As tendencias máis recentes do desenvolvemento de interruptores de alta tensión baseados en gases alternativos ao SF₆

1. Introducción
O SF₆ é amplamente utilizado en sistemas de transmisión e distribución eléctrica, como o equipamento de comutación a gás (GIS), interruptores (CB) e interruptores de carga de media tensión (MV). Posúe capacidades únicas de aislamento eléctrico e extinción de arco. No entanto, o SF₆ tamén é un gas de efecto invernadero potente, coa súa capacidade de calentamento global de aproximadamente 23,500 nun horizonte de 100 anos, polo que o seu uso está regulado e está suxeito a discusións en curso sobre restricións. En consecuencia, a investigación sobre gases alternativos para aplicacións de enerxía eléctrica remonta a cerca de dúas décadas.

O "Club Zéro" (CZC), en cooperación con CIGRE, lanzou recentemente unha iniciativa para avaliar o estado da arte dos gases alternativos ao SF₆ para aplicacións de comutación. Realizouse unha encuesta para recopilar toda a literatura recente dispoñible sobre este tema. Os resultados foron presentados e discutidos en unha sesión xunta durante a sesión de CIGRE en 2016. Este artigo presenta os principais resultados desa encuesta. Como a tecnoloxía de comutación a vacío constitúe unha actividade en curso separada, non se cubrirá nesta revisión.

2. Gases Alternativos

Después da adopción do Protocolo de Kyoto en 1997, a investigación sobre gases alternativos intensificouse e aumentou nos últimos dez anos. As principais rexistencias para os gases alternativos identificáronse como: baixo potencial de calentamento global (GWP), cero potencial de destrución de ozono (ODP), baja toxicidade, non inflamabilidade, alta resistencia dieléctrica, alta capacidade de extinción de arco e dissipación de calor, estabilidade química, compatibilidade de materiais e disponibilidade no mercado.

Entre os diversos gases de orixe natural investigados, o CO₂ demostrouse ser o gas máis prometedor para a extinción de arco, coa súa prestación podendo mellorarse mediante aditivos como O₂ ou CF₄. No entanto, estudios mostraron que tanto as prestacións de interrupción como as de aislamento do CO₂ son inferiores ás do SF₆. Outros candidatos interesantes identificáronse entre os gases fluorados, como CF₃I, hidrofluoroolefinas (HFO-1234ze e HFO-1234yf), perfluorocetonas (por exemplo, C₅F₁₀O), perfluoronitrilos (C₄F₇N), éteres fluorados (HFE-245cb2), epóxidos fluorados e hidroclorofluoroolefinas (HCFO-1233zd).

Considerando todas as rexistencias, os candidatos máis prometedores actuais son a C₅ perfluorocetona (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ ou C₅-PFK) e a iso-C₄ perfluoronitrilo ((CF₃)₂CF-CN ou C₄-PFN). Para gases puros, o rendemento dieléctrico é proporcional ao punto de ebullición, é dicir, os gases con alta resistencia dieléctrica normalmente tamén teñen puntos de ebullición altos. A 0,1 MPa, os puntos de ebullición de C₅-PFK e C₄-PFN son 26,5°C e –4,7°C, respectivamente. Polo tanto, para aplicacións de equipos de comutación que requiren puntos de ebullición suficientemente baixos para satisfacer as demandas operativas a bajas temperaturas, deben engadirse gases tampón. Debido á súa boa capacidade de extinción de arco, o CO₂ é seleccionado como gas tampón en aplicacións de alta tensión. En aplicacións de media tensión, tamén se informou do uso do aire como gas tampón en combinación con C₅-PFK para fins de aislamento.

3. Propiedades de Gases Puros e Mezclas de Gases

A Táboa 1 presenta as propiedades de gases alternativos seleccionados en relación co SF₆. Os GWPs destes gases varián significativamente: o C₄-PFN exibe un GWP moito máis alto que o CO₂ ou o C₅-PFK, ambos co GWP de aproximadamente 1. Todos os gases candidatos de interese son non inflamables, teñen cero ODP e segúranse como non tóxicos segundo as fichas técnicas e de seguridade proporcionadas por fabricantes químicos. A resistencia dieléctrica de C₄-PFN e C₅-PFK puras é case o dobre da do SF₆. A voltagem de resistencia dieléctrica do CO₂ é comparable á do aire, é dicir, significativamente menor que a do SF₆.

Táboa 1: Comparación das Propiedades dos Gases Puros con SF₆

A táboa 2 amosa as características dos gases e das mezclas de gases cando se usan en equipos de conmutación. As concentracións de C₄-PFN e C₅-PFK nas mezclas con gases tampón están dadas na segunda columna, xeralmente por debaixo do 13% (concentración molar). Debe notarse que para o uso de C₅-PFK en CO₂, tamén se informou da adición de oxíxeno, xa que a presenza de oxíxeno pode reducir a formación de subproductos nocivos (como CO) e subproductos sólidos (como a fuligem).

Táboa 2: Características/rendemento dos gases puros e das mezclas de gases en aplicacións de equipos de conmutación de media e alta tensión

Debido á reducida tensión dieléctrica de sostemento das mezclas en comparación co SF₆ á mesma presión (Columna 6), a presión mínima de funcionamento para C₅-PFK e C₄-PFN con CO₂ como gas tampón nas aplicacións de alta tensión debe aumentarse a aproximadamente 0,7–0,8 MPa. Para aplicacións de media tensión que usan mezclas de aire/C₅-PFK, pode manterse unha presión de 0,13 MPa, logrando unha tensión dieléctrica de sostemento próxima á do SF₆.

A elevada tensión dieléctrica de sostemento conseguida con ratios relativamente baixas de C₄-PFN ou C₅-PFK pode explicarse por un efecto sinérgico, é dicir, a resistencia dieléctrica aumenta de forma non lineal coa concentración do aditivo, un fenómeno observado previamente nas mezclas SF₆/N₂. O PGE das mezclas C₅-PFK é despreciable, pero iso implica unha temperatura mínima de funcionamento máis alta. As aplicacións a baixa temperatura (por exemplo, –25°C) poden abordarse usando CO₂ puro ou mezclas de CO₂ + C₄-PFN, aínda que con compromisos: unha significativa redución da tensión dieléctrica de sostemento no caso do CO₂ puro, ou un PGE substancialmente máis alto ao usar mezclas de C₄-PFN.

4. Rendemento de conmutación dos gases alternativos
A táboa 3 compila información preliminar sobre o rendemento de conmutación do CO₂ puro e as mezclas baseadas en CO₂, proporcionándose o rendemento do SF₆ para comparación. Ao aumentar a presión de funcionamento en relación co SF₆, a resistencia dieléctrica fría—usada, por exemplo, como métrica para o rendemento de conmutación capacitiva—pode llevarse ao nivel do SF₆.

Táboa 3: Comparación do rendemento de conmutación dos gases e as mezclas de gases a presións de funcionamento elevadas en comparación co SF₆ nas aplicacións de alta tensión

Na literatura revisada, só se atoparon declaracións cualitativas respecto ao rendemento de conmutación das mezclas C₄-PFN e C₅-PFK. Para o CO₂, están dispoñibles algunhas comparacións cuantitativas. En xeral, cun CO₂ puro a unha presión de enchido aumentada de aproximadamente 1 MPa, pódese esperar un rendemento de aislamento e interrupción de fallos de liña curta (SLF) de aproximadamente dous terzos do SF₆.

Ao engadir O₂ ao CO₂ (con proporcións de mezcla ata o 30%), pódese anticipar un melloramento no rendemento de interrupción SLF e un pequeno aumento na resistencia dieléctrica. A adición de C₄-PFN ou C₅-PFK ao CO₂ permite un rendemento dieléctrico que se aproxima ao do SF₆. Os estudos informan que o rendemento de conmutación SLF das mezclas CO₂/O₂/C₅-PFK é aproximadamente un 20% inferior ao do SF₆. En contraste, os interruptores específicamente adaptados para mezclas CO₂/C₄-PFN afirmáronse capaces de lograr un rendemento SLF comparable ao do SF₆.

No entanto, tamén hai estudos que comparan directamente o CO₂ puro con as mezclas CO₂/C₄-PFN e CO₂/C₅-PFK baixas condicións xeométricas e de presión idénticas, mostrando un rendemento de interrupción térmica próximo similar para o CO₂ con ou sen aditivos. Con pequenas modificacións de deseño ou un modesto derating, as novas mezclas superaron satisfactoriamente as ensaios IEC L90 (SLF) e T100 (fallos terminais do 100%), indicando que o seu rendemento de conmutación non é significativamente inferior ao do SF₆. Isto tamén foi demostrado para a función de interrupción do interruptor.

Se espera que futuras melloras no rendemento de conmutación sexan posibles mediante optimizacións de deseño específicas. Unha cuestión importante é a toxicidade dos gases despois da arco voltaico. C₅-PFK e C₄-PFN son moléculas complexas que comezan a descomporse por encima de aproximadamente 650 °C no caso do C₄-PFN. Ao descomporse, estas moléculas non se recombinan nas súas estruturas orixinais, formando fragmentos máis pequenos. Informouse dunha taxa de descomposición de 0,5 mol/MJ para as mezclas CO₂/O₂/C₅-PFK baixo interrupción de corrente alta. Para as descargas parciais, a taxa de descomposición observouse que era máis dunha orde de magnitude menor que o valor anterior.

O comportamento de descomposición destes novos gases non é directamente comparable ao do SF₆, que se descompón principalmente debido a reaccións químicas cos materiais ablatados de contacto e bocas. Para os novos gases, a descomposición durante a vida útil do equipo non se considera un problema crítico, pero a concentración de gas dentro do equipo debe ser monitorizada ou comprobada periodicamente. Os produtos de descomposición máis tóxicos en aplicacións de alta presión (isto é, mezclas con CO₂) son CO e HF. Os subproductos de arco destas mezclas consíderanse que teñen unha toxicidade similar ou inferior á do SF₆ descompuesto por arco. Polo tanto, recoméndanse procedementos de manexo similares aos usados para o SF₆ exposto a arco.

Debense notar, no obstante, que as declaracións anteriores están baseadas nun coñecemento limitado da toxicidade destes novos gases. É necesaria máis experiencia respecto á toxicidade posterior ao arco de potenciais alternativas ao SF₆. Outras preocupacións informadas inclúen a compatibilidade de materiais (por exemplo, efectos sobre selos e graxas), a integridade do sellado de gas e os procedementos de manexo de gas. Como consecuencia, non se debe esperar que o equipamento de alta tensión existente opere de forma segura con estes novos gases sen as modificacións de deseño ou material adecuadas.

Realizáronse ensaios de arco interno con todas as mezclas, sen que se informase de problemas serios. A conductividade térmica das mezclas é ligeramente inferior á do SF₆, o que pode requerir un moderado derating ou axustes de deseño para a capacidade de transporte de corrente. Os interruptores de tanque morto de CO₂ xa gañaron experiencia de campo, con implementacións que comezaron hai varios anos, e agora están dispoñibles comercialmente interruptores cargados de CO₂.

As instalacións piloto de alta e media tensión que utilizan mezclas C₅-PFK están operando con éxito en Suíza e Alemaña desde 2015. Proxectos piloto que utilizan mezclas CO₂/C₄-PFN están planeados ou en marcha en varios países europeos, incluíndo un GIS interior de 145 kV en Suíza, un transformador de corrente exterior de 245 kV en Alemaña e sistemas GIL exteriores de 420 kV no Reino Unido e Escocia.

5. Conclusións e Perspectivas
Revisouse a información publicada sobre gases alternativos ao SF₆ para aplicacións de conmutación. Nesta etapa actual, esta investigación está aínda nos seus primeiros momentos e é moito menos extensa que o corpo de traballo de décadas sobre o SF₆. Os datos dispoñibles dos fabricantes indican que os novos gases, como C₅-PFK e C₄-PFN, son opcións viables que, cando se mezclan con CO₂ como gas tampón, poden coincidir parcialmente co rendemento do SF₆, aínda que poden non replicar completamente todas as capacidades do SF₆.

As principais diferenzas atópanse no rendemento de aislamento e interrupción, así como no punto de ebullición, que determina a temperatura mínima especificada de funcionamento do equipo de conmutación. Unha baixa temperatura mínima de funcionamento (por exemplo, -50 °C) pódese lograr con CO₂ puro. No entanto, o CO₂ parece exhibir xeralmente un rendemento de interrupción menor, especialmente en termos de resistencia máxima de voltaxe de recuperación e capacidade de interrupción, en comparación con as mezclas de gas que conteñen C₄-PFN ou C₅-PFK.

Unha vantaxe das mezclas CO₂/C₅-PFK sobre as mezclas CO₂/C₄-PFN é a súa nula pegada global (GWP) (~1 contra 427/600 para C₄-PFN). Por outro lado, as mezclas CO₂/C₄-PFN ofrecen unha temperatura mínima de funcionamento menor (aproximadamente -25 °C) en comparación con as mezclas CO₂/C₅-PFK (aproximadamente -5 °C).

6. Interruptor de Circuito Vacío de Tanque Morto de 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV

Descrición:

Os Interruptores de Circuito Vacío de Tanque Morto de 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV e 245kV son dispositivos protectores esenciais para sistemas de enerxía de alta tensión. Utilizando o vacío como medio de extinción de arco e aislante, destacan polas súas excepcionais capacidades de apagado de arcos, interrompendo rapidamente as correntes de fallo e previndo eficazmente a reencendida de arcos para asegurar a operación estable do sistema de enerxía. O deseño de tanque morto ofrece unha peza compacta e unha estabilidade mecánica robusta, facilitando a instalación e mantemento. Equipados con mecanismos de muelle altamente fiables, estes interruptores teñen unha vida útil mecánica que supera as 10.000 operacións, proporcionando respostas rápidas e precisas. Con unha excelente adaptabilidade ambiental, poden operar de forma estable en condicións externas adversas. Ampliamente aplicados en subestacións, liñas de transmisión e outras escenarios, proporcionan un control de conmutación de enerxía eficiente e seguro e protección confiable a través de diferentes niveis de tensión.

Introdución ás funcións principais:

• Extinción eficiente do arco: Utiliza o vacío para a extinción rápida e fiable do arco, evitando a re ignición.

• Amplio rango de voltaxes: Dispoñible en calificacións de 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV e 245kV para aplicacións versáteis na rede.

• Deseño robusto de tanque morto: A estrutura compacta asegura a estabilidade mecánica e simplifica a instalación/mantenimento.

• Operación fiable: Mecanismo de funcionamento baseado en molas con máis de 10.000 ciclos de resistencia mecánica.

• Sellado mellorado: O deseño de flange de dobre sello ofrece protección contra a auga e hermética, ideal para uso ao aire libre.