Dielektrický plyn - Dielectric gas
A dielektrický plynnebo izolační plyn, je dielektrikum materiál v plynném stavu. Jeho hlavním účelem je zabránit nebo rychle uhasit elektrické výboje. Dielektrické plyny se používají jako elektrické izolátory v vysokého napětí aplikace, např. transformátory, jističe (a to jističe fluoridu sírového ), rozváděč (a to rozváděče vysokého napětí ), radar vlnovody, atd.
Dobrý dielektrický plyn by měl mít vysoký dielektrická pevnost, vysoká tepelná stabilita a chemická inertnost proti použitým stavebním materiálům, nehořlavost a nízká toxicita nízká bod varu, dobrý přenos tepla vlastnosti a nízké náklady.[1]
Nejběžnějším dielektrickým plynem je vzduch, díky své všudypřítomnosti a nízkým nákladům. Další běžně používaný plyn je suchý dusík.
Ve zvláštních případech, např. Spínače vysokého napětí, plyny s dobrými dielektrickými vlastnostmi a velmi vysokými poruchová napětí jsou potřeba. Vysoce elektronegativní prvky, např. halogeny, jsou upřednostňovány, protože rychle rekombinovat s ionty přítomné ve vypouštěcím kanálu. Halogenové plyny jsou vysoce korozívní. Proto jsou výhodné jiné sloučeniny, které disociují pouze ve výbojové cestě; fluorid sírový, organofluoridy (zvláště perfluorované uhlovodíky ) a chlorfluoruhlovodíky jsou nejčastější.
Průrazné napětí plynů je zhruba úměrné jejich hustota. Poruchová napětí se také zvyšují s tlakem plynu. Mnoho plynů má kvůli tomu omezený horní tlak zkapalnění.
Produkty rozkladu halogenované sloučeniny jsou vysoce korozivní, a proto se vyskytují koronový výboj by mělo být zabráněno.
Nahromadění vlhkost může degradovat dielektrické vlastnosti plynu. Analýza vlhkosti slouží k včasné detekci.
Dielektrické plyny mohou také sloužit jako chladiva.
Vakuum je alternativou pro plyn v některých aplikacích.
Ve vhodných případech lze použít směsi plynů. Přidání fluoridu sírového může dramaticky zlepšit dielektrické vlastnosti chudších izolátorů, např. helium nebo dusík.[2] Vícesložkové plynové směsi mohou nabídnout vynikající dielektrické vlastnosti; optimální směsi kombinují plyny vázající elektrony (fluorid sírový, oktafluorcyklobutan ) s molekulami schopnými termalizovat (zpomalit) zrychlené elektrony (např. tetrafluormethan, fluoroform ). Izolační vlastnosti plynu jsou řízeny kombinací elektronového připojení, rozptyl elektronů, a elektronová ionizace.[3]
Atmosférický tlak významně ovlivňuje izolační vlastnosti vzduchu. Vysokonapěťové aplikace, např. xenonové výbojky, mohou ve vysokých nadmořských výškách zaznamenat elektrické poruchy.
| Plyn | Vzorec | Průrazné napětí vzhledem ke vzduchu | Molekulová hmotnost (g / mol) | Hustota* (g / l) | ODP | GWP | Přichycení elektronů | Vlastnosti |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Hexafluorid síry | SF 6 | 3.0 | 146.06 | 6.164 | 22800 | Nejoblíbenější izolační plyn. Je hustá a bohatá na fluor, což je dobrý zhášeč výboje. Dobré chladicí vlastnosti. Vynikající zhášení obloukem. Žíravé produkty rozkladu. Ačkoli většina produktů rozkladu má tendenci rychle se znovu formovat SF 6, jiskření nebo koróna může vyrábět disulfur dekafluorid (S 2F 10), velmi toxický plyn, s toxicitou podobnou fosgen. Hexafluorid sírový v elektrickém oblouku může také reagovat s jinými materiály a vytvářet toxické sloučeniny, např. fluorid berylnatý z oxid berylnatý keramika. Často se používá ve směsích např. dusík nebo vzduch. | ||
| Dusík | N 2 | 1.15 | 28 | 1.251 | – | – | ne | Často se používá při vysokém tlaku. Neusnadňuje spalování. Lze použít s 10–20% SF6 jako levnější alternativa k SF6. Lze použít samostatně nebo v kombinaci s CO2. Neelektronové připojení, účinné při zpomalení elektronů. |
| Vzduch | 29 / směs | 1 | 1.2 | – | – | Průrazné napětí 30 kV / cm při 1 atm. Velmi dobře prozkoumáno. Při vystavení elektrickému výboji vytváří žíravé oxidy dusíku a další sloučeniny, zejména v přítomnosti vody. Žíravé produkty rozkladu. Může usnadnit spalování, zejména při stlačení. | ||
| Amoniak | NH 3 | 1 | 17.031 | 0.86 | ||||
| Oxid uhličitý | CO 2 | 0.95 | 44.01 | 1.977 | – | 1 | slabý | |
| Kysličník uhelnatý | CO | 1.2[4] | slabý | Účinné při zpomalení elektronů. Toxický. | ||||
| Sirovodík | H 2S | 0.9 | 34.082 | 1.363 | ||||
| Kyslík | Ó 2 | 0.85 | 32.0 | 1.429 | – | – | Velmi efektivně usnadňuje spalování. Nebezpečný, zejména při vysoké koncentraci nebo stlačeném. | |
| Chlór | Cl 2 | 0.85 | 70.9 | 3.2 | ||||
| Vodík | H 2 | 0.65 | 2.016 | 0.09 | prakticky ne | Nízké průrazné napětí, ale vysoká tepelná kapacita a velmi nízká viskozita. Používá se k chlazení např. vodíkem chlazené turbogenerátory. Manipulace a bezpečnostní problémy. Velmi rychlá deexcitace, lze použít při vysoké frekvenci opakování jiskřiště a rychle tyratrony. | ||
| Oxid siřičitý | TAK 2 | 0.30 | 64.07 | 2.551 | ||||
| Oxid dusičitý | N 2Ó | ~1.3 | slabý | Slabé připojení elektronů. Efektivní při zpomalení elektronů.[4] | ||||
| 1,2-dichlortetrafluorethan (R-114 ) | CF 2ClCF 2Cl | 3.2 | 170.92 | 1.455 | ? | silný | Nasycený tlak při 23 ° C je asi 2 atm, čímž se získá průrazné napětí 5,6krát vyšší než dusík při 1 atm. Žíravé produkty rozkladu. | |
| Dichlorodifluormethan (R-12) | CF 2Cl 2 | 2.9 | 120.91 | 6 | 1 | 8100 | silný | Tlak páry 90 psi (6,1 atm) při 23 ° C, čímž se získá průrazné napětí 17krát vyšší než vzduch při 1 atm. Vyššího průrazného napětí lze dosáhnout zvýšením tlaku přidáním dusíku. Žíravé produkty rozkladu. |
| Trifluormethan | CF 3H | 0.8 | slabý | |||||
| 1,1,1,3,3,3-Hexafluorpropan (R-236fa) | CF 3CH 2CF 3 | 152.05 | 6300 | silný | Žíravé produkty rozkladu. | |||
| Tetrafluorid uhličitý (R-14) | CF 4 | 1.01[1] | 88.0 | 3.72 | – | 6500 | Špatný izolátor, pokud se používá samostatně. Ve směsi se SF6 poněkud snižuje dielektrické vlastnosti hexafluoridu sírového, ale významně snižuje bod varu směsi a zabraňuje kondenzaci při extrémně nízkých teplotách. Snižuje náklady, toxicitu a žíravost čistého SF6.[5] | |
| Hexafluorethan (R-116) | C 2F 6 | 2.02[1] | 138 | 5.734 | – | 9200 | silný | |
| 1,1,1,2-tetrafluorethan (R-134a) | C 2H 2F 4 | silný | Možná alternativa SF6.[6] Jeho vlastnosti pro zhášení oblouku jsou špatné, ale jeho dielektrické vlastnosti jsou docela dobré. | |||||
| Perfluoropropan (R-218) | C 3F 8 | 2.2[1] | 188 | 8.17 | – | ? | silný | |
| Octafluorcyklobutan (R-C318) | C 4F 8 | 3.6[1] | 200 | 7.33 | – | ? | silný | Možná alternativa SF6. |
| Perfluorobutan (R-3-1-10) | C 4F 10 | 2.6[1] | 238 | 11.21 | – | ? | silný | |
| 30% SF 6/ 70% vzduchu | 2.0[1] | |||||||
| Hélium | On | Ne | Neelektronové připojení, neúčinné při zpomalení elektronů. | |||||
| Neon | Ne | 0.02[4] | Ne | Neelektronové připojení, neúčinné při zpomalení elektronů. | ||||
| Argon | Ar | 0.2[4] | Ne | Neelektronové připojení, neúčinné při zpomalení elektronů. | ||||
| vakuum | V kondenzátorech a spínačích se používá vysoké vakuum. Problémy s údržbou vakua. Vyšší napětí může vést k produkci rentgenové záření.[7][8] |
* hustota je přibližná; obvykle se uvádí při atmosférickém tlaku, teplota se může lišit, i když je to většinou 0 ° C.
Reference
- ^ A b C d E F G MS Naidu; NAIDU M S (22. listopadu 1999). Vysokonapěťové inženýrství. McGraw-Hill Professional. str. 35–. ISBN 978-0-07-136108-8. Citováno 17. dubna 2011.
- ^ Paul G. Slade (2008). Vakuový přerušovač: teorie, design a aplikace. CRC Press. 433–. ISBN 978-0-8493-9091-3. Citováno 17. dubna 2011.
- ^ Ramapriya Parthasarathy Využití Rydbergových atomů jako laboratoře mikroskopické škály ke zkoumání nízkoenergetických interakcí elektronů a molekul
- ^ A b C d Loucas G. Christophorou Výzkum a zjištění alternativ k čistému SF6. Národní institut pro standardy a technologie. Gaithersburg, MD. EPA.gov
- ^ Loucas G. Christophorou; James K. Olthoff (1. ledna 1998). Plynná dielektrika VIII. Springer. str. 45–. ISBN 978-0-306-46056-2. Citováno 17. dubna 2011.
- ^ Plynná dielektrika s nízkým potenciálem globálního oteplování - US Patent Application 20080135817 Popis Archivováno 13. října 2012 v Wayback Machine. Patentstorm.us (12. 12. 2006). Citováno 2011-08-21.
- ^ Hans R. Griem; Ralph Harvey Lovberg (1970). Fyzika plazmatu. Akademický tisk. 201–. ISBN 978-0-12-475909-1. Citováno 9. ledna 2012.
- ^ Ravindra Arora; Wolfgang Mosch (25. února 2011). Inženýrství vysokého napětí a elektrické izolace. John Wiley & Sons. 249–. ISBN 978-1-118-00896-6. Citováno 9. ledna 2012.