Uusimate arengutrendid SF₆-vahenditega kõrgepingeliste lülitete kohta

1. Sissejuhatus
SF₆ on laialdaselt kasutusel elektrijaama edastamise ja jaotamise süsteemides, nagu gaasiga eraldatud lülitetellised (GIS), katkiskesed (CB) ja keskmise pingetahendi (MV) laduseadmed. See omab ainulaadseid elektroisolatsiooni ja plahvatuksingimise võimeid. Siiski on SF₆ ka võimas taimegaasi, mille globaalse soojenemise potentsiaal on umbes 23 500 100-aastases perspektiivis, nii et selle kasutust reguleeritakse ja selle piirangute suhtes toimuvad jätkuvalt arutelud. Seega on viimase kümne aasta jooksul teostatud uurimusi alternatiivsete gaaside kohta energiaresursside kasutamiseks.

"Club Zéro" (CZC) koostöös CIGRE-ga langetas hiljuti algatuse, et hinnata SF₆ alternatiivsete gaaside seisundit lülitmisrakendustes. Tehti küsitlus, et koguda kõik saadaolev hiljutine literatuur sellel teemal. Tulemused esitati ja arutati ühisel sessioonil CIGRE sessioonil 2016. aastal. See artikkel esitab selle küsitluse peamised leidused. Kuna vakuumlülitiste tehnoloogia moodustab eraldi käivitava tegevuse, seda ei käsitleta selles ülevaadet.

2. Alternatiivsed Gaasid

Pärast Kioto protokolli vastuvõtmist 1997. aastal tõusis alternatiivsete gaaside uurimine kiiresti ja on viimase kümnendi jooksul veelgi tugevnenud. Alternatiivsete gaaside puhul on tuudetud välja järgmised olulised nõuded: madal globaalne soojenemise potentsiaal (GWP), null ozoonikihi kahjustamise potentsiaal (ODP), madal mürgisus, mittepalavus, kõrge dielektriline tugevus, kõrge plahvatuksingimine ja soojus levimine, keemiline stabiilsus, materjalide kooskõla ja turupakkumine.

Mitmetest looduslikult pärit gaaside hulgast on CO₂ olnud kõige lubavam plahvatuksingimisgaas, mille töödeldust võib parandada lisainimesena O₂ või CF₄ lisamisel. Siiski on uuringud näidanud, et nii katkimise kui ka isolatsioonipädevus CO₂ puhul on SF₆-iga võrreldes ebasoovitavad. Muud huvitavad kandidaadid on tuudetud fluoreeritud gaasidest, nagu CF₃I, hidrofluooroolefiinid (HFO-1234ze ja HFO-1234yf), perfluorokaanoned (nt C₅F₁₀O), perfluoroamitsiidid (C₄F₇N), fluoreeritud eeterid (HFE-245cb2), fluoreeritud epoksüüdid ja hidroklorofluooroolefiinid (HCFO-1233zd).

Kõigi nõudmiste arvestamisel on praegu kõige lubavamad kandidaadid C₅ perfluorokaanon (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ või C₅-PFK) ja iso-C₄ perfluoroamitsiaan ((CF₃)₂CF-CN või C₄-PFN). Puhtade gaaside puhul on dielektriline töötingimus proportsionaalne keemilise kestva temperatuuriga – see tähendab, et kõrge dielektrilise tugevusega gaasidel on tavaliselt ka kõrge kestva temperatuur. 0,1 MPa all on C₅-PFK ja C₄-PFN kestvad temperatuurid vastavalt 26,5°C ja -4,7°C. Seega, lülitmise seadmete rakenduste puhul, mis nõuavad piisavalt madalaid kestvaid temperatuure, et rahuldada madala temperatuuri töötingimusi, tuleb lisada tampgaase. Võimaliku hea plahvatuksingimise tõttu valitakse CO₂ tampgaasiks kõrgepingelistes rakendustes. Keskmise pingetahendi rakendustes on ka raporteeritud, et õhk on kasutatud C₅-PFK kombinatsioonis isolatsiooniks.

3. Puhtade ja Gaasmixturite Omadused

Tabel 1 esitab valitud alternatiivsete gaaside omadusi SF₆-suhtes. Nende gaaside GWP-d varieeruvad oluliselt: C₄-PFN-sel on palju kõrgem GWP kui CO₂-l või C₅-PFK-l, millel on GWP ligikaudu 1. Kõik huvitavad kandidaadigaasid on mittepalavad, neil on null ODP ja need on raporteeritud mitte mürgisena keemiliste tootjate poolt pakutud tehniliste ja ohutuse andmete lehtede kaudu. Puhtade C₄-PFN ja C₅-PFK dielektriline tugevus on umbes kaks korda suurem kui SF₆. CO₂ dielektriline tugevus on võrdeline õhuga – see tähendab, et see on oluliselt madalam kui SF₆.

Tabel 1: Puhaste Gaaside Omaduste Võrdlus SF₆-ga

Tabel 2 näitab gaaside ja gaasmisture omadusi nende kasutamisel lülitustehnikas. Teises veerus on antud C₄-PFN-i ja C₅-PFK-i kontsentratsioonid puhastega segudes, tavaliselt allpool 13% (moolne kontsentratsioon). Tuleb märkida, et C₅-PFK-d kasutades CO₂-ga on ka teada teatatud hapniku lisandeid, kuna hapniku olemasolu võib vähendada kahjulike toiteainete (nt CO) ja kõrgeaine (nt tuhka) tekke.

Tabel 2: Puhaste gaaside ja gaasmisture omadused/tegevus keskise- ja kõrgepinge lülitustehnika rakendustes

Kuna segmikute dielektriline vastupidavus sama rõhuga (veerg 6) on madalam kui SF₆-l, siis C₅-PFK ja C₄-PFN koos CO₂ puhvergaasina kasutamisel kõrgepingevates rakendustes tuleb minimaalne tööpinge suurendada umbes 0,7–0,8 MPa-ni. Keskpingevates rakendustes õhuk-C₅-PFK segu kaasas saab säilitada 0,13 MPa pinget, mis võimaldab saavutada SF₆ lähedase dielektriilise vastupidavuse.

Suur dielektriline vastupidavus suhteliselt madalate C₄-PFN või C₅-PFK segumiste suhtes selgitub sinergilise efektiga – teisisõnu, dielektriilise tugevus kasvab mitte lineaarselt lisandite kontsentratsiooniga, mida on varasemalt näha olnud SF₆/N₂ seguistes. C₅-PFK segu GWP on ebatähtis, kuid see tuleb maksma kõrgema minimaalse töötemperatuuri hinnaga. Madalate temperatuuride rakendused (nt –25°C) saavad lahenduseks kas puhas CO₂ või CO₂ + C₄-PFN segu, kuigi nendega kaasneda kompromissid: puhas CO₂ korral oluliselt väiksem dielektriline vastupidavus või C₄-PFN segu korral oluliselt kõrgem GWP.

4. Alternatiivsete gaaside lülitusomadused
Tabel 3 annab ülevaate puhas CO₂ ja CO₂-põhiste segu lülitusomaduste esialgsest informatsioonist, võrreldes SF₆ omadustega. Suurendades tööpinget SF₆ suhtes, saab külmade dielektriilide tugevust – näiteks kondensatorite lülitusomaduste mõõtmeena – tuua SF₆ tasemele.

Tabel 3: Lülitusomaduste võrdlus gaasides ja gasimixturites tõusuval tööpingel võrreldes SF₆-ga kõrgepingevates rakendustes

Uuritud kirjanduses leiti ainult kvalitatiivsed avaldused C₄-PFN ja C₅-PFK segmikute lülitusjõu kohta. CO₂ puhul on saadaval mõned kvantitatiivsed võrdlused. Üldiselt võib oodata, et taegetäidisnõrgusega umbes 1 MPa puhtas CO₂-ga saavutatakse isolatsiooni- ja lühikeste juhtide (SLF) katkestamise jõud, mis on umbes kaks kolmandikut SF₆-st.

CO₂-le lisades O₂ (segumismäärani kuni 30%) võib oodata SLF katkestamise jõu parandamist ja dielektrilise tugevuse väikese suurenemise. C₄-PFN või C₅-PFK lisamine CO₂-le võimaldab dielektrilise jõudluse saavutada, mis läheneb SF₆-le. Uurimused näitavad, et CO₂/O₂/C₅-PFK segmikute SLF lülitusjõud on umbes 20% madalam kui SF₆-l. Vastupidiselt, eraldi CO₂/C₄-PFN segmikutele praktiliselt kohandatud lüliteid väidetakse saavutada SLF jõud, mis on sarnane SF₆-l.

Siiski on ka uurimusi, mis võrreldavad puhtat CO₂ CO₂/C₄-PFN ja CO₂/C₅-PFK segmikke sama geomeetria ja rõhkude korral, mis näitavad sarnast lähedaloleva (soojusliku) katkestamise jõudu CO₂-l, olenemata sellest, kas selles on lisainimesed. Väikesed disainimuudatused või mõõdukas vähendamine on viinud uute segmikute edukale läbimise IEC testides L90 (SLF) ja T100 (100% terminalviga), mis näitab, et nende lülitusjõud ei ole oluliselt halvem kui SF₆-l. See on näidatud ka lülite katkestamisfunktsioonile.

Tulevikus oodatakse lülitusjõu täiustamist spetsiaalsete disainioptimiseeringutega. Oluline küsimus on gaaside mürgisus plazma järel. C₅-PFK ja C₄-PFN on keerulised molekulid, mis hakkavad lagunema umbes 650 °C C₄-PFN puhul. Lagunemisel need molekulid ei taasühine oma algse struktuuriga, vaid moodustavad väiksemad osakesed. CO₂/O₂/C₅-PFK segmikute puhul on raporteeritud 0.5 mol/MJ lagunemiskiirus suure joonte katkestamisel. Osalisel plazmal on lagunemiskiirus üle kümne korda väiksem kui eespoolmainitud väärtus.

Nende uute gaaside lagunemissuundumus ei ole otse võrreldav SF₆-ga, mis laguneb peamiselt keemiliste reaktsioonide tõttu ablateeritud kontakt- ja tuubimaterjalidega. Uute gaaside puhul ei pea varustuse elueelsel perioodil lagunemist kriitiliseks küsimuseks, kuid gaasi kontsentratsiooni varustuses tuleks jälgida või regulaarselt kontrollida. Kõige mürgisemad lagunemistooded kõrge rõhuga rakendustes (st. CO₂-segmikud) on CO ja HF. Nende segmikute plazma tooted on arvatavasti samasuguse või väiksemate mürgisusega kui SF₆ plazma tooted. Seega soovitatakse kasutada SF₆ plazma toodete haldamise protseduure.

Peab aga meeles pidama, et need avaldused põhinevad piiratud teadmistel nende uute gaaside mürgisuse kohta. On vaja rohkem kogemust nende potentsiaalsete SF₆ alternatiividena plazma järel mürgisuse kohta. Teisi raporteeritud probleeme hõlmavad materjalide kooskõlastus (nt. tõkke- ja liiviainete mõju), gaasi tihedus ja gaasi haldamise protseduurid. Seetõttu ei saa oodata, et olemasolevad kõrgerõhulised varustused töötaksid nendega turvaliselt ilma sobiva disaini või materjalide muudatusteta.

Sisemised plazma testid on läbi viidud kõigi segmikute puhul ning mitte mingi tõsine probleem pole avastatud. Segmikute soojusjuhtivus on veidi madalam kui SF₆-l, mis võib nõuda mõõdukaid vähendamisi või disainimuudatusi elektrijaama transportkapasiteedi jaoks. CO₂ live-tank lülited on juba saanud väljakukogemust, alates mitme aasta tagusest käivitusest, ja CO₂-täidis lülited on nüüd kaubanduslikult saadaval.

Kõrge- ja keskmine-rõhulised pilootprojektid, mis kasutavad C₅-PFK segmikke, on edukalt töötanud Šveitsis ja Saksamaal alates 2015. aastast. Pilootprojektid, mis kasutavad CO₂/C₄-PFN segmikke, on planeeritud või käimas mitmes Euroopa riigis, sealhulgas 145 kV sisemine GIS Šveitsis, 245 kV välimine joontekijavektor Saksamaal ja välimine 420 kV GIL süsteemid Suurbritannias ja Skotimaal.

5. Järeldused ja väljavaated
On läbi vaadatud avaldatud informatsioon SF₆-alternatiivsete gaaside kohta lülitus rakendustes. Praegusel tasandil on see uurimus veel algfaasis ja palju vähem ulatuslik kui SF₆ kohta aastakümnete jooksul kogutud andmed. Saadaval olevad tootjaandmed näitavad, et uued gaasid, nagu C₅-PFK ja C₄-PFN, on viisilised valikud, mis, kui neid seostatakse CO₂-ga tamperigaasina, osaliselt vastavad SF₆ jõudlusele, kuigi need võivad mitte täielikult korrata kõiki SF₆ võimeid.

Olulised erinevused seisnevad isolatsiooni- ja katkestamise jõudlusel, samuti keevetemperatuuril, mis määrab lülituri minimaalse määratud töötemperatuuri. Madal minimaalne töötemperatuur (nt. –50 °C) saavutatakse puhtaga CO₂. Siiski näib CO₂ omavat üldiselt madalamat katkestamise jõudu, eriti taastumisepinge tippi ja katkestamise võime suhtes, võrreldes C₄-PFN või C₅-PFK sisaldavate gaasimürgikutega.

CO₂/C₅-PFK segmikute eelis CO₂/C₄-PFN segmikute ees on nende negligeeritav GWP (~1 vs. 427/600 C₄-PFN). Vastupidi, CO₂/C₄-PFN segmikud pakuvad madalamat minimaalset töötemperatuuri (umbes –25 °C) võrreldes CO₂/C₅-PFK segmikute (umbes –5 °C)ga.

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

Kirjeldus:

40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV ja 245kV Dead tank Vacuum Circuit-Breaker on olulised kaitsevarustusüksused kõrgepinge elektrivõrkudes. Kasutades vakuumit plazma kõrvaldamise ja isolatsioonimeediumina, need lülited pakuvad erakordset plazma kõrvaldamise võimet, kiiresti katkestades vigadejoonte ja tõhusalt takistades plazma uuesti sündimist, tagades stabiilse elektrivõrgu töö. Dead tank disain pakub kompaktset maapindala ja tugevat mehaanilist stabiilsust, mis aitab paigaldamist ja hooldust. Varustatud väga usaldusväärsete veeremehaanismidega, need lülited omavad mehaanilist eluüksust, mis ületab 10 000 operatsiooni, pakkudes kiiret ja täpset reageerimist. Nendel on väljapaistev keskkonnakohastumine, mis võimaldab neil töötada stabiilselt raskeimate väliskondade all. Laialdaselt kasutatud ümberpanekutes, edasijoonelistes ja muudes stsenaariumides, need lülited pakkuvad tõhusat ja turvalist elektri lülitamise kontrolli ja usaldusväärset kaitset mitmes pingetasandil.

Peamine funktsioonide kirjeldus:

• Efektiivne lõhnukväätmise: Kasutab vakuumi kiire ja usaldusväärse lõhnu kväätmiseks, takistes uuesti sündida.

• Lai spännuse valik: Saadaval 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV ja 245kV suurustes mitmekülgsete võrgu rakenduste jaoks.

• Tugev kruva tanci disain: Kompaktne struktuur tagab mehaanilise stabiilsuse ja lihtsustab paigaldamist/hoidlast.

• Usaldusväärne töö: Veelepingu põhine juhtimismeetod üle 10 000 mehaanilise käitamiskäigu.

• Parandatud tiivitus: Topelt-seal flanssi disain pakub vee- ja gaasitiivitatud kaitset, sobilik välises kasutamiseks.