Мұнайдың үстемдігі: трансформатор орамаларын оқшаулау үшін неліктен SF₆ газы пайдаланылмайды

Жоғары вольтты электротехника әлемінде күкірт гексафториді (SF₆) жиі таңғажайып материал ретінде қабылданады. 20 ғасырдың ортасында коммерцияланғаннан бері бұл түссіз, иіссіз және инертті газ өнеркәсіпте төңкеріс жасады. Оның ерекше диэлектрлік беріктігі - ауаға қарағанда шамамен 2,5-3 есе - және теңдесі жоқ доға сөндіргіш мүмкіндіктері оны газды оқшауланған тарату құрылғылары (GIS) және газ оқшауланған электр жеткізу желілері (GIL) үшін тамаша ортаға айналдырады. Бұл құрылғылар халық көп жиналатын қала орталықтарында ықшам қосалқы станцияларды салуға мүмкіндік берді, бұл әдеттегі ауа оқшаулағыш жабдықпен бұрын елестете алмайтын ерлік.

Осы сәтті ескере отырып, логикалық сұрақ туындайды: SF₆ тарату құрылғыларындағы жоғары вольтты құрамдастарды оқшаулауда соншалықты тиімді болса, неге ол электр желісінің ең маңызды активінің - қуат трансформаторының ішіндегі басым орта емес? SF₆ оқшауланған трансформаторлар (GITs) тауашаларды қолдану үшін бар болғанымен, олар бүкіл әлем бойынша қосалқы станцияларда ызылдаған барлық жерде кездесетін майға батырылған трансформаторлармен салыстырғанда сирек болып қала береді. Жауап SF₆ бір ақауында емес, іргелі физикалық шектеулердің, күрделі инженерлік қиындықтардың және дәстүрлі минералды майды трансформатор орамасының нақты ортасы үшін өте жақсы таңдауға айналдыратын маңызды экологиялық мәселелердің жиынтығында жатыр.

1. Салқындатудың маңызды рөлі: физикалық сәйкессіздік

Трансформаторлардағы майдың SF₆-дан басым болуының ең негізгі себебі жылуды басқару болып табылады. Қуат трансформаторы статикалық құрылғы емес; ол жылудың динамикалық көзі болып табылады. Орамдар арқылы электр тогы өткенде, қарсылық жылуды тудырады (мыс шығындары), ал темір өзегіндегі айнымалы магнит өрісі қосымша жылу (темір жоғалту) тудырады. Бұл жылу оқшаулаудың нашарлауына және трансформатордың апатты түрде істен шығуына жол бермеу үшін тиімді түрде жойылуы керек.

Сұйық пен газдың сыни айырмашылығы осында.

Трансформатор майы салқындатқыш ретінде: Май ерекше салқындатқыш орта болып табылады. Ол жоғары меншікті жылу сыйымдылығы мен жылу өткізгіштігіне ие, яғни ол көп мөлшерде жылуды сіңіріп, оны тез тасымалдай алады. Трансформаторда май орамалардың және ядроның әрбір миллиметрімен тікелей байланыста болады. Табиғи конвекция немесе сорғылар арқылы мәжбүрлі айналым арқылы қызған май сыртқы радиаторларға немесе салқындатқыш қанаттарға ағады, онда ол жылуды қоршаған ауаға шығарады. Бұл процесс керемет тиімді. Май беттерді физикалық түрде ылғалдандырады, бұл тіпті орама құрылымының ішіндегі ең терең, ең шектеулі кеңістіктерден де жылуды алуды қамтамасыз етеді.

Салқындатқыш сұйықтық ретінде SF₆: Газдар өзінің табиғаты бойынша сұйықтықтармен салыстырғанда жылуды нашар өткізеді. Олардың тығыздығы әлдеқайда төмен, ал жылу энергиясын тасымалдау қабілеті әлдеқайда төмен. SF₆ қысымын жоғарылату оның тығыздығын және осылайша оның салқындату қабілетін жақсартуға мүмкіндік берсе де, ол әлі де мұнайдан үлкен көлемде артта қалады. Газ оқшауланған трансформаторда (GIT) бұл айтарлықтай кедергі жасайды. Жылуды басқару үшін дизайнерлер ымыраға келуге мәжбүр. Олар жиі трансформатордың қуатын төмендетуге тура келеді, яғни ол қызып кетпей толық теориялық қуатында жұмыс істей алмайды. Сонымен қатар, олар газды тиімді айналдыру үшін орамалардың ішіндегі керемет күрделі және көлемді салқындату арналарын және жолдарын жобалауы керек. Бұл күрделілік шығындарды арттырады және трансформатордың жалпы қуат тығыздығын төмендетеді, бұл оны қуаттылығы жоғары қолданбалар үшін қарапайым, маймен толтырылған дизайнға қарағанда бәсекеге қабілетті етеді.

2. Орамды оқшаулаудың күрделі геометриясы

Трансформатор орамасының ішіндегі орта күрделіліктің электрлік қорқынышы, ГАЖ ішіндегі салыстырмалы түрде қарапайым, басқарылатын геометрияға мүлдем қарама-қайшы.

Электр өрісінің сезімталдығы: SF₆ диэлектрлік күші электр өрісінің біркелкілігіне өте тәуелді. Керемет біркелкі өрісте ол тамаша өнер көрсетеді. Дегенмен, оның оқшаулау қасиеттері біркелкі емес немесе өте алшақ жатқан өрістерде күрт нашарлайды. Трансформатор орамдары тегіс цилиндрлер емес; олар көптеген орамдардан, өткір бұрыштардан, шеттерден және шығыңқы өткізгіштерден тұрады. Бұл ерекшеліктер интенсивті, біркелкі емес электр өрістерінің аймақтарын жасайды. Маймен толтырылған трансформаторда майдың жоғары диэлектрлік өтімділігі осы өріс концентрацияларының кейбірін «тегістеуге» көмектеседі. SF₆-де дәл осындай өткір жиектер уақыт өте келе оқшаулауды бұзып, істен шығуға әкелетін қарқынды ішінара разрядтың көздеріне айналады.

Интерфейс мәселесі: Қазіргі заманғы жоғары вольтты оқшаулау әрқашан сұйықтықты (сұйықтықты немесе газды) қатты материалмен біріктіретін композициялық жүйе болып табылады. Маймен толтырылған трансформаторда өткізгіштерді орау үшін целлюлоза негізіндегі қағаз және пресс тақтасы қолданылады. Май бұл қағазды тамаша сіңіріп, әрбір микроскопиялық бос орынды толтырады. Бұл тамаша диэлектрлік қасиеттері бар жіксіз, біртекті оқшаулау кедергісін жасайды. GIT-те жағдай түбегейлі басқаша. Газ сымдарға оралған қатты оқшаулауды сіңіре алмайды. Оның орнына қатты зат (мысалы, полиэфирлі пленка немесе Nomex қағазы) мен газ тәрізді SF₆ арасында нақты интерфейс жасалады. Бұл екі материалдың электр өрісіне (олардың өткізгіштігі) рұқсат ету қабілеті өте әртүрлі болғандықтан, электр өрісінің сызықтары бұрмаланып, осы интерфейсте шоғырланады. Бұл қатты оқшаулағыштың бетінен электр тогы жарқылдайтын ағынды разрядтардың жоғары қаупін тудырады. Бұл разряд түрі газ оқшауланған жүйелердегі ең таралған және қауіпті істен шығу режимдерінің бірі болып табылады және басқару үшін өте мұқият және күрделі дизайнды қажет етеді.

3. Ластану және ыдырау мәселесі

Таза SF₆ химиялық инертті болғанымен, оның әрекеті электрлік кернеу кезінде өзгереді.

Бөлшектерге сезімталдық: SF₆ ластануға өте сезімтал. ГАЖ резервуарының ішіндегі кішкентай, бос өткізгіш бөлшек оқшаулау беріктігін күрт төмендетеді. Трансформаторда мұндай бөлшектер белгілі бір дәрежеде сөзсіз. Майда кішкене металл бөлшектері зиянсыз тоқтап қалуы немесе түбіне түсуі мүмкін, оның оқшаулауға әсері біршама жеңілдетілген. Жоғары қысымды SF₆ кезінде ұқсас бөлшек қуаттанып, бетінен көтеріліп, әлеуеті төмен аймаққа қарай жылжып, толық бұзылуды тудыруы мүмкін.

Ыдырау өнімдері: SF₆ доғаға, тәжге немесе жоғары энергиялық ұшқындарға ұшырағанда, ол ыдырайды. Ол әртүрлі жанама өнімдерге, соның ішінде күкірттің төменгі фторидтеріне (SF₄, S₂F₁₀ сияқты) және ылғал болған жағдайда фторид сутегі (HF) сияқты жоғары коррозиялық және улы заттарға ыдырайды. Бұл жанама өнімдер металл құрамдас бөліктерге де, трансформатор ішіндегі қатты оқшаулауға да шабуыл жасап, бұзады. Бұл GIT-де ақау орын алса, оның салдары жай ғана үзіліс емес екенін білдіреді; жабдықтың іші ластанған болуы мүмкін, бұл ауқымды және қымбат тазалауды қажет етеді немесе тіпті кейінірек жедел істен шығуға әкелуі мүмкін. Мұнай толтырылған трансформаторда доға газдар мен шөгінділерді тудырған кезде, майдың өзі осы жанама өнімдерді еріту және сұйылту үшін орта ретінде әрекет етеді және оны жиі өңдеуге немесе ауыстыруға болады.

4. Экологиялық және экономикалық қысымдар: GWP факторы

21 ғасырда SF₆-ға қарсы әрекет ететін ең маңызды фактор оның қоршаған ортаға әсері болуы мүмкін. Бұл мәселе оны жай инженерлік сынақтан саяси және реттеуші сынаққа айналдырды.

Күшті парниктік газ: SF₆ – ғылымға белгілі ең күшті парниктік газ. Оның жаһандық жылыну әлеуеті (GWP) 100 жылдық кезеңдегі CO₂ мөлшерінен шамамен 23500 есе артық. Қарапайым тілмен айтсақ, атмосфераға бар-жоғы бір килограмм SF₆ шығару автомобильді ондаған мың мильге айдау сияқты ұзақ мерзімді жылыту әсерін береді. Оның үстіне, ол керемет тұрақты және атмосферада мыңдаған жылдар бойы сақталады. Электр өнеркәсібі ағып кетуді болдырмауға тырысқанымен, трансформатордың ондаған жылдар бойы қызмет ету мерзімінде, әсіресе өндіру, техникалық қызмет көрсету және пайдаланудан шығару кезінде кейбір бос шығарындылар сөзсіз.

Баламаларды іздеу: Киото хаттамасы сияқты халықаралық келісімдерге және қатаң ережелерге сәйкес, әсіресе Еуропалық Одақта, SF₆ сияқты F-газдарын пайдалануды азайту үшін үлкен қысым бар. Бұл қоршаған ортаға зиянсыз балама іздеу жолындағы жаһандық жарысқа түрткі болды. Қазір өндірушілер фторонитрилдер (C4-FN сияқты) немесе СО₂ араласқан фторкетондар (C5-FK сияқты) негізіндегі жаңа газ қоспаларын пайдалана отырып, «жасыл» газ оқшауланған жабдықты жасап, коммерцияландыруда. Бұл әлі де фторланған қосылыстар болғанымен, олардың GWP SF₆-тің аз ғана бөлігі және олардың атмосфералық қызмет ету мерзімі әлдеқайда қысқа. Осы жаңа экологиялық ландшафтта жалпы пайдалануға арналған кең ауқымды SF₆ трансформаторларының жаңа буынына қомақты қаражат салу дұрыс емес бағыттағы қадам сияқты көрінеді.