پایداری مخلوط‌های گازی شامل SF₆ و نیتروژن در عایق‌های گازی تجهیزات فشارقوی

مخلوط‌های گازی SF₆/N₂ با حفظ قدرت عایقی، پایداری شیمیایی بالا و اثر گلخانه‌ای کمتر، گزینه‌ای بهینه و پایدار برای عایق‌های گازی در تجهیزات فشارقوی محسوب می‌شوند. سپهر گاز کاویان تولید کننده و تامین کننده گازهای خالص وترکیبی دارای گواهینامه ISO17025 و آزمایشگاه مرجع اداره استاندارد ایران می باشد.جهت خرید گازهای خالص و ترکیبی تماس بگیرید.02146837072 – 09033158778

در دهه‌های اخیر، استفاده از گاز هگزا فلوئورید گوگرد (SF₆) به عنوان عایق و خاموش‌کننده قوس در تجهیزات فشارقوی نظیر GIS (Gas Insulated Switchgear) و ترانسفورماتورهای گازی، به‌طور گسترده‌ای رواج یافته است. این گاز به‌دلیل خواص دی‌الکتریک استثنایی، پایداری شیمیایی بالا و قابلیت خاموش‌کنندگی قوس الکتریکی، نقشی کلیدی در توسعه سیستم‌های الکتریکی مدرن ایفا می‌کند.

با این حال، نگرانی‌های زیست‌محیطی ناشی از پتانسیل گرمایش جهانی بسیار بالای SF₆ (حدود ۲۳,۵۰۰ برابر CO₂) سبب شده تا پژوهشگران به بررسی مخلوط‌های جایگزین شامل SF₆ و نیتروژن (N₂) روی آورند. ترکیب این دو گاز ضمن کاهش سهم هگزا فلوئورید گوگرد ، می‌تواند به حفظ سطح عایقی مطلوب در تجهیزات کمک کند و در عین حال اثرات محیطی را کاهش دهد. پایداری این مخلوط‌ها در طول زمان، تحت شرایط مختلف دما، فشار و میدان الکتریکی، عاملی حیاتی برای اطمینان از عملکرد ایمن و ماندگار تجهیزات فشارقوی محسوب می‌شود.

خواص فیزیکی و شیمیایی SF₆

گاز SF₆ یک ترکیب غیرسمی، بی‌بو و بی‌رنگ از گوگرد و فلوئور است. ساختار مولکولی متقارن و پایداری آن باعث می‌شود که در دماهای عملیاتی معمولی، تمایلی به واکنش شیمیایی نداشته باشد. وزن مولکولی بالای هگزا فلوئورید گوگرد (۱۴۶ g/mol) و چگالی زیاد آن موجب می‌شود که در سیستم‌های عایق، به خوبی فضای اطراف هادی‌ها را پر کرده و مانع شکست الکتریکی شود.

از دید الکتریکی، قدرت دی‌الکتریک SF₆ حدود ۲٫۵ برابر هوای خشک است و در شرایط فشار بالا، توانایی فوق‌العاده‌ای در خاموش کردن قوس‌های الکتریکی دارد. با این حال، تحت دماهای بالا (بیش از ۳۰۰۰ K) یا حضور قوس الکتریکی، مولکول‌های هگزا فلوئورید گوگرد دچار تجزیه شده و ترکیباتی نظیر SF₄، SOF₂ و SO₂F₂ ایجاد می‌شود که در حضور رطوبت می‌توانند به خوردگی داخلی و کاهش پایداری منجر شوند.

نقش نیتروژن در مخلوط‌های SF₆/N₂

نیتروژن به عنوان یک گاز بی‌اثر، سبک و ارزان، در ترکیب با هگزا فلوئورید گوگرد به‌منظور کاهش چگالی گاز، هزینه‌ها و میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای استفاده می‌شود. در ترکیب‌های معمول، غلظت نیتروژن بین ۱۰ تا ۸۰ درصد حجمی تنظیم می‌شود. این نسبت به‌گونه‌ای انتخاب می‌شود که در عین حفظ سطح ایمنی و عملکرد الکتریکی، مقدار SF₆ در سیستم به حداقل برسد.

نیتروژن با جذب بخشی از انرژی حرارتی و ایجاد جریان همرفتی درون حجم گاز، باعث پایداری حرارتی مخلوط می‌شود. همچنین، با کاهش چگالی کلی، زمان بازگشت عایق پس از قوس الکتریکی سریع‌تر می‌گردد که برای افزایش سرعت عملکرد کلیدها در GIS مفید است. از نظر شیمیایی، حضور نیتروژن از تشکیل ترکیبات واکنش‌پذیر گوگردی نیز تا حدی جلوگیری می‌کند و مانع از خوردگی و تخریب سطحی تجهیزات می‌شود.

سازوکار پایداری الکتریکی مخلوط SF₆/N₂

پایداری الکتریکی یک مخلوط گازی در عایق‌های فشارقوی، تابعی از پارامترهای متعددی همچون فشار، دما، میزان آلودگی، و توزیع میدان الکتریکی است. در ترکیب SF₆/N₂، الکترون‌های آزاد حاصل از شکست جزئی یا یونیزاسیون توسط مولکول‌های هگزا فلوئورید گوگرد به‌سرعت جذب می‌شوند و به یون‌های منفی پایدار تبدیل می‌گردند.

این پدیده که به نام الکترون‌خواهی (electron attachment) شناخته می‌شود، باعث کاهش ضریب یونیزاسیون و افزایش استقامت دی‌الکتریک گاز می‌گردد. هرچه نسبت SF₆ در مخلوط بیشتر باشد، پایداری الکتریکی بالاتری حاصل می‌شود.
مطالعات نشان می‌دهد که در فشار 0.4 MPa، ترکیب ۴۰٪ SF₆ و ۶۰٪ N₂ می‌تواند قدرت دی‌الکتریک معادل با ۹۰٪ گاز خالص هگزا فلوئورید گوگرد را فراهم کند، که نشان‌دهنده بازده بالا و پایداری مناسب این مخلوط در کاربردهای فشارقوی است.

عوامل مؤثر بر پایداری مخلوط گازی

پایداری مخلوط‌های SF₆/N₂ تحت تأثیر مجموعه‌ای از عوامل فیزیکی، شیمیایی و محیطی قرار دارد. مهم‌ترین این عوامل عبارت‌اند از:

عامل مؤثر	توضیح	اثر بر پایداری
دما	افزایش دما منجر به افزایش انرژی جنبشی مولکول‌ها و احتمال تجزیه جزئی SF₆ می‌شود.	کاهش جزئی پایداری در دماهای بالا
فشار	افزایش فشار موجب افزایش چگالی گاز و بهبود استقامت دی‌الکتریک می‌شود.	پایداری بیشتر در فشارهای بالا
رطوبت	حضور بخار آب باعث تشکیل ترکیبات گوگردی خورنده می‌گردد.	افت پایداری و ایجاد خوردگی
میدان الکتریکی غیر یکنواخت	تمرکز میدان در نقاط نوک‌تیز می‌تواند منجر به شکست موضعی شود.	افزایش احتمال تخلیه جزئی
نسبت اختلاط گازها	نسبت بهینه SF₆/N₂ برای هر کاربرد متفاوت است.	تعیین‌کننده اصلی پایداری کل سیستم

رفتار حرارتی و پایداری در شرایط قوس الکتریکی

در هنگام وقوع قوس الکتریکی، دمای موضعی می‌تواند به بیش از ۱۰,۰۰۰ کلوین برسد. در این دما، مولکول‌های هگزا فلوئورید گوگرد دچار تجزیه گرمایی می‌شوند و رادیکال‌های فعال F• و S• آزاد می‌گردند. این رادیکال‌ها می‌توانند با نیتروژن ترکیب شده و گونه‌هایی نظیر NF₃ یا N₂F₂ تشکیل دهند. با این حال، پس از خاموش شدن قوس و کاهش دما، اغلب این ترکیبات ناپایدار تجزیه شده و SF₆ مجدداً از ترکیب عناصر حاصل بازسازی می‌شود.
این پدیده، که نوعی بازترکیب خودبه‌خودی است، موجب پایداری طولانی‌مدت مخلوط SF₆/N₂ در کاربردهای تکرارشونده می‌گردد. البته در صورت حضور اکسیژن یا رطوبت، برخی محصولات تجزیه به ترکیبات پایدار نظیر SO₂F₂ تبدیل می‌شوند که باید از سیستم تخلیه یا جذب شوند.

پایداری شیمیایی بلندمدت

پایداری شیمیایی مخلوط SF₆/N₂ به معنی توانایی گاز در حفظ ترکیب مولکولی و خواص فیزیکی خود در طول زمان است. بررسی‌ها نشان داده که در فشارهای تا 0.6 MPa و دمای عملیاتی 25–60°C، ترکیب‌های 30–70٪ SF₆/N₂ طی سال‌ها عملکرد، تغییر قابل توجهی در ترکیب شیمیایی نشان نمی‌دهند.
عواملی چون نشت‌های کوچک در محل اتصالات، واکنش با ناخالصی‌های فلزی درون تجهیزات، یا تماس طولانی‌مدت با رطوبت، می‌تواند به تدریج پایداری را کاهش دهد. برای جلوگیری از این مسئله، فیلتراسیون و خشک‌سازی پیوسته گاز با استفاده از فیلترهای مولکولی و جاذب‌های فلوئوراید توصیه می‌شود.

ارزیابی تجربی و آزمون‌های پایداری

آزمایش‌های پایداری معمولاً در شرایط شبیه‌سازی‌شده‌ی عملکردی تجهیزات انجام می‌گیرند. در این آزمون‌ها، نمونه‌ای از مخلوط SF₆/N₂ تحت فشار ثابت در معرض میدان‌های الکتریکی بالا، دماهای مختلف و تخلیه‌های جزئی مکرر قرار می‌گیرد.
نتایج نشان داده است که پس از ۵۰۰۰ چرخه تخلیه، تغییر در ترکیب گاز کمتر از ۲٪ بوده و محصولات جانبی تنها در مقادیر ppb شناسایی شده‌اند. این داده‌ها بیانگر پایداری عالی این مخلوط‌ها در کاربردهای صنعتی بلندمدت است. از سوی دیگر، طیف‌سنجی جرمی و کروماتوگرافی گازی (GC) برای شناسایی و اندازه‌گیری دقیق محصولات تجزیه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد و کیفیت گاز در دوره‌های نگهداری دوره‌ای کنترل می‌شود.

مزایای استفاده از مخلوط SF₆/N₂ در عایق‌های گازی

استفاده از مخلوط‌های SF₆/N₂ نسبت به گاز خالص هگزا فلوئورید گوگرد دارای مزایای متعددی است:

کاهش اثرات زیست‌محیطی: کاهش مقدار SF₆ به کاهش مستقیم در میزان گازهای گلخانه‌ای منجر می‌شود.

کاهش هزینه‌ها: نیتروژن بسیار ارزان‌تر از هگزا فلوئورید گوگرد است، بنابراین هزینه شارژ گاز و نگهداری کاهش می‌یابد.

بهبود پایداری حرارتی: نیتروژن به جذب گرمای اضافی کمک کرده و از تجزیه بیش از حد هگزا فلوئورید گوگرد جلوگیری می‌کند.

پایداری بلندمدت عملکردی: رفتار ترکیب به‌گونه‌ای است که در شرایط کاری تکراری دچار افت عایقی نمی‌شود.

ایمنی بالاتر: در صورت بروز نشتی، ترکیب گاز خطرات زیست‌محیطی و تنفسی کمتری نسبت به هگزا فلوئورید گوگرد خالص دارد.

مقایسه پایداری هگزا فلوئورید گوگرد خالص و مخلوط SF₆/N₂

در مطالعات مقایسه‌ای، گاز خالص هگزا فلوئورید گوگرده‌دلیل وزن مولکولی بالا و خاصیت الکترون‌گیری قوی، بالاترین استقامت دی‌الکتریک را دارد؛ با این حال، در برابر تغییرات دمایی و حضور رطوبت حساس‌تر است.
در مقابل، مخلوط‌های SF₆/N₂ با نسبت‌های مناسب (به‌ویژه 30/70 و 40/60) از پایداری فیزیکی و شیمیایی بهتری در طول زمان برخوردارند و از تشکیل ترکیبات مضر جلوگیری می‌کنند. گرچه مقاومت دی‌الکتریک آنها حدود ۱۰ تا ۲۰ درصد کمتر از هگزا فلوئورید گوگرد خالص است، اما در عمل این اختلاف با افزایش فشار یا طراحی بهینه الکترودها قابل جبران است.