Nejnovější vývojové trendy vysokovoltových vypínačů založených na alternativním plyně k SF₆

1. Úvod
SF₆ se široce používá v elektrických přenosových a distribučních systémech, jako jsou plynově izolované spínací zařízení (GIS), vypínače (CB) a středně napěťové (MV) zátěžové spínače. Má unikátní vlastnosti elektrické izolace a uhašení oblouku. Nicméně, SF₆ je také silný skleníkový plyn s globálním oteplovacím potenciálem přibližně 23 500 na století, a proto jeho použití je regulováno a je předmětem probíhajících diskusí ohledně omezení. V důsledku toho se již asi dvacet let provádí výzkum alternativních plynů pro energetické aplikace.

"Club Zéro" (CZC) ve spolupráci s CIGRE nedávno iniciovala projekty k posouzení aktuálního stavu alternativních plynů pro SF₆ v přepínacích aplikacích. Bylo provedeno průzkum, aby byla shromážděna všechna dostupná recentní literatura na toto téma. Výsledky byly prezentovány a diskutovány během společné sekce na CIGRE Session v roce 2016. Tento článek prezentuje hlavní zjištění tohoto průzkumu. Protože technologie vakuového přepínání tvoří samostatnou probíhající aktivitu, nebude v tomto přehledu pokryta.

2. Alternativní plyny

Po přijetí kyótského protokolu v roce 1997 se výzkum alternativních plynů intenzifikoval a v poslední dekádě se dále zvýšil. Klíčovými požadavky na alternativní plyny byly identifikovány: nízký globální oteplovací potenciál (GWP), nulový potenciál k vyplenění ozónové vrstvy (ODP), nízká toxicita, nespálenihost, vysoká dielektrická síla, vysoká schopnost uhašení oblouku a odvodu tepla, chemická stabilita, kompatibilita s materiály a dostupnost na trhu.

Mezi různými zkoumanými plyny přírodního původu se CO₂ ukázal jako nejnadějnější plyn pro uhašení oblouku, jehož výkon lze potenciálně zlepšit přidáním aditiv, jako je O₂ nebo CF₄. Studie však ukázaly, že jak přerušovací, tak izolační vlastnosti CO₂ jsou horší než u SF₆. Další zajímaví kandidáti byli identifikováni mezi fluorovanými plyny, jako jsou CF₃I, hydrofluoroleny (HFO-1234ze a HFO-1234yf), perfluoroketonové sloučeniny (např. C₅F₁₀O), perfluoronitrily (C₄F₇N), fluorované étery (HFE-245cb2), fluorované epoxidy a hydrochlorofluoroleny (HCFO-1233zd).

Z hlediska všech požadavků jsou nejnadějnějšími současnými kandidáty C₅ perfluoroketon (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ nebo C₅-PFK) a iso-C₄ perfluoronitril ((CF₃)₂CF-CN nebo C₄-PFN). Pro čisté plyny je dielektrická výkonnost úměrná bodu varu – tedy plyny s vysokou dielektrickou silou obvykle mají i vysoké body varu. Při 0,1 MPa jsou body varu C₅-PFK a C₄-PFN 26,5°C a -4,7°C, respektive. Proto pro aplikace přepínacího zařízení, které vyžadují dostatečně nízké body varu, aby splňovaly požadavky na provozní nižší teploty, musí být přidány buffer plyny. Kvůli své dobré schopnosti uhašení oblouku je CO₂ vybrán jako buffer plyn v aplikacích s vysokým napětím. V aplikacích středního napětí byl také nahlášen vzduch jako buffer plyn použitý v kombinaci s C₅-PFK pro izolační účely.

3. Vlastnosti čistých plynů a směsí plynů

Tabulka 1 prezentuje vlastnosti vybraných alternativních plynů v porovnání s SF₆. GWPy těchto plynů se výrazně liší: C₄-PFN má mnohem vyšší GWP než CO₂ nebo C₅-PFK, oba mají GWP přibližně 1. Všechny zájmové kandidátské plyny jsou nespálené, mají nulový ODP a jsou podle technických a bezpečnostních listů chemických výrobců označeny jako netoxické. Dielektrická síla čistého C₄-PFN a C₅-PFK je téměř dvojnásobná v porovnání s SF₆. Dielektrická výdrž CO₂ je srovnatelná s vzduchem – tedy výrazně nižší než u SF₆.

Tabulka 1: Srovnání vlastností čistých plynů s SF₆

Tabulka 2 ukazuje vlastnosti plynů a plynných směsí při použití v rozvodu. Koncentrace C₄-PFN a C₅-PFK ve směsích s buferními plyny jsou uvedeny ve druhé sloupci, obvykle pod 13 % (molární koncentrace). Je třeba poznamenat, že pro použití C₅-PFK v CO₂ bylo také nahlášeno použití kyslíkových doplňků, protože přítomnost kyslíku může snížit tvorbu škodlivých vedlejších produktů (jako je CO) a pevných vedlejších produktů (jako je saz).

Tabulka 2: Vlastnosti/výkon čistých plynů a plynných směsí v aplikacích středně- a vysokonapěťových rozvodů

V důsledku snížené izolační odolnosti směsí v porovnání se SF₆ při stejném tlaku (sloupec 6) je třeba zvýšit minimální provozní tlak C₅-PFK a C₄-PFN s CO₂ jako pohotovostním plynem v vysokoteplotních aplikacích na přibližně 0,7–0,8 MPa. Pro středoteplotní aplikace s použitím směsi vzduch/C₅-PFK lze udržet tlak 0,13 MPa, což umožňuje dosáhnout izolační odolnosti blízké té SF₆.

Vysokou izolační odolnost dosaženou s relativně nízkými podíly C₄-PFN nebo C₅-PFK lze vysvětlit synergistickým efektem – tedy izolační síla roste nelineárně s koncentrací přísad, což bylo již pozorováno u směsí SF₆/N₂. GWP směsí C₅-PFK je zanedbatelné, ale to za cenu vyšší minimální provozní teploty. Nízkooteplotné aplikace (např. –25°C) lze řešit buď pouhým CO₂, nebo směsí CO₂ + C₄-PFN, a to s určitými oběťmi: značně snížená izolační odolnost v případě čistého CO₂, nebo výrazně vyšší GWP při použití směsí C₄-PFN.

4. Přepínací vlastnosti alternativních plynů
V tabulce 3 jsou shrnuty předběžné informace o přepínacích vlastnostech čistého CO₂ a směsí na bázi CO₂, kde jsou pro srovnání uvedeny i vlastnosti SF₆. Zvýšením provozního tlaku ve srovnání se SF₆ lze chladnou izolační sílu – používanou například jako metrika přepínací vlastnosti kondenzátorů – zvednout na úroveň SF₆.

Tabulka 3: Srovnání přepínacích vlastností plynů a plynných směsí při zvýšeném provozním tlaku ve srovnání se SF₆ v vysokoteplotních aplikacích

V přezkoumané literatuře byly nalezeny pouze kvalitativní úvahy o přepínací výkonnosti směsí C₄-PFN a C₅-PFK. Pro CO₂ jsou k dispozici některé kvantitativní srovnání. Obecně lze očekávat, že u čistého CO₂ s zvýšeným plněním asi 1 MPa bude izolační a přerušovací výkon krátkých veden (SLF) přibližně dvě třetiny výkonu SF₆.

Přidáním O₂ do CO₂ (s poměrem až 30 %) lze očekávat zlepšení přerušovacího výkonu SLF a mírné zvýšení dielektrické pevnosti. Přidáním C₄-PFN nebo C₅-PFK do CO₂ je možné dosáhnout dielektrického výkonu blízkého tomu SF₆. Studie hlásí, že přepínací výkon směsí CO₂/O₂/C₅-PFK je přibližně 20 % nižší než u SF₆. Naopak se tvrdí, že speciálně upravené spínače pro směsi CO₂/C₄-PFN dosahují přerušovacího výkonu SLF srovnatelného s SF₆.

Existují však také studie, které přímo porovnávají čisté CO₂ s mísami CO₂/C₄-PFN a CO₂/C₅-PFK pod stejnými geometrickými a tlakovými podmínkami, a ukazují, že přerušovací výkon v okolí (termální) je pro CO₂ s i bez přísad podobný. S menšími konstrukčními úpravami nebo mírným deratingem nové směsi úspěšně prošly IEC testy L90 (SLF) a T100 (100% konečná chyba), což naznačuje, že jejich přepínací výkon není značně horší než u SF₆. To bylo také prokázáno pro funkci přerušování spínače.

Další zlepšení přepínacího výkonu prostřednictvím cílených konstrukčních optimalizací je očekáváno v budoucnu. Důležitým problémem je toxicita plynů po oblouku. C₅-PFK a C₄-PFN jsou složité molekuly, které začínají rozkládat přibližně při 650 °C v případě C₄-PFN. Během rozkladu tyto molekuly nevracejí do svých původních struktur, ale tvoří menší fragmenty. Byla hlášena rychlost rozkladu 0,5 mol/MJ pro směsi CO₂/O₂/C₅-PFK při přerušování velkých proudů. Pro částečné výboje byla pozorována rychlost rozkladu více než o řád nižší než ta výše uvedená hodnota.

Chování rozkladu těchto nových plynů není přímo srovnatelné s rozkladem SF₆, který se rozkládá především v důsledku chemických reakcí s odstraněnými kontakty a hrdlem. Pro nové plyny se rozklad během životnosti zařízení nepovažuje za klíčový problém, ale koncentrace plynu v zařízení by měla být sledována nebo pravidelně kontrolována. Nejtoxičtějšími produkty rozkladu v aplikacích s vysokým tlakem (tj. směsi s CO₂) jsou CO a HF. Produkt obvodu těchto směsí se považují za toxické podobné nebo nižší než produkt rozkladu SF₆. Proto se doporučují postupy podobné těm používaným pro SF₆ po exponenci obvodem.

Je však třeba poznamenat, že výše uvedené úvahy jsou založeny na omezených znalostech o toxicitě těchto nových plynů. Je potřeba více zkušeností s post-obloukovou toxicitou potenciálních alternativ SF₆. Jiné hlášené obavy zahrnují kompatibilitu materiálů (např. dopady na těsnění a maziva), integritu těsnění plynu a postupy obsluhy plynu. Následně by se nemělo očekávat, že stávající vysokonapěťové zařízení bude bezpečně pracovat s těmito novými plyny bez vhodných konstrukčních nebo materiálových úprav.

Byly provedeny interní testy oblouku s všemi směsmi a nebyly hlášeny žádné vážné problémy. Tepelná vodivost směsí je mírně horší než u SF₆, což může vyžadovat mírné derating nebo konstrukční úpravy pro nosnost proudu. Spínače s CO₂ ve stacionární nádrži již získaly zkušenosti v terénu, s nasazením začínajícím před několika lety, a spínače naplněné CO₂ jsou nyní komerčně dostupné.

Pilotní instalace s vysokým a středním napětím používající směsi C₅-PFK fungují úspěšně ve Švýcarsku a Německu od roku 2015. Pilotní projekty používající směsi CO₂/C₄-PFN jsou plánované nebo probíhají v několika evropských zemích, včetně 145 kV GIS v budově ve Švýcarsku, 245 kV venkovního transformátoru proudu v Německu a venkovních 420 kV GIL systémů ve Spojeném království a Skotsku.

5. Závěry a perspektivy
Byla provedena revize publikovaných informací o alternativních plynů pro SF₆ pro přepínací aplikace. V současné době je tato výzkum stále v rané fázi a je mnohem méně rozsáhlý než desetiletá práce na SF₆. Dostupné výrobce data naznačují, že nové plyny - jako C₅-PFK a C₄-PFN - jsou praktické možnosti, které, když jsou smíchané s CO₂ jako buffer plynu, mohou částečně odpovídat výkonu SF₆, i když nemusí plně replikovat všechny schopnosti SF₆.

Klíčové rozdíly spočívají v izolačním a přerušovacím výkonu, stejně jako v bodu varu, který určuje minimální stanovenou provozní teplotu spínače. Nízká minimální provozní teplota (např. –50 °C) lze dosáhnout pomocí čistého CO₂. Nicméně, CO₂ obecně ukazuje nižší přerušovací výkon, zejména v oblasti výkonu výdrže vrcholu obnovovacího napětí a přerušovací kapacity, ve srovnání s plynovými směsmi obsahujícími C₄-PFN nebo C₅-PFK.

Výhodou směsí CO₂/C₅-PFK nad směsmi CO₂/C₄-PFN je jejich zanedbatelný GWP (~1 vs. 427/600 pro C₄-PFN). Naopak, směsi CO₂/C₄-PFN nabízejí nižší minimální provozní teplotu (asi –25 °C) ve srovnání se směsmi CO₂/C₅-PFK (asi –5 °C).

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

Popis:

Spínače s vakuumem typu dead tank pro 40.5 kV, 72.5 kV, 145 kV, 170 kV a 245 kV jsou klíčovými ochrannými zařízeními pro vysokonapěťové elektrické systémy. Používají vakuum jako prostředek k uhasení oblouku a izolaci, což jim poskytuje vynikající schopnosti k přerušení chybového proudu a efektivnímu zabránění znovuzapnutí oblouku, což zajišťuje stabilní provoz elektrického systému. Design dead tanku nabízí kompaktní rozměry a robustní mechanickou stabilitu, což usnadňuje instalaci a údržbu. Vybavené vysokoreliabilními pružinovými mechanismy mají mechanickou životnost přesahující 10 000 cyklů, což zajišťuje rychlé a přesné reakce. S vynikající adaptabilitou na životní prostředí mohou pracovat stabilně v tvrdých venkovních podmínkách. Široce používány v elektrárnách, přenosových článcích a dalších scénářích, poskytují efektivní a bezpečnou kontrolu přepínání proudu a spolehlivou ochranu na různých napěťových úrovních.

Hlavní funkce:

• Efektivní uhasení oblouku: Využívá vakuum pro rychlé a spolehlivé uhasení oblouku, což brání opětovnému zapálení.

• Široký rozsah napětí: Dostupné v hodnotách 40,5 kV, 72,5 kV, 145 kV, 170 kV a 245 kV, což umožňuje široké spektrum aplikací v elektrických sítích.

• Robustní konstrukce s mrtvou nádrží: Kompaktní struktura zajišťuje mechanickou stabilitu a zjednodušuje instalaci a údržbu.

• Spolehlivá funkce: Mechanismus poháněný pružinou s více než 10 000 cykly mechanické výdrži.

• Zlepšená uzavřenost: Dvojitý těsnicí flančový design nabízí vodotěsnou a plynotěsnou ochranu, ideální pro použití venku.