Jak SF6 gasi łuk elektryczny?

Jak działa gaszenie łuku elektrycznego przez SF6 (sześciufluorek siarki)

1. Właściwości fizyczne i chemiczne SF6

• Wysoka wytrzymałość izolacyjna: Cząsteczki SF6 mają silną ujemną elektrofilność, która pozwala im szybko uchwycić wolne elektrony, tworząc aniony. Te aniony poruszają się wolniej i są mniej prawdopodobne do powodowania jonizacji, co prowadzi do wysokiej wytrzymałości izolacyjnej gazu SF6. To sprawia, że SF6 jest znacznie lepszy niż powietrze lub próżnia pod względem izolacji.

• Wysoka pojemność cieplna: SF6 ma dużą masę cząsteczkową (około 146) i wykazuje wysoką pojemność cieplną i przewodność termiczną. Gdy powstaje łuk, gaz SF6 może zabsorbować znaczną ilość ciepła, szybko chłodząc łuk i obniżając jego temperaturę.

• Stabilność chemiczna: SF6 jest bardzo stabilny w temperaturze pokojowej, ale rozkładany na niższe związki fluoru (takie jak SF4, S2F10 itp.) przy wysokich temperaturach (np. podczas powstawania łuku). Te produkty rozpadu ponownie łączą się w SF6 po zgaszeniu łuku, przywracając właściwości izolacyjne gazu.

2. Podstawowe zasady gaszenia łuku przez SF6

Powstawanie i gaszenie łuku: Gdy przerywacz otwiera się, kontakty rozdzielają się, a prąd płynie przez małą szczelinę między kontaktami, tworząc łuk. Obecność łuku powoduje lokalne wysokie temperatury, powodując parowanie materiału kontaktów i powstawanie dużej liczby wolnych elektronów, które utrzymują łuk.

Rola gazu SF6:

• Szybkie chłodzenie łuku: Gaz SF6 ma wysoką pojemność cieplną i może szybko absorbować ciepło generowane przez łuk, powodując gwałtowne obniżenie temperatury łuku. W miarę obniżania temperatury energia kinetyczna naładowanych cząstek (elektronów i jonów) w łuku maleje, osłabiając energię łuku.

• Hamowanie jonizacji: Cząsteczki SF6 mogą szybko uchwycić wolne elektrony z łuku, tworząc aniony. Te aniony poruszają się wolniej i są mniej prawdopodobne do utrzymania procesu jonizacji, co hamuje dalszy rozwój łuku.

• Przywrócenie wytrzymałości izolacyjnej: Po zgaszeniu łuku gaz SF6 szybko przywraca swoje właściwości izolacyjne. Dzięki lepszej wytrzymałości izolacyjnej w porównaniu do powietrza, izolacja między kontaktami jest szybko przywracana, zapobiegając ponownemu zapłonowi łuku.

3. Szczegółowy proces gaszenia łuku przez SF6

• Początkowy etap powstawania łuku: Gdy kontakty przerywacza zaczynają się rozdzielać, prąd płynie przez małą szczelinę między nimi, tworząc łuk. Temperatura łuku szybko wzrasta do kilku tysięcy stopni Celsjusza, powodując parowanie materiału kontaktów i powstawanie dużej liczby wolnych elektronów.

• Efekt chłodzący gazu SF6: Gdy powstaje łuk, gaz SF6 szybko absorbuje ciepło generowane przez łuk, powodując obniżenie temperatury łuku. Jednocześnie cząsteczki SF6 uchwytują wolne elektrony z łuku, tworząc aniony, które hamują proces jonizacji.

• Zgaszenie łuku: W miarę obniżania temperatury łuku energia naładowanych cząstek w łuku stopniowo maleje, prowadząc do całkowitego zgaszenia łuku. W tym momencie gaz SF6 szybko przywraca swoje właściwości izolacyjne, zwiększając wytrzymałość izolacyjną między kontaktami i zapobiegając ponownemu zapłonowi łuku.

• Odzyskiwanie po zgaszeniu łuku: Po zgaszeniu łuku produkty rozpadu SF6 (takie jak SF4, S2F10 itp.) szybko rekomponują się, tworząc SF6, przywracając pierwotną strukturę chemiczną i właściwości izolacyjne gazu. Ten proces zachodzi bardzo szybko, zwykle w ciągu kilku milisekund.

4. Zalety gaszenia łuku przez SF6

• Szybkie zgaszenie łuku: Gaz SF6 może zgaszyć łuk prawie natychmiast, zwykle w pobliżu zerowego przebiegu prądu. To skraca czas trwania łuku, minimalizując uszkodzenia kontaktów.

• Szybkie przywrócenie izolacji: Po zgaszeniu łuku gaz SF6 szybko przywraca swoją wytrzymałość izolacyjną, zapobiegając ponownemu zapłonowi łuku i zapewniając niezawodne przerwanie prądu.

• Odpowiedniość dla wysokich napięć i dużych prądów: Wysoka wytrzymałość izolacyjna i doskonałe właściwości gaszenia łuku SF6 sprawiają, że jest szczególnie odpowiedni do zastosowań o wysokim napięciu i dużym prądzie, takich jak systemy przesyłowe o nadzwyczaj wysokim napięciu (UHV).

• Brak zagrożenia pożarowego: Gaz SF6 jest niepalny, eliminując ryzyko pożaru, które może wystąpić w przypadku przerywaczy olejowych, co czyni go bezpieczniejszym do stosowania w systemach elektrycznych.

5. Zastosowania gaszenia łuku przez SF6

• Przerywacze wysokonapięciowe: Gaz SF6 jest szeroko stosowany w przerywaczach wysokonapięciowych, zwłaszcza w systemach działających przy 110kV i wyżej, w tym w systemach UHV i EHV. Przerywacze SF6 oferują doskonałe właściwości przerwania, kompaktowy design i długi okres użytkowania, co sprawia, że są idealne do częstych operacji i przerwań dużych prądów.

• Przełączniki obciążeniowe i odłączniki: Oprócz przerywaczy, gaz SF6 jest również stosowany w przełącznikach obciążeniowych i odłącznikach, zapewniając niezawodną izolację i możliwości gaszenia łuku.

• GIS (przełączniki gazowo-zamknięte): W systemach GIS gaz SF6 służy jako izolator w zamkniętych przełącznikach, oferując gęste połączenia elektryczne i niezawodną izolację.

Podsumowanie

Gaz SF6 efektywnie gasi łuki, korzystając ze swoich wybitnych właściwości izolacyjnych, wysokiej pojemności cieplnej i szybkiego przywracania wytrzymałości izolacyjnej. Ta efektywna metoda gaszenia łuku sprawia, że przerywacze SF6 są kluczowymi elementami w systemach wysokonapięciowych, zapewniając bezpieczne i niezawodne działanie. SF6 jest szeroko stosowany w systemach przesyłowych i dystrybucji energii elektrycznej, gdzie jego zdolność do szybkiego gaszenia łuków i zapobiegania ich ponownemu zapłonowi jest kluczowa dla utrzymania stabilności i bezpieczeństwa systemu.