SF₆ Alternativ Qaz İlişənən İncəsənəyin Yeni İnkişaf Tərədləri

1. Giriş
SF₆ elektrik enerjisinin iletim ve dağıtım sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır, örneğin gaz yalıtımlı anahtar üniteleri (GIS), devre kesiciler (CB) ve orta gerilim (MV) yük anahtarlarda. Bu gaz, benzersiz elektrik yalıtım ve ark söndürme yeteneklerine sahiptir. Ancak, SF₆ aynı zamanda güçlü bir sera gazıdır, 100 yıllık bir süre içinde yaklaşık 23,500 küresel ısınma potansiyeline sahiptir ve bu nedenle kullanımı düzenlenmektedir ve kısıtlamalar konusunda sürekli tartışmalar yapılmaktadır. Sonuç olarak, güç uygulamaları için alternatif gazlar üzerine yaklaşık iki asır boyunca araştırma yapılmıştır.

"Club Zéro" (CZC), CIGRE ile işbirliği içinde, anahtar uygulamaları için SF₆ alternatif gazlarının durumunu değerlendirmek üzere bir girişim başlattı. Bu konuda tüm mevcut son literatürü toplamak amacıyla bir anket yapıldı. Sonuçlar 2016 yılında düzenlenen CIGRE Oturumu sırasında ortak bir oturumda sunuldu ve tartışıldı. Bu makale, o anketin ana bulgularını sunmaktadır. Vakum anahtar teknolojisi ayrı bir devam eden faaliyet olduğundan, bu incelemede ele alınmayacaktır.

2. Alternatif Gazlar

1997'de Kyoto Protokolünün kabulünden sonra, alternatif gazlar üzerine yapılan araştırmalar yoğunlaştı ve son on yılda daha da arttı. Alternatif gazlar için belirlenen temel gereksinimler şunlardır: düşük küresel ısınma potansiyeli (GWP), sıfır ozon tabakası zarar potansiyeli (ODP), düşük toksisite, yanıcı olmama, yüksek dielektrik dayanım, yüksek ark söndürme ve ısı verimliliği, kimyasal istikrar, malzeme uyumluluğu ve pazar kullanılabilirliği.

Araştırılan çeşitli doğal kaynaklı gazlar arasında, CO₂ en umut verici ark söndürme gazı olarak kanıtlanmıştır ve O₂ veya CF₄ gibi katkı maddeleri ile performansı artırılabilir. Ancak, çalışmalara göre, hem kesme hem de yalıtım performansları açısından CO₂'nin performansı, SF₆'nınkinden daha düşüktür. Diğer ilginç adaylar, CF₃I, hidrofloroolefinler (HFO-1234ze ve HFO-1234yf), perfluoroketonlar (örneğin, C₅F₁₀O), perfluoronitriller (C₄F₇N), fluorlu eteryerler (HFE-245cb2), fluorlu epoksitler ve hidroklorofluroolefinler (HCFO-1233zd) gibi florlanmış gazlar arasından tespit edilmiştir.

Tüm gereksinimleri göz önünde bulundurarak, en umut verici mevcut adaylar C₅ perfluoroketon (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ veya C₅-PFK) ve izo-C₄ perfluoronitril ((CF₃)₂CF-CN veya C₄-PFN)'dir. Saf gazlar için, dielektrik performans kaynama noktasına orantılıdır—yani, yüksek dielektrik dayanıma sahip gazların genellikle yüksek kaynama noktaları vardır. 0,1 MPa'da, C₅-PFK ve C₄-PFN'nin kaynama noktaları sırasıyla 26,5°C ve –4,7°C'dır. Bu nedenle, düşük sıcaklık işlem gereksinimlerini karşılamak için yeterince düşük kaynama noktaları gerektiren anahtar ekipmanı uygulamalarında, tampon gazlar eklenmelidir. İyi ark söndürme yeteneğine sahip olan CO₂, yüksek gerilim uygulamalarında tampon gaz olarak seçilmiştir. Orta gerilim uygulamalarında, hava da C₅-PFK ile birlikte izolasyon amaçlı olarak kullanılan bir tampon gaz olarak bildirilmiştir.

3. Saf Gazların ve Gaz Karışımının Özellikleri

Tablo 1, seçilen alternatif gazların SF₆'ya göre özelliklerini sunmaktadır. Bu gazların GWPleri önemli ölçüde değişmektedir: C₄-PFN, CO₂ veya C₅-PFK'ye kıyasla çok daha yüksek bir GWP göstermektedir, her ikisi de yaklaşık 1 GWP değerine sahiptir. İlgi çeken tüm aday gazlar yanıcı değildir, sıfır ODP'ye sahiptir ve kimyasal üreticiler tarafından sağlanan teknik ve güvenlik bilgi sayfalarına göre zehirsiz olarak bildirilmiştir. Saf C₄-PFN ve C₅-PFK'nin dielektrik dayanımı, SF₆'ninkinin neredeyse iki katıdır. CO₂'nin dielektrik dayanımı havanınkine benzer—yani, SF₆'ninkinden çok daha düşüktür.

Tablo 1: Saf Gazların Özelliklerinin SF₆ ile Karşılaştırılması

Cədvəl 2, qazların və qaz qarışımının kontakt aparatasında istifadə olunduğunda xüsusiyyətlərini göstərir. C₄-PFN və C₅-PFK-nin bufer qazlarla qarışmalarındakı konsentrasiyalar ikinci sütunda verilmişdir, adətən 13% (molyar konsentrasiya) altında olur. Qeyd edək ki, C₅-PFK-nin CO₂-də istifadəsi üçün oksigen əlavələri də təqdim edilmişdir, çünki oksigenin mövcudluğu zədəli yan məhsulların (CO kimi) və qatı yan məhsulların (karbon qara kimi) formalaşmasını azalda bilər.

Cədvəl 2: Təmiz Qazların və Qaz Qarışmalarının Orta və Yuxarı Dəqiqlik Kontakt Aparat Mühitində İstifadədə Xüsusiyyətləri/Vəziyyəti

Verilən qarışımların dielektrik dayanıqlılıq voltajının eyni təzyiqdə (Sütun 6) SF₆-dan az olması nəticəsində, C₅-PFK və C₄-PFN üçün CO₂ buffer qazı ilə yüksək völtdə tətbiqlər üçün minimum işləmə təzyiqi təxminən 0.7–0.8 MPa-ya artırılmalıdır. Orta völtdə hava/C₅-PFK qarışımları istifadə edən tətbiqlərdə 0.13 MPa təzyiqi saxlanıla bilir, bu da SF₆-ə yaxın dielektrik dayanıqlılıq voltajına gəlməyə imkan verir.

C₄-PFN və ya C₅-PFK-nin nisbətən aşağı qarışma nisbətləri ilə müvafiq olaraq yüksək dielektrik dayanıqlılıq voltajının alınması, sinergetik effektin nəticəsidir—başqa cürlə də, dielektrik güc additiv konsentrasiyası ilə xətti olmayaraq artır, bu əvvəllər SF₆/N₂ qarışımlarında müşahidə olunan bir şeydir. C₅-PFK qarışımlarının GWP-i nəzəriyyən sıfıra bərabərdir, lakin bu, daha yüksək minimum işləmə temperaturu maliyyəti ilə əldə edilir. Düşük temperatur tətbiqləri (məsələn, –25°C) ya saf CO₂, ya da CO₂ + C₄-PFN qarışımları ilə həll edilə bilər, lakin bu kompromislər ilə gəlir: saf CO₂ halında dielektrik dayanıqlılıq voltajının ciddi şəkildə azalması, və ya C₄-PFN qarışımları istifadəsi halında GWP-nin çox yüksəkləşməsi.

4. Alternativ Qazların Keçidi Performansı
Cədvəl 3, saf CO₂ və CO₂ əsaslı qarışımların keçidi performansı haqqında başlama məlumatlarını toplayır, məqsədiyyət üçün SF₆ performansı də verilmişdir. SF₆-nin nisbətən artırılmış işləmə təzyiqi ilə, məsələn, kapasitiv keçidi performansı göstəricisi kimi istifadə olunan soyuq dielektrik gücü SF₆ səviyyəsinə yetirilə bilər.

Cədvəl 3: Yüksək İşləmə Təzyiqlərində Qazların və Qaz Qarışmalarının Keçidi Performansının SF₆ ilə Müqayisəsi Yüksək Völtli Tətbiqlərdə

İncelenen ədəbiyyatda, C₄-PFN və C₅-PFK qarışımlarının keçid performansı haqqında yalnız keyfi ifadələr tapılabilirdi. CO₂ üçün isə bəzi kəmiyyətli müqayisələr mövcuddur. Ümumiyyətlə, təxminən 1 MPa doldurma təzyiqi ilə saf CO₂-də, SF₆-dan təxminən iki üç hissəlik izolyasiya və qısa xətt səhvlərinin (SLF) keçid performansı gözlənilir.

CO₂-ə O₂ əlavə edilərsə (qarışım nisbəti 30%-dək), SLF keçid performansında yaxşılaşmanın və dielektrik gücün bir az artmasının gözlənilə biləri. CO₂-ə C₄-PFN və ya C₅-PFK əlavə edilməsi, dielektrik performansın SF₆-ya yaxınlaşmasını mümkün etdirir. Tədqiqatlar, CO₂/O₂/C₅-PFK qarışımlarının SLF keçid performansının SF₆-dan təxminən 20% aşağı olduğunu bildirir. Müqayisədə, CO₂/C₄-PFN qarışımları üçün xüsusi adaptasiya edilmiş avtomatik keçidlər, SF₆-ya oxşar SLF performansını əldə etdiyini iddia edirlər.

Bununla belə, eyni həndəsə və təzyiq şərtlərində saf CO₂-ni CO₂/C₄-PFN və CO₂/C₅-PFK qarışımları ilə doğrudan müqayisə edən tədqiqatlar da var və bu tədqiqatlarda, additivlərlə və onların olmadan CO₂-nin oxrə (termal) keçid performansının oxşar olduğu göstərilir. Kiçik dizayn dəyişiklikləri və ya kiçik dərəcədə deyting edildikdə, yeni qarışımlar IEC test məsuliyyətləri L90 (SLF) və T100 (100% son terminal səhvi) keçiblər, bu da onların keçid performansının SF₆-dan çox aşağı olmadığını göstərir. Bu, avtomatik keçid funksiyasına də təsir edir.

Gözlənilir ki, gelecekte xüsusi dizayn optimallaşdırma vasitəsilə keçid performansında daha böyük yaxşışmalar olacaq. Bir başqa vacibli məsələ, arka qazların toxik xüsusiyyətləridir. C₅-PFK və C₄-PFN kompleks molekulalarıdır və C₄-PFN üçün təxminən 650 °C-dən yuxarı deqompozisiya başlayır. Dekompozisiya zamanı, bu molekulalar öz orijinal strukturlarına birləşməyərək, daha kiçik parçalara çevrilir. CO₂/O₂/C₅-PFK qarışımları üçün yüksək amperiya keçid zamanı 0,5 mol/MJ dekompozisiya nisbəti bildirilib. Qismi buraxılışlar üçün dekompozisiya nisbəti, yuxarıda göstərilən dəyərdən bir rəqəm daha aşağı olub.

Bu yeni qazların dekompozisiya davranışı, əsasən kontakt və nozul materiallarının ablasiyası ilə kimyəvi reaksiyalardan qaynaqlanan SF₆-dan fərqli deyil. Yeni qazlar üçün, təchizat ömrü boyunca dekompozisiya kritik bir məsələ hesab edilmir, lakin təchizat içindəki qaz konsentrasiyası izlənə və ya müvəqqəti olaraq yoxlanılmalıdır. Yüksek təzyiq tətbiqlərində (yəni CO₂ ilə qarışımlarda) ən toxik dekompozisiya məhsulları CO və HF-dir. Bu qarışımların arkaya malik olan məhsullarının toxikliyi, arkaya malik olan SF₆-dan oxşar və ya aşağı olaraq qiymətləndirilir. Buna görə, arc-exposed SF₆ üçün istifadə edilən prosedurlarla oxşar prosedurlar təklif olunur.

Lakin, bu ifadələrin yeni qazların toxikliyi haqqında məhdud biliklərə əsaslandığı qeyd edilməlidir. Potensial SF₆ alternativlərinin arkadan sonra olan toxikliyi haqqında daha çox təcrübə lazımdır. Başqa bildirilən məsələlər arasında material uyğunluğu (məsələn, zənglər və yağlar üzərindəki təsir), qaz təkmilliyi və qaz idarəetmə prosedurları daxildir. Nəticədə, mevcut yüksək təzyiq təchizatı, uyğun dizayn və ya material dəyişikliklər olmadan bu yeni qazlarla təhlükəsiz işləməyə məcbur deyil.

Daxili ark testləri bütün qarışımlarla icra edilib və ciddi problemlər bildirilməyib. Qarışımların termal kəskinlikləri SF₆-dən bir az aşağıdır, bu da akım götürmə kapasitesi üçün orta dərəcədə deyting və ya dizayn dəyişikliklərini tələb edə bilər. CO₂ live-tank avtomatik keçidləri, bir neçə illər əvvəl başlayıb, indi kommersiya ilə satılmaktadır.

Yüksək və orta təzyiq pilot installyasiyaları, C₅-PFK qarışımları ilə, 2015-ci ildən bəri Şveçriyada və Almaniya-da uğurlu şəkildə işləyir. CO₂/C₄-PFN qarışımları ilə pilot layihələr, Avropada bir neçə ölkədə planlanır və ya icra olunur, bununla birlikdə, Şveçriyada 145 kV iç qapı sistemləri, Almaniya-da 245 kV xarici akım transformatoru və Britaniya və Şotlandiyada xarici 420 kV GIL sistemləri daxil olmaqla.

5. Nəticələr və Görüş
Keçid tətbiqləri üçün SF₆ alternativ qazları haqqında nəşr olunan məlumatlar nəzərdən keçirilib. Hazırkı mərhələdə, bu araştırmalar hələ early stages-dədir və SF₆ haqqında onilliklər boyu aparılan tədqiqatların nəzəriyyəsinə nəsbatən daha az genişdir. Mövcud istehsalçı məlumatlarına görə, C₅-PFK və C₄-PFN kimi yeni qazlar, CO₂ buffer qazı ilə qarışdırıldığında, SF₆ performansına qismən uyğun gəlirlər, lakin SF₆-nın bütün imkanlarını tamamilə takmil etməyə bilərlər.

Əsas fərqlər, izolyasiya və keçid performansında, as well as boiling point—bu, anahtar cihazının minimum işləmə temperaturunu müəyyənləşdirir. Saf CO₂ ilə –50 °C-dən aşağı minimum işləmə temperaturu əldə edilə bilər. Amma, CO₂, C₄-PFN və ya C₅-PFK ilə qarışmış qaz miqdarlarına nəzərən, ümumiyyətlə, daha aşağı keçid performansı göstərir, xüsusilə, bərpa voltaj peak dayandırma və keçid qabiliyyəti nöqtəsində.

CO₂/C₅-PFK qarışımlarının CO₂/C₄-PFN qarışımlarına üstünlüyü, nəzəriyyəsindən asılı olmayan GWP (~1 vs. C₄-PFN üçün 427/600). Təkəbbülən, CO₂/C₄-PFN qarışımları, CO₂/C₅-PFK qarışımlarına nəzərən, aşağı minimum işləmə temperaturu (təxminən –25 °C) təmin edir (təxminən –5 °C).

6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV Dead tank Vacuum Circuit-Breaker

Təsvir ：

40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV və 245kV Dead tank Vacuum Circuit-Breakers, yüksək təzyiq elektrik sistemi üçün əsas himayə cihazlarıdır. Vakuumu arxın söndürmə və izolyasiya ortamı kimi istifadə edərək, onlar müxtəlif arx quvvetlərinin tez və effektiv şəkildə keçidini təmin edir və arxın yenidən yandığını effektiv şəkildə önələr. Dead tank dizaynı, kompakt yerləşmə və sağlam mexaniki stabillik təmin edir, quraşdırma və sərfəli inkişaf üçün imkan yaradır. Yüksək səhvli spring işləmə mekanizmləri ilə donatılmış bu avtomatik keçidlər, 10,000 əməliyyatdan artıq mexaniki ömürlə tez və dəqiq cavab verir. Onların seçkin mühit uyğunluğu, onların çirklənmiş xarici şərtlərdə də stabil işləməsinə imkan verir. Podstansiya, tranzit xətlər və digər sahnarlarda geniş şəkildə istifadə olunur, müxtəlif təzyiq səviyyələrində effektiv və təhlükəsiz elektrik keçid idarəetməsini və etibarlı himayayı təmin edir.

Əsas funksiyalar:

• Nəzəkki Döyüşün Efektiv Yığma: Vakuumun istifadəsi nəzəkkinin tez və etibarlı yığılmamasını təmin edir, yenidən yanmasını önələr.

• Geniş Qıvrım Dairəsi: 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV və 245kV qıvrım dərəcələri ilə birgə fərdi şəbəkə tətbiqləri üçün mövcuddur.

• Qalın Mərdək Tank Layihəsi: Kompakt struktura mekaniki sabitliyi təmin edir və quraşdırmanı və sərgüzəşt etməni sadələşdirir.

• Etibarlı İşləmə: Sprinq bazlı işləmə mexanizmi 10,000-dən çox mexaniki dayanıqlılıq dövrü ilə təmin edilir.

• Yaxşılaşdırılmış Sigorta: İkiləşən sigorta flanş layihəsi suya qarşı və gaz nisbətən qoruyucu xüsusiyyətə malikdir, xarici istifadə üçün idealdir.