Pinakabagong mga Tendensya sa Pag-unlad ng Mataas na Voltaheng Circuit Breaker Batay sa Alternatibong Gas ng SF₆

1. Pagpapakilala
Ang SF₆ ay malawakang ginagamit sa mga sistemang transmisyon at distribusyon ng kuryente, tulad ng gas-insulated switchgear (GIS), circuit breakers (CB), at medium-voltage (MV) load switches. Ito ay may natatanging kakayahan sa electrical insulation at arc-quenching. Gayunpaman, ang SF₆ ay isang makapangyarihang greenhouse gas, na may global warming potential na humigit-kumulang 23,500 sa loob ng 100-taong panahon, at kaya't ang paggamit nito ay regulado at kasalukuyang pinag-uusapan ang mga limitasyon dito. Bilang resulta, ang pagsasagawa ng pag-aaral tungkol sa mga alternative gases para sa mga aplikasyon ng kuryente ay nagsimula nang halos dalawang dekada.

Ang "Club Zéro" (CZC), sa pakikipagtulungan kay CIGRE, kamakailan lamang nagsimula ng isang inisiatiba upang suriin ang estado ng arte ng mga alternative gases para sa SF₆ sa mga aplikasyong switching. Isinagawa ang isang survey upang makuha ang lahat ng magagamit na bagong literatura tungkol sa paksa. Ang mga resulta ay ipinresenta at pinag-usapan sa isang joint session sa panahon ng CIGRE Session noong 2016. Ang papel na ito ay nagpapakita ng pangunahing mga natuklasan ng survey na ito. Dahil ang teknolohiya ng vacuum switching ay isang hiwalay na patuloy na aktibidad, hindi ito sasama sa review na ito.

2. Mga Alternative Gases

Matapos ang pagtanggap ng Kyoto Protocol noong 1997, ang pagsasagawa ng pag-aaral tungkol sa mga alternative gases ay lumakas at patuloy na tumataas sa nakaraang dekada. Ang mga pangunahing kailangan para sa mga alternative gases ay naitala bilang: mababang global warming potential (GWP), zero ozone depletion potential (ODP), mababang toxicity, non-flammability, mataas na dielectric strength, mataas na arc-quenching at heat dissipation capability, chemical stability, material compatibility, at market availability.

Sa iba't ibang natural na sourced gases na isinuri, ang CO₂ ay napapatunayan na ang pinaka-promising na arc-quenching gas, na maaaring mapalakas ng mga additive tulad ng O₂ o CF₄. Gayunpaman, ang mga pag-aaral ay nagpapakita na ang interrupting at insulating performances ng CO₂ ay mas kaunti kaysa sa mga performance ng SF₆. Iba pang interesanteng mga kandidato ay naitala sa mga fluorinated gases, tulad ng CF₃I, hydrofluoroolefins (HFO-1234ze at HFO-1234yf), perfluoroketones (halimbawa, C₅F₁₀O), perfluoronitriles (C₄F₇N), fluorinated ethers (HFE-245cb2), fluorinated epoxides, at hydrochlorofluoroolefins (HCFO-1233zd).

Kapag isinuri ang lahat ng kailangan, ang pinaka-promising na kasalukuyang mga kandidato ay ang C₅ perfluoroketone (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ o C₅-PFK) at iso-C₄ perfluoronitrile ((CF₃)₂CF-CN o C₄-PFN). Para sa mga pure gases, ang dielectric performance ay proporsyonal sa boiling point—na ang mga gas na may mataas na dielectric strength karaniwang may mataas din na boiling points. Sa 0.1 MPa, ang boiling points ng C₅-PFK at C₄-PFN ay 26.5°C at –4.7°C, kung saan. Kaya, para sa mga aplikasyong switching equipment na nangangailangan ng sapat na mababang boiling points upang matugunan ang mga demand ng low-temperature operation, kailangan idagdag ang buffer gases. Dahil sa mahusay nitong arc-quenching capability, ang CO₂ ang pinili bilang buffer gas sa mga high-voltage applications. Sa mga medium-voltage applications, inireport rin ang air bilang buffer gas na ginagamit kasama ang C₅-PFK para sa insulation purposes.

3. Katangian ng Pure at Gas Mixtures

Ang Table 1 ay nagpapakita ng mga katangian ng mga napiling alternative gases sa relasyon sa SF₆. Ang GWPs ng mga gases na ito ay may malaking pagkakaiba: ang C₄-PFN ay may mas mataas na GWP kaysa sa CO₂ o C₅-PFK, parehong may GWPs na humigit-kumulang 1. Ang lahat ng mga kandidatong gases na interesante ay non-flammable, may zero ODP, at inirereport bilang non-toxic batay sa technical at safety data sheets na ibinigay ng mga chemical manufacturers. Ang dielectric strength ng pure C₄-PFN at C₅-PFK ay halos dalawang beses ang SF₆. Ang dielectric withstand voltage ng CO₂ ay kasing laki ng air—that is, significantly lower than that of SF₆.

Table 1: Comparison of Pure Gas Properties with SF₆

Ipinaipakita ng Table 2 ang mga katangian ng mga gas at sangkap ng gas kapag ginamit sa switchgear. Ang koncentrasyon ng C₄-PFN at C₅-PFK sa mga sangkap na may buffer gases ay ibinibigay sa pangalawang hanay, karaniwang mas mababa sa 13% (molar concentration). Dapat tandaan na para sa paggamit ng C₅-PFK sa CO₂, inulat din ang mga oxygen additives, dahil ang presensya ng oxygen ay maaaring bawasan ang pagbuo ng mga masasamang by-products (tulad ng CO) at solid by-products (tulad ng soot).

Table 2: Katangian/Pagganap ng Mga Puro na Gas at Sangkap ng Gas sa mga Aplikasyon ng Medium- at High-Voltage Switchgear

Dahil sa mas mababang dielectric withstand voltage ng mga mixture kumpara sa SF₆ sa parehong presyon (Kolona 6), ang minimum na operating pressure para sa C₅-PFK at C₄-PFN na may CO₂ bilang buffer gas sa high-voltage applications kailangang itaas hanggang sa halos 0.7–0.8 MPa. Para sa medium-voltage applications na gumagamit ng air/C₅-PFK mixtures, maaaring i-maintain ang presyon na 0.13 MPa, na nagpapataas ng dielectric withstand voltage na malapit sa SF₆.

Ang mataas na dielectric withstand voltage na nakuha sa relatibong mababang blending ratios ng C₄-PFN o C₅-PFK ay maaaring ipaliwanag sa pamamagitan ng synergistic effect—i.e., ang dielectric strength ay lumalaki nang hindi linear sa additive concentration, isang phenomenon na naobserbahan na noon sa SF₆/N₂ mixtures. Ang GWP ng C₅-PFK mixtures ay walang-kinalaman, ngunit ito ay may kasunod na mas mataas na minimum operating temperature. Ang low-temperature applications (hal. –25°C) maaaring maisagawa gamit ang puro CO₂ o CO₂ + C₄-PFN mixtures, bagaman may trade-offs: significatly reduced dielectric withstand voltage sa kaso ng puro CO₂, o substantially higher GWP kapag ginamit ang C₄-PFN mixtures.

4. Switching Performance ng Alternative Gases
Naglalaman ang Table 3 ng preliminary information tungkol sa switching performance ng puro CO₂ at CO₂-based mixtures, na binigyan ng comparison ang performance ng SF₆. Sa pamamagitan ng pagtaas ng operating pressure kumpara sa SF₆, maaaring i-raise ang cold dielectric strength—na ginagamit, halimbawa, bilang metric para sa capacitive switching performance—hanggang sa antas ng SF₆.

Table 3: Comparison of Switching Performance ng Gases at Gas Mixtures sa Elevated Operating Pressures versus SF₆ sa High-Voltage Applications

Sa mga napag-aralan na literatura, ang mga pahayag tungkol sa kakayahan ng pag-switch ng C₄-PFN at C₅-PFK mixtures ay kwalitatibo lamang. Para sa CO₂, may ilang kuantitatibong paghahambing na magagamit. Sa pangkalahatan, sa tulong ng tuloy-tuloy na CO₂ na may taas na presyon ng puno ng humigit-kumulang 1 MPa, inaasahan ang kakayahang insulate at short-line fault (SLF) interrupting na katumbas ng dalawang-tercio ng SF₆.

Sa pamamagitan ng pagdaragdag ng O₂ sa CO₂ (hanggang 30% na ratio ng pag-mix), inaasahan ang pag-improve ng SLF interrupting performance at kaunti pa ring pagtaas ng dielectric strength. Ang pagdaragdag ng C₄-PFN o C₅-PFK sa CO₂ ay nagbibigay ng dielectric performance na malapit sa SF₆. Ang mga pag-aaral ay nagsasabi na ang SLF switching performance ng CO₂/O₂/C₅-PFK mixtures ay humigit-kumulang 20% mas mababa kaysa sa SF₆. Sa kabilang banda, ang mga circuit breakers na partikular na pinag-aadapt para sa CO₂/C₄-PFN mixtures ay sinasabing nakakamit ng SLF performance na katumbas ng SF₆.

Gayunpaman, may mga pag-aaral na direktang nagsasagawa ng paghahambing ng tuloy-tuloy na CO₂ kasama ang CO₂/C₄-PFN at CO₂/C₅-PFK mixtures sa parehong geometry at kondisyon ng presyon, na nagpapakita ng kapare-parehong near-zone (thermal) interrupting performance para sa CO₂ na may o walang additives. Sa kaunting pagbabago sa disenyo o modest derating, ang mga bagong mixtures ay matagumpay na lumampas sa IEC test duties L90 (SLF) at T100 (100% terminal fault), na nagpapakita na ang kanilang switching performance ay hindi lubhang mas mahina kaysa sa SF₆. Ito rin ay ipinakita para sa breaker’s interrupting function.

Ang mas marami pang pag-unlad sa switching performance sa pamamagitan ng espesyal na disenyo optimization ay inaasahan sa hinaharap. Isang mahalagang isyu ay ang toxicity ng mga gas pagkatapos ng arcing. Ang C₅-PFK at C₄-PFN ay mga komplikadong molekula na nagsisimula mag-decompose sa itaas ng humigit-kumulang 650 °C sa kaso ng C₄-PFN. Sa panahon ng decomposition, ang mga molekulang ito ay hindi na nababalik sa kanilang orihinal na struktura kundi bumubuo ng mas maliliit na fragments. Inireport na ang decomposition rate ng 0.5 mol/MJ para sa CO₂/O₂/C₅-PFK mixtures sa panahon ng high-current interruption. Para sa partial discharges, ang decomposition rate ay obserbado na mas mababa ng isang order of magnitude kaysa sa nabanggit na value.

Ang decomposition behavior ng mga bagong gases na ito ay hindi diretang makukumpara sa SF₆, na nagdecompose dahil sa chemical reactions sa ablated contact at nozzle materials. Para sa mga bagong gases, ang decomposition sa loob ng buhay ng equipment ay hindi itinuturing na critical issue, ngunit ang concentration ng gas sa loob ng equipment ay dapat imonitor o periodic check. Ang pinakamalalang toxic decomposition products sa high-pressure applications (i.e., mixtures with CO₂) ay CO at HF. Ang arc by-products ng mga mixture na ito ay itinuturing na may toxicity na katumbas o mas mababa kaysa sa arc-decomposed SF₆. Kaya, inirerekomenda ang mga handling procedures na katulad ng ginagamit para sa arc-exposed SF₆.

Ngunit, dapat tandaan na ang mga nabanggit na pahayag ay batay sa limitadong kaalaman tungkol sa toxicity ng mga bagong gases. Mas marami pang karanasan ang kailangan hinggil sa post-arc toxicity ng potensyal na alternatibo ng SF₆. Ang iba pang naiulat na mga alamin ay kasama ang material compatibility (halimbawa, epekto sa seals at greases), gas sealing integrity, at gas handling procedures. Bilang resulta, hindi dapat inaasahan na ang umiiral na high-voltage equipment ay makakapag-operate ng ligtas sa mga bagong gases na ito nang walang angkop na disenyo o material modifications.

Nagawa ang internal arc tests sa lahat ng mixtures, at walang seryosong isyu ang naiulat. Ang thermal conductivity ng mga mixture ay kaunti mas mahina kaysa sa SF₆, na maaaring mag-require ng moderate derating o disenyo adjustments para sa current-carrying capacity. Ang CO₂ live-tank circuit breakers ay may field experience na, na nagsimula ilang taon na ang nakalipas, at ang CO₂-filled breakers ay ngayon ay commercially available.

Ang high- at medium-voltage pilot installations na gumagamit ng C₅-PFK mixtures ay matagumpay na nag-ooperate sa Switzerland at Germany simula 2015. Ang mga pilot projects na gumagamit ng CO₂/C₄-PFN mixtures ay planned o ongoing sa ilang European countries, kasama ang 145 kV indoor GIS sa Switzerland, 245 kV outdoor current transformer sa Germany, at outdoor 420 kV GIL systems sa UK at Scotland.

5. Mga Kasimpulan at Pananaw
Ang impormasyon tungkol sa alternative gases ng SF₆ para sa switching applications ay na-review. Sa kasalukuyang yugto, ang research na ito ay nasa maagang yugto pa at mas kaunti ang saklaw kaysa sa dekada-long na body of work sa SF₆. Ang available manufacturer data ay nagpapakita na ang mga bagong gases—tulad ng C₅-PFK at C₄-PFN—ay viable options na, kapag pinaghalo sa CO₂ bilang buffer gas, maaaring bahagyang tugunan ang performance ng SF₆, bagaman hindi sila maaaring ganap na maging katumbas ng lahat ng kakayahan ng SF₆.

Ang mga key differences ay nasa insulation at interruption performance, pati na rin sa boiling point—na nagdedetermine ng minimum specified operating temperature ng switchgear. Ang mababang minimum operating temperature (halimbawa, –50 °C) ay maaaring marating sa tuloy-tuloy na CO₂. Gayunpaman, ang CO₂ ay mukhang may mas mababang interruption performance, lalo na sa terms ng recovery voltage peak withstand at interruption capability, kumpara sa gas mixtures na may C₄-PFN o C₅-PFK.

Ang advantage ng CO₂/C₅-PFK mixtures sa CO₂/C₄-PFN mixtures ay ang kanilang negligible GWP (~1 vs. 427/600 para sa C₄-PFN). Sa kabilang banda, ang CO₂/C₄-PFN mixtures ay nagbibigay ng mas mababang minimum operating temperature (humigit-kumulang –25 °C) kumpara sa CO₂/C₅-PFK mixtures (humigit-kumulang –5 °C).

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

Paliwanag:

Ang 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV, at 245kV Dead tank Vacuum Circuit-Breakers ay mahalagang protective devices para sa high-voltage power systems. Gumagamit ng vacuum bilang arc-extinguishing at insulating medium, sila ay may extraordinary arc-quenching capabilities, mabilis na nag-iinterrupt ng fault currents at epektibong nagpapahinto ng arc re-ignition upang tiyak na stable ang operasyon ng power system. Ang disenyo ng dead tank ay nagbibigay ng compact footprint at robust mechanical stability, na nagpapadali ng installation at maintenance. Nakakamit ng highly reliable spring operating mechanisms, ang mga circuit breakers na ito ay may mechanical lifespan na higit sa 10,000 operations, nagbibigay ng mabilis at precise responses. May outstanding environmental adaptability, maaari silang mag-operate ng stable sa harsh outdoor conditions. Malawakang ginagamit sa substations, transmission lines, at iba pang scenarios, nagbibigay sila ng efficient at secure power switching control at reliable protection sa iba't ibang voltage levels.

Pangunahing pagpapakilala ng mga tampok:

• Epektibong Pagtupad ng Arc: Gumagamit ng vacuum para sa mabilis at maasahang pagtupad ng arc, na nagpapahinto sa muling pag-sindak.

• Malawak na Range ng Voltaje: Magagamit sa 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV, at 245kV ratings para sa iba't ibang aplikasyon ng grid.

• Matatag na disenyo ng Dead Tank: Ang kompakto nitong estruktura ay nagbibigay-daan sa mekanikal na estabilidad at nagsisiplika ng pagsasagawa ng pag-install/maintenance.

• Maasahang Paggamit: Spring-based na mekanismo ng operasyon na may higit sa 10,000 mechanical endurance cycles.

• Pinahusay na Pagsasara: Dual-seal flange design na nagbibigay ng waterproof at gas-tight na proteksyon, ideal para sa outdoor use.