Seneste Udviklingstendenser for SF₆ Alternativ Gasbaserede Højspændingsbrytere

1. Introduktion
SF₆ anvendes bredt i elektriske transmissions- og distributionsystemer, såsom gasisoleret spændingsafbrydere (GIS), spændingsafbrydere (CB) og mellemspændings (MV) belastningsafbrydere. Det har unikke elektriske isolations- og buelukningsevner. SF₆ er dog også en kraftig drivhusgas, med et globalt opvarmningspotentiale på ca. 23.500 over en tidsperiode på 100 år, og dets brug er derfor reguleret og under konstant diskussion om begrænsninger. Derfor er forskning i alternativ gasser til strømprogrammer blevet udført i omtrent to årtier.

"Club Zéro" (CZC) i samarbejde med CIGRE lancerede nyligt en initiativ for at vurdere den nuværende stand af SF₆-alternative gasser til skiftende anvendelser. En undersøgelse blev udført for at indsamle al tilgængelig ny litteratur på dette emne. Resultaterne blev præsenteret og drøftet ved en fælles session under CIGRE Sessionen i 2016. Denne artikel præsenterer de vigtigste resultater fra denne undersøgelse. Da vakuumskifteteknologi udgør en separat igangværende aktivitet, vil den ikke blive dækket i denne gennemgang.

2. Alternative Gasser

Efter vedtagelsen af Kyoto-protokollen i 1997 blev forskningen i alternative gasser intensiveret og har siden øget sig yderligere. De vigtigste krav til alternative gasser er blevet identificeret som: lavt globalt opvarmningspotentiale (GWP), nul ozonnedbrydelsespotentiale (ODP), lav giftighed, iltløshed, høj dielektrisk styrke, høj bueluknings- og varmeledningskapacitet, kemisk stabilitet, materialekompatibilitet og markedsadgang.

Blandt de forskellige naturligt forekommende gasser, der er undersøgt, har CO₂ vist sig at være den mest lovende buelukningsgas, med dens ydeevne potentielt forbedret ved tilsætninger som O₂ eller CF₄. Studier har dog vist, at både afbrydelses- og isolationsydeevnen af CO₂ er mindre end dem af SF₆. Andre interessante kandidater er blevet identificeret blandt fluorerede gasser, såsom CF₃I, hydrofluoroolefiner (HFO-1234ze og HFO-1234yf), perfluoroketoner (fx C₅F₁₀O), perfluoronitriler (C₄F₇N), fluorerede æther (HFE-245cb2), fluorerede epoxider og hydrochlorfluoroolefiner (HCFO-1233zd).

Med alle krav i betragtning er de mest lovende aktuelle kandidater C₅ perfluoroketon (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ eller C₅-PFK) og iso-C₄ perfluoronitril ((CF₃)₂CF-CN eller C₄-PFN). For rene gasser er dielektrisk ydeevne proportional med kogepunkt—dvs. gasser med høj dielektrisk styrke har typisk også høje kogepunkter. Ved 0,1 MPa er kogepunkterne for C₅-PFK og C₄-PFN henholdsvis 26,5°C og –4,7°C. Derfor skal buffergasser tilføjes for skifteudstyr, der kræver tilstrækkeligt lave kogepunkter for at imødekomme driftsbehov ved lav temperatur. På grund af dets gode buelukningskapacitet er CO₂ valgt som buffergas i højspændingsanvendelser. I mellemspændingsanvendelser er luft også rapporteret som en buffergas, der anvendes i kombination med C₅-PFK til isolationsformål.

3. Egenskaber af Renne Gasser og Gasblandinger

Tabel 1 viser egenskaberne af de valgte alternative gasser i forhold til SF₆. GWPs for disse gasser varierer betydeligt: C₄-PFN har en meget højere GWP end CO₂ eller C₅-PFK, begge har GWPs på ca. 1. Alle relevante kandidatgasser er iltløse, har nul ODP og er rapporteret som ikketoxiske ifølge tekniske og sikkerhedsdataark fra kemikaliefremstillere. Dielektrisk styrke af rent C₄-PFN og C₅-PFK er næsten dobbelt så høj som SF₆. Dielektrisk holdbarhedsspanning for CO₂ er sammenlignelig med luft—dvs. betydeligt lavere end SF₆.

Tabel 1: Sammenligning af egenskaber for renne gasser med SF₆

Tabel 2 viser gasser og gasblandingers egenskaber, når de anvendes i skærmingsudstyr. Koncentrationerne af C₄-PFN og C₅-PFK i blandinger med buffergasser er angivet i anden kolonne, typisk under 13% (molar koncentration). Det bør bemærkes, at for brugen af C₅-PFK i CO₂, er det også blevet rapporteret, at iltilføjelser af ilt kan reducere dannelse af skadelige biprodukter (såsom CO) og faste biprodukter (såsom røg).

Tabel 2: Egenskaber/ytelse af rene gasser og gasblandinger i anvendelser med mellem- og højspændingsskærmingsudstyr

På grund af den reducerede dielektriske spændingsudholdenhed hos blandingen i forhold til SF₆ ved samme tryk (Kolonne 6), skal det minimale driftstryk for C₅-PFK og C₄-PFN med CO₂ som buffergas i højspændingsanvendelser øges til ca. 0,7–0,8 MPa. For mellemspændingsanvendelser, der bruger luft/C₅-PFK blanding, kan et tryk på 0,13 MPa opretholdes, hvilket giver en dielektrisk spændingsudholdenhed tæt på den for SF₆.

Den høje dielektriske spændingsudholdenhed, der opnås med relativt lave blandingssammenstillinger af C₄-PFN eller C₅-PFK, kan forklares ved en synergistisk effekt - dvs. at dielektrisk styrke øges ikke-lineært med additivkoncentrationen, et fænomen, der tidligere er observeret i SF₆/N₂ blandinge. GWP for C₅-PFK blandinge er ubetydelig, men dette kommer til gengæld med et højere minimumdriftstemperature. Lavtemperaturanvendelser (f.eks. –25°C) kan håndteres ved hjælp af enten rent CO₂ eller CO₂ + C₄-PFN blandinge, dog med kompromiser: betydeligt reduceret dielektrisk spændingsudholdenhed i tilfælde af rent CO₂, eller en væsentligt højere GWP ved brug af C₄-PFN blandinge.

4. Omstillingsegenskaber for alternativ gasser
Tabel 3 sammenfatter præliminære oplysninger om omstillingsegenskaber for rent CO₂ og CO₂-baserede blandinge, med SF₆ ydeevne til sammenligning. Ved at øge driftstrykket i forhold til SF₆, kan den kolde dielektriske styrke - der f.eks. anvendes som målestok for kapacitive omstillingsydeevne - bringes op på SF₆'s niveau.

Tabel 3: Sammenligning af omstillingsegenskaber for gasser og gasblandinger ved forhøjet driftstryk i forhold til SF₆ i højspændingsanvendelser

I den gennemgåede litteratur kunne kun kvalitative udtalelser om skiftedygtigheden af C₄-PFN- og C₅-PFK-miksblandinger findes. For CO₂ er nogle kvantitative sammenlignelser til rådighed. Generelt kan man forvente, at med rent CO₂ ved en øget fyldtryk på cirka 1 MPa, kan der opnås isolerings- og kortslutningsafbrydelsesyde (SLF) på ca. to tredjedele af SF₆'s ydeevne.

Ved tilføjelse af O₂ til CO₂ (med blandingsforhold op til 30%) kan en forbedring i SLF-afbrydelsesyde og en let stigning i dielektrisk styrke forventes. Ved tilføjelse af C₄-PFN eller C₅-PFK til CO₂ kan der opnås en dielektrisk ydeevne, der nærmer sig SF₆. Studier viser, at SLF-skiftedygtigheden for CO₂/O₂/C₅-PFK-blandinger er ca. 20% lavere end for SF₆. I modsætning hertil har det blivet påstået, at strømbrydere specielt tilpasset til CO₂/C₄-PFN-blandinger kan opnå SLF-ydeevne, der er sammenlignelig med SF₆.

Der er dog også studier, der direkte sammenligner rent CO₂ med CO₂/C₄-PFN- og CO₂/C₅-PFK-blandinger under identiske geometriske og trykforhold, og som viser en lignende nærområde (termisk) afbrydelsesyde for CO₂ med eller uden tilsætningsstoffer. Med mindre konstruktionsmæssige ændringer eller moderate nedtoning har de nye blandinger succesfuldt bestået IEC-testopgaver L90 (SLF) og T100 (100% terminalfejl), hvilket indikerer, at deres skiftedygtighed ikke er betydeligt dårligere end SF₆. Dette er også blevet demonstreret for strømbryderens afbrydelsesfunktion.

Yderligere forbedringer i skiftedygtighed gennem dedikerede konstruktionsoptimeringer forventes i fremtiden. Et vigtigt spørgsmål er giftigheden af gasser efter bue. C₅-PFK og C₄-PFN er komplekse molekyler, der begynder at nedbrydes over ca. 650 °C i tilfældet C₄-PFN. Når de nedbrydes, danner de ikke igen deres oprindelige strukturer, men mindre fragmenter. En nedbrydningsrate på 0,5 mol/MJ er rapporteret for CO₂/O₂/C₅-PFK-blandinger under højstrømsafbrydelse. For delvis udladninger var nedbrydningsraten mere end en orden større end den ovenfor nævnte værdi.

Nedbrydelsesadfærd for disse nye gasser er ikke direkte sammenlignelig med SF₆, der primært nedbrydes på grund af kemiske reaktioner med afskabte kontakt- og mundstyksmaterialer. For de nye gasser anses nedbrydning over udstyrets levetid ikke for at være et kritisk problem, men gasconcentrationen i udstyret bør overvåges eller periodisk kontrolleres. De mest giftige nedbrydningsprodukter i højtrykansøgninger (dvs. blandinger med CO₂) er CO og HF. Buens biprodukter for disse blandinger anses for at have en giftighed, der er sammenlignelig med eller lavere end buenedsplittede SF₆. Derfor anbefales håndteringssprocedurer, der er lignende dem, der anvendes for buenudsættede SF₆.

Det skal imidlertid bemærkes, at de ovenstående udtalelser er baseret på begrænset viden om giftigheden af disse nye gasser. Der er behov for mere erfaring med post-buegiftigheden af potentielle SF₆-alternativer. Andre rapporterede bekymringer inkluderer materialkompatibilitet (f.eks. effekter på tætre og smøre), gassealingintegritet og gasbehandlingsprocedurer. Derfor bør eksisterende højspændingsudstyr ikke forventes at kunne fungere sikkert med disse nye gasser uden passende design- eller materialændringer.

Interne buetests er foretaget med alle blandinger, og ingen alvorlige problemer er rapporteret. Termisk ledningsevne for blandingerne er let ringere end for SF₆, hvilket kan kræve moderate nedtoning eller designjusteringer for strømførende kapacitet. CO₂ live-tank strømbrydere har allerede erhvervet feltoplevelse, med implementeringer, der startede flere år siden, og CO₂-fyldte strømbrydere er nu kommercielt tilgængelige.

Høj- og mellemspændings pilotinstallationer, der bruger C₅-PFK-blandinger, har fungeret succesfuldt i Schweiz og Tyskland siden 2015. Pilotprojekter, der bruger CO₂/C₄-PFN-blandinger, er planlagt eller i gang i flere europæiske lande, herunder en 145 kV indoor GIS i Schweiz, en 245 kV outdoor strømtransformator i Tyskland, og outdoor 420 kV GIL-systemer i Storbritannien og Skotland.

5. Konklusioner og udsigter
Offentliggjorte informationer om SF₆-alternativgasser til skiftanvendelser er blevet gennemgået. På nuværende tidspunkt er dette forskningsfelt stadig i sine begyndelsesfasen og langt mindre omfattende end årtiers arbejde med SF₆. Tilgængelige producentdata indikerer, at nye gasser - såsom C₅-PFK og C₄-PFN - er mulige alternativer, som, når blandet med CO₂ som buffergas, kan delvis matche SF₆'s ydeevne, selvom de måske ikke fuldt ud kan duplikere alle SF₆'s evner.

Vigtige forskelle ligger i isolerings- og afbrydelsesyde, samt kogepunkt, som bestemmer den minimum angivne driftstemperatur for skiften. En lav minimum driftstemperatur (fx –50 °C) kan opnås med rent CO₂. CO₂ synes dog generelt at have en lavere afbrydelsesyde, især i forhold til genopretningsvoltages topmodstand og afbrydelseskapacitet, sammenlignet med gasblandinger, der indeholder C₄-PFN eller C₅-PFK.

En fordel ved CO₂/C₅-PFK-blandinger i forhold til CO₂/C₄-PFN-blandinger er deres fornedrigelige GWP (~1 i forhold til 427/600 for C₄-PFN). Omvendt tilbyder CO₂/C₄-PFN-blandinger en lavere minimum driftstemperatur (ca. –25 °C) sammenlignet med CO₂/C₅-PFK-blandinger (ca. –5 °C).

6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV Dead tank Vakuum Strømbryder

Beskrivelse ：

40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV og 245kV Dead tank Vakuum Strømbrydere er afgørende beskyttelsesenheder for højspændingsstrømsystemer. Ved at bruge vakuum som bueudsluknings- og isoleringsmedium har de fremragende buedempningskapaciteter, hurtigt afbryder fejlstrømme og effektivt forhindrer buegenoprettelse for at sikre stabil strømleverance. Dead tank-designet tilbyder en kompakt fodaftryk og robust mekanisk stabilitet, der faciliterer installation og vedligeholdelse. Udrustet med højt pålidelige fjederdrivmekanismer har disse strømbrydere en mekanisk levetid, der overstiger 10.000 operationer, og leverer hurtige og præcise respons. Med fremragende miljøtilpasning kan de fungere stabil under hårde udendørsforhold. Bredt anvendt i transformatorstationer, transmissionslinjer og andre scenarier, giver de effektiv og sikker strømskiftkontrol og pålidelig beskyttelse på forskellige spændingsniveauer.

Hovedfunktionspræsentation:

• Effektiv buelundslukning: Bruger vakuum til hurtig og pålidelig buelundslukning, der forhindrer genoptrykning.

• Bred spændingsområde: Tilgængelig i 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV og 245kV ratinger for mange anvendelsesmuligheder i netværk.

• Robust død beholder design: Kompakt struktur sikrer mekanisk stabilitet og forenkler installation/vedligeholdelse.

• Pålidelig drift: Feder-baseret driftsmekanisme med over 10.000 mekaniske holdbarhedscykluser.

• Forbedret tæthed: Dobbel tæt flange design giver vandtæt og gassetæt beskyttelse, ideelt til udendørs brug.