Диэлектрический газ , или изолирующий газ , является диэлектрическим материалом в газообразном состоянии. Его основное предназначение - предотвратить или быстро погасить электрические разряды . Диэлектрические газы используются в качестве электрических изоляторов в высоковольтных устройствах, например, трансформаторах , автоматических выключателях (а именно выключателях с гексафторидом серы ), распределительных устройствах (а именно высоковольтных распределительных устройствах ), радарных волноводах и т.
Хороший диэлектрический газ должен иметь высокую диэлектрическую прочность , высокую термическую стабильность и химическую инертность по отношению к используемым конструкционным материалам, негорючесть и низкую токсичность , низкую температуру кипения , хорошие свойства теплопередачи и низкую стоимость. [1]
Наиболее распространенным диэлектрическим газом является воздух из-за его повсеместного распространения и низкой стоимости. Другой широко используемый газ - это сухой азот .
В особых случаях, например, высоковольтные переключатели, необходимы газы с хорошими диэлектрическими свойствами и очень высокими пробивными напряжениями . Предпочтительны элементы с высокой электроотрицательностью , например галогены , поскольку они быстро рекомбинируют с ионами, присутствующими в канале разряда. Галогеновые газы очень агрессивны . Поэтому предпочтительны другие соединения, которые диссоциируют только в пути разряда; гексафторид серы , органофториды (особенно перфторуглероды ) и хлорфторуглероды являются наиболее распространенными.
Напряжение пробоя газов примерно пропорционально их плотности . Напряжения пробоя также увеличиваются с увеличением давления газа. Многие газы имеют ограниченное верхнее давление из-за их сжижения .
Продукты разложения галогенированных соединений обладают высокой коррозионной активностью, поэтому следует предотвращать возникновение коронного разряда .
Скопление влаги может ухудшить диэлектрические свойства газа. Для раннего обнаружения этого используется анализ влажности .
Диэлектрические газы также могут служить хладагентами .
В некоторых приложениях альтернативой газу является вакуум .
При необходимости можно использовать смеси газов. Добавление гексафторида серы может значительно улучшить диэлектрические свойства более плохих изоляторов, например гелия или азота. [2] Многокомпонентные газовые смеси могут обладать превосходными диэлектрическими свойствами; оптимальные смеси объединяют газы , связывающие электроны ( гексафторид серы , октафторциклобутан ), с молекулами, способными термализовать (замедлять) ускоренные электроны (например, тетрафторметан , фтороформ ). Свойства изолятора газа находятся под контролем комбинацией прилипания электронов, рассеяние электронов и ионизация электрона . [3]
Атмосферное давление существенно влияет на изоляционные свойства воздуха. В высоковольтных устройствах, например в ксеноновых импульсных лампах, могут возникать электрические пробои на большой высоте.
| Газ | Формула | Напряжение пробоя относительно воздуха | Молекулярный вес (г / моль) | Плотность * (г / л) | ODP | GWP | Электронно-приставной | Характеристики |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Гексафторид серы | SF 6 | 3.0 | 146,06 | 6,164 | 22800 | Самый популярный изоляционный газ. Он плотный и богат фтором , который является хорошим гасителем разряда. Хорошие охлаждающие свойства. Отличное гашение дуги. Продукты коррозионного разложения. Хотя большинство продуктов разложения имеют тенденцию быстро восстанавливать SF 6, дуга или коронный разряд могут привести к образованию декафторида дисеры ( S 2F 10), высокотоксичный газ, сравнимый по токсичности с фосгеном . Гексафторид серы в электрической дуге может также реагировать с другими материалами и выделять токсичные соединения, например фторид бериллия из керамики оксида бериллия . Часто используется в смесях, например, с азотом или воздухом. | ||
| Азот | N 2 | 1,15 | 28 год | 1,251 | - | - | нет | Часто используется при высоком давлении. Не способствует горению. Может использоваться с 10–20% SF 6 в качестве более дешевой альтернативы SF 6 . Может использоваться отдельно или в сочетании с CO 2 . Неэлектронное присоединение, эффективное замедление электронов. |
| Воздуха | 29 / смесь | 1 | 1.2 | - | - | Напряжение пробоя 30 кВ / см при 1 атм. Очень хорошо проработано. Под действием электрического разряда образует едкие оксиды азота и другие соединения, особенно в присутствии воды. Продукты коррозионного разложения. Может способствовать горению, особенно в сжатом состоянии. | ||
| Аммиак | NH 3 | 1 | 17.031 | 0,86 | ||||
| Углекислый газ | CO 2 | 0,95 | 44.01 | 1,977 | - | 1 | слабый | |
| Монооксид углерода | CO | 1,2 [4] | слабый | Эффективен для замедления электронов. Токсично. | ||||
| Сероводород | ЧАС 2S | 0,9 | 34,082 | 1,363 | ||||
| Кислород | О 2 | 0,85 | 32,0 | 1,429 | - | - | Очень эффективно облегчает горение. Опасно, особенно при высокой концентрации или сжатии. | |
| Хлор | Cl 2 | 0,85 | 70,9 | 3,2 | ||||
| Водород | ЧАС 2 | 0,65 | 2,016 | 0,09 | практически нет | Низкое напряжение пробоя, но высокая теплоемкость и очень низкая вязкость. Используется для охлаждения, например, турбогенераторов с водородным охлаждением . Проблемы обращения и безопасности. Очень быстрое высвобождение возбуждения, может использоваться в искровых разрядниках с высокой частотой следования импульсов и быстрых тиратронах . | ||
| Диоксид серы | ТАК 2 | 0,30 | 64,07 | 2,551 | ||||
| Оксид азота | N 2О | ~ 1,3 | слабый | Слабая электронная привязка. Эффективно замедляет электроны. [4] | ||||
| 1,2-дихлортетрафторэтан ( R-114 ) | CF 2ClCF 2Cl | 3,2 | 170,92 | 1,455 | ? | сильный | Давление насыщения при 23 ° C составляет около 2 атм, что дает напряжение пробоя в 5,6 раз выше, чем у азота при 1 атм. Продукты коррозионного разложения. | |
| Дихлордифторметан (R-12) | CF 2Cl 2 | 2,9 | 120,91 | 6 | 1 | 8100 | сильный | Давление пара 90 фунтов на квадратный дюйм (6,1 атм) при 23 ° C, что дает напряжение пробоя в 17 раз выше, чем у воздуха при 1 атм. Более высокие пробивные напряжения могут быть достигнуты за счет увеличения давления путем добавления азота. Продукты коррозионного разложения. |
| Трифторметан | CF 3ЧАС | 0,8 | слабый | |||||
| 1,1,1,3,3,3 -гексафторпропан (R-236fa) | CF 3CH 2CF 3 | 152,05 | 6300 | сильный | Продукты коррозионного разложения. | |||
| Тетрафторид углерода (R-14) | CF 4 | 1.01 [1] | 88,0 | 3,72 | - | 6500 | Плохой изолятор при использовании отдельно. В смеси с SF 6 несколько ухудшаются диэлектрические свойства гексафторида серы, но значительно снижается температура кипения смеси и предотвращается конденсация при экстремально низких температурах. Снижает стоимость, токсичность и коррозионную активность чистого SF 6 . [5] | |
| Гексафторэтан (R-116) | C 2F 6 | 2,02 [1] | 138 | 5,734 | - | 9200 | сильный | |
| 1,1,1,2-Тетрафторэтан (R-134a) | C 2ЧАС 2F 4 | сильный | Возможная альтернатива SF 6 . [6] Его свойства гашения дуги плохие, но его диэлектрические свойства довольно хорошие. | |||||
| Перфторпропан (R-218) | C 3F 8 | 2.2 [1] | 188 | 8,17 | - | ? | сильный | |
| Октафторциклобутан (R-C318) | C 4F 8 | 3,6 [1] | 200 | 7,33 | - | ? | сильный | Возможная альтернатива SF 6 . |
| Перфторбутан (Р-3-1-10) | C 4F 10 | 2,6 [1] | 238 | 11.21 | - | ? | сильный | |
| 30% SF 6/ 70% воздуха | 2,0 [1] | |||||||
| Гелий | Он | Нет | Неэлектронное присоединение, неэффективно для замедления электронов. | |||||
| Неон | Ne | 0,02 [4] | Нет | Неэлектронное присоединение, неэффективно для замедления электронов. | ||||
| Аргон | Ar | 0,2 [4] | Нет | Неэлектронное присоединение, неэффективно для замедления электронов. | ||||
| вакуум | В конденсаторах и переключателях используется высокий вакуум. Проблемы с обслуживанием вакуума. Более высокое напряжение может привести к появлению рентгеновских лучей . [7] [8] |
* плотность указана приблизительно; обычно указывается при атмосферном давлении, температура может варьироваться, хотя в большинстве случаев она составляет 0 ° C.
Ссылки [ править ]
- ^ Б с д е е г M S Naidu; NAIDU MS (22 ноября 1999 г.). Техника высокого напряжения . McGraw-Hill Professional. С. 35–. ISBN 978-0-07-136108-8. Проверено 17 апреля 2011 года .
- ^ Пол Г. Слэйд (2008). Вакуумный прерыватель: теория, конструкция и применение . CRC Press. С. 433–. ISBN 978-0-8493-9091-3. Проверено 17 апреля 2011 года .
- ^ Ramapriya Parthasarathy Использование ридберговских атомов в качестве лаборатории на микроуровне для исследования низкоэнергетических взаимодействий электронов и молекул
- ^ a b c d Лукас Г. Кристофору Исследования и выводы об альтернативах чистому SF 6 . Национальный институт стандартов и технологий. Гейтерсбург, Мэриленд. EPA.gov
- ^ Лукас Г. Кристофору; Джеймс К. Олтофф (1 января 1998 г.). Газообразные диэлектрики VIII . Springer. С. 45–. ISBN 978-0-306-46056-2. Проверено 17 апреля 2011 года .
- ^ Газообразные диэлектрики с низким потенциалом глобального потепления - Заявка на патент США 20080135817 Описание Архивировано 13 октября 2012 г., на Wayback Machine . Patentstorm.us (12 декабря 2006 г.). Проверено 21 августа 2011.
- ^ Ганс Р. Грием; Ральф Харви Ловберг (1970). Физика плазмы . Академическая пресса. С. 201–. ISBN 978-0-12-475909-1. Проверено 9 января 2012 года .
- ^ Равиндра Арора; Вольфганг Мош (25 февраля 2011 г.). Техника высокого напряжения и электроизоляции . Джон Вили и сыновья. С. 249–. ISBN 978-1-118-00896-6. Проверено 9 января 2012 года .
