Laaste Ontwikkelingstendense van SF₆ Alternatiewe Gas Gebaseerde Hoogspanningskrieksners
1. Inleiding
SF₆ word wyd gebruik in elektriese kragoordrags- en -distribusiestelsels, soos gasgeïsoleerde omskakelaars (GIS), stroombreekapparate (CB) en mediumspannings-laaisskakelaars (MV). Dit het unieke elektriese isolasie- en boogdoofoonderdrukkingsvermoëns. Echter, SF₆ is ook 'n kragtige broeikasgas met 'n globale opwarmingspotensiaal van ongeveer 23 500 oor 'n 100-jaar tydperk, en daarom word sy gebruik gereguleer en aanhoudend bespreek rakende beperkings. Gevolglik word al sowat twee dekades lank navorsing gedoen na alternatiewe gasse vir kragtoepassings.
Die "Club Zéro" (CZC), in samewerking met CIGRE, het onlangs 'n initiatief geloods om die staat-van-die-kuns van SF₆-alternatiewe gasse vir skakeltoepassings te evalueer. 'n Opname is uitgevoer om alle beskikbare onlangse literatuur oor hierdie onderwerp te versamel. Die resultate is aangebied en bespreek tydens 'n gesamentlike sessie gedurende die CIGRE-sessie in 2016. Hierdie artikel bied die hoofbevindinge van daardie opname aan. Aangesien vakuumskakeltegnologie 'n afsonderlike voortgesette aktiwiteit verteenwoordig, sal dit nie in hierdie oorsig behandel word nie.
2. Alternatiewe Gasse
Na die aanvaarding van die Kyoto-protokol in 1997, het navorsing na alternatiewe gasse toegeneem en verder toegeneem oor die afgelope dekade. Sleutelvereistes vir alternatiewe gasse is geïdentifiseer as: lae globale opwarmingspotensiaal (GWP), nul outersvernietigingspotensiaal (ODP), lae toksisiteit, nie-brandbaarheid, hoë diëlektriese sterkte, hoë boogdoofonderdrukking- en hitteverspreidingsvermoë, chemiese stabiliteit, materiaalkompatibiliteit en beskikbaarheid op die mark.
Onder verskillende natuurlik voorkomende gasse wat ondersoek is, het CO₂ as die mees belowende boogdoofonderdrukkingsgas geblyk, met prestasie wat moontlik verbeter kan word deur byvoegings soos O₂ of CF₄. Navorsing het egter getoon dat beide die onderbreek- en isoleerprestasies van CO₂ minder goed is as dié van SF₆. Ander interessante kandidate is geïdentifiseer onder gefluoreerde gasse, soos CF₃I, hidrofluoroolfine (HFO-1234ze en HFO-1234yf), perfluorketone (byvoorbeeld C₅F₁₀O), perfluoronitrile (C₄F₇N), gefluoreerde eters (HFE-245cb2), gefluoreerde epoksiede, en hidrochloorfluoroolfine (HCFO-1233zd).
Met inagneming van alle vereistes, is die mees belowende huidige kandidate C₅ perfluorketon (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ of C₅-PFK) en iso-C₄ perfluoronitriel ((CF₃)₂CF-CN of C₄-PFN). Vir suiwer gasse is die diëlektriese prestasie eweredig aan die kookpunt—dit wil sê, gasse met hoë diëlektriese sterkte het gewoonlik ook hoë kookpunte. By 0,1 MPa is die kookpunte van C₅-PFK en C₄-PFN onderskeidelik 26,5°C en –4,7°C. Daarom moet buffergasse bygevoeg word vir skakeltoerustingtoepassings wat voldoende lae kookpunte benodig om lae-temperatuur bedryfsvereistes te bevredig. Weens sy goeie boogdoofonderdrukkingsvermoë, word CO₂ as buffergas gekies in hoogspanningstoepassings. In mediumspanningstoepassings is lug ook aangemeld as 'n buffergas wat in kombinasie met C₅-PFK gebruik word vir isolasiedoelwitte.
3. Eienskappe van Suiwer en Mengselgasse
Tabel 1 toon die eienskappe van geselekteerde alternatiewe gasse relatief tot SF₆. Die GWPs van hierdie gasse wissel aansienlik: C₄-PFN toon 'n veel hoër GWP as CO₂ of C₅-PFK, waarvan albei GWPs van ongeveer 1 het. Al die kandidaatgasse van belang is nie-brandbaar, het nul ODP, en word volgens tegniese en veiligheidsdatablaaie verskaf deur chemiese vervaardigers, as nietoksies aangegee. Die diëlektriese sterkte van suiwer C₄-PFN en C₅-PFK is byna tweemaal dié van SF₆. Die diëlektriese deurbreekspanning van CO₂ is vergelykbaar met dié van lug—dit wil sê, aansienlik laer as dié van SF₆.
Tabel 1: Vergelyking van Suiwere Gaseienskappe met SF₆
| Gas | CAS Number | Boiling Point / °C | GWP | ODP | Flammability | Toxicity LC50(4h) ppmv | Toxicity TWA ppmv | Dielectric Strength / pu at 0.1 MPa |
| SF₆ | 2551-62-4 | -64 | 23500 | 0 | No | - | 1000 | 1 |
| CO₂ | 124-38-9 | -78.5 | 1 | 0 | No | >300000 | 5000 | ≈0.3 |
| C5-PFK | 756-12-7 | 26.5 | <1 | 0 | No | ≈20000 | 225 | ≈2 |
| C4-PFN | 42532-60-5 | -4.7 | 2100 | 0 | No | 12000…15000 | 65 | ≈2 |
Tabel 2 wys die eienskappe van gasse en gasmengsels wanneer hulle in skakeltoerusting gebruik word. Die konsentrasies van C₄-PFN en C₅-PFK in mengsels met buffergasse word in die tweede kolom gegee, tipies onder 13% (molêre konsentrasie). Dit moet opgemerk word dat vir die gebruik van C₅-PFK in CO₂, ook oksigeen-toevoegings gerapporteer is, aangesien die teenwoordigheid van oksigeen die vorming van skadelike nevenprodukte (soos CO) en soliede nevenprodukte (soos roet) kan verminder.
Tabel 2: Karakteristieke/Prestasie van Reine Gasse en Gas Mengsels in Medium- en Hoëspanningskakeltoerusting Toepassings
| Gas | Concentration | Minimum Pressure / MPa | Minimum Temperature / °C | GWP | Dielectric Strength | Toxicity LC50 ppmv |
| SF₆ | - | 0.43…0.6 | -41…-31 | 23500 | 0.86…1 | - |
| CO₂ | - | 0.6…1 | ≤-48 | 1 |
0.4…0.7 | >3e5 |
| CO₂/C5-PFK/O₂ (HV) | ≈6/12 | 0.7 | -5…+5 | 1 | ≈0.86 | >2e5 |
| CO₂/C4-PFN(HV) | ≈4…6 | 0.67…0.88 | -25…-10 | 327…690 | 0.87…0.96 | >1e5 |
| Air/C5-PFK(MV) | ≈7…13 | 0.13 | -25…-15 | 0.6 | ≈0.85 | 1e5 |
Owing to die verlaagde dielektriese weerstandspanning van die mengsels in vergelyking met SF₆ by dieselfde druk (Kolom 6), moet die minimum bedryfsdruk vir C₅-PFK en C₄-PFN met CO₂ as buffergas in hoëspannings-toepassings tot ongeveer 0,7–0,8 MPa verhoog word. Vir middelspannings-toepassings wat lug/C₅-PFK-mengsels gebruik, kan 'n druk van 0,13 MPa onderhou word, wat 'n dielektriese weerstandspanning naby daardie van SF₆ oplewer.
Die hoë dielektriese weerstandspanning wat met relatief lae mengverhoudings van C₄-PFN of C₅-PFK bereik word, kan deur 'n sinergistiese effek verduidelik word—d.w.s., die dielektriese sterkte neem nie-lineêr toe met die additiefkonsentrasie, 'n verskynsel wat voorheen in SF₆/N₂-mengsels waargeneem is. Die GWP van C₅-PFK-mengsels is verwaarloosbaar, maar dit kom teen 'n prys van 'n hoër minimum bedryfstemperatuur. Laetemperatuurtoepassings (bv. –25°C) kan met behulp van suiwer CO₂ of CO₂ + C₄-PFN-mengsels aangespreek word, alhoewel daar kompromisse gemaak moet word: 'n betydelik verlaagde dielektriese weerstandspanning in die geval van suiwer CO₂, of 'n aansienlik hoër GWP wanneer C₄-PFN-mengsels gebruik word.
4. Omskakel Prestasie van Alternatiewe Gase
Tabel 3 saamvat voorlopige inligting oor die omskakel prestasie van suiwer CO₂ en CO₂-gebaseerde mengsels, met SF₆ prestasie vir vergelyking. Deur die bedryfsdruk relatief tot SF₆ te verhoog, kan die koue dielektriese sterkte—byvoorbeeld as 'n maatstaf vir kapasitiewe omskakel prestasie—op dieselfde vlak as SF₆ gebring word.
Tabel 3: Vergelyking van Omskakel Prestasie van Gase en Gas Mengsels by Verhoogde Bedryfsdrukkies teenoor SF₆ in Hoëspannings-Toepassings
| Gas | Bedrywingdruk [MPa] | Isolasiesterkte / pu | SLF Prestasie vs SF₆ / pu | |
| SF₆ | 0.6 |
1 | 1 |
1 |
| CO₂ | 0.8…1 | 0.5…0.7 | 0.5…0.83 | ≥0.5 |
| CO₂+C5-PFK/O₂ | 0.7…0.8 | Naby aan SF₆ | 0.8…0.87 | Naby aan SF₆ |
| CO₂/C4-PFN | 0.67…0.82 | Naby aan SF₆ | 0.83…(1) | Naby aan SF₆ |
In die geëvalueerde literatuur kon slegs kwalitatiewe verklarings oor die swakkerpresteer van C₄-PFN en C₅-PFK-mengsels gevind word. Vir CO₂ is daar egter 'n aantal kwantitatiewe vergelykings beskikbaar. In algemene terme kan by ongeveer twee derde van die isolasie- en kort-sirkelstroom (SLF) onderbreekpreste van SF₆ verwag word by puur CO₂ by 'n toename in vullingsdruk van ongeveer 1 MPa.
Deur O₂ by CO₂ te voeg (met mengverhoudings tot 30%), kan 'n verbetering in SLF-onderbreekpreste en 'n ligte toename in elektrisiteitssterkte verwag word. Die byvoeging van C₄-PFN of C₅-PFK aan CO₂ maak dit moontlik om elektrisiteitspreste te bereik wat naby aan dié van SF₆ is. Studies rapporteer dat die SLF-skuifpreste van CO₂/O₂/C₅-PFK-mengsels ongeveer 20% langer is as by SF₆. Intussen word beweer dat skakelaars wat spesifiek aangepas is vir CO₂/C₄-PFN-mengsels SLF-preste kan behaal wat vergelykbaar is met SF₆.
Daar is egter ook studies wat puur CO₂ direk vergelyk met CO₂/C₄-PFN en CO₂/C₅-PFK-mengsels onder dieselfde geometrie- en druktoestande, wat soortgelyke nabyzone (termiese) onderbreekpreste vir CO₂ met of sonder byvoegings wys. Met klein ontwerpaanpassings of matige herberekening het die nuwe mengsels IEC-toetspligte L90 (SLF) en T100 (100% eindstroomfout) suksesvol deurgekom, wat dui op hul skuifpreste wat nie beduidend minder as SF₆ is nie. Dit is ook gedemonstreer vir die skakelaar se onderbreekfunksie.
Verdere verbeteringe in skuifpreste deur middel van gespesialiseerde ontwerpaanpassings word in die toekoms verwag. 'n Belangrike kwessie is die giftigheid van gasse na 'n boog. C₅-PFK en C₄-PFN is komplekse molekules wat begin afbreek by ongeveer 650 °C in die geval van C₄-PFN. Wanneer hulle afbreek, gaan hierdie molekules nie terug saam in hul oorspronklike strukture nie, maar vorm kleiner fragmente. 'n Afbrekkingskoers van 0,5 mol/MJ is gerapporteer vir CO₂/O₂/C₅-PFK-mengsels tydens hoogs-stroomonderbreking. By gedeeltelike uitslae was die afbrekkingskoers meer as 'n orde van grootte laer as die bogenoemde waarde waargeneem.
Die afbrekdraag van hierdie nuwe gasse is nie regstreeks vergelykbaar met dié van SF₆ nie, wat hoofsaaklik afbreek weens chemiese reaksies met weggeskure kontak- en nozzelmaterial. Vir die nuwe gasse word die afbrekdraag oor die leeftyd van die toerusting nie as 'n kritieke kwessie beskou nie, maar die gaskoncentrasie binne die toerusting moet gemonitor of periodies gekontroleer word. Die mees giftige afbreekproduk in hoogdruktoepassings (d.w.s. mengsels met CO₂) is CO en HF. Boog-byprodukte van hierdie mengsels word beskou as hawing 'n giftigheid soos of laer as dat van boogafgebroken SF₆. Daarom word dieselfde hanteringprosedures as vir boog-belaste SF₆ aanbeveel.
Dit moet egter opgemerk word dat die bogenoemde verklarings op beperkte kennis van die giftigheid van hierdie nuwe gasse gebaseer is. Meer ervaring is nodig oor die post-boog giftigheid van potensiële SF₆-alternatiewe. Ander gerapporteerde bekommernisse sluit in materiaalverenigbaarheid (bv. effekte op segellings en smere), gassegelintegriteit, en gas-hanteringprosedures. Gevolglik moet bestaande hoogs-spanningstoerusting nie veilig met hierdie nuwe gasse bedryf word sonder gepaste ontwerp- of materialeaanpassings nie.
Interne boogtoetse is uitgevoer met al die mengsels, en geen ernstige kwessies is gemeld nie. Die termiese geleidbaarheid van die mengsels is liggaamswyse minder as dié van SF₆, wat matige herberekening of ontwerpaanpassings vir stroomdraagvermoë mag vereis. CO₂ lewenspan-skakelaars het reeds veldervaring opgedoen, met insluitings wat verskeie jare gelede begin het, en CO₂-gevulde skakelaars is nou kommersieel beskikbaar.
Hoog- en middelspannings-pilotinstallasies wat C₅-PFK-mengsels gebruik het suksesvol in Switserland en Duitsland sedert 2015 bedryf. Pilotprojekte wat CO₂/C₄-PFN-mengsels gebruik is geplaan of in gang in verskeie Europese lande, insluitend 'n 145 kV binnehuiskoppelvlak GIS in Switserland, 'n 245 kV buitehuiskoppelvlak stroomtransformator in Duitsland, en buitehuiskoppelvlak 420 kV GIL-stelsels in die VK en Skotland.
5. Konklusies en Uitsig
Gepubliseerde inligting oor SF₆-alternatiewe vir skuiftoepassings is geëvalueer. Op die huidige stadium is hierdie navorsing nog in sy vroeë fase en baie minder omvattend as die dekadeslange werk oor SF₆. Beskikbare vervaardigerdata dui daarop dat nuwe gasse - soos C₅-PFK en C₄-PFN - haalbare opsies is wat, wanneer met CO₂ as buffergas gemeng, gedeeltelik SF₆-preste kan benader, hoewel hulle nie al SF₆-vermoëns volledig kan replikeer nie.
Kernverskille lê in isolasie- en onderbreekpreste, sowel as in kookpunt - wat die minimum spesifieke bedryfstemperatuur van die skakelapparaat bepaal. 'n Lae minimum bedryfstemperatuur (bv. –50 °C) kan met puur CO₂ bereik word. CO₂ wys egter in die algemeen 'n laer onderbreekpreste, veral in terme van herstelspanningspiekbestandheid en onderbreekvermoë, in vergelyking met gasmengsels wat C₄-PFN of C₅-PFK bevat.
'n Voordel van CO₂/C₅-PFK-mengsels bo CO₂/C₄-PFN-mengsels is hul verwaarloosbare GWP (~1 teenoor 427/600 vir C₄-PFN). Intussen bied CO₂/C₄-PFN-mengsels 'n laer minimum bedryfstemperatuur (ongeveer –25 °C) in vergelyking met CO₂/C₅-PFK-mengsels (ongeveer –5 °C).
6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV Dooi-tank Vakuüm Skakelaar
Beskrywing ：
Die 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV, en 245kV dooi-tank vakuüm skakelaars is noodsaaklike beskermende toerusting vir hoogs-spanningskragsisteme. Deur vakuüm as die boogblussende en isolerende medium te gebruik, bied hulle uitsonderlike boogblussende vermoë, wat foute-strome vinnig kan onderbreek en effektief boog-herbranding kan verhoed om stabiele kragsistemberyking te verseker. Die dooi-tank ontwerp bied 'n kompak voetplek en sterke meganiese stabiliteit, wat installasie en instandhouding bevorder. Uitrust met hoogs betroubare veerbedryfsmeganismes, het hierdie skakelaars 'n meganiese leeftyd wat meer as 10,000 bedrywings oorskry, wat spoedige en presiese reaksies lewer. Met uitsonderlike omgewingsaanpasbaarheid kan hulle stabiel onder streng buitehuissituasies bedryf. Wye toepassing vind plaas in transformasiesentrales, oordraglyne, en ander scenario's, waar hulle doeltreffende en veilige kragskuifkontrole en betroubare beskerming oor verskeie spanningsvlakke bied.
Onderste funksie-inleiding:
Effektiewe booguitmaking: Gebruik van vakuum vir vinnige en betroubare booguitmaking, wat heraansteking verhoed.
Wye spangingsbereik: Beskikbaar in 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV, en 245kV-ratings vir verskeie nettoepassings.
Robuuste doodtankontwerp: Kompakte struktuur verseker meganiese stabiliteit en vereenvoudig installasie/instandhouding.
Betroubare bedryf: Veervergrendelingsmechanisme met meer as 10 000 meganiese uithoulikheidsiklusse.
Verbeterde sluiting: Dubbel-sluitflensontwerp bied waterdichte en gasdichte beskerming, ideaal vir buitegebruik.
