Νεότερες Τάσεις Ανάπτυξης Υψηλής Τάσης Διακοπτικών Στίβων Με Υποκατάστατο Γαζ A SF₆

1. Εισαγωγή
Το SF₆ χρησιμοποιείται ευρέως σε συστήματα μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, όπως τα συστήματα απομόνωσης με αέριο (GIS), περικόπτες (CB) και φορτιστές μεσαίου ισχύος (MV). Διαθέτει μοναδικές ικανότητες ηλεκτρικής απομόνωσης και σβένωσης του τόξου. Ωστόσο, το SF₆ είναι επίσης ένα ισχυρό αερίο του θερμοκηπίου, με δυναμικό για την παγκόσμια υπερθέρμανση περίπου 23.500 σε ένα χρονικό ορίζοντα 100 ετών, και επομένως η χρήση του ρυθμίζεται και είναι υπό συνεχή συζήτηση σχετικά με περιορισμούς. Συνεπώς, η έρευνα για εναλλακτικά αέρια για εφαρμογές ενέργειας έχει διεξαχθεί για περίπου δύο δεκαετίες.

Η "Club Zéro" (CZC), σε συνεργασία με το CIGRE, ξεκίνησε πρόσφατα μια πρωτοβουλία για την αξιολόγηση της τρέχουσας κατάστασης των εναλλακτικών αερίων SF₆ για εφαρμογές στα διακόπτες. Πραγματοποιήθηκε μια έρευνα για τη συλλογή όλης της πρόσφατης διαθέσιμης βιβλιογραφίας σχετικά με αυτό το θέμα. Τα αποτελέσματα παρουσιάστηκαν και συζητήθηκαν κατά τη διάρκεια μιας κοινής συνεδρίας κατά τη διάρκεια της Συνεδρίας CIGRE το 2016. Αυτό το άρθρο παρουσιάζει τις κύριες ευρέσεις αυτής της έρευνας. Επειδή η τεχνολογία διακοπής σε κενό αποτελεί ξεχωριστή συνεχή δραστηριότητα, δεν θα καλυφθεί σε αυτή την ανασκόπηση.

2. Εναλλακτικά Αέρια

Μετά την έγκριση του Πρωτοκόλλου του Κυότο το 1997, η έρευνα για εναλλακτικά αέρια εντείνθηκε και αυξήθηκε περαιτέρω την προηγούμενη δεκαετία. Οι βασικές απαιτήσεις για εναλλακτικά αέρια έχουν ταυτοποιηθεί ως: χαμηλό δυναμικό για την παγκόσμια υπερθέρμανση (GWP), μηδενικό δυναμικό για την καταστροφή του στρατολογήματος του όζοντος (ODP), χαμηλή τοξικότητα, μη πυροδοτικότητα, υψηλή ηλεκτροστατική δύναμη, υψηλή ικανότητα σβένωσης του τόξου και αποδόσεως θερμότητας, χημική σταθερότητα, συμβατότητα υλικών και διαθεσιμότητα στην αγορά.

Σε διάφορα φυσικά αέρια που έχουν εξεταστεί, το CO₂ έχει αποδειχτεί ότι είναι το πιο υποδεικτικό αέριο σβένωσης του τόξου, με την απόδοσή του να μπορεί να ενισχυθεί με προσθήκες όπως O₂ ή CF₄. Ωστόσο, μελέτες έχουν δείξει ότι και η διακοπτική και η απομονωτική απόδοση του CO₂ είναι χειρότερες από αυτές του SF₆. Άλλοι ενδιαφέροντες υποψήφιοι έχουν αναγνωριστεί μεταξύ υποθεινόμενων αερίων, όπως το CF₃I, οι υδροφλουορολευκές (HFO-1234ze και HFO-1234yf), περιφλοροκετόνες (π.χ., C₅F₁₀O), περιφλορονίτρια (C₄F₇N), φλουορετέρια (HFE-245cb2), φλουορεποξεϊδικά και υδροχλωροφλουορολευκές (HCFO-1233zd).

Λαμβάνοντας υπόψη όλες τις απαιτήσεις, οι πιο υποδεικτικοί τρέχοντες υποψήφιοι είναι ο περιφλοροκετόνας C₅ (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ ή C₅-PFK) και ο iso-C₄ περιφλορονίτριος ((CF₃)₂CF-CN ή C₄-PFN). Για καθαρά αέρια, η ηλεκτροστατική απόδοση είναι ανάλογη με το σημείο καύσης—δηλαδή, τα αέρια με υψηλή ηλεκτροστατική δύναμη συνήθως έχουν υψηλά σημεία καύσης. Σε 0.1 MPa, τα σημεία καύσης του C₅-PFK και C₄-PFN είναι 26.5°C και –4.7°C αντίστοιχα. Επομένως, για εφαρμογές εξοπλισμού διακοπής που απαιτούν αρκετά χαμηλά σημεία καύσης για να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις λειτουργίας σε χαμηλές θερμοκρασίες, πρέπει να προστεθούν αέρια προστασίας. Λόγω της καλής ικανότητας σβένωσης του τόξου, το CO₂ επιλέγεται ως αέριο προστασίας σε εφαρμογές υψηλής ισχύος. Σε εφαρμογές μεσαίου ισχύος, έχει αναφερθεί ότι το αέριο χρησιμοποιείται ως αέριο προστασίας σε συνδυασμό με C₅-PFK για λόγους απομόνωσης.

3. Ιδιότητες Καθαρών Αερίων και Μείγματος Αερίων

Ο Πίνακας 1 παρουσιάζει τις ιδιότητες επιλεγμένων εναλλακτικών αερίων σε σχέση με το SF₆. Τα GWP αυτών των αερίων διαφέρουν σημαντικά: το C₄-PFN έχει πολύ υψηλότερο GWP από το CO₂ ή το C₅-PFK, τα οποία έχουν GWP περίπου 1. Όλα τα ενδιαφέροντα αέρια υποψήφιοι είναι μη πυροδοτικά, έχουν μηδενικό ODP και αναφέρονται ως μη τοξικά σύμφωνα με τα τεχνικά και τα στοιχεία ασφαλείας που παρέχονται από τους παραγωγούς χημικών. Η ηλεκτροστατική δύναμη του καθαρού C₄-PFN και C₅-PFK είναι σχεδόν διπλάσια από αυτή του SF₆. Η ηλεκτροστατική αντοχή του CO₂ είναι συγκρίσιμη με εκείνη του αέρα—δηλαδή, σημαντικά χαμηλότερη από αυτή του SF₆.

Πίνακας 1: Σύγκριση Ιδιοτήτων Καθαρών Αερίων με το SF₆

Στο Πίνακας 2 παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά των αερίων και μειγμάτων αερίων όταν χρησιμοποιούνται σε σκυτάλια. Οι συγκεντρώσεις C₄-PFN και C₅-PFK σε μείγματα με αέρια-προστατευτικά είναι δεδομένες στη δεύτερη στήλη, συνήθως κάτω από το 13% (μολική συγκέντρωση). Θα πρέπει να σημειωθεί ότι για τη χρήση C₅-PFK σε CO₂, έχουν αναφερθεί επίσης προσθήκες οξυγόνου, καθώς η παρουσία οξυγόνου μπορεί να μειώσει τη δημιουργία βλαβερών παραπροϊόντων (όπως CO) και στερεών παραπροϊόντων (όπως σούτ).

Πίνακας 2: Χαρακτηριστικά/Απόδοση Καθαρών Αερίων και Μειγμάτων Αερίων σε Εφαρμογές Σκυτάλιων Μεσαίων και Υψηλών Τάσεων

Λόγω της μειωμένης ηλεκτροστατικής αντοχής των μείγματων σε σύγκριση με το SF₆ στην ίδια πίεση (Στήλη 6), η ελάχιστη λειτουργική πίεση για C₅-PFK και C₄-PFN με CO₂ ως προσωρινό αέριο σε εφαρμογές υψηλής τάσης πρέπει να αυξηθεί περίπου στα 0,7-0,8 MPa. Για εφαρμογές μεσαίας τάσης χρησιμοποιώντας μίγματα αέρα/C₅-PFK, μπορεί να διατηρηθεί μία πίεση 0,13 MPa, επιτυγχάνοντας μία ηλεκτροστατική αντοχή παρόμοια με εκείνη του SF₆.

Η υψηλή ηλεκτροστατική αντοχή που επιτυγχάνεται με σχετικά χαμηλά ποσοστά μείγματος C₄-PFN ή C₅-PFK μπορεί να εξηγηθεί από ένα συνεργατικό φαινόμενο - δηλαδή, η ηλεκτροστατική αντοχή αυξάνεται μη γραμμικά με τη συγκέντρωση του προσθέτου, ένα φαινόμενο που είχε παρατηρηθεί προηγουμένως σε μίγματα SF₆/N₂. Το GWP των μιγμάτων C₅-PFK είναι αμελητέο, αλλά αυτό έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερη ελάχιστη λειτουργική θερμοκρασία. Οι εφαρμογές σε χαμηλές θερμοκρασίες (π.χ., –25°C) μπορούν να αντιμετωπιστούν χρησιμοποιώντας είτε καθαρό CO₂ είτε μίγμα CO₂ + C₄-PFN, αν και με επιβαρύνσεις: σημαντικά μειωμένη ηλεκτροστατική αντοχή στην περίπτωση του καθαρού CO₂, ή σημαντικά υψηλότερο GWP όταν χρησιμοποιούνται μίγματα C₄-PFN.

4. Απόδοση Στροφής Εναλλακτικών Αερίων
Ο Πίνακας 3 συγκεντρώνει προκαταρκτικές πληροφορίες σχετικά με την απόδοση στροφής του καθαρού CO₂ και μιγμάτων βασισμένων σε CO₂, με την απόδοση του SF₆ να παρέχεται για σύγκριση. Με την αύξηση της λειτουργικής πίεσης σε σύγκριση με το SF₆, η κρύη ηλεκτροστατική αντοχή - που χρησιμοποιείται, για παράδειγμα, ως μέτρο για την απόδοση στροφής καταναλωτών χωρητικότητας - μπορεί να φθάσει στο επίπεδο του SF₆.

Πίνακας 3: Σύγκριση της Απόδοσης Στροφής Αερίων και Μιγμάτων Αερίων σε Υψηλότερες Λειτουργικές Πιέσεις σε Σύγκριση με το SF₆ σε Εφαρμογές Υψηλής Τάσης

Στην επισκευασμένη βιβλιογραφία, μόνο ποιοτικές δηλώσεις σχετικά με την απόδοση καταστροφής των μεικτών C₄-PFN και C₅-PFK μοντέλων μπόρεσαν να εντοπιστούν. Για το CO₂, υπάρχουν κάποιες ποσοτικές συγκρίσεις. Γενικά, με καθαρό CO₂ σε αυξημένη πίεση γεμίσματος περίπου 1 MPa, μπορεί να προσδοκηθεί ηλεκτρομηχανική απόδοση και απόδοση καταστροφής σύντομης γραμμής (SLF) περίπου δύο τρίτα αυτής του SF₆.

Με την προσθήκη O₂ στο CO₂ (με αναμείξεις μέχρι 30%), μπορεί να προσδοκηθεί βελτίωση της απόδοσης καταστροφής SLF και μια ελαφριά αύξηση στην ηλεκτρική αντοχή. Η προσθήκη C₄-PFN ή C₅-PFK στο CO₂ επιτρέπει ηλεκτρική απόδοση που πλησιάζει εκείνη του SF₆. Οι μελέτες αναφέρουν ότι η απόδοση καταστροφής SLF των μεικτών CO₂/O₂/C₅-PFK είναι περίπου 20% χαμηλότερη από εκείνη του SF₆. Αντιθέτως, διατάραξηιοι που προσαρμόστηκαν ειδικά για μείγματα CO₂/C₄-PFN ισχυρίζονται ότι επιτεύχθηκε απόδοση SLF συγκρίσιμη με την του SF₆.

Ωστόσο, υπάρχουν επίσης μελέτες που συγκρίνουν άμεσα καθαρό CO₂ με μείγματα CO₂/C₄-PFN και CO₂/C₅-PFK υπό τις ίδιες γεωμετρικές και πιεστικές συνθήκες, οι οποίες δείχνουν παρόμοια προσεγγιστική (θερμική) απόδοση καταστροφής για το CO₂ με ή χωρίς προσθήκες. Με μικρές τροποποιήσεις σχεδιασμού ή μέτρια μείωση, τα νέα μίγματα έχουν επιτυχώς περάσει τα δοκιμαστικά καθήκοντα IEC L90 (SLF) και T100 (100% άκριας σφάλματος), δείχνοντας ότι η απόδοση καταστροφής τους δεν είναι σημαντικά χειρότερη από την του SF₆. Αυτό έχει επίσης επιδείξει η λειτουργία καταστροφής του διατάραξηιού.

Προβλέπονται περαιτέρω βελτιώσεις στην απόδοση καταστροφής μέσω ειδικών βελτιώσεων σχεδιασμού στο μέλλον. Ένα σημαντικό θέμα είναι η τοξικότητα των αερίων μετά την αρκετή. Τα C₅-PFK και C₄-PFN είναι πολύπλοκα μόρια που ξεκινούν να αποσυνθέτονται πάνω από περίπου 650 °C στην περίπτωση του C₄-PFN. Κατά τη διάλυση, αυτά τα μόρια δεν επανασυνθέτονται στις αρχικές τους δομές, αλλά σχηματίζουν μικρότερα τμήματα. Έχει αναφερθεί ρυθμός αποσύνθεσης 0,5 mol/MJ για μείγματα CO₂/O₂/C₅-PFK κατά την καταστροφή μεγάλων ρευμάτων. Για τις μερικές διακρίσεις, ο ρυθμός αποσύνθεσης παρατηρήθηκε να είναι περισσότερο ενός τάξης μεγέθους χαμηλότερος από την παραπάνω τιμή.

Η συμπεριφορά αποσύνθεσης αυτών των νέων αερίων δεν είναι άμεσα συγκρίσιμη με εκείνη του SF₆, το οποίο αποσυνθέτεται κυρίως λόγω χημικών αντιδράσεων με υλικά επαφής και στομάτων. Για τα νέα αέρια, η αποσύνθεση κατά τη διάρκεια της ζωής της εξοπλισμού δεν θεωρείται κρίσιμη θέση, αλλά η συγκέντρωση του αερίου μέσα στην εξοπλισμού πρέπει να ελέγχεται ή να ελέγχεται περιοδικά. Τα πιο τοξικά προϊόντα αποσύνθεσης σε εφαρμογές υψηλής πίεσης (δηλαδή, μείγματα με CO₂) είναι το CO και το HF. Τα προϊόντα αρκετής αυτών των μεικτών θεωρούνται να έχουν τοξικότητα παρόμοια ή χαμηλότερη από αυτή του SF₆. Συνεπώς, συνιστούνται διαδικασίες χειρισμού παρόμοιες με εκείνες που χρησιμοποιούνται για το SF₆ που έχει υποστεί αρκετή.

Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ότι οι παραπάνω δηλώσεις βασίζονται σε περιορισμένη γνώση της τοξικότητας αυτών των νέων αερίων. Χρειάζεται περισσότερη εμπειρία σχετικά με την τοξικότητα μετά την αρκετή των πιθανών εναλλακτικών του SF₆. Άλλες αναφερόμενες ανησυχίες περιλαμβάνουν τη συμβατότητα υλικών (π.χ., επιπτώσεις σε φραγματισμούς και λιπαντικά), την ακεραιότητα του φραγματισμού του αερίου και τις διαδικασίες χειρισμού του αερίου. Συνεπώς, δεν πρέπει να αναμένεται ότι ο υφιστάμενος υψηλής τάσης εξοπλισμός θα λειτουργήσει ασφαλώς με αυτά τα νέα αέρια χωρίς κατάλληλες τροποποιήσεις σχεδιασμού ή υλικών.

Έχουν πραγματοποιηθεί δοκιμές εσωτερικής αρκετής με όλα τα μίγματα, και δεν έχουν αναφερθεί σοβαρά προβλήματα. Η θερμοκινητική διαχειριστική δυναμικότητα των μεικτών είναι ελαφρώς χειρότερη από εκείνη του SF₆, η οποία μπορεί να απαιτήσει μέτρια μείωση ή προσαρμογές σχεδιασμού για την ικανότητα μεταφοράς ρεύματος. Διατάραξηιοι με ζωντανό πίνακα CO₂ έχουν ήδη αποκτήσει εμπειρία στο πεδίο, με εγκαταστάσεις που ξεκίνησαν πριν από αρκετά χρόνια, και οι διατάραξηιοι που γεμίζονται με CO₂ είναι τώρα εμπορικά διαθέσιμοι.

Υψηλής και μεσαίας τάσης πρωτότυπες εγκαταστάσεις με μείγματα C₅-PFK λειτουργούν επιτυχώς στην Ελβετία και τη Γερμανία από το 2015. Πρωτότυπα έργα με μείγματα CO₂/C₄-PFN προγραμματίζονται ή είναι σε εξέλιξη σε διάφορες ευρωπαϊκές χώρες, συμπεριλαμβανομένης μιας 145 kV εσωτερικής GIS στην Ελβετία, ενός 245 kV εξωτερικού μετατροπέα ρεύματος στη Γερμανία και εξωτερικών 420 kV GIL συστημάτων στο Ηνωμένο Βασίλειο και τη Σκωτία.

5. Συμπεράσματα και Προοπτικές
Έχει γίνει ανασκόπηση των δημοσιευμένων πληροφοριών για εναλλακτικά αέρια SF₆ για εφαρμογές καταστροφής. Σε αυτό το στάδιο, αυτή η έρευνα είναι ακόμη στα πρώιμα της στάδια και πολύ λιγότερο εκτεταμένη από τον δεκαετιαίο σώμα εργασίας πάνω στο SF₆. Οι διαθέσιμες δεδομένες κατασκευαστών δείχνουν ότι τα νέα αέρια, όπως τα C₅-PFK και C₄-PFN, είναι εφικτές επιλογές που, όταν αναμείγνυνται με CO₂ ως αέριο προστασίας, μπορούν να επιτευχθούν μερικώς οι απόδοσεις του SF₆, αν και δεν μπορούν να αντικαταστήσουν πλήρως όλες τις δυνατότητες του SF₆.

Κύριες διαφορές βρίσκονται στην ηλεκτρική απόδοση και την απόδοση καταστροφής, καθώς και στο σημείο βρασμού, το οποίο καθορίζει την ελάχιστη καθορισμένη λειτουργική θερμοκρασία του στροβίλου. Μια χαμηλή ελάχιστη λειτουργική θερμοκρασία (π.χ., –50 °C) μπορεί να επιτευχθεί με καθαρό CO₂. Ωστόσο, το CO₂ φαίνεται να έχει γενικά χαμηλότερη απόδοση καταστροφής, ειδικά σε ό,τι αφορά την αντοχή προς το ανακάμψιμο της τάσης ανάκτησης και την ικανότητα καταστροφής, σε σύγκριση με τα μείγματα αερίων που περιέχουν C₄-PFN ή C₅-PFK.

Ένα πλεονέκτημα των μεικτών CO₂/C₅-PFK σε σχέση με τα μείγματα CO₂/C₄-PFN είναι ο αμελητέος GWP (~1 σε αντίθεση με 427/600 για το C₄-PFN). Αντίθετα, τα μείγματα CO₂/C₄-PFN προσφέρουν χαμηλότερη ελάχιστη λειτουργική θερμοκρασία (περίπου –25 °C) σε σύγκριση με τα μείγματα CO₂/C₅-PFK (περίπου –5 °C).

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

Περιγραφή ：

Οι 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV και 245kV Dead tank Vacuum Circuit-Breakers είναι ουσιαστικά προστατευτικά συστήματα για υψηλής τάσης συστήματα ενέργειας. Χρησιμοποιώντας την κενότητα ως μέσο καταστροφής της ηλεκτρικής τόξης και ηλεκτρικής απομόνωσης, διαθέτουν εξαιρετικές ικανότητες καταστροφής της ηλεκτρικής τόξης, διακόπτοντας ταχύ τα ρεύματα σφάλματος και αποτρέποντας αποτελεσματικά την επανάνάφλεξη της ηλεκτρικής τόξης, εξασφαλίζοντας έτσι τη σταθερή λειτουργία του συστήματος ενέργειας. Το σχεδιασμός dead tank παρέχει μικρό τυπικό πλάτος και αλληλοενδυνάμωση μηχανικής σταθερότητας, διευκολύνοντας την εγκατάσταση και την συντήρηση. Εξοπλισμένοι με υψηλά αξιόπιστα μηχανήματα εκτελεστικών μεγέθων, αυτοί οι διατάραξηιοι έχουν μηχανική ζωή πάνω από 10.000 λειτουργίες, παρέχοντας ταχείες και ακριβείς απαντήσεις. Με εξαιρετική προσαρμοστικότητα στο περιβάλλον, μπορούν να λειτουργούν σταθερά υπό αυστηρές εξωτερικές συνθήκες. Ευρέως εφαρμοσμένοι σε υποσταθμείς, γραμμές μεταφοράς και άλλες εφαρμογές, παρέχουν αποτελεσματική και ασφαλή ελεγχό διακόπτους και αξιόπιστη προστασία σε διάφορα επίπεδα τάσης.

Εισαγωγή στις βασικές λειτουργίες:

• Αποτελεσματική εξάλειψη του φωτιστήρα: Χρησιμοποιεί κενό για γρήγορη και αξιόπιστη εξάλειψη του φωτιστήρα, προληπτικά διασφαλίζοντας ότι δεν θα επαναφωτίσει.

• Ευρύ φάσμα τάσης: Διαθέσιμο σε επιπέδα 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV και 245kV για πολυεπίπεδες εφαρμογές δικτύου.

• Σταθερή σχεδίαση dead tank: Συμπαγής σχεδιασμός εξασφαλίζει μηχανική σταθερότητα και απλοποιεί την εγκατάσταση/συντήρηση.

• Αξιόπιστη λειτουργία: Μηχανισμός λειτουργίας βασισμένος σε ελατήριο με περισσότερες από 10.000 κύκλους μηχανικής διάρκειας.

• Βελτιωμένη σφράγιση: Σχεδιασμός διπλής σφραγίδας φλάνγκα παρέχει προστασία από νερό και αέρια, κατάλληλη για εξωτερική χρήση.