Azken Garapenerako Eraginak SF₆ Ordezko Gasaren Oinarritutako Altu-tentsioeko Itsasaldi-Arteko Kontaktuatzailerentzat
1. Sarrera
SF₆ erabili oso asko da elektrizitate transmitzio eta banaketa sistemen, hala nola gas-insulated switchgear (GIS), circuit breakers (CB) eta medium-voltage (MV) load switches-en. Berekiko elektrikoa izolamendu eta arkua-itzalpeneko ahalmen unikoa du. Hala ere, SF₆ potentzia handiko efektu inbernalari buruzko gas bat da, 23,500 balioa duen global warming potential-a duelarik 100 urteko denbora-tartearen gainean, beraz, bere erabilera regulatua dago eta murrizketari buruzko elkarrizketak jarraitzen dira. Hortaz, indarrerako alternatiboko gasen ikerketa egin da duela hamarkada bat.
"Club Zéro" (CZC), CIGRE-ren laguntzaz, garaian hasi du iniciativa bat SF₆ alternatiboko gasen egoerari ebaluatzeko switching aplikazioetan. Ikerketa bat egin da gai horri buruzko azken literatura guztia bildatzeko. Emaitzak aurkeztu eta eztabaidatu ziren 2016ko CIGRE Session-en. Artikulu honek ikertagai horren emaitza nagusiak erakusten ditu. Askatasun teknologia beti egiten duten ekintza bakarra delako, oraindik lan gaian dagoenez, ez da artikulu honetan tratatuko.
2. Alternatiboko Gasak
Kyoto Protokoloa onartutik 1997an, alternatiboko gasen ikerketa intensifikatu da eta azken hamarkadan gehiago handitu da. Alternatiboko gasentzat ezinbestekoa diren baldintzak identifikatu dira: global warming potential (GWP) baxua, zero ozone depletion potential (ODP), toxizitate baxua, ez-flamegara, dielectric strength handia, arkua-itzalpen eta kalor-biribiltze ahalmen handia, kimika estabilitatea, materialen antzekotasuna eta merkatuan eskuragarritasuna.
Ikerkien dugun gas naturale askotatik, CO₂ dela frogatu da ahalmen handiena duen arkua-itzalpen gasa, bere prestazioa O₂ edo CF₄ bezalako osagaien bidez hobetu daitekeelarik. Hala ere, ikasketak erakusten dute CO₂-ren interrupting eta insulating prestazioak SF₆-ren baino xehetasunean txikiagoak direla. Fluorated gas interesgarri batzuk identifikatu dira, hala nola CF₃I, hydrofluoroolefins (HFO-1234ze eta HFO-1234yf), perfluoroketones (adibidez, C₅F₁₀O), perfluoronitriles (C₄F₇N), fluorinated ethers (HFE-245cb2), fluorinated epoxides, eta hydrochlorofluoroolefins (HCFO-1233zd).
Baldintz guztiak kontuan hartuta, uneko kandidatu enperezioenenak C₅ perfluoroketone (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ edo C₅-PFK) eta iso-C₄ perfluoronitrile ((CF₃)₂CF-CN edo C₄-PFN) dira. Gasen puroetatik, dielectric performancea ebullizio-puntuarekin proportzionala da—hau da, dielectric strength handia duten gasak ebullizio-puntu altuak dituzte. 0.1 MPa-n, C₅-PFK eta C₄-PFN-ren ebullizio-puntuak 26.5°C eta –4.7°C dira, hurrenez hurren. Beraz, ebullizio-puntu baxu beharrezkoa diren switching aplikazioetarako, buffer gas bat Gehitu behar da. CO₂-ren ondo dabilen arkua-itzalpen ahalmenagatik hautatzen da high-voltage aplikazioetan. Medium-voltage aplikazioetan, airea ere erabili da C₅-PFK-rekin insulation propozitutan.
3. Gasen Puro eta Meztura Ezaugarriak
Taula 1 alternatiboko gas aukeratuen ezaugarriak erakusten ditu SF₆-rekin konparatuta. Gas hauek GWPrak desberdinak dituzte: C₄-PFN-k GWP handiagoa du CO₂ edo C₅-PFK-ren baino, biak GWP 1 inguru dute. Interesgarriak diren gas guztiak inflamagarriak ez dira, ODP zerokoak dira eta toksiak ez direla ageri da chemikalarien teknikoen eta segurtasun datuen orriaetan. C₄-PFN eta C₅-PFK-ren dielectric strength puretan SF₆-ren bikoitzaren balioko da. CO₂-ren dielectric withstand voltage-a airearen artean balioko da—that is, significantly lower than that of SF₆.
Taula 1: Pure Gas Properties with SF₆
| Gas | CAS Number | Boiling Point / °C | GWP | ODP | Flammability | Toxicity LC50(4h) ppmv | Toxicity TWA ppmv | Dielectric Strength / pu at 0.1 MPa |
| SF₆ | 2551-62-4 | -64 | 23500 | 0 | No | - | 1000 | 1 |
| CO₂ | 124-38-9 | -78.5 | 1 | 0 | No | >300000 | 5000 | ≈0.3 |
| C5-PFK | 756-12-7 | 26.5 | <1 | 0 | No | ≈20000 | 225 | ≈2 |
| C4-PFN | 42532-60-5 | -4.7 | 2100 | 0 | No | 12000…15000 | 65 | ≈2 |
Taula 2 erakusten ditu gas eta gas egokitzen arteko ezaugarriak sakelarietan erabiliz. Bigarren zutabean, C₄-PFN eta C₅-PFK-ren kontzentrazioak buffer gas-en arteko egokitzenetan agertzen dira, arrunta da 13% (molar kontzentrazio) baino gutxiago izatea. Kontuan hartu behar da C₅-PFK CO₂-n erabiltzean, oxiengo osagaien erabilerarako ere berri eman direla, oxiengaren lekukotasuna kaitagarriak diren produktu sekundarioen (CO bezala) eta solidoko produktu sekundarioen (hurrunak bezala) sortzea murriztu dezakeelako.
Taula 2: Gas puroen eta gas egokitzenen ezaugarriak/errendamendua erabilera sakelarietan aplikazioetan medio- eta altu-tentsioetan
| Gas | Concentration | Minimum Pressure / MPa | Minimum Temperature / °C | GWP | Dielectric Strength | Toxicity LC50 ppmv |
| SF₆ | - | 0.43…0.6 | -41…-31 | 23500 | 0.86…1 | - |
| CO₂ | - | 0.6…1 | ≤-48 | 1 |
0.4…0.7 | >3e5 |
| CO₂/C5-PFK/O₂ (HV) | ≈6/12 | 0.7 | -5…+5 | 1 | ≈0.86 | >2e5 |
| CO₂/C4-PFN(HV) | ≈4…6 | 0.67…0.88 | -25…-10 | 327…690 | 0.87…0.96 | >1e5 |
| Air/C5-PFK(MV) | ≈7…13 | 0.13 | -25…-15 | 0.6 | ≈0.85 | 1e5 |
Sakonduen dielektrikoko garrantzia tentsioa (Column 6) SF₆-ren ordezkaritza-igotza berdinetan C₅-PFK eta C₄-PFNeko miszuen artean CO₂ erabiltzeagatik, altu-tentsioko aplikazioetan beharrezkoa da 0,7–0,8 MPa tarteetako presio minimoa gehitu. Ertzain-tentsioko aplikazioetan aire/C₅-PFK miszuen erabilpenarekin 0,13 MPa presioa mantentzea posible da, SF₆-ren dielektrikoko garrantzia tentsioaren ondo dago.
C₄-PFN edo C₅-PFKren konbinazio txikiak eskuratzen duten dielektrikoko garrantzia tentsio handia sinergiaren efektu baten emaitza izan daiteke—hau da, dielektrikoko indarrak nonlinealki gehitzen dira osagaiko kontzentrazioarekin, fenomenoa aurrekoan ikusi duguna SF₆/N₂ miszuetan. C₅-PFK miszuen GWP ezberdin desberdina da, baina hau prezio batera egiten du, hots, erabilgarritasun tentsio minimo handiagoa. Temperatura baxuko aplikazioetan (adibidez, –25°C) CO₂ puroa edo CO₂ + C₄-PFN miszua erabiliz egin daiteke, baina truke batzuekin: CO₂ puruan dielektrikoko garrantzia tentsio handiagoa murrizten da, edo C₄-PFN miszuetan GWP handiagoa lortzen da.
4. Alternatiboen gasen aktibazio prestazioa
Taula 3 informazio lehenetsu bat kudeatzen du CO₂ puroaren eta CO₂ oinarriko miszuen aktibazio prestaziorako, SF₆-ren prestazioa alderatzeko. Operazio presioa SF₆-rekin aldatuz, dielektrikoko garrantzia tentsioa—adibidez, kapazitate aktibazio prestazioaren neurri gisa—SF₆-ren mailara heltu daiteke.
Taula 3: Gas eta gas miszuen aktibazio prestazioaren alderaketa Altu operazio presioetan SF₆-rekin aldatuta Altu-tentsioko aplikazioetan
| Gas | Erakunde-Pressure [MPa] | Dielectric Strength / pu | SLF Performance vs SF₆ / pu | |
| SF₆ | 0.6 |
1 | 1 |
1 |
| CO₂ | 0.8…1 | 0.5…0.7 | 0.5…0.83 | ≥0.5 |
| CO₂+C5-PFK/O₂ | 0.7…0.8 | Close to SF₆ | 0.8…0.87 | Close to SF₆ |
| CO₂/C4-PFN | 0.67…0.82 | Close to SF₆ | 0.83…(1) | Close to SF₆ |
Ikusitako literaturan, C₄-PFN eta C₅-PFK miksturen aldatze-prestatasunari buruzko kualitatiboko esaldiak soilik aurkitu dira. CO₂-rekin, zenbakizko konparaketa batzuk daude eskuragarri. Oro har, hondar-pression handiago batekin (1 MPa inguru) CO₂ puroarekin, SF₆-ren arteko isolamendua eta line-lurruneko akatsen (SLF) aldatze-prestatasuna bi heren bat izango litzateke.
O₂ gehitzen bada CO₂-ra (30% inguru) SLF aldatze-prestatasuna hobetu eta dielektriko-indarra txiki bat handitu daiteke. C₄-PFN edo C₅-PFK gehitzen badira CO₂-ra, SF₆-ren dielektriko-prestatasunei hurbiltzen zaizkio. Estudiotan adierazten da CO₂/O₂/C₅-PFK miksturen SLF aldatze-prestatasuna SF₆-renaren 20% gutxiago dela. Aldiz, CO₂/C₄-PFN miksturen zirkuitu-birakaile espesifikoei SLF prestatasuna SF₆-renekin batera iritsi dezakete.
Hala ere, ikusketak direla CO₂ puroa eta CO₂/C₄-PFN eta CO₂/C₅-PFK miksturen artean geometria eta presio berdinetan, CO₂-k osagaiei gabe edo gabe barne-zona (termiko) aldatze-prestatasun hurbildu bat duela erakusten dute. diseinu aldaketetxoen edo modu txiki batean deratetan, miksturen berriak IEC proba L90 (SLF) eta T100 (100% bukaerako akatsa) gainditu dituzte, horrela SF₆-renekin konparatzen ez direla aldatze-prestatasun txiki bat onartzen da. Honek zirkuitu-birakaileen aldatze-funtzioa ere erakusten du.
Eskaintzeko egonkorra aldatze-prestatasun hobetza diseinu optimizazio espesifikoekin. Arkuak egin ondoren gasen toxikotasuna arazo garrantzitsua da. C₅-PFK eta C₄-PFN molekuluen konposatuak dira, C₄-PFN kasuan 650 °C inguruan hasi ohi dira deskonposatzeko. Deskonposatzean, molekuluek ez dute bere estruktura lehenetsian birformatzen, beste fragmentu txikiago batzuk sortzen dituzte. CO₂/O₂/C₅-PFK miksturen kasuan, korronte handiko aldatzean 0.5 mol/MJ deskonposatze-tasa adierazten da. Partzialki diskarretan, tasa horren baten ordena urrutik behera joan da.
Gas berrien deskonposatze-portaera ez da SF₆-renekin zuzenean konparagarria, SF₆-k kontaktu eta bozgora materialen arteko erreakzio kimikoei esker deskonposatzen baita. Gas berrien kasuan, lan gailuaren bizitza osoan deskonposatzea ez da arazo nagusi, baina gasen kontzentrazioa monitorizatu edo periodikoki egiaztatu beharko litzateke. Presio altuan (CO₂ miksturen kasuan) gasen produktu deskonposatutik toxikoena CO eta HF dira. Miksturen arku-ondorioak SF₆-ren arku-ondorioaren toxikotasuna edo gutxiago duten. Beraz, SF₆ arkuan exposatuta dauden maneiatzeko protokolo berdinei jarraitu beharko lirateke.
Hala ere, goabide horiek gas berrien toxikotasunari buruzko ezagutzaren mugatik datoz. SF₆-ren ordezko posibleen arkuan exposatuta dauden toxikotasunari buruzko esperientzia gehiago beharrezkoa da. Beste arazoren batzuk dira materialen antolakortasuna (adibidez, sigeluen eta greseien efektuak), gasen esteka integritatea eta gasen maneiatzeko protokoloei. Hortaz, diseinu edo materialen aldaketarik gabe, gailu haut-voltaje existenteek ezin dute seguruki funtzionatu gas berrien bitartez.
Barne-arku probak egin dira miksturen guztiekin, eta ez da arazo seriorik jakinarazi. Miksturen termiko indarrak txikiagoak dira SF₆-renak baino, horrek korronte portatzeko kapazitatea aldatzeko modu txiki batean deratetan edo diseinu aldaketetxoen beharrezkoa izan dezake. CO₂ live-tank zirkuitu-birakaileak dagoeneko esperientzia praktikoa dauzka, hainbat urtez hasi ziren, eta orain CO₂ betegarriko zirkuitu-birakaileak komertzialki eskuragarri daude.
C₅-PFK miksturen erabilpen pilotak arrakastaz ibili dira Suitzan eta Alemanian 2015tik. CO₂/C₄-PFN miksturen erabilpen-pilotak planeatuta edo garatzen ari dira Europako hainbat herrialdeetan, barruan 145 kV barruko GIS Suitzan, 245 kV kanpo zirkuitu-transformatore bat Alemanian, eta 420 kV kanpo GIL sistemak UK eta Eskotian.
5. Irizpideak eta Aurrerantz
Alkohol-eskaintzeko SF₆-en ordezko gasen informazioa aztertu da. Oraindik ikerketa honen faselehenetan dago, eta SF₆-rekin lanean jardun diren hamarkadetatik askoz laburragoa da. Erretailerren datuetan adierazten da C₅-PFK eta C₄-PFN bezalako gas berriak CO₂ buffer gas gisa batzen badira, SF₆-en prestatasun batzuekin bat datorrelako, baina ez dute SF₆-en guztiak duen prestatasuna oso erreproduzitzen.
Nagusien aldedunak dira isolamendu eta aldatze-prestatasunak, baita bolkatze-puntuak ere—miksturen minimo operatibo temperaturaren zehaztapenak. Minimo operatibo temperatura baxu bat (adibidez, –50 °C) lortu daiteke CO₂ purorako. Hala ere, CO₂-k C₄-PFN edo C₅-PFK dituzten gas miksturen aldetik, aldatze-prestatasun txikiagoa duela, batez ere errepresarioi tenperatura altuak eta aldatze-prestatasunak alderatuz ikusten da.
CO₂/C₅-PFK miksturen abantaila CO₂/C₄-PFN miksturen gainean GWP-a (1 ~ 427/600 C₄-PFN). Aldiz, CO₂/C₄-PFN miksturen minimo operatibo temperatura (–25 °C inguru) CO₂/C₅-PFK miksturen (–5 °C inguru) baino txikiagoa da.
6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV Dead tank Vacuum Circuit-Breaker
Deskribapena：
40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV eta 245kV Dead tank Vacuum Circuit-Breakerak haut-voltaje elektrizitate-sistemarako babesteko tresna garrantzitsuak dira. Bakuunari erabiliz arku-morte eta isolamendu mediarik, arku-morte-prestatasun handia dute, akats-korronteak azkar aldatzen dituzte eta arkuak berriro berriz sortzea saihesten dute elektrizitate-sistema establesa lortzeko. Dead tank diseinuak kokapen txiki eta mekanikoki estalduna ematen dio, instalazio eta mantentzea erraztuz. Mugimendu-moldea oso fiable batekin, zirkuitu-birakaile hauek 10.000 erabilera baino gehiagorako mekanikoki bizitza luzea dauzka, erantzun azkar eta zehatzak ematen dituzte. Ingurumenari egokitze-prestatasun handia duelako, arrazoizko kanpo kondizioetan erabili daitezke. Subestazioetan, transmitazio-lineetan eta beste egoeretan asko erabili dira, maila desberdinetako korronte-aldatze kontrola eta babestea segurua ematen duten.
Funtzio nagusiaren aurkezpena:
Arkua azkar eta ziurra kendu: Bakuun erabiliz arkua azkar eta ziurra kendu, berriro sorgintzea saihesteko.
Hautazko tensio maila handia: 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV eta 245kV balorekin, hainbat motatako sare aplikazioetarako.
Estatu txikiaren diseinu gorria: Egoera mekanikoki finkoa eta instalazio/mantentzea erraztea.
Erabiltze ziurra: Mola oinarritutako mekanismo batekin, 10.000 urterako mekaniko zigor ikusgarriak.
Itxura hobetua: Bi itxura duen flange diseinuak urtarrontzi eta gas estuan jasotzailea, kanpoan erabiltzeko onartua.
