Автоматическое повторное включение

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 образом, 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 газом 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 исчезающе 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 (2 х 105 т)/ (5 х 1015 т) = 4 х 10-11. Эта величина на 7 порядков меньше количества углекислого газа (3,5 х 10-4), 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 необходимой 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 рекомендуется 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 самого 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 KOH, 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.

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 огнегасящего вещества, поскольку традиционные бромиды запрещены. До середины 80-х годов XX века в качестве газовых огнетушащих веществ применялись в основном диоксид углерода (углекислота), хладон 13В1 (СF3Вr), хладон 114В2 (С2F4Вr2), хладон 12В1 (СF2СlВr). 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 галонов R13В1, R12В1 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, озоноразрушающим потенциалом, огнетушащей концентрацией, потенциалом глобального потепления, доступностью.

Наименьшая степень химической опасности свойственна инертным газам: азоту (N2), аргону (Аr), комбинациям под названиями аргонит (N2+Аr в равных объемных частях) и инерген (N2+Аr+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 вытесняют 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 использовании 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) - высокотоксичные соединения, имеющие резкий запах и оказывающие сильное раздражающее действие на слизистые оболочки дыхательных путей и органов зрения.

В газовом пожаротушении широко применяются и хладоны - фторпроизводные 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 кардиосенсибилизирующее 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 (таблица 1), 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 GWP. 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.

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 несовершенства 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 огнегасящей 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.

Размещено на Allbest.ru