غاز (sf6) وعلاقته بالتيار الكهربائي

Eng.Mohamad

مدير عام
طاقم الإدارة
غاز (SF6)


يستخدم غاز (SF6) بشكل واسع في المعدات الكهربائية كعازل جيد للأجزاء الحية من الأجهزة وكوسط فعال في إطفاء الشرارة الكهربائية في غرف قواطع الدورة لمستويات الفولتية العالية .
ولوحظ على مدى استخدامه كفاءته في العزل, أضافه إلى صغر حجم المعدات وانخفاض في كلف التصنيع والصيانة.
يستعمل سداسي فلوريد الكبريت في الشبكات الكهربائية ذو التوتر العالي في غاية الأهمية، خاصة في أجهزة العزل والتوصيل الكهربائي. رغم كل هذه الإيجابيات إلا أنه محور نقاش بخصوص مساهمته في ظاهرة الاحتباس الحراري. إذ أن قدرة الاحترار تفوق قدرة ثاني أكسيد الكربون ب 22000 مرة. لكن نظراً لاستعماله المحدود وبإحكام فإن الإحصائيات الرسمية تشير إلى نسبة ضعيفة في الاحترار العالمي لا تتعدى 0.5%. كما يستعمل في مجال صناعة أنصاف النواقل خاصة في الإزالة بالتفاعل الأيوني للسليكون
يعتبراس اف 6 SF6 من أقوى الغازات التي تسبب زيادة ظاهرة الاحتباس الحراري، فجزيئاته شديدة المقاومة تجاه أي هجوم من الغلاف الجوي، حتى إن خاصية التنظيف الذاتي للغلاف الجوي لا تستطيع التعامل مع مثل تلك الجزيئات؛ لذلك تتمتع بفترة حياة طويلة مما يجعلها أقوى تأثيرًا؛ ولذلك يتم حاليًا تقييد إنتاجها، فبالإضافة إلى قوة امتصاصه الكبيرة للأشعة تحت الحمراء هو يتمتع بفترة حياة طويلة نسبيا.




 الخصائص:
أ- الخصائص الفيزياوية:
غاز SF6, غاز عديم اللون والرائحة غير قابل للاحتراق, غاز ثقيل (أثقل من الهواء خمس مرات) كثافته (6.14 kg/m3) في الضغط الجوي.

الخواص الفيزيائية:



ب- الخصائص الكيميائية:
يتكون غاز SF6 من اتحاد عنصري الفلور والكبريت باختزال الحرارة المشعة من التفاعل وحسب المعادلة:



نظرا لاختزاله كمية كبيرة من الطاقة يكتسب استقرارية عالية في خصائصه الكيمياوية والحرارية ولوحظ عدم تأثره بالعناصر التالية (هالوجين, بورون, كربون) والحوامض الهيدروجينية( آمونيا, بوتاسيوم,.......).
في درجة الحرارة العالية 500C° أو تعرض الغاز إلى تفريغ كهربائي يحصل تفكك لجزيئات غاز SF6 وينتج الغازات التالية:
S2F, F, F2, F4, F10

معظم هذه الغازات تتفاعل مع الماء لتكون حامض الهايدروفلوريد في حالة وجود الأوكسجين والماء عند التفريغ الكهربائي يتكون غاز SO2F2 وغاز SOF2 تتميز هذه الغازات بخطورتها على جسم الإنسان لأنها سامه.

ج- مخاطر الغاز:
غاز SF6 لا يشتعل ولا يساعد على الاشتعال وغير سام في حالته الاعتيادية لكونه غاز خامل لكنه يسبب الاختناق عند تسربه من المعدات الكهربائية في الأماكن المحصورة وذلك لاختزاله لغاز الأوكسجين إلى الأعلى وعند امتلاء الرئتين به يسبب الاختناق.
أما نواتج احتراق الغاز فلها تأثير سام على الجهاز التنفسي.

 استخدام الغاز في قطع الدائرة الكهربائية:

كما هو معروف التفريغ يحدث بين قطبين مختلفين بالشحنة حين حدوث اتصال أو توفر وسط ناقل للشحنة الكهربائية, هذه الظاهرة تحدث عادة في المعدات الكهربائية (الفواصل- المفاتيح الكهربائية- قواطع الدورة) وتسمى هذه الظاهرة (Electrical Arcing) التي من خلالها ترتفع درجة حرارة الوسط إلى درجة حرارة عالية والتي يجب خفضها بأسرع
وقت لتفادي أي تلف في أجزاء الموصلات الناقلة للتيار, التجأ المصنعون إلى استخدام غاز SF6 لقطع الشرارة لمواصفاته العازلية العالية.
عند حدوث التفريغ الكهربائي وارتفاع درجة الحرارة يحدث تحلل في الغاز إلى نواتج أخرى ومنها:
1- Sulphured Hydrogen.
2- Sulfuric Anhydride.
3- Hydrofluoric Acid.




إضافة إلى نواتج أخرى. معظم هذه النواتج تمتص من قبل مادة(Molecular sieve) التي لها خاصية عالية في امتصاص الرطوبة وبهذا يقلل من احتمال تكوين الحوامض الهيدروجينية (Hydrofluoric Acid).

 المشاكل العملية في قواطع الدورة المستخدمة لغاز SF6:

من خلال البحوث والدراسات حول مشاكل قواطع الدورة لوحظت إن ظاهره الرطوبة في الغاز هي المشكلة الرئيسية لهذا النوع من القواطع لما لها من تأثير في تكوين المركبات ذات التأثير في خفض مستوى العازلية في الوسط العازل لقاطع الدورة.

 تأثير الرطوبة في غاز SF6:

من المعروف أن غاز SF6 مستقر جدا وله عازليه عاليه ويصبح غير مستقر عند احتواءه على نسبة من الرطوبة أعلى من المستوى المسموح حيث يؤدي إلى انخفاض مستوى ( With stand voltage) وترتبط هذه الخاصية بضغط الغاز ودرجة الحرارة للغاز, حيث عند تكاثف قطرات الماء على سطح المعدة الحاوية للغاز فان مقدار (Break down voltage) تقل بصورة كبيرة.
أما عند تكاثف الرطوبة على سطح العازل بصورة صقيع وليس كقطرات ندى فان معدل (Break down voltage) سوف لا يقل.
ولذلك لكي نمنع انخفاض مستوى (With stand voltage) على طول سطح العازل, فان (Partial pressure of moisture) يجب السيطرة عليه بحيث أن عملية تكثف الماء بصورة قطرات رطوبة لا تحدث. وهذا يعني بأن (Dew point of moisture) في غاز SF6 يجب الحفاظ عليها بحيث تبقى تحت درجة الصفر المئوية. ونتيجة لذلك فان تكثف الرطوبة سيكون على صورة صقيع والذي سوف لايقلل مستوى (Break down voltage) على سطح العازل.
لذلك فان السيطرة على المقدار الحقيقي من الرطوبة في غاز SF6 في قواطع الدورة يجب أن تتم مع الأخذ بالحسبان عوامل أخرى كتحلل الغاز مع تواجد الرطوبة.
ونظرا لتواجد الماء يؤدي إلى ظهور مواد ومركبات فعالة مثل (HF,SOF2) والتي لها تأثير فعال في المواد المستعملة في قواطع الدورة. وعلى أية حال فقد لوحظ من خلال التجارب إن تحلل الغاز خلال فترة الخدمة الفعلية لقواطع الدورة هي ذات كمية قليلة جدا يمكن إهمالها.

 السيطرة على حدود الرطوبة في غاز SF6:
يمكن السيطرة على تأثير الرطوبة في غاز SF6:
1- تجنب انخفاض مستوى (With stand voltage) على طول سطح العازل بالحفاظ على (Dew point of moisture) في غاز SF6 اقل من درجة الصفر المئوية وهذا يمنع تكثف الرطوبة على سطح قاطع الدورة بشكل قطرات.
2- كيميائيا, إن مستوى الرطوبة يجب أن يحسب بحيث إن عملية التفاعل الكيمياوي نتيجة إخماد الشرارة لا ينتج منه مركبات مضرة لمكونات قاطع الدورة.
3-
 أسباب وجود الرطوبة في غاز SF6:
وجود الرطوبة في غاز SF6 ناتج من:
1- عدم التخلص من الرطوبة بصورة نهائية أثناء التصنيع أو عند التجميع.
2- تبخر الرطوبة من المواد العازلة ومن أسطح حاويات الغاز أو قواطع الدورة أثناء التركيب.
3- نفاذ الرطوبة من خلال فواصل قاطع الدورة (Rubber sealing) الرابطة للأجزاء المختلفة.
4-
 طرق السيطرة على الرطوبة في غاز SF6:
إن الطرق العملية للسيطرة على الرطوبة المحتواة في قواطع الدورة المعزولة بالغاز يمكن تلخيصها:
1- اختبار مواد العزل العضوية والتي لها خاصية قلة الامتصاص للرطوبة.
2- تجفيف حاوية الغاز أو قاطع الدورة, وعملية التجفيف يمكن القيام بها بعملية (Nitrogen Furring) أو الهواء الساخن مع الاحتفاظ بالتفريغ الكهربائي قبل إملاء القاطع بالغاز.
3- اختبار مادة (Oring).
4- استخدام المجففات لامتصاص الرطوبة.
إن اختيار كمية ونوع المادة المجففة لامتصاص الرطوبة من غاز SF6 يعتمد على عوامل يجب مراعاتها لمعرفة مقدار المادة المجففة ومنها:
1- امتصاص كمية الرطوبة النافذة خلال الـ (Sealing) من الخارج خلال الفترة بين الصيانات المثالية.

2- امتصاص مقدار الرطوبة المحتواة في غاز SF6 المستخدم.
3- امتصاص كمية الرطوبة الممتصة أثناء عملية التفاعل والتركيب.
ويجب اختيار موقع مناسب للمادة المجففة داخل القاطع, أدناه المعادلة الخاصة باختيار كمية المادة المجففة:

W = 8w/α
W = qT + A+B+CT
: كمية المادة المجففة. غم
w: كمية الماء المطلوب امتصاصه.
8 : ثابت يمثل حدود الامتصاص للغاز المتحلل.
q: كمية الماء النافذ خلال الحشوات (غم\سنة).
T:الفترة بين صيانتين متتاليتين.
A: الماء الذي يتم امتصاصه خلال فترة الصيانة والتركيب.غم
B: الماء الموجود ابتداء في العدة.
C: الماء الذي يتبخر من المادة العازلة في قاطع الدورة.
α: ثابت لحدود امتصاص المادة المجففة.

 منع تكثف الرطوبة في قواطع الدورة:
من المعروف أن غاز SF6 يتحول إلى حالة سائلة بوجود ضغط عالي وانخفاض في درجة الحرارة, حيث في درجة حرارة الصفر المئوية وضغط (12 Kg/ cm2) يتحول إلى سائل.
يجب رفع درجة حرارة الغاز والعمل على بقائه في منطقة حدود الغاز كما الشكل المرفق ومن التجارب الميدانية على قواطع الدورة ت ضغط فائق (525KV, 4000A) وباستخدام مسخنات (2KW) ومراوح تهوية وفي مناخ درجة حرارة (-22C°) وبعد إجراء الفحوصات لوحظ خلو الغاز من الرطوبة وعدم تأثره في درجات الحرارة هذه.

 تسرب الغاز نتيجة الأعمال النهائية لسطوح العازل:
من الضروري جدا ملاحظه معامله سطوح العزل لغاز( (SF6 والحدود المسموح بها وعملية اختيار نوع الـ ((Oring المناسب حيث تم إجراء فحوصات عديدة على مختلف أنواع ((Oringولوحظ أن الـ ((Oring المصنع من مادة (Silicon Rubber) يتأثر باختلاف درجة الحرارة والعوامل الأخرى. لذا استبعد من استخدامه في قواطع الدورة ولوحظ إن الـ ((Oring المصنوع من مادة (Neoprene) له خواص جيدة أفضل من السابق ولذا انتشر استخدامه.

 معادلة حساب الـ (Dew Point):
لغرض حساب ومعرفة نقطة التندي للغاز (Dew Point) يجب توفر جهاز لقياس نسبة الرطوبة في الغاز( Hygrometer ) حيث بالإمكان تحديد عدد جزيئات الماء لكل مليون جزء من الغاز بالحجم (ppmv).
كما يجب أن يكون لدينا جدول معياري للغاز يوضح العلاقة بين الضغط ودرجة الحرارة ونسبة الماء إلى الغاز بالحجم باستخدام المعادلة التالية يمكن معرفة نسبة الماء إلى الغاز بالوزن ( ppmw) والتي عن طريقها يمكن معرفة هل إن عدد الجزيئات ضمن الحدود المقبولة أم لا حيث إن القيمة المقبولة هي (15 ) أو اقل.

PPmw = PPmv * (mw. water / mw.gas)
PPmw = PPmv / 8.1

حيث:
PPmw جزء من مليون بالوزن
PPmv جزء من مليون بالحجم
mw water الوزن المولاري للماء = 18
mw gas الوزن المولاري للغاز = 146.05 لغاز SF6
باستخدام هذه المعادلة يمكن تحديد قيمة( ppmw ) بعد اخذ عينة بجهاز (Hygrometer) وعن طريق المخطط يمكن معرفة درجة حرارة التندي بمعرفة (ppmv) والضغط واخذ مسقط مستقيم النقطتين على المخطط.

 
أعلى