخت . فاز دوم این کلید ، دچار اشکال شد و نتوانست عمل کند و نتیجتا رله جریان زیاد و رله خطای کلید فعال شده و عملکرد این رله ها باعث ایزوله شدن باس سکشن هائی که نقش تغذیه کلید را بعهده داشتند، گردید . پس از این فاصله زمانی مجاز ، مرکز توزیع ( دیسپاچینگ ) قادر به برقدار کردن از راه دور باس سکشن ها، گردید. این شکست تاثیری در گسیختگی این کلید قطع جریان نداشت. کلید از نظر معیوب بودن ، بازبینی شد . فشار گاز در تمام فازها نرمال بود و بعد از آخرین عمل وصل کلید ، فنرها دشارژ شدند . تمامی آزمایش ها ، عایقی ، زمانبندی، عملکردها و مقاومت کنتاکتها با نتایج رضایت بخشی بدست آمد و هیچ مشکلی در کلید مشاهده نشد .

این نمونه های گاز از هر سه فاز جمع آوری شده و مقدار زیاد گاز CF4 در فاز 2 ، بیانگر خوردگی در تفلون است . تصمیم بر این شد که این گاز را از کلید خارج نموده و به صورتیکه قابل مشاهده باشد، کلید را بازرسی کنند . قوس در فاصله میانی محفظه قطع و کنتاکتهای ثابت و متحرک مشاهده شد . یعنی این قوس بین کنتاکتهای ثابت و متحرک صورت نپذیرفته ، از اینرو فاز دوم این کلید تعویض شد ( تا قوس بین محفظه قطع و کنتاکتها زده نشود که این خود ، باعث متصاعد شدن گاز CF4ناخواسته و اضافی در این فاز گردد ) . 

GIL روشی جدید برای انتقال توان با استفاده از خطوط

در حال حاضر مقادیر بسیار زیاد انرژی الکتریکی توسط خطوط انتقال هوائی و زمینی منتقل میگردد. شرکت زیمنس با توجه به تحقیقات انجام شده بر روی عایق های گازی در گذشته و با توجه به پیشرفت تکنولوژی توانسته خطوط انتقال نیرو را با توانائی انتقال قدرتهای بالا با عایق گازی GIL  طراحی نماید.

سالها پیش این روش به دلیل هزینه بالا و محدودیت کاربرد با شکست روبرو گردید. ولی نظر به رشد روزافزون شهرها و افزایش تقاضای انرژی و نیاز به انتقال قدرتهای بالا، تکنولوژی GIL مجددا مورد توجه قرار گرفت و انجام مطالعات و تجارب بدست آمده نشان داده که برای قدرتهای بالا در حدود 3000 مگاوات و ولتاژ 550 کیلووات در مسافات طولانی استفاده از تکنولوژی GIL بسیار توانمند بوده و بخصوص در مسیرهای صعب العبور و یا مسیرهائی که محدودیت خاصی را ایجاب می نماید مانند مسیر راه آهن و فرودگاهها وغیره  که امکان عبور خط بصورت متداول نمی باشد کاربرد دارد.

شرکتهای بزرگ که دارای بیش از 30 سال تجربه در زمینه عایق های گازی برای سوئیچگیرهای فشار قوی و کابل های زمینی با طولی در حدود 30کیلومتر بودند فعالیت خود را بر این مبنا و تولید عایق های گازی برای خطوط انتقال با بالاترین قدرت و کمترین تلفات ممکن و شرایط مطلوب و مطمئن متمرکز نمودند و اکنون به این هدف بزرگ دست یافته اند که قدرتهای بالا را با هزینه کمتر از حالت قبلی GIL منتقل نمایند.

سولفور هگزافلوراید ( SF6 )  و نیتروژن ( N2 )  به عنوان یک عایق مطلوب مورد آزمایش و تأئید قرار گرفته بود و اکنون GIL به عنوان یگ گاز عایق و خنثی که ترکیبی از حدود 20% گاز SF6    و حدود 80% گاز N2  می باشد به عنوان عایق خطوط انتقال بکار گرفته می شود.

این سیستم برای کنترل میدانهای الکتریکی و مغناطیسی و محدود نمودن حرارت خاک اطراف خط انتقال GIL کاربرد مناسبی دارد زیرا عملکرد لوله شامل گاز و هادی درون آن مشابه یک کابل کواکسیال عمل نموده و در مقابل میدان الکتریکی سپر ایجاد می کند و به علت مخالف بودن جریان در لوله شامل گاز هادی درون آن میدان مغناطیسی به حداقل خود کاهش می یابد بنابراین وقتی یک سیستم GIL در زمین قرار می گیرد با جریانی در حدود 4600 آمپر برای انتقال توان 3000 مگاوات در ولتاژ 420 کیلو ولت میدان مغناطیسی حاصل در سطح زمین حدود 10 میلی تسلا خواهد بود.

سیستم GIL اجازه انتقال مقادیر بزرگ انرژی را خواهد داد و هزینه نصب آن در حد مقادیری بین هزینه خط هوائی و کابل می باشد.

ساختمان خطوط هوائی انتقال با استفاده از برجها با توجه به محدودیتهای زمین و اثرات زیست محیطی به تدریج جای خود را به کابل ها با عایق گازی که در زمین نصب می شود خواهند داد و اخیرا تحقیقات گسترده ای برروی گازهای هیبرید در شرف انجام است. عایق گازی خطوط انتقال شامل لوله و هادی و غلاف بیرونی آن با گاز SF6  می باشد که درون زمین نصب می گردند بهمین دلیل نسبت به صاعقه و باد و برف و آلودگی بی اثر می باشد. عایق     SF6 بهترین عایق الکتریکی و همچنین بهترین منتقل کننده حرارت بوده و در نتیجه در خطوط انتقال قدرت بالا مناسبترین وسیله خواهد بود.