آخرین روندهای توسعه شکننده‌های دی الکتریک با گاز جایگزین SF₆ بر پایه ولتاژ بالا
۱. مقدمه
SF₆ به طور گسترده در سیستم‌های انتقال و توزیع برق، مانند دستگاه‌های کلیدزنی عایق گازی (GIS)، کلیدهای قطع (CB) و کلیدهای بار ولتاژ متوسط (MV) استفاده می‌شود. این گاز خصوصیات منحصر به فرد عایق برقی و خاموش‌کنندگی قوس الکتریکی را دارد. با این حال، SF₆ نیز یک گاز گلخانه‌ای قدرتمند است که پتانسیل گرم‌سازی جهانی آن در حدود ۲۳۵۰۰ در افق زمانی ۱۰۰ ساله است و بنابراین استفاده از آن تحت مقررات و موضوع بحث‌های مداوم درباره محدودیت‌ها است. در نتیجه، تحقیقات درباره گازهای جایگزین برای کاربردهای برقی در حدود دو دهه انجام شده است.
"Club Zéro" (CZC) به همراه CIGRE اخیراً یک مبادرة را برای ارزیابی وضعیت هنر گازهای جایگزین SF₆ برای کاربردهای کلیدزنی راه‌اندازی کرده است. یک پرسش‌نامه انجام شد تا تمام ادبیات موجود در این زمینه جمع‌آوری شود. نتایج در یک جلسه مشترک در دوره CIGRE در سال ۲۰۱۶ ارائه و بحث شد. این مقاله یافته‌های اصلی آن پرسش‌نامه را ارائه می‌دهد. از آنجا که تکنولوژی کلیدزنی خلاء یک فعالیت جداگانه و مداوم است، در این مرور مورد بررسی قرار نخواهد گرفت.
۲. گازهای جایگزین
پس از تصویب پروتکل کیوتو در سال ۱۹۹۷، تحقیقات درباره گازهای جایگزین تقویت شد و در دهه گذشته افزایش یافته است. نیازهای کلیدی برای گازهای جایگزین شامل: پتانسیل گرم‌سازی جهانی کم (GWP)، پتانسیل از بین بردن اوزون صفر (ODP)، سمیت کم، عدم قابلیت اشتعال، قدرت عایق برقی بالا، توانایی خاموش‌کنندگی قوس و تبدیل حرارتی بالا، ثبات شیمیایی، سازگاری مواد و در دسترس بودن بازار.
در میان گازهای طبیعی مختلف مورد بررسی، CO₂ به عنوان گاز خاموش‌کننده قوس الکتریکی احتمالی‌ترین است که عملکرد آن ممکن است با افزودنی‌هایی مانند O₂ یا CF₄ بهبود یابد. با این حال، مطالعات نشان داده‌اند که هر دو عملکرد قطع و عایق برقی CO₂ کمتر از SF₆ است. کاندیداهای دیگری نیز در میان گازهای فلوئوردار، مانند CF₃I، هیدروفلوروالفن‌ها (HFO-1234ze و HFO-1234yf)، پرفلوورکتون‌ها (مانند C₅F₁₀O)، پرفلوورنیتریل‌ها (C₄F₇N)، اترهای فلوئوردار (HFE-245cb2)، اپوکسیدهای فلوئوردار و هیدروکلوروفلوروالفن‌ها (HCFO-1233zd) شناسایی شده‌اند.
با در نظر گرفتن تمام نیازها، کاندیداهای فعلی برجسته C₅ perfluoroketone (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ یا C₅-PFK) و iso-C₄ perfluoronitrile ((CF₃)₂CF-CN یا C₄-PFN) هستند. برای گازهای خالص، عملکرد عایق برقی متناسب با نقطه جوش است—یعنی گازهایی با قدرت عایق برقی بالا معمولاً نقاط جوش بالایی دارند. در ۰.۱ MPa، نقاط جوش C₅-PFK و C₄-PFN به ترتیب ۲۶.۵°C و –۴.۷°C هستند. بنابراین، برای کاربردهای تجهیزات کلیدزنی که نیاز به نقاط جوش کم برای عملکرد در دمای پایین دارند، باید گازهای حافظه اضافه شوند. به دلیل توانایی خاموش‌کنندگی قوس خوب CO₂، این گاز به عنوان گاز حافظه در کاربردهای ولتاژ بالا انتخاب شده است. در کاربردهای ولتاژ متوسط، هوا نیز به عنوان گاز حافظه در ترکیب با C₅-PFK برای عایق برقی گزارش شده است.
۳. خصوصیات گازهای خالص و ترکیبات گازی
جدول ۱ خصوصیات گازهای جایگزین منتخب را نسبت به SF₆ ارائه می‌دهد. GWPs این گازها اختلاف زیادی دارند: C₄-PFN GWP بسیار بالاتری نسبت به CO₂ یا C₅-PFK دارد که هر دو GWP حدود ۱ دارند. تمام گازهای مورد نظر غیرقابل اشتعال هستند، ODP صفر دارند و به عنوان سمی نیستند طبق داده‌های فنی و ایمنی فراهم شده توسط تولیدکنندگان شیمیایی گزارش شده‌اند. قدرت عایق برقی C₄-PFN و C₅-PFK خالص تقریباً دو برابر SF₆ است. ولتاژ تحمل عایق برقی CO₂ قابل مقایسه با هوا است—یعنی به طور قابل توجهی کمتر از SF₆.
جدول ۱: مقایسه خصوصیات گازهای خالص با 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 |
جدول 2 نشان‌دهنده ویژگی‌های گازها و مخلوط‌های گازی در زمان استفاده در تجهیزات قطع کننده است. غلظت C₄-PFN و C₅-PFK در مخلوط‌های با گازهای بوفر در ستون دوم داده شده است، معمولاً کمتر از ۱۳٪ (غلظت مولی). باید توجه داشت که برای استفاده از C₅-PFK در CO₂، همچنین گزارش‌هایی از افزودنی‌های اکسیژن وجود دارد، زیرا حضور اکسیژن می‌تواند تشکیل محصولات فرعی ضار (مانند CO) و محصولات جامد (مانند سوخته) را کاهش دهد.
جدول 2: ویژگی‌ها/عملکرد گازهای خالص و مخلوط‌های گازی در کاربردهای تجهیزات قطع کننده ولتاژ متوسط و بالا
| 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 |
به دلیل کاهش ولتاژ تحمل الکتریکی مخلوط‌ها نسبت به SF₆ در فشار یکسان (ستون ۶)، فشار کاری حداقل برای C₅-PFK و C₄-PFN با CO₂ به عنوان گاز بوفر در کاربردهای فشار بالا باید به حدود ۰.۷–۰.۸ مگاپاسکال افزایش یابد. برای کاربردهای فشار متوسط با استفاده از مخلوط‌های هوا/C₅-PFK، می‌توان فشار ۰.۱۳ مگاپاسکال را حفظ کرد که ولتاژ تحمل الکتریکی نزدیک به SF₆ به دست می‌آید.
ولتاژ تحمل الکتریکی بالا که با نسبت‌های پایین ترکیب C₄-PFN یا C₅-PFK به دست می‌آید می‌تواند به دلیل اثر سینرژیک توضیح داده شود—یعنی قدرت عایقی به طور غیرخطی با غلظت افزودنی افزایش می‌یابد، این پدیده قبلاً در مخلوط‌های SF₆/N₂ مشاهده شده است. GWP مخلوط‌های C₅-PFK ناچیز است، اما این با قیمت حداقل دمای کاری بالاتر به دست می‌آید. کاربردهای دمای پایین (مثلاً –۲۵ درجه سانتیگراد) می‌توانند با استفاده از CO₂ خالص یا مخلوط‌های CO₂ + C₄-PFN حل شوند، اگرچه با تجربه‌های متفاوت: کاهش قابل توجه ولتاژ تحمل الکتریکی در صورت استفاده از CO₂ خالص، یا GWP قابل توجه بالاتر در صورت استفاده از مخلوط‌های C₄-PFN.
۴. عملکرد جابجایی گازهای جایگزین
جدول ۳ اطلاعات اولیه درباره عملکرد جابجایی CO₂ خالص و مخلوط‌های مبتنی بر CO₂ را با عملکرد SF₆ برای مقایسه جمع‌آوری کرده است. با افزایش فشار کاری نسبت به SF₆، قدرت عایقی سرد—که به عنوان مثال به عنوان معیاری برای عملکرد جابجایی ظرفیتی استفاده می‌شود—می‌تواند به سطح SF₆ برسد.
جدول ۳: مقایسه عملکرد جابجایی گازها و مخلوط‌های گازی در فشارهای کاری بالاتر نسبت به SF₆ در کاربردهای فشار بالا
| گاز | فشار کاری [MPa] | مقاومت الکتریکی / pu | عملکرد SLF نسبت به 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 | نزدیک به SF₆ | 0.8…0.87 | نزدیک به SF₆ |
| CO₂/C4-PFN | 0.67…0.82 | نزدیک به SF₆ | 0.83…(1) | نزدیک به SF₆ |
در ادبیات مورد بررسی، فقط بیانیه‌های کیفی درباره عملکرد جابجایی C₄-PFN و C₅-PFK وجود دارد. برای CO₂، مقایسه‌های عددی قابل دسترس هستند. به طور کلی، با CO₂ خالص و فشار پرکننده حدود ۱ MPa، عملکرد عایق و قطع خطای کوتاه (SLF) حدود دو سوم SF₆ مورد انتظار است.
با افزودن O₂ به CO₂ (با نسبت‌های ترکیبی تا ۳۰٪)، بهتر شدن عملکرد قطع SLF و افزایش کمی قدرت الکتریکی می‌تواند پیش‌بینی شود. افزودن C₄-PFN یا C₅-PFK به CO₂ امکان دادن عملکرد الکتریکی نزدیک به SF₆ را فراهم می‌کند. گزارش‌ها نشان می‌دهند که عملکرد جابجایی SLF ترکیبات CO₂/O₂/C₅-PFK حدود ۲۰٪ کمتر از SF₆ است. در مقابل، مداربرهای ویژه‌ای که برای ترکیبات CO₂/C₄-PFN سازگار شده‌اند، عملکرد SLF مشابه SF₆ را به دست آورده‌اند.
با این حال، مطالعاتی نیز وجود دارد که CO₂ خالص را با ترکیبات CO₂/C₄-PFN و CO₂/C₅-PFK تحت شرایط هندسی و فشاری یکسان مقایسه می‌کنند و نشان می‌دهند که عملکرد قطع ناحیه نزدیک (حرارتی) برای CO₂ با یا بدون افزودنی‌ها مشابه است. با اصلاحات طراحی کوچک یا کاهش محدود، ترکیبات جدید موفق به عبور از آزمون‌های L90 (SLF) و T100 (خطای ۱۰۰٪ پایانی) IEC شده‌اند، که نشان می‌دهد عملکرد جابجایی آنها به طور قابل توجهی از SF₆ کمتر نیست. این موضوع نیز برای عملکرد قطع مداربر اثبات شده است.
بهتر شدن عملکرد جابجایی از طریق بهینه‌سازی‌های طراحی ویژه در آینده انتظار می‌رود. یک مسئله مهم، سمی بودن گازها پس از قوس الکتریکی است. C₅-PFK و C₄-PFN مولکول‌های پیچیده‌ای هستند که بالای حدود ۶۵۰ °C در مورد C₄-PFN شروع به تجزیه می‌کنند. در حین تجزیه، این مولکول‌ها به ساختارهای اصلی خود بازنمی‌گردند بلکه تکه‌های کوچک‌تر تشکیل می‌دهند. نرخ تجزیه ۰٫۵ مول/مگاژول برای ترکیبات CO₂/O₂/C₅-PFK در زمان قطع جریان بالا گزارش شده است. برای جریان‌های جزئی، نرخ تجزیه بیش از یک مرتبه کمتر از مقدار فوق مشاهده شده است.
رفتار تجزیه این گازهای جدید به طور مستقیم با SF₆ قابل مقایسه نیست، که عمدتاً به دلیل واکنش‌های شیمیایی با مواد مخرب شده از تماس و نوک تجزیه می‌شود. برای گازهای جدید، تجزیه در طول عمر تجهیزات یک مسئله بحرانی در نظر گرفته نمی‌شود، اما غلظت گاز در داخل تجهیزات باید مراقبت یا بررسی دوره‌ای شود. محصولات تجزیه سمی‌تر در کاربردهای فشار بالا (یعنی ترکیبات با CO₂) CO و HF هستند. محصولات جانبی قوس الکتریکی این ترکیبات سمی‌بودن مشابه یا کمتر از SF₆ تجزیه شده دارند. بنابراین، روش‌های مدیریت مشابه با SF₆ معرض قوس الکتریکی توصیه می‌شود.
با این حال، باید توجه داشت که بیانیه‌های فوق بر اساس دانش محدود درباره سمی بودن این گازهای جدید است. نیاز به تجربه بیشتر درباره سمی بودن پس از قوس الکتریکی گزینه‌های جایگزین SF₆ وجود دارد. دیگر نگرانی‌های گزارش شده شامل سازگاری مواد (مثلاً تأثیرات بر لایه‌های ضبط و چربی‌ها)، تمامیت حفاظت گاز و روش‌های مدیریت گاز است. بنابراین، نباید انتظار داشت که تجهیزات ولتاژ بالای موجود بدون اصلاحات طراحی یا مادی مناسب بتوانند با این گازهای جدید به صورت ایمن عمل کنند.
آزمون‌های قوس داخلی با تمام ترکیبات انجام شده و مشکلات جدی گزارش نشده است. هدایت حرارتی ترکیبات کمی کمتر از SF₆ است که ممکن است نیاز به کاهش محدود یا تعدیل طراحی برای ظرفیت حمل جریان داشته باشد. مداربرهای CO₂ با دیواره زنده تجربیات میدانی کسب کرده‌اند و از چند سال پیش شروع به نصب شده‌اند و مداربرهای پر از CO₂ اکنون در دسترس تجاری هستند.
نصب‌های آزمایشی ولتاژ بالا و متوسط با ترکیبات C₅-PFK از سال ۲۰۱۵ در سوئیس و آلمان با موفقیت در حال عملیات هستند. پروژه‌های آزمایشی با ترکیبات CO₂/C₄-PFN در چند کشور اروپایی برنامه‌ریزی شده یا در حال انجام است، از جمله GIS داخلی ۱۴۵ kV در سوئیس، ترانسفورماتور جریان خارجی ۲۴۵ kV در آلمان و سیستم‌های GIL خارجی ۴۲۰ kV در بریتانیا و اسکاتلند.
۵. نتیجه‌گیری و دیدگاه
اطلاعات منتشر شده درباره گازهای جایگزین SF₆ برای کاربردهای جابجایی بررسی شده است. در مرحله فعلی، این تحقیقات هنوز در مراحل اولیه و بسیار کمتر از دهه‌ها تحقیق روی SF₆ است. داده‌های موجود از سازندگان نشان می‌دهند که گازهای جدید مانند C₅-PFK و C₄-PFN گزینه‌های قابل قبولی هستند که با ترکیب با CO₂ به عنوان گاز بافر، می‌توانند عملکرد SF₆ را بخشی تقلید کنند، اگرچه ممکن است تمام توانایی‌های SF₆ را تکرار نکنند.
تفاوت‌های کلیدی در عملکرد عایق و قطع، همچنین نقطه جوش که تعیین‌کننده دمای کمینه عملیاتی تجهیزات است، وجود دارد. دمای کمینه عملیاتی کم (مثلاً –۵۰ °C) با CO₂ خالص قابل دستیابی است. با این حال، CO₂ به طور کلی عملکرد قطع کمتری دارد، به ویژه از نظر تحمل پیک ولتاژ بازیابی و توان قطع، در مقایسه با ترکیبات حاوی C₄-PFN یا C₅-PFK.
مزیت ترکیبات CO₂/C₅-PFK نسبت به ترکیبات CO₂/C₄-PFN عدم چشمگیر بودن GWP (~۱ در مقابل ۴۲۷/۶۰۰ برای C₄-PFN) است. به طور متقابل، ترکیبات CO₂/C₄-PFN دمای کمینه عملیاتی کمتر (تقریباً –۲۵ °C) نسبت به ترکیبات CO₂/C₅-PFK (تقریباً –۵ °C) دارند.
۶. ۴۰.۵kV ۷۲.۵kV ۱۴۵kV ۱۷۰kV ۲۴۵kV مداربر خلاء دیواره مرده
توضیح:
مداربرهای خلاء دیواره مرده ۴۰.۵kV، ۷۲.۵kV، ۱۴۵kV، ۱۷۰kV و ۲۴۵kV دستگاه‌های محافظ اساسی برای سیستم‌های توان ولتاژ بالا هستند. با استفاده از خلاء به عنوان مedium خاموش‌کننده قوس و عایق، آنها توانایی‌های استثنایی خاموش‌کننده قوس را دارا هستند، به سرعت جریان‌های خطا را قطع می‌کنند و از دوباره‌سوختن قوس موثر جلوگیری می‌کنند تا عملکرد پایدار سیستم توان را تضمین کنند. طراحی دیواره مرده یک پایه فشرده و پایداری مکانیکی ارائه می‌دهد، که نصب و نگهداری را تسهیل می‌کند. با داشتن مکانیسم‌های عملیاتی فنری بسیار قابل اعتماد، این مداربرها عمر مکانیکی بیش از ۱۰,۰۰۰ عملیات دارند و پاسخ‌های سریع و دقیق ارائه می‌دهند. با تطبیق‌پذیری محیطی برجسته، آنها می‌توانند تحت شرایط خارجی سخت عملکرد پایدار داشته باشند. این مداربرها به طور گسترده در زیرстанسیون‌ها، خطوط انتقال و سایر سناریوها استفاده می‌شوند و کنترل جابجایی توان و حفاظت قابل اعتماد در سطوح مختلف ولتاژ ارائه می‌دهند.
مقدمه ای بر عملکرد اصلی:
خاموش کردن قوس الکتریکی موثر: استفاده از خلأ برای خاموش کردن سریع و قابل اعتماد قوس الکتریکی، جلوگیری از روشن شدن مجدد.
محدوده ولتاژ گسترده: در دسترس با نمرات 40.5kV، 72.5kV، 145kV، 170kV و 245kV برای کاربردهای شبکه متنوع.
طراحی پایدار دیت تانک: ساختار فشرده که پایداری مکانیکی را تضمین کرده و نصب/نگهداری را ساده می‌سازد.
عملکرد قابل اعتماد: مکانیزم عملکرد مبتنی بر فنر با بیش از 10,000 دور تحمل مکانیکی.
تقویت بسته‌بندی: طراحی فلنچ دوبله‌ای که محافظت ضدآب و بدون نشتی گازی را ارائه می‌دهد، مناسب برای استفاده در محیط خارجی.
