Pinakabag-ong Padulong sa Pagbutang og IEE-Business Alternative Gas-Based High-Voltage Circuit Breakers

1. Pagpahayag
Gamiton ang SF₆ sa malawak sa sistema ng paglipad at distribusyon ng kuryente, tulad ng gas-insulated switchgear (GIS), circuit breakers (CB), ug medium-voltage (MV) load switches. Iya kini ang unikong kapabilidad sa electrical insulation ug arc-quenching. Apan, ang SF₆ usab mao ang makapanginabang na greenhouse gas, may global warming potential nga humoltoreng 23,500 sa 100-year time horizon, kini gipataas ang regulasyon ug nagpadayon ang diskusyon bahin sa mga pagbatas. Taliwala niini, ang pananaliksik alang sa alternative gases para sa aplikasyon sa kuryente nagsugod sa duha ka dekada.

Ang "Club Zéro" (CZC), kasama ang CIGRE, naglaunch og inisiatibo aron asesahan ang estado ng arte sa alternative gases para sa switching applications. Gibuhat ang survey aron kolektahan ang tanang available nga recent literature bahin kini. Gi-present ug gi-discuss ang resulta sa joint session sa CIGRE Session niadtong 2016. Kini nga paper nagpresentar sa main findings sa survey. Tungod kay ang vacuum switching technology mao ang separate nga ongoing activity, wala kini mahimong ma-cover sa review.

2. Alternative Gases

Human sa adopsyon sa Kyoto Protocol niadtong 1997, ang pananaliksik alang sa alternative gases nagintensify ug nakapadayon sa pagtaas sa pasado nga dekada. Ang key requirements para sa alternative gases nailhan isip: low global warming potential (GWP), zero ozone depletion potential (ODP), low toxicity, non-flammability, high dielectric strength, high arc-quenching and heat dissipation capability, chemical stability, material compatibility, ug market availability.

Sa pipila ka naturally sourced gases nga imbestigahan, ang CO₂ ang pinaka-promising na arc-quenching gas, ang iyang performance maulikan pinaagi sa additives sama sa O₂ o CF₄. Apan, ang mga pag-aaral mipakita nga ang interrupting ug insulating performances sa CO₂ mas inferior sa SF₆. Ang uban pang interesante nga candidates nailhan sa fluorinated gases, sama sa CF₃I, hydrofluoroolefins (HFO-1234ze ug HFO-1234yf), perfluoroketones (e.g., C₅F₁₀O), perfluoronitriles (C₄F₇N), fluorinated ethers (HFE-245cb2), fluorinated epoxides, ug hydrochlorofluoroolefins (HCFO-1233zd).

Gi-consider ang tanang requirements, ang pinaka-promising current candidates mao ang C₅ perfluoroketone (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ o C₅-PFK) ug iso-C₄ perfluoronitrile ((CF₃)₂CF-CN o C₄-PFN). Para sa pure gases, ang dielectric performance proportional sa boiling point—i.e., ang gases nga may high dielectric strength adunay high boiling points. Sa 0.1 MPa, ang boiling points sa C₅-PFK ug C₄-PFN mao ang 26.5°C ug –4.7°C, respectively. Dili kaya, para sa switching equipment applications nga gikinahanglan ang sufficiently low boiling points aron mapasabot ang low-temperature operational demands, kinahanglan ang buffer gases. Tungod sa iyang good arc-quenching capability, ang CO₂ gipili isip buffer gas sa high-voltage applications. Sa medium-voltage applications, ang air usab gireport isip buffer gas nga gigamit sa combination sa C₅-PFK para sa insulation purposes.

3. Properties of Pure and Gas Mixtures

Ang Table 1 nagpresentar sa properties sa selected alternative gases relative sa SF₆. Ang GWPs sa mga gases niini nagbago-bago: ang C₄-PFN adunay mas taas nga GWP kaysa CO₂ o C₅-PFK, ang duha nga adunay GWPs nga humoltoreng 1. Ang tanang candidate gases of interest non-flammable, zero ODP, ug reported as non-toxic batasan sa technical ug safety data sheets gihatag sa chemical manufacturers. Ang dielectric strength sa pure C₄-PFN ug C₅-PFK humoltoreng duha ka beses sa SF₆. Ang dielectric withstand voltage sa CO₂ comparable sa air—that is, significantly lower sa SF₆.

Table 1: Comparison of Pure Gas Properties with SF₆

Tabel 2 nagpakita sa mga katangian sa mga gas ug mga paghalili sa gas kapag gamiton sa switchgear. Ang concentration sa C₄-PFN ug C₅-PFK sa mga paghalili uban ang buffer gases gibitaw sa ikaduhang kolona, kasagaran adunay concentration nga mas kaubos sa 13% (molar concentration). Kini importante nga ipahibalo nga para sa paggamit sa C₅-PFK sa CO₂, gi-report usab ang paggamit sa oxygen additives tungod kay ang presence sa oxygen makapadaghan sa pagbawas sa formation sa harmful by-products ( sama sa CO) ug solid by-products ( sama sa soot).

Tabel 2: Katangian/Pagperforma sa Pure Gases ug Gas Mixtures sa Medium- ug High-Voltage Switchgear Applications

Tungod sa pagbawas sa dielectric withstand voltage sa mga kombinasyon kontra sa SF₆ sa parehas nga presyon (Kolona 6), ang minimum nga operasyonal nga presyon para sa C₅-PFK ug C₄-PFN nga may CO₂ isip buffer gas sa high-voltage nga aplikasyon kailangan mapataas ngadto sa humoltong 0.7–0.8 MPa. Para sa medium-voltage nga aplikasyon gamit ang air/C₅-PFK nga kombinasyon, mahimo ang pagpanalipod sa presyon sa 0.13 MPa, nailhan ang dielectric withstand voltage nga duol sa SF₆.

Ang mataas nga dielectric withstand voltage nga nahitabo pinaagi sa relatyibong kauban nga blending ratios sa C₄-PFN o C₅-PFK mahimong maeksplikar pinaagi sa synergistic effect—i.e., ang dielectric strength madaghan sa dili linear nga paagi uban sa concentration sa additive, usa ka bulag nga gisulti sa SF₆/N₂ nga kombinasyon. Ang GWP sa C₅-PFK nga kombinasyon wala'y importansya, apan kini may bayad sa mas taas nga minimum nga operasyonal nga temperatura. Ang low-temperature nga aplikasyon (e.g., –25°C) mahimo mapangasiwa pinaagi sa pure CO₂ o CO₂ + C₄-PFN nga kombinasyon, apan may trade-offs: significant nga pagbawas sa dielectric withstand voltage sa kasong pure CO₂, o mas taas nga GWP kung gamiton ang C₄-PFN nga kombinasyon.

4. Switching Performance of Alternative Gases
Ang Table 3 naghatag og preliminary nga impormasyon bahin sa switching performance sa pure CO₂ ug CO₂-based nga kombinasyon, sama sa SF₆ performance isip pagkumpara. Pinaagi sa pagtaas sa operasyonal nga presyon kontra sa SF₆, ang cold dielectric strength—gigamit, e.g., isip metric alang sa capacitive switching performance—mahimo mapataas ngadto sa level sa SF₆.

Table 3: Comparison of Switching Performance of Gases and Gas Mixtures at Elevated Operating Pressures versus SF₆ in High-Voltage Applications

Sa mga gisulat nga literatura, ang mahanong mga pahayag bahin sa pagkakaperforma sa pagpili sa C₄-PFN ug C₅-PFK nga mixtures lang ang makita. Para sa CO₂, may mga kuantitatibong pagkumpara. Sa pangkalahatan, sa tibuok CO₂ sa usa ka taas na presyon ngadto sa halos 1 MPa, ang insulation ug short-line fault (SLF) interrupting performance nga humoltog sa duol sa dos-tres parte sa SF₆ ang mas expectar.

Pinaagi sa pagdaghan sa O₂ sa CO₂ (hangtod sa mixing ratios hangtod sa 30%), ang pag-improve sa SLF interrupting performance ug usa ka hapsay nga pagtaas sa dielectric strength ang mahimong mag-expectar. Ang pagdaghan sa C₄-PFN o C₅-PFK sa CO₂ nag-enable sa dielectric performance nga nahimong dako karon sama sa SF₆. Mga report nga ang SLF switching performance sa CO₂/O₂/C₅-PFK mixtures humoltog sa 20% kauban sa SF₆. Sa kabalaka, ang mga circuit breakers nga gi-design sa CO₂/C₄-PFN mixtures adunay claim nga nakuha ang SLF performance nga parehas sa SF₆.

Subalang may mga study nga direkta nga naghulagway sa tibuok CO₂ kontra sa CO₂/C₄-PFN ug CO₂/C₅-PFK mixtures sa sama nga geometry ug presyon, ang katugbang nga near-zone (thermal) interrupting performance sa CO₂ sukad sa wala o may additives. Pinaagi sa minor design modifications o modest derating, ang bag-ong mixtures nakalusot sa IEC test duties L90 (SLF) ug T100 (100% terminal fault), nagpakita nga ang ilang switching performance wala gyud mobati sa dako kaysa sa SF₆. Kini usab gi-demonstrate alang sa breaker’s interrupting function.

Mas daghan pa nga pag-improve sa switching performance pinaagi sa dedicated design optimizations ang inexpectar sa hinahamong panahon. Usa ka importante nga isyu mao ang toxicity sa gases human sa arcing. Ang C₅-PFK ug C₄-PFN mao ang komplikado nga molecules nga moginhiusa sa ibabaw sa halos 650 °C sa kasong C₄-PFN. Human sa decomposition, ang mga molecules wala mirecombine sa ilang orihinal nga structures apan nag-form og mas gamay nga fragments. Ang decomposition rate nga 0.5 mol/MJ ang gireport para sa CO₂/O₂/C₅-PFK mixtures sa high-current interruption. Para sa partial discharges, ang decomposition rate gibantog nga mas taas sa unom ka beses kaysa sa uban nga value.

Ang decomposition behavior sa bag-ong gases wala direkta nga mahimong ikumpara sa SF₆, nga nag-decompose pinaagi sa chemical reactions sa ablated contact ug nozzle materials. Alang sa bag-ong gases, ang decomposition over the equipment lifetime wala consider as critical issue, pero ang gas concentration within the equipment dapat ma-monitor o periodic check. Ang pinaka toxic decomposition products sa high-pressure applications (i.e., mixtures with CO₂) mao ang CO ug HF. Ang arc by-products sa mga mixtures consider as having toxicity similar to or lower than that of arc-decomposed SF₆. Dili kini, ang handling procedures similar to those used for arc-exposed SF₆ ang recommended.

Subalang, kinahanglan ipaminaw nga ang uban nga pahayag basehan sa limitado nga kaalam sa toxicity sa bag-ong gases. Mas daghan pa nga experience ang gikinahanglan bahin sa post-arc toxicity sa potential SF₆ alternatives. Ang uban nga reported concerns include material compatibility (e.g., effects on seals and greases), gas sealing integrity, ug gas handling procedures. Taliwala, ang existing high-voltage equipment dili expectaran nga mobati sa dako sa safe operation sa bag-ong gases bisan sa wala appropriate design or material modifications.

Ang internal arc tests gipahigayon sa tanang mixtures, ug wala serious issues gireport. Ang thermal conductivity sa mixtures mas gamay kaysa sa SF₆, nga mao ang mahimong mag-require og moderate derating o design adjustments sa current-carrying capacity. Ang CO₂ live-tank circuit breakers nakuha na field experience, ug ang deployment nagsugod sa unsa may mga tuig, ug ang CO₂-filled breakers karon commercially available.

Ang high- ug medium-voltage pilot installations gamit ang C₅-PFK mixtures nagsugod na sa Switzerland ug Germany human sa 2015. Ang pilot projects gamit ang CO₂/C₄-PFN mixtures planned o ongoing sa unsa may European countries, kasama ang 145 kV indoor GIS sa Switzerland, 245 kV outdoor current transformer sa Germany, ug outdoor 420 kV GIL systems sa UK ug Scotland.

5. Conclusions and Outlook
Ang published information bahin sa SF₆ alternative gases alang sa switching applications gisulat. Sa kasamtangan, ang research naa gihapon sa una nga yuta ug mas gamay kaysa sa decades-long body of work sa SF₆. Ang available manufacturer data nagpakita nga ang bag-ong gases—tulad sa C₅-PFK ug C₄-PFN—mga viable options nga, kon blended sa CO₂ isip buffer gas, mahimo mopartially match sa SF₆ performance, apan dili fully replicate all of SF₆’s capabilities.

Ang key differences nahanungop sa insulation ug interruption performance, same sa boiling point—which determines the minimum specified operating temperature of the switchgear. Ang low minimum operating temperature (e.g., –50 °C) makamit sa tibuok CO₂. Subalang, ang CO₂ gibantog nga may generally lower interruption performance, lalo na sa terms sa recovery voltage peak withstand ug interruption capability, kontra sa gas mixtures containing C₄-PFN o C₅-PFK.

Ang advantage sa CO₂/C₅-PFK mixtures kontra sa CO₂/C₄-PFN mixtures mao ang negligible GWP (~1 vs. 427/600 for C₄-PFN). Kontra, ang CO₂/C₄-PFN mixtures offer a lower minimum operating temperature (approximately –25 °C) compared to CO₂/C₅-PFK mixtures (approximately –5 °C).

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

Description ：

Ang 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV, ug 245kV Dead tank Vacuum Circuit-Breakers mao ang essential protective devices alang sa high-voltage power systems. Employing vacuum isip arc-extinguishing ug insulating medium, sila nagboast sa exceptional arc-quenching capabilities, swift interruption sa fault currents, ug effective prevention sa arc re-ignition aron sigurado ang stable power system operation. Ang dead tank design naghatag og compact footprint ug robust mechanical stability, facilitating installation ug maintenance. Equipped sa highly reliable spring operating mechanisms, ang mga circuit breakers adunay mechanical lifespan nga mas taas sa 10,000 operations, delivering rapid ug precise responses. Ang outstanding environmental adaptability, sila mobati sa dako sa harsh outdoor conditions. Widespread application sa substations, transmission lines, ug uban pa, sila naghatag og efficient ug secure power switching control ug reliable protection across various voltage levels.

Pangutana sa pangunahon nga function:

• Efficient na pagpatay sa arc: Gigamit ang vacuum aron mas maong ug reliable ang pagpatay sa arc, nagpakinahanglan og dili magbalik ang apoy.

• Wide nga range sa voltage: Magamit sa 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV, ug 245kV ratings alang sa versatile nga grid applications.

• Robust nga dead tank design: Compact nga structure nga nagsiguro sa mechanical stability ug simplifies installation/maintenance.

• Reliable nga operation: Spring-based operating mechanism nga may uban 10,000 ka mechanical endurance cycles.

• Enhanced nga sealing: Dual-seal flange design nga naghatag og waterproof ug gas-tight protection, ideal para sa outdoor use.