Tendències més recents en disjuntors d'alta tensió basats en gasos alternatives al SF₆
1. Introducció
L'SF₆ es utilitza ampliament en sistemes de transmissió i distribució d'electricitat, com ara el equipament de commutació aïllat per gas (GIS), els interruptors (CB) i els interruptors de càrrega de mitjana tensió (MV). Té capacitats úniques d'aïllament elèctric i d'extinció d'arc. No obstant això, l'SF₆ també és un potent gas d'efecte hivernacle, amb un potencial de calentament global d'aproximadament 23.500 en un horitzó de 100 anys, i per tant, el seu ús està regulat i sota discussió en relació a les restriccions. Com a conseqüència, la recerca de gases alternatius per a aplicacions elèctriques s'està realitzant des fa uns dos dècades.
El "Club Zéro" (CZC), en col·laboració amb CIGRE, va iniciar recentment una iniciativa per avaluar l'estat de l'art dels gases alternatius a l'SF₆ per a aplicacions de commutació. Es va realitzar una enquesta per recollir tota la literatura recent disponible sobre aquest tema. Els resultats es van presentar i discutir en una sessió conjunta durant la sessió de CIGRE el 2016. Aquest document presenta els principals troballes d'aquesta enquesta. Com que la tecnologia de commutació al buit constitueix una activitat separada en curs, no es cobrirà en aquesta revisió.
2. Gases Alternatius
Després de l'adopció del Protocol de Kyoto el 1997, la recerca en gases alternatius s'intensificó i ha augmentat encara més durant la darrera dècada. S'han identificat com a requisits clau per als gases alternatius: baix potencial de calentament global (GWP), zero potencial de descomposició de la capa d'ozone (ODP), baixa toxicitat, no inflamabilitat, alta resistència dielèctrica, alta capacitat d'extinció d'arc i dissipació de calor, estabilitat química, compatibilitat amb materials i disponibilitat al mercat.
Entre els diversos gases d'origen natural investigats, el CO₂ s'ha demostrat ser el gas més prometedor per a l'extinció d'arc, amb el seu rendiment potencialment millorat per additius com l'O₂ o el CF₄. No obstant això, estudis han demostrat que tant el rendiment d'interrupció com el d'aïllament del CO₂ són inferiors als de l'SF₆. Altres candidats interessants s'han identificat entre els gases fluorats, com el CF₃I, els hidrofluoroolefins (HFO-1234ze i HFO-1234yf), els perfluorocetonos (per exemple, C₅F₁₀O), els perfluronitrils (C₄F₇N), els éters fluorats (HFE-245cb2), els epoxides fluorats i els hidroclorofluoroolefins (HCFO-1233zd).
Considerant tots els requisits, els candidats més prometedors actuals són el C₅ perfluorocetona (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ o C₅-PFK) i l'iso-C₄ perfluronitril ((CF₃)₂CF-CN o C₄-PFN). Per als gases purs, el rendiment dielèctric és proporcional al punt d'ebullició, és a dir, els gases amb alta resistència dielèctrica solen tenir punts d'ebullició alts. A 0,1 MPa, els punts d'ebullició del C₅-PFK i del C₄-PFN són 26,5°C i -4,7°C, respectivament. Per tant, per a les aplicacions d'equipament de commutació que requereixen punts d'ebullició suficientment baixos per complir amb les demandes operatives a baixes temperatures, s'han d'afegir gases buffer. Degut a la seva bona capacitat d'extinció d'arc, el CO₂ s'ha seleccionat com a gas buffer en aplicacions de alta tensió. En aplicacions de mitjana tensió, també s'ha informat de l'ús de l'aire com a gas buffer en combinació amb el C₅-PFK per a aïllament.
3. Propietats dels Gases Purs i de les Mesclatures de Gases
La Taula 1 presenta les propietats dels gases alternatius seleccionats en relació a l'SF₆. Els GWP d'aquests gases varien significativament: el C₄-PFN presenta un GWP molt més alt que el CO₂ o el C₅-PFK, que tenen GWP d'aproximadament 1. Tots els gases candidats d'interès són no inflamables, tenen ODP zero i es reporten com a no tòxics segons les fulles de dades tècniques i de seguretat proporcionades pels fabricants químics. La resistència dielèctrica del C₄-PFN pur i del C₅-PFK és gairebé el doble que la de l'SF₆. El voltatge de resistència dielèctrica del CO₂ és comparable al de l'aire, és a dir, significativament inferior a la de l'SF₆.
Taula 1: Comparació de les Propietats dels Gases Purs amb l'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 |
La Taula 2 mostra les característiques dels gasos i les mescltures de gasos quan s'utilitzen en aparells d'interrupció. Les concentracions de C₄-PFN i C₅-PFK en mescltures amb gasos tampó es donen en la segona columna, típicament inferiors al 13% (concentració molar). Cal tenir en compte que per a l'ús de C₅-PFK en CO₂, també s'han informat addicions d'oxigen, ja que la presència d'oxigen pot reduir la formació de subproductes nocius (com el CO) i subproductes sòlids (com la fulig).
Taula 2: Característiques/rendiment dels gasos purs i les mescltures de gasos en aplicacions d'aparells d'interrupció de mitja i alta tensió
| 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 |
Degut a la reducció de la tensió dielèctrica de les barrejes en comparació amb l'SF₆ a la mateixa pressió (Columna 6), la pressió mínima d'operació per al C₅-PFK i el C₄-PFN amb CO₂ com a gas tampon en aplicacions d'alta tensió ha de ser incrementada aproximadament a 0,7–0,8 MPa. Per a les aplicacions de mitjana tensió utilitzant mixtures d'aire/C₅-PFK, es pot mantenir una pressió de 0,13 MPa, assolint una tensió dielèctrica propera a la de l'SF₆.
La alta tensió dielèctrica assolida amb proporcions baixes de mescla de C₄-PFN o C₅-PFK es pot explicar per un efecte sinèrgic, és a dir, la resistència dielèctrica augmenta de manera no lineal amb la concentració de l'additiu, un fenomen observat anteriorment en les barrejes SF₆/N₂. El PGE de les barrejes de C₅-PFK és negligible, però això comporta un cost en forma de temperatura mínima d'operació més elevada. Les aplicacions a baixes temperatures (p. ex., –25°C) poden ser abordades utilitzant CO₂ pur o mixtures de CO₂ + C₄-PFN, tot i que amb compromisos: una reducció significativa de la tensió dielèctrica en el cas del CO₂ pur, o un PGE substancialment més alt quan s'utilitzen mixtures de C₄-PFN.
4. Rendiment de commutació dels gasos alternatius
La Taula 3 compila informació preliminar sobre el rendiment de commutació del CO₂ pur i les mixtures basades en CO₂, amb el rendiment de l'SF₆ proporcionat per a comparació. Augmentant la pressió d'operació respecte a l'SF₆, la resistència dielèctrica a freda—utilitzada, per exemple, com a mètrica per al rendiment de commutació capacitiva—pot ser portada al nivell de l'SF₆.
Taula 3: Comparació del rendiment de commutació dels gasos i les mixtures gaseuses a pressions d'operació elevades versus l'SF₆ en aplicacions d'alta tensió
| Gas | Pressió d'operació [MPa] | Resistència dielèctrica / pu | Rendiment SLF 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 | Proper a SF₆ | 0.8…0.87 | Proper a SF₆ |
| CO₂/C4-PFN | 0.67…0.82 | Proper a SF₆ | 0.83…(1) | Proper a SF₆ |
En la literatura revisada, només s'han trobat declaracions qualitatives sobre el rendiment de commutació de les barrejes C₄-PFN i C₅-PFK. Per al CO₂, hi ha disponibles algunes comparacions quantitatives. En general, amb CO₂ pur a una pressió de ompliment augmentada d'aproximadament 1 MPa, es pot esperar un rendiment d'aïllament i d'interrupció de faltes de línia curta (SLF) d'uns dos terços del que ofereix el SF₆.
Afegint O₂ al CO₂ (amb ràtios de barreja fins al 30%), es pot preveure una millora en el rendiment d'interrupció de SLF i un lleuger increment en la resistència dielèctrica. Afegir C₄-PFN o C₅-PFK al CO₂ permet un rendiment dielèctic que s'apropa al del SF₆. Estudis informen que el rendiment de commutació de SLF de les barrejes CO₂/O₂/C₅-PFK és aproximadament un 20% inferior al del SF₆. En canvi, s'ha afirmat que els interruptors específicament adaptats per a les barrejes CO₂/C₄-PFN han assolit un rendiment de SLF comparable al del SF₆.
No obstant això, també hi ha estudis que comparen directament el CO₂ pur amb les barrejes CO₂/C₄-PFN i CO₂/C₅-PFK en condicions geomètriques i de pressió idèntiques, que mostren un rendiment d'interrupció de zona propera (tèrmica) similar per al CO₂ amb o sense additius. Amb modificacions de disseny minores o una reducció moderada, les noves barrejes han superat correctament les proves de servei IEC L90 (SLF) i T100 (falta terminal del 100%), indicant que el seu rendiment de commutació no és significativament inferior al del SF₆. Això també s'ha demostrat per a la funció d'interrupció dels interruptors.
Es preveuen més milloraments en el rendiment de commutació mitjançant optimitzacions de disseny dedicades en el futur. Un tema important és la toxicitat dels gasos després de l'arc. El C₅-PFK i el C₄-PFN són molècules complexes que comencen a descomposar-se per sobre dels 650 °C en el cas del C₄-PFN. En descompondre's, aquestes molècules no es recombinen en les seves estructures originals sinó que formen fragments més petits. S'ha informat d'una taxa de descomposició de 0,5 mol/MJ per a les barrejes CO₂/O₂/C₅-PFK en interrupcions d'alta intensitat. Per a descàrregues parcials, la taxa de descomposició s'ha observat que és més d'un ordre de magnitud inferior al valor anterior.
El comportament de descomposició d'aquests nous gasos no és directament comparable al del SF₆, que es descompon principalment a causa de reaccions químiques amb materials de contacte i bocins abrasats. Per als nous gasos, la descomposició durant la vida útil de l'equip no es considera un problema crític, però la concentració de gas dins de l'equip hauria de ser monitoritzada o revisada periòdicament. Els productes de descomposició més toxics en aplicacions d'alta pressió (és a dir, barrejes amb CO₂) són el CO i el HF. Es considera que els subproductes d'arc d'aquestes barrejes tenen una toxicitat similar o inferior a la del SF₆ descompost per arc. Per tant, es recomana utilitzar procediments de manipulació similars als utilitzats per al SF₆ exposat a arc.
Cal tenir en compte, no obstant això, que les afirmacions anteriors estan basades en un coneixement limitat de la toxicitat d'aquests nous gasos. Es necessita més experiència en relació amb la toxicitat post-arc de possibles alternatives al SF₆. Altres preocupacions informades inclouen la compatibilitat del material (per exemple, efectes sobre joints i grassos), la integritat del sellat del gas i els procediments de manipulació del gas. En conseqüència, no s'espera que l'equip de alta tensió existent pugui funcionar de manera segura amb aquests nous gasos sense modificacions adequades de disseny o material.
S'han realitzat proves d'arc intern amb totes les barrejes, i no s'han informat cap problema serós. La conductivitat tèrmica de les barrejes és lleugerament inferior a la del SF₆, el que podria requerir una reducció moderada o ajustos de disseny per a la capacitat de portada de corrent. Els interruptors de circuit de tanca viva de CO₂ ja han guanyat experiència en el camp, amb implementacions que comencen fa diversos anys, i ara els interruptors omplerts de CO₂ estan comercialment disponibles.
Les instal·lacions pilota d'alta i mitjana tensió que utilitzen barrejes de C₅-PFK han estat operant amb èxit a Suïssa i Alemanya des de 2015. Hi ha projectes pilota planificats o en curs en diversos països europeus que utilitzen barrejes de CO₂/C₄-PFN, incloent-hi un GIS interior de 145 kV a Suïssa, un transformador de corrent exterior de 245 kV a Alemanya, i sistemes GIL exteriors de 420 kV al Regne Unit i Escòcia.
5. Conclusions i perspectives
S'ha revisat la informació publicada sobre gasos alternatius al SF₆ per a aplicacions de commutació. En aquesta etapa, aquesta recerca encara està en les seves primeres fases i és molt menys extensa que el cos de treball de dècades sobre el SF₆. Les dades disponibles dels fabricants indiquen que els nous gasos, com el C₅-PFK i el C₄-PFN, són opcions viables que, quan es barrejen amb CO₂ com a gas tampó, poden igualar parcialment el rendiment del SF₆, encara que no puguin replicar completament totes les capacitats del SF₆.
Les diferències clau es troben en el rendiment d'aïllament i d'interrupció, així com en el punt d'ebullició, que determina la temperatura mínima especificada d'operació del mecanisme de commutació. Una baixa temperatura mínima d'operació (p. ex., –50 °C) es pot aconseguir amb CO₂ pur. No obstant això, el CO₂ sembla mostrar un rendiment d'interrupció generalment inferior, especialment en termes de capacitat de suport de pic de tensió de recuperació i capacitat d'interrupció, en comparació amb les barrejes de gas que contenen C₄-PFN o C₅-PFK.
Una avantatge de les barrejes CO₂/C₅-PFK sobre les barrejes CO₂/C₄-PFN és el seu PAM negligençable (~1 vs. 427/600 per al C₄-PFN). En canvi, les barrejes CO₂/C₄-PFN oferixen una temperatura mínima d'operació més baixa (aproximadament –25 °C) en comparació amb les barrejes CO₂/C₅-PFK (aproximadament –5 °C).
6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV Tanca morta Interruptor de circuit a buit
Descripció:
Els interruptors de circuit a buit de tanca morta de 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV i 245kV són dispositius protectors essencials per a sistemes de potència d'alta tensió. Utilitzant el buit com a medi d'extinció d'arc i aïllament, posseeixen excepcionals capacitats d'extinció d'arc, interrompent ràpidament les corrents de falla i prevenint eficientment la re-ignició de l'arc per assegurar una operació estable del sistema de potència. El disseny de tanca morta ofereix una empremta compacta i una estabilitat mecànica robusta, facilitant la instal·lació i manteniment. Equipats amb mecanismes d'operació de molla altament fiables, aquests interruptors tenen una vida útil mecànica que supera les 10.000 operacions, proporcionant respostes ràpides i precises. Amb una excelente adaptabilitat ambiental, poden operar de manera estable en condicions externes adverses. Ampliament aplicats en subestacions, línies de transmissió i altres escenaris, proporcionen control de commutació de potència eficient i segur, així com protecció fiable a diversos nivells de tensió.
Presentació de les funcions principals:
Extinció eficient de l'arc: Utilitza el buit per a una extinció ràpida i fiable de l'arc, prevenint la re-ignició.
Ampli rang de tensions: Disponible en tensions de 40,5 kV, 72,5 kV, 145 kV, 170 kV i 245 kV per a diverses aplicacions de xarxa.
Disseny robust de tanca morta: Estructura compacta que assegura estabilitat mecànica i simplifica la instal·lació i el manteniment.
Operació fiable: Mecanisme d'operació basat en molla amb més de 10.000 cicles de resistència mecànica.
Obturació millorada: Disseny de flange de doble oburació que ofereix protecció impermeable i hermètica, ideal per a ús exterior.
