Най-новите тенденции в развитието на високонапрегови прекъсвачи, базирани на алтернативни газове за SF₆

1. Въведение
СF₆ е широко използван в системите за предаване и разпределение на електроенергия, като газово изолирана комутационна апаратура (GIS), пръснатели (CB) и среднонапрастни (MV) ключове за зареждане. Той притежава уникални електроизолиращи и дугопресичащи способности. Въпреки това СF₆ е също така мощен парников газ, с глобален потенциал за затопляне от около 23 500 в рамките на 100-годишен период, и поради това неговото използване е регулирано и подлежи на продължаващи разисквания относно ограниченията. В резултат на това, изследванията върху алтернативни газове за енергийни приложения са провеждани вече близо два десетилетия.

"Клуб Зеро" (CZC), в сътрудничество с CIGRE, напоследък стартира инициатива за оценка на състоянието на изкуството на алтернативни газове вместо СF₆ за комутационни приложения. Беше проведено проучване, за да се съберат всички налични актуални публикации по тази тема. Резултатите бяха представени и обсъдени на съвместна сесия по време на сесията на CIGRE през 2016 г. Тази статия представя основните открития от това проучване. Тъй като технологията за комутиране във вакуум представлява отделна продължаваща дейност, тя няма да бъде обхваната в настоящата ревизия.

2. Алтернативни газове

След приемането на Киотския протокол през 1997 г., изследванията върху алтернативни газове се интенсифицираха и са се увеличили още повече през последното десетилетие. Ключовите изисквания към алтернативните газове са идентифицирани като: нисък потенциал за глобално затопляне (GWP), нулев потенциал за опразняване на озоновия слой (ODP), ниска токсичност, негоримост, висока диелектрична сила, висока дугопресичаща и дисипираща теплота способност, химическа стабилност, съвместимост с материали и наличност на пазара.

Сред различните природни газове, които са изследвани, CO₂ е доказан като най-обещаващ дугопресичащ газ, със своята производителност, която може да бъде подобрена чрез добавки като O₂ или CF₄. Въпреки това, изследванията показват, че както прекъсващата, така и изолиращата производителност на CO₂ са по-слаби от тези на СF₆. Други интересни кандидати са идентифицирани сред флуорирани газове, като CF₃I, хидрофлуороолефини (HFO-1234ze и HFO-1234yf), перфторкетони (например C₅F₁₀O), перфторнитрили (C₄F₇N), флуорирани ефирни (HFE-245cb2), флуорирани епоксиди и хидроклофлуороолефини (HCFO-1233zd).

При вземане предвид всички изисквания, най-обещаващите текущи кандидати са C₅ перфторкетон (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ или C₅-PFK) и изо-C₄ перфторнитрил ((CF₃)₂CF-CN или C₄-PFN). За чистите газове, диелектричната производителност е пропорционална на точката на кипене - т.е., газовете с висока диелектрична сила обикновено имат и високи точки на кипене. При 0,1 МПа, точките на кипене на C₅-PFK и C₄-PFN са 26,5°C и –4,7°C, съответно. Ето защо, за приложения на комутационна апаратура, изискващи достатъчно ниски точки на кипене, за да удовлетворят изискванията за работа при ниски температури, трябва да се добавят буферни газове. От съображения за добра дугопресичаща способност, CO₂ е избран като буферен газ в приложенията с високо напрежение. В приложенията със средно напрежение, въздухът също е споменат като буферен газ, използван в комбинация с C₅-PFK за целите на изолация.

3. Свойства на чисти газове и газови смеси

Таблица 1 представя свойствата на избрани алтернативни газове в сравнение с СF₆. GWPs на тези газове варира значително: C₄-PFN има много по-висок GWP от CO₂ или C₅-PFK, които имат GWPs около 1. Всички интересни кандидатски газове са негорими, имат нулев ODP и се докладват като нетоксични според техническите и безопасностни листове, предоставени от химическите производители. Диелектричната сила на чист C₄-PFN и C₅-PFK е почти два пъти по-висока от тази на СF₆. Диелектричната устойчивост на CO₂ е сравнима с тази на въздуха - т.е., значително по-ниска от тази на СF₆.

Таблица 1: Сравнение на свойствата на чисти газове с СF₆

Таблица 2 показва характеристиките на газовете и газовите смеси при използване в апаратура. Концентрациите на C₄-PFN и C₅-PFK в смеси с буферни газове са дадени във втората колона, обикновено под 13% (молова концентрация). Следва да се отбележи, че при използването на C₅-PFK в CO₂, също са регистрирани добавки на кислород, тъй като наличието на кислород може да намали образуването на вредни вторични продукти (като CO) и твърди вторични продукти (като саж).

Таблица 2: Характеристики/производителност на чисти газове и газови смеси в приложенията на средно- и високонапрегнатата апаратура

В резултат на намалената изолационна устойчивост на съединенията в сравнение с SF₆ при еднакво налягане (Колона 6), минималното работно налягане за C₅-PFK и C₄-PFN с CO₂ като буферен газ в приложенията с високо напрежение трябва да бъде увеличено до приблизително 0,7–0,8 МПа. За приложенията с средно напрежение, използващи смеси от въздух/C₅-PFK, може да се поддържа налягане от 0,13 МПа, постигайки изолационна устойчивост, близка до тази на SF₆.

Високата изолационна устойчивост, постигната с относително ниски пропорции на C₄-PFN или C₅-PFK, може да се обясни с синергетичен ефект – т.е. изолационната сила нараства нелинейно с концентрацията на добавката, феномен, наблюдаван преди това в смесите SF₆/N₂. GWP на смесите C₅-PFK е пренебрежим, но това става на цената на по-висока минимална температура на работа. Приложение при ниски температури (например -25°C) може да бъде осигурено чрез използване на чист CO₂ или смеси CO₂ + C₄-PFN, макар и с компромиси: значително намалена изолационна устойчивост в случая с чист CO₂, или много по-висок GWP при използване на смеси C₄-PFN.

4. Качество на комутацията при алтернативни газове
Таблица 3 съдържа предварителна информация за качеството на комутацията на чист CO₂ и смеси на базата CO₂, с предоставени данни за качеството на SF₆ за сравнение. Чрез увеличаване на работното налягане в сравнение с SF₆, хладна изолационна сила – използвана, например, като метрика за качеството на комутацията на кондензатори – може да бъде доведена до нивото на SF₆.

Таблица 3: Сравнение на качеството на комутацията на газове и газови смеси при повишено работно налягане в сравнение с SF₆ в приложенията с високо напрежение

В разглежданата литература са открити само качествени твърдения относно перформансите на смесите C₄-PFN и C₅-PFK при комутация. За CO₂ има някои количествени сравнения. Общо взето, с чист CO₂ при увеличено напълнително налягане от около 1 MPa, може да се очаква изолационен и прекъсващ перформанс (SLF) на около две трети от този на SF₆.

Добавянето на O₂ към CO₂ (със съотношения до 30%) води до подобряване на прекъсващия перформанс SLF и леко увеличение на диелектричната стойност. Добавянето на C₄-PFN или C₅-PFK към CO₂ позволява достигане на диелектричен перформанс, близък до този на SF₆. Изследванията показват, че прекъсващият перформанс SLF на смесите CO₂/O₂/C₅-PFK е около 20% по-нисък от този на SF₆. В контраст, специално адаптирани прекъсвители за смеси CO₂/C₄-PFN са заявявани като достигащи прекъсващ перформанс SLF, сравним с този на SF₆.

Има обаче и изследвания, които директно сравняват чист CO₂ със смеси CO₂/C₄-PFN и CO₂/C₅-PFK при идентични геометрични и налягани условия, които показват подобен прекъсващ перформанс (термичен) в близки зони за CO₂, с или без добавки. С минимални модификации в дизайна или леко намаление на мощността, новите смеси успешно са преминали IEC тестове L90 (SLF) и T100 (100% крайна авария), което показва, че техният прекъсващ перформанс не е значително по-слаб от този на SF₆. Това е демонстрирано и за функцията за прекъсване на прекъсвителите.

Допълнителни подобрения в прекъсващия перформанс чрез специализирани оптимизации на дизайна се очакват в бъдеще. Важен проблем е токсичността на газовете след дуга. C₅-PFK и C₄-PFN са сложни молекули, които започват да се декомпозират при температура над 650 °C в случая с C₄-PFN. При декомпозицията тези молекули не се рекомбинират в своите оригинални структури, а формират по-малки фрагменти. Декомпозиционна скорост от 0,5 mol/MJ е регистрирана за смеси CO₂/O₂/C₅-PFK при прекъсване на високи токове. За частични разряди декомпозиционната скорост е наблюдавана да е над един порядък по-ниска от гореспоменатата стойност.

Декомпозиционното поведение на тези нови газове не е директно сравнимо с това на SF₆, който се декомпозира главно поради химически реакции с аблатирани контактни и насадкови материали. За новите газове, декомпозицията през живота на оборудването не се счита за критичен проблем, но концентрацията на газа в оборудването трябва да се мониторира или периодично да се проверява. Най-токсичните продукти на декомпозиция при високонапълнителни приложения (т.е., смеси с CO₂) са CO и HF. Продуктите на дуга на тези смеси се считат за имащи токсичност, подобна или по-ниска от тази на декомпозирания SF₆. Затова се препоръчват процедури за обработване, подобни на тези, използвани за SF₆, подложени на дуга.

Трябва обаче да се отбележи, че гореспоменатите твърдения са основани на ограничена информация за токсичността на тези нови газове. Е необходимо повече опит относно постдуговата токсичност на потенциалните алтернативи на SF₆. Други споделени загрижености включват съвместимостта с материалите (например, влиянието върху уплътненията и мастите), целостта на газовото уплътнение и процедурите за обработване на газа. Следователно, съществуващото високонапълнително оборудване не трябва да се очаква да работи безопасно с тези нови газове без подходящи модификации в дизайна или материалите.

Вътрешни тестове с дуга са проведени с всички смеси, и няма докладвани сериозни проблеми. Термичната проводимост на сместите е леко по-ниска от тази на SF₆, което може да изисква умерено намаление на мощността или дизайнерски корекции за капацитета за пренос на ток. Прекъсвители с жив резервоар, напълнени с CO₂, вече имат полево изпитание, с началото на тяхното внедряване преди няколко години, и прекъсвители, напълнени с CO₂, вече са налични на пазара.

Пилотни инсталации с високо и средно напрежение, използващи смеси C₅-PFK, работят успешно в Швейцария и Германия от 2015 г. Пилотни проекти, използващи смеси CO₂/C₄-PFN, са планирани или са в процес в няколко европейски страни, включително 145 kV GIS в Швейцария, 245 kV извън помещение трансформатор на тока в Германия и извън помещение 420 kV GIL системи във Великобритания и Шотландия.

5. Заключения и перспективи
Е била направена оценка на публикуваната информация за алтернативни газове на SF₆ за приложения в комутация. На настоящия етап, това изследване все още е в ранната си фаза и е много по-ограничено, отколкото многогодишната работа върху SF₆. Достъпните производствени данни показват, че новите газове, като C₅-PFK и C₄-PFN, са жизнеспособни опции, които, когато се смесват с CO₂ като буферен газ, частично могат да съответстват на перформанса на SF₆, макар и да не могат напълно да репликират всички способности на SF₆.

Основните различия се намират в изолационния и прекъсващия перформанс, както и в точката на завиране, която определя минималната оперативна температура на комутационното устройство. Ниска минимална оперативна температура (например –50 °C) може да бъде постигната с чист CO₂. Въпреки това, CO₂ изглежда има общо по-низък прекъсващ перформанс, особено в отношение на възстановяването на върха на напрежението и прекъсващата способност, в сравнение с газови смеси, съдържащи C₄-PFN или C₅-PFK.

Преимущество на сместите CO₂/C₅-PFK пред сместите CO₂/C₄-PFN е техният пренебрежим GWP (~1 vs. 427/600 за C₄-PFN). От друга страна, сместите CO₂/C₄-PFN предлагат по-ниска минимална оперативна температура (приблизително –25 °C) в сравнение със сместите CO₂/C₅-PFK (приблизително –5 °C).

6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV Мъртви резервоар Вакуум Прекъсвач

Описание:

Прекъсвачите с мъртъв резервоар и вакуум за 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV и 245kV са ключови защитни устройства за високонапълнителни електроенергийни системи. Използвайки вакуум като средство за гасене на дуга и изолация, те имат изключителни способности за гасене на дуга, бързо прекъсват аварийните токове и ефективно предотвратяват повторното запалване на дугата, за да гарантират стабилна работа на електроенергийната система. Дизайнът с мъртъв резервоар предлага компактен размер и механична стабилност, което облекчава инсталацията и поддръжката. Освен това, оборудвани с високонадеждни пружинни механизми, тези прекъсвачи имат механичен живот, надхвърлящ 10,000 операции, осигурявайки бързи и прецизни реакции. С изключителна адаптивност към околната среда, те могат да работят стабилно в сурови външни условия. Широко приложими в трансформаторни станции, линии за передаване и други сценарии, те предоставят ефективен и сигурен контрол на комутацията и надеждна защита при различни нива на напрежение.

Основно представяне на функции:

• Ефективно изгасване на дъга: Използва вакуум за бързо и надеждно гасене на дъга, предотвратявайки повторното запалване.

• Широк диапазон на напрежения: Достъпни са в оценки от 40.5кВ, 72.5кВ, 145кВ, 170кВ и 245кВ за универсални приложения в мрежата.

• Робустен дизайн на затворен резервоар: Компактна структура осигурява механична стабилност и опростява инсталирането/поддръжката.

• Надеждна работа: Механизъм за управление, основан на пружина, с повече от 10 000 цикъла механична издръжливост.

• Подобрена герметизация: Дизайн на двойно уплътнение осигурява водонепроницаема и газова тясна защита, идеална за използване на открито.