أحدث اتجاهات تطور مفاتيح الدائرة ذات الجهد العالي المستندة إلى غاز بديل لـ SF₆
1. مقدمة
يُستخدم غاز SF₆ على نطاق واسع في أنظمة نقل وتوزيع الطاقة الكهربائية، مثل المعدات المحمية بالغاز (GIS)، وأجهزة قطع الدائرة (CB)، ومفاتيح الحمل ذات الجهد المتوسط (MV). يتمتع بقدرات عزل كهربائي فريدة وقدرة عالية على إطفاء القوس الكهربائي. ومع ذلك، فإن غاز SF₆ هو أيضًا غاز دفيئة قوي، حيث يبلغ معدل تأثيره على الاحتباس الحراري حوالي 23,500 على مدى 100 عام، ولذلك تخضع استخداماته للتنظيم والمناقشات المستمرة حول التقييدات. نتيجة لذلك، تم إجراء أبحاث حول الغازات البديلة لتطبيقات الطاقة لمدة حوالي عقدين.
أطلق "Club Zéro" (CZC) بالتعاون مع CIGRE مؤخرًا مبادرة لتقييم حالة الفن للغازات البديلة لـ SF₆ في تطبيقات القطع. تم إجراء استبيان لجمع جميع الأدبيات المتاحة الحديثة حول هذا الموضوع. تم تقديم النتائج ومناقشتها في جلسة مشتركة خلال جلسة CIGRE في عام 2016. يقدم هذا المقال النتائج الرئيسية لهذا الاستبيان. بما أن تقنية القطع بالفراغ تشكل نشاطًا مستمرًا منفصلًا، لن يتم تغطيتها في هذه المراجعة.
2. الغازات البديلة
بعد اعتماد بروتوكول كيوتو في عام 1997، زادت وتيرة الأبحاث حول الغازات البديلة وزادت بشكل أكبر خلال العقد الماضي. تم تحديد المتطلبات الأساسية للغازات البديلة على أنها: انخفاض معدل الاحتباس الحراري (GWP)، عدم وجود قدرة على تدمير الأوزون (ODP)، انخفاض السمية، عدم الاشتعال، قوة عزل كهربائي عالية، قدرة عالية على إطفاء القوس الكهربائي وتفتيت الحرارة، والاستقرار الكيميائي، وتوافق المواد، والتوفر في السوق.
من بين الغازات الطبيعية المختلفة التي تم دراستها، أثبت CO₂ أنه الغاز الأكثر وعده لإطفاء القوس الكهربائي، ويمكن تعزيز أدائه بواسطة مضافات مثل O₂ أو CF₄. ومع ذلك، أظهرت الدراسات أن أداء القطع والعزل لـ CO₂ أقل من أداء SF₆. تم تحديد مرشحات أخرى مثيرة للاهتمام بين الغازات الفلورية، مثل CF₃I، الهيدروفلورينولات (HFO-1234ze و HFO-1234yf)، الكيتونات البيروفلورية (مثل C₅F₁₀O)، النتريلات البيروفلورية (C₄F₇N)، الإثرات الفلورية (HFE-245cb2)، الأيبوكسيدات الفلورية، والأوليفينات الهيدروكلوروفلورية (HCFO-1233zd).
مع الأخذ في الاعتبار جميع المتطلبات، يعتبر المرشحان الأكثر وعدًا حاليًا هما C₅ بيروفلوروكيتون (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ أو C₅-PFK) وإيزو-C₄ بيروفلونيترين ((CF₃)₂CF-CN أو C₄-PFN). بالنسبة للغازات النقية، تكون الأداءات العازلة متناسبة مع نقطة الغليان - أي أن الغازات ذات القوة العازلة العالية عادة ما تكون لها نقاط غليان عالية. عند 0.1 MPa، تكون نقاط الغليان لـ C₅-PFK و C₄-PFN هي 26.5°C و –4.7°C على التوالي. لذا، في تطبيقات المعدات الكهربائية التي تتطلب نقاط غليان منخفضة بما فيه الكفاية لتلبية متطلبات التشغيل في درجات حرارة منخفضة، يجب إضافة غازات تعبئة. بسبب قدرته الجيدة على إطفاء القوس الكهربائي، يتم اختيار CO₂ كغاز تعبئة في التطبيقات ذات الجهد العالي. وفي التطبيقات ذات الجهد المتوسط، تم الإبلاغ عن استخدام الهواء كغاز تعبئة بالاشتراك مع C₅-PFK للأغراض العازلة.
3. خصائص الغازات النقية والمخلوطات الغازية
تقدم الجدول 1 خصائص الغازات البديلة المختارة مقارنة بـ SF₆. تختلف معدلات الاحتباس الحراري لهذه الغازات بشكل كبير: يظهر C₄-PFN معدل احتباس حراري أعلى بكثير من CO₂ أو C₅-PFK، وكلاهما يمتلك معدل احتباس حراري يبلغ حوالي 1. جميع الغازات المرشحة محل الاهتمام غير قابلة للاشتعال، لديها معدل تدمير للأوزون يساوي صفر، ويتم الإبلاغ عنها بأنها غير سامة وفقًا للبيانات التقنية والسلامة المقدمة من قبل الشركات الكيميائية. قوة العزل الكهربائي لـ C₄-PFN و C₅-PFK النقية تقريبًا ضعف قوة العزل الكهربائي لـ SF₆. الجهد الذي يمكن أن يتحمله العازل لـ CO₂ مماثل لقوة العزل الكهربائي للهواء - أي أقل بكثير من قوة العزل الكهربائي لـ SF₆.
الجدول 1: مقارنة خصائص الغازات النقية مع 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 |
يوضح الجدول 2 خصائص الغازات ومزيج الغازات عند استخدامها في المعدات الكهربائية. يتم تقديم تركيزات C₄-PFN وC₅-PFK في المزائج مع الغازات العازلة في العمود الثاني، عادةً أقل من 13٪ (تركيز مولي). يجب ملاحظة أنه بالنسبة لاستخدام C₅-PFK في CO₂، تم الإبلاغ أيضًا عن إضافة الأكسجين، حيث يمكن أن يقلل وجود الأكسجين من تكوين النواتج الثانوية الضارة (مثل CO) والنواتج الثانوية الصلبة (مثل الفحم).
الجدول 2: خصائص/أداء الغازات النقية ومزيج الغازات في تطبيقات المعدات الكهربائية ذات الجهد المتوسط والعالي
| 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 |
بسبب انخفاض الجهد الكهربائي المقاوم للخليط مقارنة بـ SF₆ عند نفس الضغط (العمود 6)، يجب زيادة الضغط التشغيلي الأدنى لـ C₅-PFK و C₄-PFN مع استخدام CO₂ كغاز عازل في التطبيقات ذات الجهد العالي إلى حوالي 0.7-0.8 ميغا باسكال. أما بالنسبة للتطبيقات ذات الجهد المتوسط باستخدام خليط الهواء/C₅-PFK، يمكن الحفاظ على ضغط 0.13 ميغا باسكال، مما يحقق جهدًا كهربائيًا مقاومًا قريبًا من ذلك الخاص بـ SF₆.
يمكن تفسير تحقيق الجهد الكهربائي المقاوم العالي بنسب خلط نسبية منخفضة من C₄-PFN أو C₅-PFK بواسطة تأثير تناسقي - أي أن القوة العازلة تزداد بشكل غير خطي مع تركيز المضاف، وهو ظاهرة تم رصدها سابقًا في خلطات SF₆/N₂. إن القدرة على التسخين العالمية لخلطات C₅-PFK هي ضئيلة، ولكن هذا يأتي بتكلفة زيادة في درجة الحرارة الدنيا للعمل. يمكن التعامل مع التطبيقات ذات درجات الحرارة المنخفضة (على سبيل المثال، -25°C) باستخدام ثاني أكسيد الكربون النقي أو خلطات CO₂ + C₄-PFN، رغم وجود تنازلات: انخفاض كبير في الجهد الكهربائي المقاوم في حالة استخدام ثاني أكسيد الكربون النقي، أو زيادة كبيرة في القدرة على التسخين العالمية عند استخدام خلطات C₄-PFN.
4. أداء التحويل للغازات البديلة
تجمع الجدول 3 معلومات أولية حول أداء التحويل للثاني أكسيد الكربون النقي وخليط ثاني أكسيد الكربون والغازات الأخرى، مع تقديم أداء SF₆ للمقارنة. من خلال زيادة الضغط التشغيلي بالنسبة لـ SF₆، يمكن رفع القوة العازلة الباردة - المستخدمة، على سبيل المثال، كمقياس لأداء التحويل السعوي - إلى مستوى SF₆.
الجدول 3: مقارنة أداء التحويل للغازات وخليط الغازات تحت ضغوط تشغيل مرتفعة مقابل SF₆ في التطبيقات ذات الجهد العالي
| غاز | ضغط التشغيل [MPa] | قوة العزل / pu | أداء SLF مقارنة بـ 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 | قريب من SF₆ | 0.8…0.87 | قريب من SF₆ |
| CO₂/C4-PFN | 0.67…0.82 | قريب من SF₆ | 0.83…(1) | قريب من SF₆ |
في الأدبيات المراجعة، تم العثور فقط على تصريحات نوعية بخصوص أداء التبديل لمزيج C₄-PFN و C₅-PFK. بالنسبة لثاني أكسيد الكربون، يوجد بعض المقارنات الكمية. بشكل عام، مع ثاني أكسيد الكربون النقي عند زيادة ضغط الملء بمقدار حوالي 1 ميغا باسكال، يمكن توقع أداء عازل وأداء قطع خطوط القصر (SLF) يبلغ حوالي ثلثي أداء SF₆.
من خلال إضافة الأكسجين إلى ثاني أكسيد الكربون (مع نسب خلط تصل إلى 30٪)، يمكن التوقع تحسين أداء قطع خطوط القصر (SLF) وزيادة طفيفة في قوة العزل. بإضافة C₄-PFN أو C₅-PFK إلى ثاني أكسيد الكربون، يمكن تحقيق أداء عازل يقترب من أداء SF₆. تشير الدراسات إلى أن أداء التبديل لخطوط القصر (SLF) لمزيج ثاني أكسيد الكربون/الأكسجين/C₅-PFK هو حوالي 20٪ أقل من أداء SF₆. بالمقارنة، تم ادعاء أن مفاتيح الدائرة المعدة خصيصاً لمزيج ثاني أكسيد الكربون/C₄-PFN حققت أداء قطع خطوط القصر (SLF) مماثلاً لأداء SF₆.
ومع ذلك، هناك أيضاً دراسات تقارن ثاني أكسيد الكربون النقي بمزيج ثاني أكسيد الكربون/C₄-PFN وثاني أكسيد الكربون/C₅-PFK تحت ظروف هندسية وضغط متطابقة، والتي تظهر أداء قطع مماثلاً (حراري) لثاني أكسيد الكربون سواء كان به مواد مضافة أم لا. مع تعديلات تصميمية بسيطة أو تخفيض طفيف، نجحت الخلطات الجديدة في المرور بنجاح بمتطلبات الاختبار IEC L90 (SLF) و T100 (خطأ بنسبة 100٪ في الطرف)، مما يشير إلى أن أدائها في التبديل ليس أقل بكثير من أداء SF₆. وقد تم توضيح هذا أيضًا لأداء الوظيفة المقطوعة للمفتاح.
من المتوقع أن يتم تحقيق تحسينات إضافية في أداء التبديل من خلال تحسينات التصميم المخصصة في المستقبل. أحد القضايا الهامة هي سمية الغازات بعد حدوث الشرارة. C₅-PFK و C₄-PFN هما جزيئات معقدة تبدأ في التحلل فوق حوالي 650 °س في حالة C₄-PFN. عند التحلل، هذه الجزيئات لا تعود لتتجمع في بنى أصلية بل تشكل فragments أصغر. تم الإبلاغ عن معدل تحلل يبلغ 0.5 مول/ميغا جول لمزيج ثاني أكسيد الكربون/الأكسجين/C₅-PFK أثناء قطع التيار العالي. بالنسبة للشرارات الجزئية، تم ملاحظة أن معدل التحلل أقل بأكثر من عشرة أضعاف من القيمة أعلاه.
سلوك التحلل لهذه الغازات الجديدة ليس مقارناً مباشرة بسلوك التحلل لـ SF₆، والذي يحدث بشكل أساسي بسبب التفاعلات الكيميائية مع المواد المستخدمة في الأجزاء والنواظير. بالنسبة للغازات الجديدة، لا يعتبر التحلل على مدى عمر المعدة قضية حاسمة، ولكن يجب رصد تركيز الغاز داخل المعدة أو فحصه بشكل دوري. أكثر منتجات التحلل سمية في التطبيقات ذات الضغط العالي (أي، المزججات مع ثاني أكسيد الكربون) هي CO و HF. تعتبر منتجات الشرارة لهذه المزججات أنها لها سمية مماثلة أو أقل من سمية SF₆ بعد التحلل. لذلك، يوصى باستخدام إجراءات التعامل المشابهة لتلك المستخدمة لـ SF₆ بعد تعرضها للشرارة.
ومع ذلك، يجب ملاحظة أن هذه التصريحات تستند إلى معرفة محدودة بسمية هذه الغازات الجديدة. يحتاج المزيد من الخبرة بشأن سمية ما بعد الشرارة للأغذية البديلة المحتملة لـ SF₆. كما تم الإبلاغ عن مخاوف أخرى تشمل توافق المواد (مثل آثارها على الختم والشحوم)، وسلامة ختم الغاز، وإجراءات التعامل مع الغاز. نتيجة لذلك، لا ينبغي توقع أن تعمل المعدات ذات الجهد العالي الحالية بأمان مع هذه الغازات الجديدة دون تعديلات مناسبة في التصميم أو المواد.
تم إجراء اختبارات الشرارة الداخلية لكافة المزججات ولم يتم الإبلاغ عن أي مشاكل خطيرة. إن قابلية التوصيل الحراري للمزججات أقل قليلاً من SF₆، مما قد يتطلب تخفيض طفيف أو تعديلات في التصميم لسعة الحمل التيار. بدأت مفاتيح الدائرة التي تعمل بثاني أكسيد الكربون في الحصول على خبرة عملية منذ عدة سنوات، ومتوفر حالياً تجارياً مفاتيح الدائرة المملوءة بثاني أكسيد الكربون.
تشغل التركيبات التجريبية ذات الجهد العالي والمتوسط باستخدام مزيج C₅-PFK بنجاح في سويسرا وألمانيا منذ عام 2015. هناك مشاريع تجريبية مستقبلية أو قيد التنفيذ باستخدام مزيج ثاني أكسيد الكربون/C₄-PFN في عدة دول أوروبية، بما في ذلك نظام GIS داخلي بجهد 145 كيلو فولت في سويسرا، محول تيار خارجي بجهد 245 كيلو فولت في ألمانيا، وأنظمة GIL خارجية بجهد 420 كيلو فولت في المملكة المتحدة واسكتلندا.
5. الاستنتاجات والآفاق
تم مراجعة المعلومات المنشورة حول الغازات البديلة لـ SF₆ لتطبيقات التبديل. في هذه المرحلة، لا تزال هذه الأبحاث في مراحلها الأولى وتقل كثيراً عن العمل الذي استمر لعقود حول SF₆. تشير البيانات المتاحة من الشركات المصنعة إلى أن الغازات الجديدة مثل C₅-PFK و C₄-PFN هي خيارات ممكنة، وأنها عندما تخلط بثاني أكسيد الكربون كغاز مخزن، يمكن أن تتفق جزئياً مع أداء SF₆، رغم أنها قد لا تتناسب تماماً مع جميع قدرات SF₆.
تكمن الفروق الرئيسية في أداء العزل وأداء القطع، وكذلك نقطة الغليان - التي تحدد درجة الحرارة الدنيا المحددة لعملية المعدة. يمكن تحقيق درجة حرارة عمل دقيقة منخفضة (مثل –50 °س) بواسطة ثاني أكسيد الكربون النقي. ومع ذلك، يبدو أن ثاني أكسيد الكربون يظهر عموماً أداء قطع أقل، خاصة فيما يتعلق بقدرة تحمل ذروة الجهد الاستردادي وقوة القطع، مقارنة بالمزججات التي تحتوي على C₄-PFN أو C₅-PFK.
يتمثل ميزة مزيج ثاني أكسيد الكربون/C₅-PFK على مزيج ثاني أكسيد الكربون/C₄-PFN في انبعاثات غازات الدفيئة المنخفضة للغاية (~1 مقابل 427/600 لـ C₄-PFN). بالعكس، فإن مزيج ثاني أكسيد الكربون/C₄-PFN يقدم درجة حرارة عمل دقيقة منخفضة (حوالي –25 °س) مقارنة بمزيج ثاني أكسيد الكربون/C₅-PFK (حوالي –5 °س).
6. مفتاح دائرة ميت 40.5 كيلو فولت 72.5 كيلو فولت 145 كيلو فولت 170 كيلو فولت 245 كيلو فولت يعمل بفراغ
الوصف:
تعتبر مفاتيح الدائرة الميتة ذات الجهد 40.5 كيلو فولت و 72.5 كيلو فولت و 145 كيلو فولت و 170 كيلو فولت و 245 كيلو فولت والتي تعمل بفراغ أجهزة حماية أساسية لنظم الطاقة ذات الجهد العالي. باستخدام الفراغ كوسط لإخماد الشرارة والعزل، تتميز هذه المفاتيح بقدرات إطفاء الشرارة الممتازة، حيث تقوم بقطع تيارات الخطأ بسرعة وفعالية منع إعادة إشعال الشرارة لضمان تشغيل مستقر لنظام الطاقة. تصميم المفتاح الميت يوفر قدم صغير وثبات ميكانيكي قوي، مما يسهل التركيب والصيانة. مجهزة بآليات التشغيل الربيعية عالية الثقة، تتمتع هذه المفاتيح بعمر ميكانيكي يتجاوز 10,000 عملية، مما يوفر استجابات سريعة ودقيقة. بفضل قدرتها الاستثنائية على التكيف مع البيئة، يمكنها العمل بشكل مستقر تحت ظروف خارجية قاسية. تستخدم على نطاق واسع في محطات التحويل والخطوط الناقلة وغيرها من السيناريوهات، توفر هذه المفاتيح التحكم الفعال والأمن في التبديل الكهربائي والحماية الموثوقة عبر مستويات الجهد المختلفة.
مقدمة عن الوظائف الرئيسية:
إطفاء القوس بكفاءة: يستخدم الفراغ لإطفاء القوس بسرعة وموثوقية، مما يمنع إعادة الاشتعال.
نطاق جهد واسع: متوفر في تصنيفات 40.5 كيلوفولت، 72.5 كيلوفولت، 145 كيلوفولت، 170 كيلوفولت، و245 كيلوفولت للتطبيقات الشبكية المتعددة.
تصميم خزان ميت قوي: هيكل مدمج يضمن الاستقرار الميكانيكي ويقوم بتبسيط التركيب والصيانة.
عمل موثوق: آلية تشغيل تعتمد على الربيع مع أكثر من 10,000 دورة تحمل ميكانيكي.
ختم محسّن: تصميم فرنجة ذات ختم مزدوج يقدم حماية مائية وغازية محكمة، مثالي للاستخدام الخارجي.
