Uusimmat kehityssuunnat SF₆-vaihtoehtogasilla toimivissa korkean jännitteen sulkuilla
1. Johdanto
SF₆ on laajasti käytössä sähköverkkojen ja -jakelujärjestelmien sovelluksissa, kuten kaasupudotetuissa kytkentälaitteissa (GIS), katkoslaiteissa (CB) ja keskispannus (MV) kuormituksen kytkentälaitteissa. Se omaa ainutlaatuisia sähköeristys- ja kaasunpäästyskykyjä. SF₆ on kuitenkin myös tehokas kasvihuonekaasu, jolla on noin 23 500:n globaalin lämpenemisen potentiaali 100 vuoden aikana, ja siksi sen käyttö on säännellyt ja aiheellinen keskustelu rajoituksesta. Tämän seurauksena vaihtoehtoisia kaasuja sähkösovelluksiin on tutkittu noin kaksi vuosikymmentä.
"Club Zéro" (CZC) yhteistyössä CIGRE:n kanssa aloitti hiljattain hankkeen, jonka tarkoituksena on arvioida nykytilaa SF₆:n vaihtoehtoisilla kaasuilla kytkentäsovelluksissa. Tutkimusta varten kerättiin kaikki saatavilla oleva viimeaikainen kirjallisuus aiheesta. Tulokset esitettiin ja keskusteltiin niistä CIGRE:n kokouksessa vuonna 2016. Tässä artikkelissa esitetään kyseisen tutkimuksen pääasialliset löydökset. Koska tyhjiön kytkentätekniikka muodostaa erillisen jatkuvan toiminnan, sitä ei käsitellä tässä katsauksessa.
2. Vaihtoehtoiset kaasut
Kioton pöytäkirjan hyväksymisen jälkeen vuonna 1997 vaihtoehtoisten kaasujen tutkimus on tiivistynyt ja lisääntynyt viimeisen vuosikymmenen aikana. Vaihtoehtoisten kaasujen keskeisinä vaatimuksina on määritelty: alhainen globaali lämpenemisen potentiaali (GWP), nollan ozonikerroksen tuhoamisen potentiaali (ODP), pieni myrkyllisyys, syttyminen, korkea dielektrinen voima, korkea kaasunpäästyskyky, kemiallinen vakaus, materiaalien yhteensopivuus ja markkinoiden saatavuus.
Tutkituista luonnosta peräisin olevista kaasuista CO₂ on osoittautunut lupaavimmaksi kaasunpäästyskaasuksi, jonka suorituskykyä voidaan parantaa lisäaineilla, kuten O₂ tai CF₄. Kuitenkin tutkimukset ovat osoittaneet, että sekä CO₂:n katko- että eristyskyky ovat heikompia kuin SF₆:n. Muut kiinnostavia ehdokkaat on löydetty fluoratuista kaasuista, kuten CF₃I, hydrofluoroolefineista (HFO-1234ze ja HFO-1234yf), fullerooneista (esimerkiksi C₅F₁₀O), fulleronitryyleistä (C₄F₇N), fluoratuista eettereistä (HFE-245cb2), fluoratuista epoksideista ja hydroklorofluoroolefineista (HCFO-1233zd).
Kaikkien vaatimusten valossa lupaavimpia nykyisiä ehdokkaita ovat C₅-perfluoroketon (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ tai C₅-PFK) ja iso-C₄-perfluoronitrili ((CF₃)₂CF-CN tai C₄-PFN). Puhtaiden kaasujen dielektrinen suorituskyky on verrannollinen keipumispisteeseen – eli korkealla dielektrisella voimalla varustettu kaasu on yleensä myös korkean keipumispisteen omaava. 0,1 MPa paineessa C₅-PFK:n ja C₄-PFN:n keipumispisteet ovat 26,5 °C ja –4,7 °C vastaavasti. Siksi kytkentälaitteiden sovelluksiin, jotka vaativat tarpeeksi matalia keipumispisteitä pieniä lämpötiloja varten, on lisättävä pehmentäviä kaasuja. CO₂:n ansiosta hyvä kaasunpäästyskyky on valittu pehmentäväksi kaasuksi korkeanpaineisiin sovelluksiin. Keskipaineisiin sovelluksiin ilmaa on raportoitu käytettävän yhdistettynä C₅-PFK:hen eristyskäyttöön.
3. Puhtaiden kaasujen ja kaasuseosten ominaisuudet
Taulukko 1 esittelee valittujen vaihtoehtoisten kaasujen ominaisuudet verrattuna SF₆:oon. Nämä kaasujen GWP-arvot vaihtelevat huomattavasti: C₄-PFN:n GWP on paljon korkeampi kuin CO₂:n tai C₅-PFK:n, joilla molemmilla on GWP:n arvo noin 1. Kaikki kiinnostavat ehdokaskaasut ovat syttyminenvapaita, niillä on nollan ODP ja ne raportoidaan myrkkyttömiksi kemianvalmistajien teknisissä ja turvallisuusdatahakemistoissa. Puhdas C₄-PFN ja C₅-PFK:n dielektrinen voima on lähes kaksinkertainen verrattuna SF₆:oon. CO₂:n dielektrinen sietokyky on vertailukelpoinen ilmaan – eli huomattavasti alhaisempi kuin SF₆:n.
Taulukko 1: Verrattuna puhtaan kaasun ominaisuuksia SF₆:aan
| 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 |
Taulukko 2 osoittaa kaasujen ja kaasuseoksiiden ominaisuudet, kun ne käytetään sulkusarakeissa. C₄-PFN:n ja C₅-PFK:n pitoisuudet tyynyttäviin kaasuun seoksiin on annettu toisessa sarakkeessa, yleensä alle 13 % (moolipitoisuus). On huomioitava, että C₅-PFK:n käytössä CO₂:ssa on myös raportoitu haperoituja lisäyksiä, sillä hapen läsnäolo voi vähentää haitallisten sivutuotteiden (kuten CO) ja kiinteiden sivutuotteiden (kuten savu) muodostumista.
Taulukko 2: Puhdaskaasujen ja kaasuseoksiiden ominaisuudet/teho keski- ja korkeajännitteisiin sulkusarakejärjestelmiin
| 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 |
Koska sekoitusten sähköeristävän kestävyyden on huonompi kuin SF₆:n samalla paineella (sarake 6), C₅-PFK:n ja C₄-PFN:n vähimmäispaineet korkean jännitteisen käytön tapauksessa CO₂:tä käytettäessä puskurikaasuna on nostettava noin 0,7–0,8 MPa. Keskitason jännitteisiin soveltuvissa tilanteissa, joissa käytetään ilma/C₅-PFK-sekotusta, voidaan ylläpitää 0,13 MPa:n painetta, saavutetaan sähköeristävä kestävyys, joka on lähellä SF₆:n kestävyyttä.
Sekoitusten suuri sähköeristävä kestävyys suhteellisen alhaisilla C₄-PFN:n tai C₅-PFK:n lisäyksillä voidaan selittää synergistisellä vaikutuksella – toisin sanoen, sähköeristävä kestävyys kasvaa epälineaarisesti lisäaineen pitoisuuden mukaan, mikä on havaittu aiemmin SF₆/N₂-sekotuksissa. C₅-PFK-sekotusten GWP-arvo on merkityksetön, mutta tämä tulee kalliina korkeammalla vähimmäistoimintalämpötilalla. Alhaisia lämpötiloja (esim. -25°C) varten voidaan käyttää joko puhtaa CO₂ tai CO₂ + C₄-PFN-sekotusta, mutta tämä tulee kompromissien kustannuksella: puhtaassa CO₂:ssa sähköeristävä kestävyys on huomattavasti heikompi, kun taas C₄-PFN-sekotusten käytössä GWP on huomattavasti suurempi.
4. Vaihtoehtoisten kaasujen kytkentäominaisuudet
Taulukko 3 koostaa alkuperäistä tietoa puhtaan CO₂:n ja CO₂-pohjaisiin sekotuksiin liittyvistä kytkentäominaisuuksista, SF₆-ominaisuuksia vertailua varten. Toimintapaineen lisäämisellä SF₆:n suhteen voidaan kylmän sähköeristävän kestävyyden – esimerkiksi kondensaattorien kytkentäominaisuuksissa käytetty metriikka – nostaa SF₆:n tasolle.
Taulukko 3: Kaasujen ja kaasusekotusten kytkentäominaisuuksien vertailu korkeammissa toimintapaineissa verrattuna SF₆:hen korkean jännitteisen käytön tapauksissa
| Kaasu | Toimintapaine [MPa] | Erityisvirta / pu | SLF-suorituskyky 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 | Lähellä SF₆:ta | 0.8…0.87 | Lähellä SF₆:ta |
| CO₂/C4-PFN | 0.67…0.82 | Lähellä SF₆:ta | 0.83…(1) | Lähellä SF₆:ta |
Tutkittavassa kirjallisuudessa löytyi vain laadullisia kertomuksia C₄-PFN- ja C₅-PFK-sekoitusten kytkentäsuorituskyvystä. Hiilidioksidille on saatavilla joitakin määrällisiä vertailuja. Yleisesti ottaen puhtaalla CO₂:n kanssa noin 1 MPa:n täyttötiedolla voidaan odottaa noin kaksi kolmasosaa SF₆:n eristys- ja lyhytjohto (SLF) keskeyttämiskyvystä.
O₂:n lisäämisen CO₂:hon (sekoitussuhteilla jopa 30%) avulla voidaan odottaa parannusta SLF-keskeyttämiskyvyn ja hieman suurempaa sähköeristevahvuutta. C₄-PFN:n tai C₅-PFK:n lisääminen CO₂:hon mahdollistaa sähköeristevahvuuden, joka lähestyy SF₆:n tasoa. Tutkimukset raportoivat, että CO₂/O₂/C₅-PFK-sekoituksen SLF-kytkentäsuorituskyky on noin 20 % pienempi kuin SF₆:n. Toisaalta, CO₂/C₄-PFN-sekoitukselle erityisesti optimoidut sulakeohjaimet ovat saavuttaneet SLF-suorituskyvyn, joka on verrattavissa SF₆:n kanssa.
On kuitenkin myös tutkimuksia, jotka vertailevat puhtaata CO₂:tä CO₂/C₄-PFN- ja CO₂/C₅-PFK-sekoituksiin saman geometrian ja paineen olosuhteissa, ja ne osoittavat samankaltaista lähialueen (lämpö) keskeyttämiskykyä CO₂:lle, olipa se additiiveja tai ei. Vain pienillä muodostusmuutoksilla tai vaatimusten lievästi alentamisella uudet sekoitukset ovat onnistuneet menestyksekkäästi IEC-testitehtävissä L90 (SLF) ja T100 (100 % päätepistevirhe), mikä osoittaa, että niiden kytkentäsuorituskyky ei ole merkittävästi heikompi kuin SF₆:n. Tämä on myös osoitettu sulakkeen keskeyttämisfunktion osalta.
Tulevaisuudessa odotetaan, että kytkentäsuorituskyky paranee vielä enemmän tarkoitushennoilla suunnittelutoimenpiteillä. Tärkeä kysymys on kaasujen myrkyllisyys kaaripitoisen jälkeen. C₅-PFK ja C₄-PFN ovat monimutkaisia molekyylejä, jotka alkavat hajoamaan noin 650 °C ylittäessä C₄-PFN:n käsittelyssä. Hajotessaan nämä molekyylit eivät muodosta uudelleen alkuperäisiä rakenteitaan, vaan muodostavat pienempiä fragmentteja. CO₂/O₂/C₅-PFK-sekoituksille on raportoitu hajoamisnopeudeksi 0.5 mol/MJ suurten virrannoiden keskeyttämisessä. Osa-kaarireitteissä hajoamisnopeus oli havaittu olevan yli kymmenkertainen suurempi kuin edellä mainittu arvo.
Näiden uusien kaasujen hajoamisperusteet eivät ole suoraan vertailukelpoisia SF₆:n kanssa, joka hajoaa pääasiassa kemiallisilla reaktioilla poisto- ja suuttimateriaaleihin. Uusille kaasuille laitteen käyttöajan aikana tapahtuva hajoaminen ei pidetä kriittisenä ongelmana, mutta kaasupitoisuuden tulisi olla valvottava tai säännöllisesti tarkastettava. Korkean paineen sovelluksissa (eli sekoituksissa CO₂:n kanssa) kaikkein myrkyllisimmät hajoamistuotteet ovat CO ja HF. Näiden sekoitusten kaarijätehdytteitä pidetään myrkyllisimpinä tai vähemmän myrkyllisinä kuin kaarijätehdytettyä SF₆:tä. Siksi näille uusille kaasuille suositellaan käsiteltävä samaa tavoin kuin kaarijätehdytettyä SF₆:tä.
On kuitenkin huomioitava, että edellä mainitut kertomukset perustuvat rajalliseen tiedoon näiden uusien kaasujen myrkyllisyydestä. Tarvitaan lisää kokemusta näiden SF₆:n vaihtoehtojen kaarijätehdytettyjen myrkyllisyydestä. Muut raportoidut huolenaiheet sisältävät materiaalien yhteensopivuuden (esimerkiksi vaikutukset tiiviisteisiin ja rasvaliike), kaasun tiivisteintyvyyden ja kaasun käsittelymenetelmät. Siksi vanhojen korkeajännite-laitteiden ei pitäisi toimia turvallisesti näillä uusilla kaasuilla ilman asianmukaisia suunnittelumuutoksia tai materiaaleja.
Kaikki sekoitukset on testattu sisäisillä kaaritestauksilla, ja vakavia ongelmia ei ole raportoitu. Sekoitusaineiden lämpöjohtavuus on hieman heikompi kuin SF₆:n, mikä voi vaatia kohtuullisen deratingin tai suunnittelumuutoksia virrankantokyvyn kannalta. CO₂-elossa olevat sulakkeet ovat jo saaneet kenttäkokemusta, ja niiden käyttö aloitettiin useita vuosia sitten, ja CO₂:llä täytetyt sulakkeet ovat nyt kaupallisesti saatavilla.
Korkean- ja keskitason pilotti-asennukset, jotka käyttävät C₅-PFK-sekoituksia, ovat toimineet onnistuneesti Sveitsissä ja Saksassa vuodesta 2015. Pilottiprojektit, jotka käyttävät CO₂/C₄-PFN-sekoituksia, on suunniteltu tai ne ovat käynnissä useissa Euroopan maissa, mukaan lukien 145 kV sisäinen GIS Sveitsissä, 245 kV ulkomainen virtasensori Saksonissa ja ulkomainen 420 kV GIL-järjestelmä Iso-Britanniassa ja Skotlannissa.
5. Johtopäätökset ja näkymät
On tarkasteltu julkaistua tietoa SF₆:n vaihtoehtokausiaineista kytkentäsovelluksissa. Tällä hetkellä tämä tutkimus on vielä varhaisessa vaiheessa ja paljon vähäisempi kuin vuosikymmeniä kestänyt SF₆-tutkimus. Saatavilla olevat valmistajatiedot osoittavat, että uudet kaasut, kuten C₅-PFK ja C₄-PFN, ovat viattomia vaihtoehtoja, jotka, kun ne sekoitetaan CO₂:n kanssa tyynnyrkkaasuna, voivat osittain vastata SF₆:n suorituskykyyn, vaikka ne eivät ehkä täysin duplikaalisikaan kaikkia SF₆:n ominaisuuksia.
Avaineroavaimiset erot liittyvät eristyksen ja keskeyttämisen suorituskykyyn sekä kiehumispisteeseen, joka määrittelee sulakkeen minimimitoimintalämmön. Matala minimimitoimintalämpö (esimerkiksi –50 °C) voidaan saavuttaa puhtaan CO₂:n avulla. Kuitenkin CO₂:n näyttää yleisesti olevan alhaisempi keskeyttämiskyky, erityisesti palautumisvirran huipun kestokyvyn ja keskeyttämiskyvyn suhteen verrattuna kaasusekoituksiin, jotka sisältävät C₄-PFN:tä tai C₅-PFK:tä.
CO₂/C₅-PFK-sekoitusten etu CO₂/C₄-PFN-sekoituksiin verrattuna on niiden merkityksettömästi globaali lämpötilavaikutus (GWP) (~1 vs. 427/600 C₄-PFN:lle). Toisaalta, CO₂/C₄-PFN-sekoitukset tarjoavat matalamman minimimitoimintalämmön (noin –25 °C) verrattuna CO₂/C₅-PFK-sekoituksiin (noin –5 °C).
6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV Dead tank Vacuum Circuit-Breaker
Kuvaus:
40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV ja 245kV dead tank -vakuummisulaket ovat olennaisia suojauslaitteita korkean jännitteen sähköjärjestelmille. Niiden käyttämä vakuummi kaarin sammuttamiseen ja eristämiseen tarjoaa erinomaista kaarisammutuskäytöstä, keskeyttäen nopeasti sijaintivirrat ja estäen tehokkaasti kaarin uudelleenkäynnistyksen, jotta varmistetaan vakaa sähköjärjestelmän toiminta. Dead tank -suunnitelma tarjoaa kompaktin pohjan ja vankan mekaanisen vakauden, mikä helpottaa asennusta ja huoltoa. Varustettu erittäin luotettavilla kevyillä toimintamekanismeilla, nämä sulakkeet tarjoavat mekaanisen elinkaaren, joka ylittää 10 000 toimintaa, tarjoten nopean ja tarkan vastauksen. Poikkeuksellisen ympäristösopeutumiskyvyn ansiosta ne pystyvät toimimaan vakaina raskaiden ulkomaisten olosuhteiden alla. Nämä sulakkeet on laajasti käytettyt alihallintakeskuksissa, siirtolinjoissa ja muissa skenaarioissa, tarjoten tehokasta ja turvallista sähköntilaanvaihtoa ja luotettavaa suojaa eri jännitetasoissa.
Yleisten toimintojen kuvaus:
Tehokas kaaren sammuminen: Käyttää tyhjiötä nopeaan ja luotettavaan kaaren sammumiseen, estää uudelleen syttyminen.
Laaja jännitealue: Saatavilla 40.5 kV, 72.5 kV, 145 kV, 170 kV ja 245 kV -arvoissa monipuolisiin verkkosovelluksiin.
Luotettava kuoliennalle: Kompakti rakenne takaa mekaanisen vakauden ja yksinkertaistaa asennusta/huoltoa.
Luotettava toiminta: Kevytyksipohjainen toimintamekanismi, jolla on yli 10 000 mekaanista kestokierrosta.
Parannettu tiivisteys: Kaksoistiivistelevä flanssi-suunnittelu tarjoaa vedenpitävän ja kaasutiivisen suojauksen, ideaalinen ulkoilmaan.
