Информационный портал  "TRANSFORMаторы"

 

Прикладние вопросы использования элегаза в промышленности

И. Мазурин,  Р. Герасимов,  Е. Безбородова

 

 

Одно из положений эколога Б. Коммонера о рациональном природопользовании гласит, что «всё связано со всем». Это положение применимо и к рассмотрению вопросов эксплуатации элегаза в электрооборудовании, если принять элегазовое оборудование за звено цепочки «антропогенная деятельность-биосфера». Обычно антропогенная деятельность приводит к отрицательным воздействиям на биосферу, что, мягко говоря, нежелательно для всего человечества, а в конкретном случае эти вопросы важны в первую очередь для эксплуатационников элегазового оборудования, поскольку они накладывают законодательные, технические и финансовые ограничения на эксплуатацию элегазового оборудования.

Попытаемся рассмотреть возможные случаи негативного воздействия на здоровье человека и окружающую природную среду, которые могут возникнуть при использовании элегаза в электрооборудовании. Выделим 3 основных интересующих нас стадии жизни элегаза: производство, его применение и утилизация. Остановимся подробнее на каждой из данных стадий.

1. Производство элегаза. Производство элегаза осуществляется в результате прямой реакции между расплавленной серой и газообразным фтором, полученным при электролизе. Но при синтезе элегаза образуются и другие фториды - S2F2 SF2 SF4 и S2F10 , а также примеси из-за присутствия влаги, воздуха и угольных анодов, используемых для электролиза фтора [5]. Концентрация этих веществ невелика, в среднем составляет 0,01 - 0,1% по объему. Но если химически чистый элегаз нетоксичен и является весьма инертным соединением, которое до температуры 300°С не реагирует ни с какими материалами, применяемыми в высоковольтном оборудовании, то примеси могут изменить упомянутые свойства продукта и даже сделать его непригодным для использования [5]. Поэтому необходима тщательная очистка производимого элегаза, тем более, что состав чистого элегаза регламентируется на национальном уровне - ТУ 6-02-2-686-82 (отсутствие токсичных примесей, имеющих место в технологии его производства, гарантируется заводом - изготовителем на основе биологического контроля партии) - и на международном -стандартом МЭК 60 376.

Существует также способ безотходного производства элегаза, основанный на повторном фторировании загрязняющих продуктов, но в Российской Федерации он пока не используется (по крайней мере, на пермском заводе «Галоген» - одном из основных заводов-производителей элегаза в России).

2. Использование элегаза. Во время эксплуатации аппаратов интерес с экологической точки зрения представляют утечки элегаза и содержащихся в нем примесей различного происхождения. При работе с чистым элегазом опасно разбавление кислорода воздуха с понижением его концентрации ниже 16%. За счет высокой плотности элегаз способен длительное время сохраняться в открытых сосудах с горловиной в верхней части и заполнять углубления, траншеи, кабельные каналы, закрытые помещения, вытесняя из них воздух. Пребывание человека в среде с пониженной концентрацией кислорода (ниже 16%) может привести к удушью и потере сознания. Причем человек теряет сознание без каких-либо тревожных симптомов. Также опасен выброс газа из баллона под давлением, поскольку может произойти обморожение.

Утечкам элегаза может способствовать проницаемость поверхностей оборудования, недостаточная герметичность или несоответствующее обращение с оборудованием, в том числе во время заправки. Данный аспект регулируется законодательно - по международным стандартам утечки из высоковольтных аппаратов должны составлять не более 1 % в год от массы заправки. Таким об разом, утечки гексафторида серы являются нежелательным процессом, но при соблюдении установленных правил эксплуатации и допустимых уровней они не представляют собой особой опасности, несмотря на то, что официально элегаз признан парниковым га зом с большим временем жизни в атмосфере - 3200 лет (согласно подсчетам экспертов из Межправительственной группы по изменению климата IPCC [6]). Но. вследствие чрезвычайно низкой концентрации элегаза в атмосфере (6,4 х 10-12 % [6]), его вклад в глобальное потепление является исчезающее малой величиной (менее 0,001%). хотя по данным IPCC эта величина составляет 0,1%. Обратимся к массовым отношениям газов в атмосфере (точнее, стратосфере, если согласиться со сценарием IPCC, что элегаз сразу уходит в стратосферу). Ежегодное производство элегаза составляет примерно 7000 т/год, утечки - 5000 т/год.

Массовый выпуск элегаза начался с 70-х годов, т.е. длится около 40 лет. Тогда максимально возможное общее содержание элегаза, перенесенного в стратосферу, составит 5000 т/год х 40 лет = 2 х 105 т. Содержание воздуха в атмосфере Земли - 5 х 1015 т. Концентрация элегаза при условии полного сохранения в стратосфере составит (2х 105т)/(5х 1015т) = 4х 10-11. Эта величина на 7 порядков меньше количества углекислого газа (3,5x10-4), поэтому трудно утверждать, что она является значимой с точки зрения влияния на парниковый эффект.

Тем не менее, полная утилизация отработанного элегаза с обязательным повторным его использованием является экономически выгодной и экологически обходимой технологией. В случае непредвиденной аварии, когда происходит утечка большого количества бывшего в употреблении элегаза, может возникнуть угроза здоровью работающего персонала. Уровень загрязнения газа зависит от качества поставленного продукта и от времени его эксплуатации. В аппаратах рекомендуемся использовать элегаз не более 10 лет, поскольку далее в нем может накапливаться довольно значительное количество различных примесей, опасных как для живых организмов, так и для функционирования самогo оборудования. Образование примесей в элегазе может происходить из-за неправильного обращения с элегазом; негерметичности оборудования; десорбции частиц с поверхностей и сорбентов; разложения при электрических разрядах и перегруппировки образовавшихся частиц; а также механического распыления частиц металла электродов при разрядах [8].

Таким образом, в результате действия дугового, искрового, тлеющего, коронного и частичных разрядов, а также под влиянием работ с открытым пламенем, элегаз разлагается с образованием низших фторидов серы, оксифторидов серы, фторидов и сульфидов металлов, входящих в состав материалов, на которых формируется разряд. Низшие фториды серы являются реакционно способными соединениями и могут вступать во взаимодействие с кислородом, водой и другими соединениями, образуя ряд серу- и фторсодержащих соединений, способных к дальнейшему гидролизу с образованием сернистого газа и кислот (плавиковой, сернистой, серной).

Токсичные свойства продуктов разложения элегаза определяются как самими низшими фторидами, так и продуктами их гидролиза. Низшие фториды серы и продукты их гидролиза обладают резким специфическим запахом и в связи с этим их наличие можно обнаружить органолептически (т.е. по запаху) в концентрациях ниже опасных. Персонал, ощутив характерный запах, получает предупреждение о необходимости покинуть помещение, в воздухе которого появились токсичные продукты.

Нормальная работа коммутационного элегазового аппарата приводит к образованию газообразных низших фторидов серы и твердых продуктов, выделяющихся в виде пыли. Твердые продукты, представляющие собой фтористые, серные и сернистые соли металлов, входящих в состав материалов дугогасительных контактов, представляют опасность при вдыхании. Являясь мелкодисперсными аэрозолями, они также могут содержать в адсорбированном состоянии газообразные токсичные компоненты [1].

Таким образом, во время обслуживания, ремонта и ревизии элегазового оборудования приходится сталкиваться с загрязненным элегазом, который может содержать примеси различного происхождения и различных уровней токсичности. В таких случаях, с точки зрения охраны здоровья персонала, окружающей среды и по экономическим причинам, целесообразнее проводить очистку этого газа и использовать его повторно. Наиболее простыми способами являются очистка на сорбентах (алюмогель) или щелочами (удаление кислых фторидов при использовании 40%-ных растворов или гранулированных КОН, NaOH).

Данные методы способствуют значительному удалению примесей за исключением трудноудалимых (воздух, пары масла, N2, CF4). Трудноудалимые составляющие выводятся с использованием ректификации и направленной кристаллизации - довольно эффективных, но более сложных по исполнению методов.

В Российской Федерации вопрос обязательности рецикла элегаза не закреплен юридически, поэтому эксплуатационники, часто не имея возможности проводить необходимую очистку использованного элегаза, выпускают его в атмосферу без особых санкций со стороны надзорных органов.

В настоящих условиях создание системы рециклирования элегаза не является экономически привлекательным шагом, так как объемы рециклируемого газа сегодня довольно малы. Но уже в ближайшем будущем в РФ неизбежен переход на массовое использование элегазового оборудования из-за его явного преимущества перед маслонаполненным и воздушным. Эта тенденция очевидна.

В силу различных функций элегаза в реальных конструкциях, в том числе коммутирующих и некоммутирующих высоковольтных аппаратах, используется газ различного качества. Наименьшие требования предъявляются к газу, который не связан с гашением дуги. В дугогасящих устройствах требования довольно высоки. Также существуют отрасли, в которых требования к качеству элегаза еще выше. Это медицина, лазерная техника и импульсная техника. Независимо от сферы применения, образующиеся в элегазе примеси являются технологическими ограничителями.

Для коммутирующих устройств - это кислород и влага, которые способствуют неполной рекомбинации элегаза, т.к. образуются нерекомбинирующие продукты разложения. В некоммутирующих устройствах основной проблемой является содержание влаги, поскольку электрический разряд, который способствует образованию различных примесей, может возникнуть в них только при нарушении изоляции, в том числе и из-за повышенной влажности. В других видах использования, например, в медицине, ограничения могут быть связаны с образованием фторпроизводных соединений.

Таким образом, можно классифицировать качество элегаза по видам применения. Важно отметить, что элегаз используется в повторяющихся длительных процессах, поэтому наработка продуктов разложения в нем имеет нарастающий характер и вполне определенный предел использования, после которого обязательны рецикл или замена.

Проблема работы с рабочими телами в высоковольтных аппаратах не является новой. Применяемое в электрооборудовании трансформаторное масло, например, периодически должно подвергаться осушке на особом сорбенте - специальной глине зикеевского месторождения или на цеолитах. После осушки масла глина выбрасывалась в отвал. В случае с элегазом ситуация аналогична. При небольших загрязнениях газа и невысоких требованиях к качеству газа необходима периодическая осушка как гарантия поддержания эксплуатационных свойств аппаратов. В более сложных ситуациях очистка осуществляется по нескольким компонентам: фторидам, следам минерального масла и примесям воздуха.

В любом случае операции по очистке газа, если выполнять требования его сохранности, имеют общую схему, представленную на рисунке 1:

В данной схеме есть обязательные элементы:

Фильтры от активных фторидов на выходе из аппарата - необходимы для гарантии безопасности персонала, работающего с элегазом, бывшим в употреблении. Пылевой фильтр на входе в аппарат - защищает внутреннюю полость аппарата от попадания туда пылевых частиц, которые образуются при сорбционной очистке элегаза.

3. Утилизация элегаза может осуществляться по трем способам (рисунок 1): с использованием компрессора, с использованием крионасоса, работающего на жидком азоте, или комбинированием -т.е. использованием сорбционного насоса и вакуумного насоса или компрессора.

Далее, соответственно, осуществляется регенерация элегаза. Она может производиться по вышеупомянутым простому (с использованием сорбентов) или сложному способу (ректификация или кристаллизация). В первом случае обычно применяют тележки фирмы «DILO», производство ФРГ - довольно удобные в эксплуатации и надежные устройства по обслуживанию высоковольтных элегазовых аппаратов. Во втором случае применяется установка тонкой регенеративной очистки («Утро»).

Возврат регенерированного элегаза в аппараты может осуществляться как из паровой фазы, так и из жидкой фазы через газификатор. Возможна также подача смесей элегаза с азотом или с CF4, которые в последнее время часто используются в высоковольтном оборудовании.

Это наиболее общая схема системы газообслуживания, которую применяют достаточно крупные предприятия. В ее составе обязательно наличие анализа качества элегаза.

В наиболее полном виде она представлена на высоковольтной подстанции Оскольского металлургического комбината. На малых предприятиях обычно используют упрощенную схему.

В редких случаях, когда элегаз не может быть рециклирован, он может быть утилизован экологически безопасным методом с помощью термического нагрева: при температуре 12000С элегаз диссоциирует на химически активные фрагменты, которые взаимодействуют с кислородом и водородом и образуют оксиды серы и фториды. Продукты этой реакции удаляют посредством прохождения через раствор гидроксида кальция, где они превращаются в гипс (применяют в строительстве) и фторид кальция (используется в гигиенических и медицинских целях) [1;7]. Но данный процесс имеет один недостаток - высокую стоимость.

Таким образом, применение элегаза в высоковольтном оборудовании обеспечивает преимущества минимально занимаемого объема, малой массы оборудования, высокой надежности, производительности, малых приведенных затрат. При соблюдении правил обращения и эксплуатации элегазового оборудования практически не возникает опасных ситуаций ни для персонала, ни для окружающей среды.

Следует также уделить внимание тому факту, что в последнее время в России элегаз нашел применение в качестве огнега-сящего вещества, поскольку традиционные бромиды запрещены. До середины 80-х годов XX века в качестве газовых огнетуша-щих веществ применялись в основном диоксид углерода (углекислота), хладон 13В1 (CF3Br), хладон 114В2 (C2F4Br2), хладон 12В1 (CF2CIBr). В СССР был достигнут существенный прогресс в разработке также комбинированных составов, включающих хладоны и другие газовые огнетушащие вещества.

Подписание Россией Монреальского Протокола об охране озонового слоя Земли повлекло за собой прекращение производства озоноразрушающих веществ, в том числе талонов R13B1, R12B1 и R114B2, широко использовавшихся в пожаротушении. Это послужило толчком к изысканию новых, экологически чистых огнетушащих средств. В результате было санкционировано применение в качестве газовых пожаротушащих средств - диоксида углерода, ряда хладонов нового поколения (фторсодержащие соединения класса алканов (R23, R125, R227ea, R236fa, R218, R31-10 и R13I1), инертных газов и составов из них, а также элегаза.

При выборе средств огнегашения руководствуются различными критериями, в том числе токсичностью, озоноразрушаю-щим потенциалом, огнетушащей концентрацией, потенциалом глобального потепления, доступностью.

Наименьшая стелем, химической опасности свойственна инертньм газам: азоту (N2), аргону (Аг). комбинациям под названиями аргонит (N2+Ar в равных объемных частях) и инерген (N2+Аг+СО2 в соотношении объемных частей 52:40:8). Их относят к экологически чистым веществам, практически нетоксичным и не подверженным в условиях пожара термическому разложению. Эти преимущества инертных газов не являются, однако, гарантией безопасности их применения. Соответственно, высокие концентрации веществ вытеснятю кислород, что может повлечь гипоксическое влияние на организм человека. В малокислородных средах может накапливаться высокотоксичный оксид углерода (угарный газ).

Огнетушащее действие диоксида углерода (СО2) также во многом связано с разбавлением газовоздушной среды в защищаемом объеме и снижением в ней концентрации кислорода. Но, в отличие от инертных газов, СО2 обладает выраженным биологическим действием. В концентрациях 2-5% об.он оказывает сильное возбуждающее действие на дыхательную систему, а в более высоких концентрациях вызывает у людей отравления различной степени тяжести. Огнетушащие концентрации диоксида углерода (25-40 % об.) в 2-3 раза превышают смертельную дозу при кратковременном воздействии.

Кроме инертных газов к нетоксичным газовым огнетушащим веществам относят гексафторид серы, или элегаз (SF6). Но при ипользовании элегаза как средства объемного пожаротушения необходимо учитывать возможность образования в условиях пожара токсичных продуктов его термического разложения. При этом среди летучих продуктов терморазложения обнаружены диоксид серы (SO2) и фтороводород (HF) - высо- тотоксичные соединения, имеющие резкий запах и оказывающие сильное раздражающее действие на слизистые оболочки дыхательных путей и органов зрения. В газовом пожаротушении широко применяются и хладоны - торпроизводные предельных углеводородов, молекулы которых наряду с фтором могут включать хлор, бром, йод. При обычных условиях хладоны представляют собой газообразные соединения со слабой реакционной способностью и высокой химической стойкостью. В подавляющем большинстве они являются малотоксичными веществами с преимущественно наркотическим типом действия на живой организм. Выраженность наркотического действия зависит от концентрации хладона во вдыхаемом воздухе, продолжительности экспозиции и состояния живого организма. Другие опасные для жизни эффекты хладонов проявляются в виде нарушений сердечной деятельности, в меньшей степени они оказывают влияние на органы дыхания, печень, кровь, на процессы энергообразования в клетках. После окончания ингаляционного воздействия хладоны сравнительно быстро выделяются из организма с выдыхаемым воздухом [4].

В качестве токсикологической характеристики в пожаротушении удобнее использовать не ПДК, а величины NOAEL и LOAEL, характеризующие кардиотоксичность, т.е. степень воздействия продукта на сердечную мышцу. NOAEL - наибольшая концентрация, при которой не наблюдается кардиосенси-билизирующее или кардиотоксическое действие; LOAEL - наименьшая концентрация, при которой наблюдается кардиосенсибилизирующее или кардиотоксическое действие; значения NOAEL и LOAEL установлены на основании результатов определения аритмии сердца у животных при 5-минутном воздействии огнетушащего агента и последующем введении адреналина [2;4]. Сопоставляя величины огнетушащей концентрации и концентрации по кардиотоксичности, можно заметить, что один из довольно эффективных хладонов - R13I1 -ограничен к применению, особенно в помещениях с работающим персоналом. Огнетушащие концентрации хладонов 227еа, 236fa и 125 на несколько процентов ниже опасных концентраций для человека, следовательно, их можно использовать, учитывая, что при тушении могут образовываться области с реальной местной концентрацией больше огнетушащей. Хладон R-23 и элегаз имеют высокие концентрации по кардиотоксичности в сравнении с пожаротушащей концентрацией, но образуемые при контакте с открытым пламенем примеси ограничивают их применение в закрытых помещениях с рабочим персоналом. По этой причине их обоснованно использовать при тушении электроники.

Газовые огнетушащие вещества упоминаются еще в ратифицированном Россией Киотском Протоколе, согласно которому углефториды и гексафторид серы имеют высокий потенциал глобального потепления, и, соответственно, являются парниковыми газами. Но, согласно действующим в нашей стране нормам Государственной противопожарной безопасности МВД РФ №88-2001, ряд веществ, а именно - хладоны 23, 125, 218, С-318 и элегаз - входят в перечень применяемых газовых огнегасящих веществ [3]. При этом данный отечественный документ не противоречит международному соглашению, т.е. Киотскому Протоколу, поскольку в нем не упоминаются запреты на использование этих веществ в технических устройствах.

В Киотском Протоколе приведены рекомендации к уменьшению эмиссии углекислоты, обладающей высоким коэффициентом глобального потепления (GWP) при выработке электроэнергии. GWP рассчитан на основе времени жизни вещества в атмосфере (lifetime), но не в приземных условиях, а на высоте стратосферы, т.е. примерно 15 км от поверхности Земли. В этих условиях из-за изменения давления и температуры заметно снижается вероятность столкновения молекул, поэтому (lifetime) стратосферного уровня на 4 порядка выше от такового в приземных условиях. При этом моментальный подъем газа на рассчитанную высоту возможен при извержении вулкана или при ядерном взрыве.

А само название «потенциал» потепления несет ответственность только за вероятность происхождения события, а не есть непосредственный коэффициент, который можно было бы смело использовать в качестве расчетной величины для составления технических и научных обоснований и запретов.

До 2012 года, т.е. до продления действия существующего текста Киотского Протокола, газовые огнетушащие вещества, представленные в НПБ-88-2001, могут применяться в пожаротушении без ограничений по показателю GWR. Относительно охраны окружающей среды в этой ситуации также не возникает особых проблем, т.к. вклад рассматриваемых «парниковых» газов в общий парниковый эффект не является значимой величиной.

Таким образом, в пожаротушении элегаз является неплохим конкурентом среди остальных огнегасящих средств. Возможны также отличные решения по утилизации элегаза после тушения с использованием сорбционного насоса, который является довольно надежным средством для оперативного сбора элегаза и его примесей. С помощью несложных операций элегаз десорбируется, а после очистки может повторно использоваться.

Заключение.

Уникальные физико-химические свойства элегаза обеспечили его применение в различных сферах. Но существуют условия применения элегаза в отношении безопасности людей и окружающей среды:

1. Токсичность элегаза, связанная с образованием примесей различного происхождения, является следствием его использования в качестве дугогасящей и изолирующей среды. Безопасное применение элегаза в высоковольтной технике решается с помощью использования методов очистки как простых, так и сложных.

2. Утечки элегаза происходят из-за не совершенства конструкций и уплотнений. Решение проблемы утечек элегаза в разработке и использовании более совершенных технологий.

3. Утилизация элегаза вполне осуществима с помощью сорбционных насосов. После чего его очищают до необходимого качества для повторного использования.

4. Использование элегаза в качестве огнегасящеи среды вполне эффективно и в конкретных условиях может быть более безопасным для человека в сравнении с другими огнегасящими веществами, такими как R-125 и R-227ea.

Литература:

1. Аракелян В.Г. Элегазовое электротехническое оборудование. Технические требования к производству для обеспечения качества элегаза в оборудовании и меры обеспечения санитарногигиенической и экологической безопасности. Руководящий документ 16.066-05.

2. Барабанов В.Г., Блинова О.В., Зотиков B.C. и др. Озонобезопасные альтернативы и заменители. Пропелленты, хладагенты, вспениватели, растворители, огнегасящие средства. - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2003.

3. НПБ 88-2001. «Установки пожаротушения и сигнализации. Нормы и правила проектирования».

4. Оценка опасности токсикологического воздействия огнетушащих газов и аэрозолей, применяемых для объемного пожаротушения. Методическое пособие. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС 2005.

5. Полтев А.И. Конструкции и расчет элегазовых аппаратов высокого напряжения. - Л.: Энергия, Ленинградское отделение, 1979.

6. IPCC. Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing.

7. SF6 properties, and use in MV and HV switchgear. Cahier technique No. 188. Schneider Electric, 2003.

8. SF6 recycling guide - Re-use of SF6 gas in electrical power equipment and final disposal, Task Force 23.10.01. Electra № 173. Paris: CIGRE, 1997.

 
 
Полное содержание статьи Вы можете найти в первоисточнике
Источник:  ©  И.Мазурин, Р.Герасимов, Е.Безбородова. Прикладние вопросы использования элегаза в промышленности. Энерго info, №  1,  2010.– С.10-14.
Материал размещен на  www.transform.ru: 26.03.2010 г.
 

 

Перейти в форум для обсуждения

  ©  TRANSFORMаторы 2004—2010


Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика ??????????? ????