گاز SF6 در صنعت برق، به عنوان یک ماده عایقی در تجهیزات فشار قوی و در سطوح ولتاژ بالا بسیار کاربرد دارد.اگرچه SF6 خالص به لحاظ شیمیایی خنثی می باشد، اما در عین حال یک گاز گلخانه ای قوی با یک شبکه مولکولی است که خواص آن در شرایط گرما، بسیار فراتر از دی اکسید کربن خواهد بود. ساختمان مولکولی گاز SF6 به صورت یک هشت ضلعی است که در هر گوشه آن یک اتم فلوئور و در مرکز آن یک اتم گوگرد قرار گرفته و فاصله هر اتم از اتم فلوئور 58 آنگستروم است .
وزن اتمی این گاز برابر با 06/146 و در فرمول شیمیایی آن 95/21% گوگرد و 05/78% فلوئور موجود است .در حالت گازی از قانون گازهای طبیعی پیروی میکند و لذا تغییر فشار فقط با تغییر درجه حرارت و آن هم در محدوده به نسبت بزرگی از آن صورت می گیرد . ویژگی فشار- حرارت گاز SF6 نمایانگر حالت تعادل بین گاز و مایع است یعنی در همان حالتی که در سیلندرهای حامل خود وجود دارد.
SF6 یکی از نادرترین عناصر غیر اکتیو در شرایط معمولی است . در یک محفظه کوارتز تا 500 درجه سانتی گراد هیچ تجزیه ای روی آن صورت نمی گیرد . در درجات بالاتر از 150 درجه سانتی گراد بعضی از فلزات به عنوان کاتالیزور در جهت تجزیه حرارتی به تدریج روی آن موثر واقع میشود ، لذا باید در انتخاب یک فلز مناسب جهت محفظه SF6 دقت لازم صورت گیرد . SF6 غیر سمی ، غیر قابل اشتعال و دارای خاصیت خوب حرارتی و انتقال حرارتی ( 6/1 برابر هوا) است .
نمودار این صفحه مربوط به میزان فشار – درجه حرارت گاز SF6 است .
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 . 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 .
در استفاده از این گاز ، 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 بالا از جمله مزایای این گاز است .
استحکام الکتریکی SF6 به اضافه خواص بالا کاربرد آن را در برق فشار قوی در دامنه بسیار گسترده ای امکان پذیر ساخته است زیرا استحکام الکتریکی این گاز در فشار یک اتمسفری و در شرایط کاملاً برابر چند برابر استحکام الکتریکی هوا یا ازت است . لذا تقلیل حجم و وزن دستگاههای مورد کاربرد SF6 از یک اندازه حد اقل برخوردار است . به عبارت دیگر ، با در نظر گرفتنن یک فشار برابر برای هوا و SF6 فاصله بین دو نقطه ار سطوح پتانسیل تقلیل پیدا می کند یا با در نظر گرفتن یک استحکام الکتریکی برای این دو فشار مورد نیاز و وزن دستگاه ها کمتر میشود و یا با در نظر گرفتن عایق روغن از نظر کاربرد نه تنها SF6 سبکتر از روغن است بلکه از نظر حجم نیز امکان بکار گیری یک حجم کوچکتر برای SF6 وجود خواهد داشت ; زیرا موقع بروز قوس الکتریکی در محفظه های حاوی SF6 و روغن افزایش فشار در محفظه SF6 فقط به اندازه یک عدد اعشاری خواهد بود حال آنکه فشار تولیدی توسط قوس الکتریکی و احیاناً تجزیه مقدار کمی از روغن سبب افزایش بسیار زیاد فشار محفظه روغن میشود .در کاربرد یک گاز به عنوان ماده عایقی در فشار قوی و قضاوت درباره استحکام الکتریکی آن با استفاده از قانون پاشن ، رابطه بین شکست ولتاژ آن گاز نسبت به حاصلضرب فشار ( در یک درجه حرارت ثابت ) یا چگالی آن را ( برای در نظر گرفتن تمام تغییرات فیزیکی آن در درجات حرارت مختلف ) در فاصله تخلیه ، مبدا قرار میدهند .
Ud = f ( P. a ) or Ud = f (δ . a ) { bar.cm}
اگر چگالی نسبی آن را که نسبت به شرایط عادی محاسبه شده باشد ، در نظر بگیریم خواهیم داشت :
Ud = f (δ . a )
هر گاز دارای یک منحنی خاص خود در این نوع است و برای مقایسه بین گازها از این محنحنی استفاده می کنند . مقدار مینیمم ولتاژ شکست برای SF6 برابر 507 ولت در p.d = 0.00035 {bar.cm} و برای هوا 352 ولت در p.d = 0.00073{bar.cm} است .
نمودار این صفحه مربوط به تغییرات استحکام الکتریکی در رابطه با تغییرات فشار و فاصله تخلیه الکتریکی در گاز SF6 و هوا است .
داشتن خواص عالی گاز SF6 سبب کاربرد آن در بسیاری از تاسیسات برق رسانی ، دستگاههای الکتریکی و دیگر صنایع شده است .در صنعت برق فشار قوی ، خاصیت آتش خاموش کن در کلید های فشار قوی ، خاصیت عایقی آن در پستهای سر بسته گازی از نوع SF6 (GIS) کابلهای SF6 و خطوط لوله انتقال انرژی الکتریکی ، ترانسفورماتورها ، خازنهای اندازه گیری برای ولتاژهای بالا ، ژنراتورهای الکترو استاتیکی ، دستگاههای اشعه ایکس ، برقگیرها و نیز در صنایع ریخته گری ( برای جلوگیری از نفوذ هوا ) و صنایع شیشه سازی استفاده می کنند .خاصیت خنک کنندگی این گاز موجب استفاده از آن در ترانسفورماتورهای قدرت نیز امکان پذیر ساخته است . برخی از کارخانه های ترانسفورماتور سازی ، ترانسفورماتورهای با ولتاژ 66 کیلو ولت و قدرت 20 مگا ولت آمپری ( سیستم خنک کنندگی ONAN و ONAF ) را تولید کرده اند .
علت آزمایش گاز SF6 جهت افزایش ایمنی ، کاهش آثار مخرب زیست محیطی ، صرفه جوئی هزینه تعمیرات و نگهداری روشهای بکارگیری توسعه یافته ( بهینه سازی روشهای کاربرد قدیمی ) است .
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 :
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 ) .
روشهای رایج برای بازرسی نشتی SF6 ، شامل استفاده از صابون است که با این عمل، در صورت وجود نشتی، حبابهای گاز در محل نشتی ظاهر می شوند و بدین ترتیب نشتی تشخیص داده می شود. این روش نسبتا" زمان بر بوده و بدلیل اینکه لازم است تا تجهیزات مورد بازرسی بی برق گردند، پر هزینه می باشد.
اخیرا" مؤسسهEPRI برای تشخیص نشتی گاز SF6 ، روش جدیدی مبتنی بر استفاده از دوربین “GasVue”،برای انجام بازرسی در محل تجهیزات ارائه نموده است. دوربین لیزری“GasVue” یک فناوری جدید در بازرسی و آشکار سازی نشتی گاز SF6می باشد. اساس کار این دوربین بر ترکیب Co2laser (قسمتی که طول موجهای مادون قرمز را برای جذب و شناسایی SF6هماهنگ می نماید)با یک سیستم تصویری مادون قرمز می باشد و بدین ترتیب، امکان مشاهده نشتی SF6 که برای چشم غیر مسلح و دیگر تجهیزات بازرسی بصری، غیر محسوس است، فراهم می گردد.
این دوربین با سرعت و دقتی فراوان و بی نیاز از خروج تجهیزات تحت بازرسی از حالت بهره برداری، حتی نشتی ناشی از یک سوراخ ریز را نشان می دهد. استفاده از این دوربین سبب میگردد که شرکتهای برق، نشتی های مربوط به گاز SF6 را سریعتر و صحیحتر از روشهای رایج تشخیص دهند. در نتیجه با استفاده از این سیستم، هزینه های مربوط به عیب یابی کاهش یافته و میزان اتلاف گاز SF6 نیز کمتر می گردد.
بعلاوه می توان نشتی روی سطوحی را که به سختی در دسترس می باشند شناسایی کرد و نیز با توجه به سایر تکنیکها، حتی طیفهای ضعیف گاز و یا نشتیهای پالسی را که در حال خروج هستند، نشان داد. دوربین مذکور، ایمنی عملیات بازرسی را بهبود می بخشد چرا که کاربر دوربین می تواند از یک فاصله امن از تجهیزات و نیز در ارتفاع معینی از زمین که عموما" بر روی نردبانها و چوب بستها می باشد، عمل بازدید را هدایت نماید.
برای آشکار سازی نشتی گاز SF6 در کلیدها و دیگر تجهیزات یک پست در ایالت ایلی نویز( آمریکا) ، بجای آزمایشات مرسوم، از دوربین لیزری“GasVue” استفاده گردید. با صرف نظر از هزینه های مشترک بین این روش و آزمایشهای مرسوم حبابی(صابونی)، برآورد بعمل آمده نشان داد که هزینه صرفه جویی شده به واسطه این روش کاربردی ساده، معادل 12 هزار دلار می باشد. پس از سرمایه گذاری مؤسسه EPRI در امر پیشرفت دوربین مورد نظر، شرکت "ادیسون" در نیویورک، در چند نوبت از ماه، از این دوربین استفاده کرده است.همچنین شرکت برق آفریقای جنوبیEskom از این دوربین در چهار پست خود استفاده کرده است.
