آخرین روندهای توسعه در قطعکنندههای ولتاژ بالا مبتنی بر گاز جایگزین SF₆
۱. مقدمه
SF₆ به طور گسترده در سیستم‌های انتقال و توزیع برق استفاده می‌شود، مانند دستگاه‌های کنترل با عایق گازی (GIS)، قطعکننده‌ها (CB) و کلیدهای بار ولتاژ متوسط (MV). این گاز خصوصیات منحصر به فرد عایق بندی الکتریکی و خاموش کردن قوس را دارد. با این حال، SF₆ نیز یک گاز گلخانه‌ای قوی است با پتانسیل گرم شدن جهانی حدود ۲۳۵۰۰ در یک دوره ۱۰۰ ساله، بنابراین استفاده از آن تحت نظارت و موضوع بحث‌های مداوم درباره محدودیت‌ها است. در نتیجه، تحقیقات در مورد گازهای جایگزین برای کاربردهای برق برای حدود دو دهه انجام شده است.
"Club Zéro" (CZC) در همکاری با CIGRE اخیراً یک ابتکار برای ارزیابی وضعیت هنر گازهای جایگزین SF₆ برای کاربردهای قطعکننده راه‌اندازی کرده است. یک پرسش‌نامه برای جمع‌آوری تمام اسناد موجود اخیر در این زمینه انجام شد. نتایج در یک جلسه مشترک در طول جلسه CIGRE در سال ۲۰۱۶ ارائه و بحث شد. این مقاله یافته‌های اصلی آن پرسش‌نامه را ارائه می‌دهد. از آنجا که تکنولوژی قطعکننده خلاء یک فعالیت جداگانه و در حال انجام است، در این مرور مورد بررسی قرار نخواهد گرفت.
۲. گازهای جایگزین
پس از تصویب پروتکل کیوتو در سال ۱۹۹۷، تحقیقات در مورد گازهای جایگزین شدت یافت و در دهه گذشته افزایش یافته است. الزامات اصلی برای گازهای جایگزین شامل: پتانسیل گرم شدن جهانی (GWP) کم، پتانسیل از بین بردن ازن صفر (ODP)، سمیت کم، عدم اشتعال، قدرت عایق بندی بالا، توانایی خاموش کردن قوس و تشعشع گرما، ثبات شیمیایی، سازگاری با مواد و در دسترس بودن در بازار شناسایی شده است.
در میان گازهای مختلف طبیعی که مورد بررسی قرار گرفته‌اند، CO₂ به عنوان گاز خاموش کننده قوس پربارترین گاز ثابت شده است که عملکرد آن با افزودنی‌هایی مانند O₂ یا CF₄ می‌تواند بهبود یابد. با این حال، مطالعات نشان داده است که هر دو عملکرد قطع و عایق بندی CO₂ کمتر از SF₆ است. نامزدهای دیگری نیز در میان گازهای فلوئوردار، مانند CF₃I، هیدروفلوروالفن‌ها (HFO-1234ze و HFO-1234yf)، پرفلورکتون‌ها (مثلاً C₅F₁₀O)، پرفلونیتریل‌ها (C₄F₇N)، اترهای فلوئوردار (HFE-245cb2)، اپوکسیدهای فلوئوردار و هیدروکلروفلوروالفن‌ها (HCFO-1233zd) شناسایی شده‌اند.
با در نظر گرفتن تمام الزامات، نامزدهای فعلی پربارترین 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 بندی متناسب با نقطه جوش—یعنی گازهایی با قدرت عایق بندی بالا معمولاً نیز نقطه جوش بالا دارند. در ۰.۱ MPa، نقاط جوش C₅-PFK و C₄-PFN به ترتیب ۲۶.۵ درجه سانتیگراد و –۴.۷ درجه سانتیگراد است. بنابراین، برای کاربردهای تجهیزات قطعکننده که نیاز به نقاط جوش کم برای برآورده کردن نیازهای عملیاتی در دمای پایین دارند، باید گازهای بوفر اضافه شوند. به دلیل توانایی خاموش کردن قوس خوب، CO₂ به عنوان گاز بوفر در کاربردهای ولتاژ بالا انتخاب شده است. در کاربردهای ولتاژ متوسط، هوا نیز به عنوان گاز بوفر در ترکیب با C₅-PFK برای مقاصد عایق بندی گزارش شده است.
۳. ویژگی‌های گازهای خالص و ترکیبات گازی
جدول ۱ ویژگی‌های گازهای جایگزین منتخب را نسبت به SF₆ ارائه می‌دهد. GWPs این گازها به طور قابل توجه متفاوت است: C₄-PFN GWP بسیار بالاتری نسبت به CO₂ یا C₅-PFK دارد که هر دو GWP حدود ۱ دارند. تمام گازهای نامزدی که مورد علاقه هستند، غیرقابل اشتعال هستند، ODP صفر دارند و به عنوان سمیت‌دار نمی‌باشند طبق نمایه‌های فنی و ایمنی فراهم شده توسط تولیدکنندگان شیمیایی. قدرت عایق بندی C₄-PFN و C₅-PFK خالص تقریباً دو برابر SF₆ است. ولتاژ تحمل عایق بندی CO₂ قابل مقایسه با هوا است—یعنی به طور قابل توجه کمتر از SF₆.
جدول ۱: مقایسه ویژگی‌های 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 ۲ خصوصیات گازها و مخلوط‌های گازی را در زمان استفاده در تجهیزات کلیدزنی نشان می‌دهد. غلظت C₄-PFN و C₅-PFK در مخلوط‌های حاوی گازهای بافر در ستون دوم آورده شده است، معمولاً کمتر از ۱۳٪ (غلظت مولی). باید توجه داشت که برای استفاده از C₅-PFK در CO₂، افزودنی‌های اکسیژن نیز گزارش شده‌اند، زیرا وجود اکسیژن می‌تواند تشکیل محصولات فرعی ضار (مانند CO) و محصولات فرعی جامد (مانند سوخت) را کاهش دهد.
جدول ۲: خصوصیات/عملکرد گازهای خالص و مخلوط‌های گازی در کاربردهای تجهیزات کلیدزنی 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 عملیاتی حداقل برای C₅-PFK و C₄-PFN با CO₂ به عنوان گاز بافر 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 مخلوط پایین C₄-PFN یا C₅-PFK به دست می‌آید می‌تواند با یک اثر همکارانه توضیح داده شود—یعنی قدرت عایقی به طور غیرخطی با غلظت افزودنی افزایش می‌یابد، پدیده‌ای که قبلاً در مخلوط‌های SF₆/N₂ مشاهده شده است. GWP مخلوط‌های C₅-PFK ناچیز است، اما این با قیمت حداقل دما عملیاتی بالاتر به دست می‌آید. کاربردهای دمای پایین (مثلاً –۲۵ درجه سانتیگراد) می‌توانند با استفاده از CO₂ خالص یا مخلوط‌های CO₂ + C₄-PFN مورد بررسی قرار گیرند، با این حال با توجه به تضادهایی: 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 اولیه‌ای درباره عملکرد جابجایی CO₂ خالص و مخلوط‌های مبتنی بر CO₂ را گردآوری می‌کند، با عملکرد SF₆ برای مقایسه ارائه شده است. با افزایش فشار عملیاتی نسبت به SF₆، قدرت عایقی سرد—که مثلاً به عنوان معیاری برای عملکرد جابجایی ظرفیتی استفاده می‌شود—می‌تواند به سطح SF₆ رسید.
جدول ۳: مقایسه عملکرد جابجایی گازها و مخلوط‌های گازی در فشارهای عملیاتی بالاتر نسبت به SF₆ در کاربردهای فشار بالا
| گاز | فشار عملیاتی [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 مطالعات بررسی شده، فقط بیانیه‌های کیفی درباره عملکرد جابجایی C₄-PFN و C₅-PFK مخلوط‌ها یافت شد. برای CO₂، برخی مقایسه‌های کمی موجود است. به طور کلی، با CO₂ خالص با فشار پر شدن افزایش یافته حدود 1 MPa، عملکرد عایق و قطع خطای کوتاه (SLF) حدود دو سوم SF₆ مورد انتظار است.
با افزودن O₂ به CO₂ (با نسبت‌های ترکیبی تا 30٪)، بهبود در عملکرد قطع SLF و افزایش اندک قدرت الکتریکی می‌تواند مورد انتظار باشد. افزودن C₄-PFN یا C₅-PFK به CO₂ امکان دستیابی به عملکرد الکتریکی مشابه SF₆ را فراهم می‌کند. گزارش‌ها نشان می‌دهند که عملکرد جابجایی SLF مخلوط‌های CO₂/O₂/C₅-PFK حدود 20٪ کمتر از SF₆ است. در مقابل، مداربرهایی که به طور خاص برای مخلوط‌های CO₂/C₄-PFN سازگار شده‌اند، عملکرد SLF مشابه SF₆ را به دست آورده‌اند.
با این حال، مطالعاتی وجود دارد که CO₂ خالص را با مخلوط‌های CO₂/C₄-PFN و CO₂/C₅-PFK تحت هندسه و شرایط فشار یکسان مقایسه می‌کنند که نشان می‌دهند عملکرد قطع ناحیه نزدیک (حرارتی) برای CO₂ با یا بدون افزودنی‌ها مشابه است. با تغییرات طراحی اندک یا کاهش محدود، مخلوط‌های جدید موفق به عبور از آزمون‌های IEC L90 (SLF) و T100 (خطای 100٪ انتهایی) شده‌اند که نشان می‌دهد عملکرد جابجایی آنها به طور قابل توجهی از SF₆ کمتر نیست. این موضوع نیز برای عملکرد قطع مداربرهای نشان داده شده است.
بهبودهای بیشتر در عملکرد جابجایی از طریق بهینه‌سازی‌های طراحی اختصاصی در آینده انتظار می‌رود. یک مسئله مهم سمیت گازها پس از القای قوس است. C₅-PFK و C₄-PFN مولکول‌های پیچیده‌ای هستند که بالای حدود 650 °C در مورد C₄-PFN شروع به تجزیه می‌کنند. در زمان تجزیه، این مولکول‌ها به ساختارهای اصلی خود بازنمی‌گردند بلکه بخش‌های کوچک‌تری را تشکیل می‌دهند. نرخ تجزیه 0.5 mol/MJ برای مخلوط‌های CO₂/O₂/C₅-PFK تحت قطع جریان بالا گزارش شده است. برای رهاش‌های جزئی، نرخ تجزیه بیش از یک مرتبه کمتر از مقدار فوق مشاهده شده است.
رفتار تجزیه این گازهای جدید مستقیماً قابل مقایسه با SF₆ نیست که عمدتاً به دلیل واکنش‌های شیمیایی با مواد مخرب شده تماس و دهانه‌ها تجزیه می‌شود. برای گازهای جدید، تجزیه در طول عمر تجهیزات مسئله بحرانی در نظر گرفته نمی‌شود، اما غلظت گاز در داخل تجهیزات باید مورد نظارت یا بررسی دوره‌ای قرار گیرد. محصولات تجزیه سمی‌تر در کاربردهای فشار بالا (یعنی مخلوط‌های حاوی CO₂) CO و HF هستند. محصولات القای قوس این مخلوط‌ها سمیت مشابه یا کمتر از SF₆ القای قوس دارند. بنابراین، روش‌های مدیریت مشابه آنچه برای SF₆ القای قوس استفاده می‌شود توصیه می‌شود.
با این حال، باید توجه داشت که بیانیه‌های فوق بر اساس دانش محدودی از سمیت این گازهای جدید است. نیاز به تجربه بیشتری درباره سمیت پس از القای قوس گزینه‌های جایگزین SF₆ وجود دارد. نگرانی‌های دیگری که گزارش شده‌اند شامل سازگاری مواد (مثلاً تأثیر بر دیواره‌ها و چربی‌ها)، تمامیت سازگاری گاز و روش‌های مدیریت گاز است. بنابراین، نباید انتظار داشت که تجهیزات ولتاژ بالای موجود بتوانند بدون تغییرات مناسب طراحی یا مصالح با این گازهای جدید به طور ایمن عمل کنند.
آزمون‌های قوس داخلی با تمام مخلوط‌ها انجام شده و مشکلات جدی گزارش نشده است. هدایت حرارتی مخلوط‌ها کمی کمتر از SF₆ است که ممکن است نیاز به کاهش محدود یا تعدیلات طراحی برای ظرفیت حمل جریان باشد. مداربرهای CO₂ دارای تجربه میدانی هستند و استفاده از آنها چند سال پیش آغاز شده است و مداربرهای پر شده با CO₂ اکنون در دسترس تجاری هستند.
نصب‌های آزمایشی ولتاژ بالا و متوسط با استفاده از مخلوط‌های C₅-PFK از سال 2015 به موفقیت در سوئیس و آلمان عمل می‌کنند. پروژه‌های آزمایشی با استفاده از مخلوط‌های CO₂/C₄-PFN در چند کشور اروپایی برنامه‌ریزی شده یا در حال انجام است، از جمله GIS داخلی 145 kV در سوئیس، ترانسفورماتور جریان خارجی 245 kV در آلمان و سیستم‌های GIL خارجی 420 kV در انگلستان و اسکاتلند.
5. نتایج و پیش‌بینی
اطلاعات منتشر شده درباره گازهای جایگزین SF₆ برای کاربردهای جابجایی بررسی شده است. در مرحله فعلی، این تحقیقات هنوز در مراحل اولیه خود هستند 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 تکرار کنند، اگرچه ممکن است تمام توانایی‌های SF₆ را به طور کامل تکرار نکنند.
تفاوت‌های کلیدی در عملکرد عایق و قطع، همچنین نقطه جوش که تعیین‌کننده دمای کاری حداقل تجهیزات است، قرار دارد. دمای کاری حداقل کم (مثلاً –50 °C) با CO₂ خالص قابل دستیابی است. با این حال، CO₂ به طور کلی عملکرد قطع کمتری دارد، به ویژه در مورد تحمل قله ولتاژ بازیابی و توان قطع، در مقایسه با مخلوط‌های حاوی C₄-PFN یا C₅-PFK.
مزیت مخلوط‌های CO₂/C₅-PFK بر مخلوط‌های CO₂/C₄-PFN داشتن GWP ناچیز (~1 در مقابل 427/600 برای C₄-PFN) است. به عکس، مخلوط‌های CO₂/C₄-PFN دمای کاری حداقل کمتر (تقریباً –25 °C) نسبت به مخلوط‌های CO₂/C₅-PFK (تقریباً –5 °C) ارائه می‌دهند.
6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV Dead tank Vacuum Circuit-Breaker
توضیحات:
مداربرهای ویکوم Dead tank با ولتاژ 40.5kV، 72.5kV، 145kV، 170kV و 245kV دستگاه‌های محافظ ضروری برای سیستم‌های برق ولتاژ بالا هستند. با استفاده از خلاء به عنوان مedium قطع قوس و عایق، آنها توانایی قطع قوس بسیار بالایی دارند، به سرعت جریان‌های خطا را قطع می‌کنند و به طور مؤثر از دوباره‌سوزی قوس جلوگیری می‌کنند تا عملکرد پایدار سیستم برق را تضمین کنند. طراحی Dead tank ارائه می‌دهد یک سطح قدمگاه فشرده و پایداری مکانیکی قوی، که نصب و نگهداری را تسهیل می‌کند. با مکانیسم‌های عملکرد فنری بسیار قابل اعتماد مجهز شده‌اند، این مداربرها عمر مکانیکی بیش از 10000 عملیات دارند و پاسخ‌های سریع و دقیق ارائه می‌دهند. با تطبیق‌پذیری محیطی برجسته، آنها می‌توانند تحت شرایط خارجی سخت عمل کنند. به طور گسترده در زیرстанسیون‌ها، خطوط انتقال و سناریوهای دیگر استفاده می‌شوند و کنترل جابجایی برق کارآمد و محافظت مطمئن را در سطوح مختلف ولتاژ ارائه می‌دهند.
معرفی اصلی ویژگی‌ها:
نابودسازی کمان با کارایی بالا: استفاده از خلأ برای نابودسازی سریع و قابل اعتماد کمان، جلوگیری از دوباره روشن شدن.
محدوده ولتاژ گسترده: در دسترس با نمرات ۴۰.۵کیلوولت، ۷۲.۵کیلوولت، ۱۴۵کیلوولت، ۱۷۰کیلوولت و ۲۴۵کیلوولت برای کاربردهای متنوع شبکه.
طراحی رزرووار قوی: ساختار فشرده تضمین پایداری مکانیکی و ساده‌سازی نصب/نگهداری.
عملکرد قابل اعتماد: مکانیزم عملیاتی مبتنی بر فنر با بیش از ۱۰۰۰۰ دور تحمل مکانیکی.
پختگی بهبود یافته: طراحی فلنچ دوگانه با پوشش آب‌بندی و گاز‌بندی، مناسب برای استفاده در محیط باز.
