В 1890 г. французский химик Анри Муассан получил ничем не примечательное газообразное соединение — шестифтористую серу (SF6). В то время даже не предполагали, что почти через сто лет это скромное открытие приведет к поистине революционным преобразованиям в электротехнике, найдет широчайшее применение в электроаппаратостроении, в корне изменит привычный облик высоковольтного оборудования.
Бурное развитие электротехники еще в начале XX века привело к созданию многочисленных электролиний. Специалисты быстро сообразили, что эффективность передачи энергии существенно возрастает по мере того, как повышается рабочее напряжение. Поэтому получаемая от генераторов электроэнергия подвергалась преобразованию в повышающих трансформаторах, а перед ее использованием напряжение снова понижалось.
С увеличением числа потребителей и усложнением электрической сети повышающие и понижающие подстанции приобрели и другие функции. Они превратились в сложные распределительные пункты, нашпигованные различной коммутационной аппаратурой — мощными выключателями, разъединителями, разрядниками, измерительными трансформаторами тока и напряжения.
С самого начала для изоляции электрических проводов от земли, проводов разных фаз в линии, а также при создании промежутков (разрывов) в коммутационной аппаратуре использовался воздух. Он зарекомендовал себя неплохим изолятором. К тому же, такой естественный диэлектрик ничего не стоил.
Росло напряжение, увеличивалась мощность передаваемой электроэнергии. Теперь уже, чтобы создать необходимые изолирующие промежутки, требовалось разносить провода на большие расстояния, создавать гигантские высоковольтные аппараты.
Электрическая сеть непрерывно разветвлялась, увеличивалось число подстанций и распределительных пунктов, которые занимали значительную территорию, нередко в зоне плотной городской застройки.
В этих условиях воздух как изолирующая среда уже не мог удовлетворить электротехников. В 30-х гг. XX века во многих странах развернулись интенсивные исследования физических и, в первую очередь, электроизоляционных свойств газов. Искали газ, который обладал бы лучшими изоляционными характеристиками, чем традиционный диэлектрик — воздух.
Вот тут-то и пригодилось открытие Муассана. В 1941 г. советский физик Б. М. Гохберг предложил использовать в качестве изолирующей среды шестифтористую серу. Он же назвал это соединение элегазом — электротехническим газом.
Элегаз не вступает в реакцию с конструкционными материалами, нетоксичен, пожаробезопасен. Плотность его в 5 раз превышает плотность воздуха. Эта особенность, а также способность молекул элегаза захватывать свободные электроны и обуславливают его высокую электрическую прочность (в несколько раз выше, чем у воздуха).
При избыточном давлении в 5 — 7 атм элегаз превосходит по электрической прочности даже такие твердые и жидкие диэлектрики, как полимеры и техническое масло. К тому же, газы практически не подвержены старению и их изоляционные свойства не ухудшаются при длительной работе оборудования.
Наконец, элегаз значительно лучше воздуха проводит тепло. Отличные же теплопередающие свойства элегаза позволяют в кратчайшие сроки рассеивать значительное количество энергии, а значит прерывать большие токи при отключении мощных электропередач (в 100 раз большей мощности, чем при воздушной изоляции).
Работы по практическому применению элегаза, прерванные войной, возобновились в конце 40-х гг. Стояла задача — создать комплектные распределительные устройства с элегазовой изоляцией (КРУЭ) и заменить ими открытые высоковольтные распредустройства электростанций и трансформаторных подстанций, в которых в качестве изолирующей среды использовался воздух.
Первые КРУЭ появились за рубежом в середине 60-х гг. В этот период в СССР также были разработаны опытные образцы, а в 70-х гг. началось серийное производство отечественных КРУЭ. За два последних десятилетия число КРУЭ, установленных в разных странах мира, резко возросло.
Что же входит в состав КРУЭ? Конструкция собирается из различных электрических аппаратов и элементов — выключателей, разъединителей, заземлителей, трансформаторов тока и напряжения, шинопроводов, высоковольтных вводов. Этот набор позволяет обслуживающему персоналу производить необходимые операции при распределении электроэнергии потребителям, а также при производстве ремонтных работ.
В частности, с помощью КРУЭ включают и отключают отдельные линии электропередачи при коротких замыканиях, измеряют параметры электрической сети, заземляют установки.
Все токоведущие части КРУЭ размещаются внутри заземленной металлической оболочки. Токоведущие жилы представляют собой алюминиевые или медные трубы, поддерживаемые изоляционными распорками (труба в трубе). Пространство между внешней оболочкой и токопроводом заполняется элегазом и герметизируется.
Преимущества КРУЭ очевидны. Во-первых, они компактны. Площадь, занимаемая ими, не превышает 10 % площади открытого распредустроиства на то же напряжение. Объем почти в 100 раз меньше.
Во-вторых, на электроустановку совершенно не влияют атмосферные осадки, ветер и загрязняющие вещества. К тому же, наличие металлической оболочки надежно защищает персонал от возможного поражения электрическим током.
Немаловажно и то, что все элементы КРУЭ серийно изготавливаются в заводских условиях и легко собираются на месте монтажа. Это позволяет использовать КРУЭ в труднодоступных районах. А жесткая конструкция дает возможность применять такие устройства даже в сейсмически активных зонах.
Главный элемент любого распределительного устройства — высоковольтный выключатель. С начала 70-х гг. XX века элегазовые выключатели устанавливаются не только в комплекте с КРУЭ, но и просто взамен применявшихся ранее воздушных и масляных выключателей.
Дело в том, что обычный воздушный выключатель на напряжение 220 — 1150 кВ имеет несколько пар контактов, последовательно соединенных между собой. А каждая пара контактов помещается в цилиндре длиной 1 — 2 м, установленном на изолирующей опоре высотой 3 — 5 м. В результате получается весьма громоздкая конструкция.
Применение элегаза с его прекрасными электрофизическими свойствами значительно упрощает дело, снижает массу и размеры выключателей. В настоящее время разработаны элегазовые выключатели с одной парой контактов, способные отключать токи до 50 кА при напряжении до 500 кВ.
Оснащение подстанций компактными КРУЭ повлекло за собой снижение размеров и другого высоковольтного оборудования. В первую очередь, трансформаторов. По сравнению с масляными трансформаторами элегазовые имеют на 15 — 20 % меньше массу и размеры, они пожаробезопасны и более удобны в эксплуатации.
В энергетическом и специальном электрооборудовании находят применение протяженные высоковольтные кабели (линии) электропередачи с элегазовой изоляцией при рабочем напряжении до 800 кВ и выше.
Они позволяют в несколько раз по сравнению с обычным кабелем увеличить передаваемую мощность. Существенно снижаются диэлектрические потери вследствие малой диэлектрической проницаемости элегаза, обеспечивается независимость от условий окружающей среды.
Высоковольтные элегазовые кабели применяются и в установках термоядерного синтеза.
Область использования элегаза постоянно расширяется. Можно предположить, что в дальнейшем произойдет повсеместное внедрение шестифтористой серы в электротехнические устройства.
Однако уже ведутся интенсивные поиски новых электротехнических газов, превосходящих по своим характеристикам элегаз. Так, в установках, предназначенных для работы в условиях низких температур (ниже —40 °С), все чаще применяется смесь азот — элегаз.
Это связано с тем, что температура сжижения смеси существенно ниже температуры сжижения чистого элегаза, такая смесь значительно дешевле, а электрическая прочность при добавке азота практически не изменяется.
Перспективно применение и других смесей, например, добавка к элегазу даже небольшого (0,5 %) количества хладона заметно повышает электрическую прочность изоляции. Исследования продолжаются.
В. Н. Вариводов
