Elegas et ses propriétés
Le gaz SF6 - gaz électrique - est de l'hexafluorure de soufre SF6 (six fluor)… Le gaz SF6 est le principal isolant des éléments cellulaires isolés au SF6.
À la pression de travail et aux températures normales, gaz SF6 - gaz incolore, inodore, ininflammable, 5 fois plus lourd que l'air (densité 6,7 contre 1,29 pour l'air), poids moléculaire également 5 fois supérieur à celui de l'air .
Le gaz SF6 ne vieillit pas, c'est-à-dire qu'il ne change pas ses propriétés avec le temps ; il se décompose lors d'une décharge électrique, mais se recombine rapidement, retrouvant sa rigidité diélectrique d'origine.
À des températures allant jusqu'à 1000 K, le gaz SF6 est inerte et résistant à la chaleur, jusqu'à des températures d'environ 500 K, il est chimiquement inactif et non agressif envers les métaux utilisés dans la construction de l'appareillage de commutation SF6.
Dans un champ électrique, le gaz SF6 a la capacité de capturer des électrons, ce qui se traduit par une rigidité diélectrique élevée du gaz SF6. En capturant des électrons, le gaz SF6 forme des ions à faible mobilité qui sont lentement accélérés dans un champ électrique.
Les performances du gaz SF6 s'améliorent dans un champ uniforme, par conséquent, pour la fiabilité de fonctionnement, la conception des éléments individuels de l'appareillage doit garantir la plus grande uniformité et homogénéité du champ électrique.
Dans un champ non homogène, des surtensions locales du champ électrique apparaissent, qui provoquent des décharges corona. Sous l'influence de ces rejets, le SF6 se décompose, formant des fluorures inférieurs (SF2, SF4) dans l'environnement, qui ont un effet néfaste sur les matériaux de structure. appareillage complet isolé au gaz (GIS).
Pour éviter les fuites, toutes les surfaces des éléments individuels des pièces métalliques et des grilles des cellules sont propres et lisses et ne doivent pas présenter de rugosité ni de bavures. L'obligation de satisfaire à ces exigences est dictée par le fait que la saleté, la poussière, les particules métalliques créent également des contraintes locales dans le champ électrique et donc la rigidité diélectrique de l'isolation SF6 se détériore.
La rigidité diélectrique élevée du gaz SF6 permet de réduire les distances d'isolation à faible pression de service du gaz, ce qui réduit le poids et les dimensions de l'équipement électrique. Ceci, à son tour, permet de réduire la taille de l'appareillage, ce qui est très important, par exemple, pour les conditions du nord, où chaque mètre cube de locaux est très cher.
La résistance diélectrique élevée du gaz SF6 offre un degré élevé d'isolation avec des dimensions et des distances minimales, et la bonne capacité d'extinction d'arc et la capacité de refroidissement du SF6 augmentent le pouvoir de coupure des appareils de commutation et réduisent chauffer les pièces sous tension.
L'utilisation de gaz SF6 permet, toutes autres conditions étant égales, d'augmenter la charge de courant de 25% et la température admissible des contacts en cuivre jusqu'à 90 ° C (dans l'air 75 ° C) en raison de la résistance chimique, de l'ininflammabilité, de la sécurité incendie et une plus grande capacité de refroidissement du gaz SF6.
Un inconvénient du SF6 est sa transition vers un état liquide à des températures relativement élevées, ce qui impose des exigences supplémentaires pour le régime de température de l'équipement SF6 en fonctionnement. La figure montre la dépendance de l'état du gaz SF6 à la température.
Graphique de l'état du gaz SF6 en fonction de la température
Pour le fonctionnement des équipements SF6 à des températures négatives moins 40 gr, il est nécessaire que la pression du gaz SF6 dans l'appareil ne dépasse pas 0,4 MPa à une densité ne dépassant pas 0,03 g / cm3.
Lorsque la pression augmente, le gaz SF6 se liquéfie à une température plus élevée. par conséquent, afin d'améliorer la fiabilité d'un équipement électrique à des températures d'environ moins 40 ° C, il doit être chauffé (par exemple, le réservoir d'un disjoncteur SF6 est chauffé à plus 12 ° C pour éviter de faire passer du gaz SF6 dans un liquide État).
La capacité d'arc du gaz SF6, toutes choses égales par ailleurs, est plusieurs fois supérieure à celle de l'air. Cela s'explique par la composition du plasma et la dépendance à la température de la capacité calorifique, de la chaleur et conductivité électrique.
A l'état plasmatique, les molécules de SF6 se désintègrent. A des températures de l'ordre de 2000 K, la capacité calorifique du gaz SF6 augmente fortement du fait de la dissociation des molécules. Par conséquent, la conductivité thermique du plasma dans la plage de température 2000 - 3000 K est beaucoup plus élevée (de deux ordres de grandeur) que celle de l'air. A des températures de l'ordre de 4000 K, la dissociation des molécules diminue.
Dans le même temps, le faible potentiel d'ionisation du soufre atomique formé dans l'arc SF6 contribue à une concentration d'électrons suffisante pour maintenir l'arc même à des températures de l'ordre de 3000 K. Plus la température augmente, plus la conductivité du plasma diminue, atteint la conductivité thermique de l'air, puis augmente à nouveau. De tels processus réduisent la tension et la résistance d'un arc brûlant dans du gaz SF6 de 20 à 30% par rapport à un arc dans l'air à des températures de l'ordre de 12 000 à 8 000 K. En conséquence, la conductivité électrique du plasma diminue.
À des températures de 6000 K, le degré d'ionisation du soufre atomique est considérablement réduit et le mécanisme de capture d'électrons par le fluor libre, les fluorures inférieurs et les molécules de SF6 est amélioré.
À des températures d'environ 4000 K, la dissociation des molécules se termine et la recombinaison des molécules commence, la densité électronique diminue encore plus à mesure que le soufre atomique se combine chimiquement avec le fluor. Dans cette gamme de température, la conductivité thermique du plasma est encore importante, l'arc est refroidi, ceci est également facilité par l'évacuation des électrons libres du plasma du fait de leur capture par les molécules de SF6 et le fluor atomique. La rigidité diélectrique de l'espace augmente progressivement et finit par se rétablir.
Une particularité de l'extinction d'arc dans le gaz SF6 réside dans le fait qu'à courant proche de zéro, la fine tige d'arc est toujours maintenue et se rompt au dernier instant du passage du courant par le zéro.De plus, après le passage du courant par zéro, la colonne d'arc résiduel dans le gaz SF6 se refroidit intensément, notamment en raison de l'augmentation encore plus importante de la capacité calorifique du plasma à des températures de l'ordre de 2000 K, et la rigidité diélectrique augmente rapidement .
L'augmentation de la rigidité diélectrique du gaz SF6 (1) et de l'air (2)
Une telle stabilité de la combustion de l'arc dans le gaz SF6 à des valeurs de courant minimales à des températures relativement basses se traduit par l'absence d'interruptions de courant et de surtensions importantes lors de l'extinction de l'arc.
Dans l'air, la rigidité diélectrique de l'espace au moment où le courant d'arc passe par zéro est supérieure, mais en raison de la grande constante de temps de l'arc dans l'air, le taux d'augmentation de la rigidité diélectrique après que le courant passe par zéro est inférieur.