SF₆ विकल्पी गैस-आधारित उच्च-वोल्टता सर्किट ब्रेकर के नवीनतम विकास प्रवृत्तियाँ
1. परिचय
एसएफ₆ विद्युत प्रसारण और वितरण प्रणालियों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, जैसे गैस-इन्सुलेटेड स्विचगियर (जीआईएस), सर्किट ब्रेकर (सीबी), और मध्यम वोल्टेज (एमवी) लोड स्विच। इसकी विशिष्ट विद्युत इन्सुलेशन और आर्क-क्वेंचिंग क्षमताएँ होती हैं। हालाँकि, एसएफ₆ एक शक्तिशाली ग्रीनहाउस गैस है, जिसका ग्लोबल वार्मिंग पोटेंशियल लगभग 23,500 है, और इसके कारण इसका उपयोग नियमित और अनुसंधान के विषय में चल रही चर्चाओं का विषय है। इस परिणामस्वरूप, लगभग दो दशक से विद्युत अनुप्रयोगों के लिए वैकल्पिक गैसों का अनुसंधान किया जा रहा है।
"क्लब ज़ेरो" (सीजीसी), सीग्रे के साथ सहयोग में, हाल ही में एक अभियान शुरू किया गया है, जिसका उद्देश्य स्विचिंग अनुप्रयोगों के लिए एसएफ₆ के वैकल्पिक गैसों की वर्तमान स्थिति का मूल्यांकन करना है। इस विषय पर सभी उपलब्ध हालिया साहित्य का सर्वेक्षण किया गया था। इसके परिणाम 2016 के सीग्रे सत्र के दौरान एक संयुक्त सत्र में प्रस्तुत और चर्चा किए गए थे। यह पेपर उस सर्वेक्षण के प्रमुख खोजों को प्रस्तुत करता है। चूंकि वैक्यूम स्विचिंग प्रौद्योगिकी एक अलग चल रही गतिविधि है, इसलिए इस समीक्षा में इसका समावेश नहीं किया गया है।
2. वैकल्पिक गैसें
1997 में क्योटो प्रोटोकॉल के स्वीकृत होने के बाद, वैकल्पिक गैसों पर अनुसंधान तीव्र हुआ और पिछले दशक में यह और भी बढ़ा है। वैकल्पिक गैसों के लिए प्रमुख आवश्यकताएँ ये हैं: कम ग्लोबल वार्मिंग पोटेंशियल (जीडब्ल्यूपी), शून्य ओज़ोन डीप्लेशन पोटेंशियल (ओडीपी), कम विषाक्तता, गैस की अग्निशीलता, उच्च विद्युत इन्सुलेशन शक्ति, उच्च आर्क-क्वेंचिंग और ताप वितरण क्षमता, रासायनिक स्थिरता, सामग्री संगतता, और बाजार उपलब्धता।
अन्यान्य प्राकृतिक गैसों के अध्ययन में, सीओ₂ एक सबसे उम्मीदवार आर्क-क्वेंचिंग गैस साबित हुई है, जिसकी प्रदर्शनशीलता ऑक्सीजन (ओ₂) या सीएफ₄ जैसे ऐडिटिव्स द्वारा बढ़ाई जा सकती है। हालाँकि, अध्ययनों से पता चला है कि सीओ₂ की अवरोधन और इन्सुलेशन क्षमता एसएफ₆ से कम है। अन्य दिलचस्प उम्मीदवार फ्लोरिनेटेड गैसों में, सीएफ₃आई, हाइड्रोफ्लोरोऑलिफिन्स (एचएफओ-1234ze और एचएफओ-1234yf), परफ्लुओरोकेटोन्स (उदाहरण के लिए, सी₅एफ₁₀ओ), परफ्लुओरोनाइट्राइल्स (सी₄एफ₇एन), फ्लोरिनेटेड ईथर्स (एचएफई-245cb2), फ्लोरिनेटेड एपोक्साइड्स, और हाइड्रोक्लोरोफ्लोरोऑलिफिन्स (एचसीएफओ-1233zd) शामिल हैं।
सभी आवश्यकताओं को ध्यान में रखते हुए, वर्तमान में सबसे उम्मीदवार उम्मीदवार सी₅ परफ्लुओरोकेटोन (सीएफ₃सी(ओ)सीएफ(सीएफ₃)₂ या सी₅-पीएफके) और आइसो-सी₄ परफ्लुओरोनाइट्राइल ((सीएफ₃)₂सीएफ-सीएन या सी₄-पीएफएन) हैं। शुद्ध गैसों के लिए, विद्युत इन्सुलेशन प्रदर्शन उबालने के बिंदु के अनुपात में होता है—यानी, उच्च विद्युत इन्सुलेशन शक्ति वाली गैसें आमतौर पर उच्च उबालने के बिंदु भी होती हैं। 0.1 एमपीए पर, सी₅-पीएफके और सी₄-पीएफएन के उबालने के बिंदु क्रमशः 26.5°C और –4.7°C हैं। इसलिए, निम्न तापमान की संचालन की आवश्यकता वाले स्विचिंग उपकरणों के अनुप्रयोगों के लिए, बफर गैसों को जोड़ना आवश्यक होता है। उच्च वोल्टेज अनुप्रयोगों में, अच्छी आर्क-क्वेंचिंग क्षमता के कारण सीओ₂ को बफर गैस के रूप में चुना जाता है। मध्यम वोल्टेज अनुप्रयोगों में, वायु को भी सी₅-पीएफके के साथ इन्सुलेशन के उद्देश्य से बफर गैस के रूप में उपयोग किया जाने की रिपोर्ट है।
3. शुद्ध और गैस मिश्रणों के गुण
तालिका 1 एसएफ₆ के सापेक्ष चुनिंदा वैकल्पिक गैसों के गुणों को प्रस्तुत करती है। इन गैसों के जीडब्ल्यूपी में बहुत अंतर है: सी₄-पीएफएन का जीडब्ल्यूपी सीओ₂ या सी₅-पीएफके की तुलना में बहुत अधिक है, जिनका जीडब्ल्यूपी लगभग 1 है। रुचि की सभी उम्मीदवार गैसें अग्निशील नहीं हैं, शून्य ओडीपी रखती हैं, और रासायनिक निर्माताओं द्वारा प्रदान की गई तकनीकी और सुरक्षा डाटा शीटों के अनुसार गैसें विषाक्त नहीं हैं। शुद्ध सी₄-पीएफएन और सी₅-पीएफके की विद्युत इन्सुलेशन शक्ति लगभग एसएफ₆ की दोगुनी है। सीओ₂ की विद्युत इन्सुलेशन वितारण वोल्टेज वायु के समान है—यानी, एसएफ₆ की तुलना में बहुत कम है।
तालिका 1: शुद्ध गैसों के गुणों की एसएफ₆ के साथ तुलना
| 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 |
तालिका 2 में स्विचगियर में उपयोग के दौरान गैसों और गैस मिश्रणों की विशेषताएँ दिखाई जाती हैं। मिश्रणों में C₄-PFN और C₅-PFK की सांद्रता (मोलर सांद्रता) आमतौर पर 13% से कम होती है, जो दूसरे स्तंभ में दी गई है। ध्यान देने योग्य है कि CO₂ में C₅-PFK के उपयोग के लिए, ऑक्सीजन एडिटिव के उपयोग के बारे में भी रिपोर्ट की गई है, क्योंकि ऑक्सीजन की उपस्थिति हानिकारक उपउत्पाद (जैसे CO) और ठोस उपउत्पाद (जैसे काला धुआँ) के निर्माण को कम कर सकती है।
तालिका 2: मध्य- और उच्च-वोल्टेज स्विचगियर एप्लिकेशन में शुद्ध गैसों और गैस मिश्रणों की विशेषताएँ/प्रदर्शन
| 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 |
एसएफ₆ की तुलना में समान दबाव पर (स्तंभ ६) मिश्रणों के डाइइलेक्ट्रिक टोलरेंस वोल्टेज की कमी के कारण, उच्च वोल्टेज अनुप्रयोगों में CO₂ के बफ़र गैस के रूप में C₅-PFK और C₄-PFN के लिए न्यूनतम संचालन दबाव लगभग ०.७–०.८ MPa तक बढ़ाना आवश्यक है। मध्य वोल्टेज अनुप्रयोगों में वायु/C₅-PFK मिश्रणों का उपयोग करते हुए, ०.१३ MPa का दबाव बनाए रखा जा सकता है, जिससे SF₆ के डाइइलेक्ट्रिक टोलरेंस वोल्टेज के नजदीक पहुंचा जा सकता है।
C₄-PFN या C₅-PFK के अपेक्षाकृत कम मिश्रण अनुपातों के साथ उच्च डाइइलेक्ट्रिक टोलरेंस वोल्टेज को एक सिनर्जिस्टिक प्रभाव से समझा जा सकता है—अर्थात, डाइइलेक्ट्रिक शक्ति एडिटिव कांसेंट्रेशन के साथ गैर-रैखिक रूप से बढ़ती है, जो पहले SF₆/N₂ मिश्रणों में देखा गया था। C₅-PFK मिश्रणों का GWP नगण्य है, लेकिन इसका लागत उच्च न्यूनतम संचालन तापमान होता है। निम्न तापमान अनुप्रयोग (उदाहरण के लिए, –२५°C) या तो शुद्ध CO₂ या CO₂ + C₄-PFN मिश्रणों का उपयोग करके संबोधित किए जा सकते हैं, हालांकि इसमें ट्रेड-ऑफ़ शामिल हैं: शुद्ध CO₂ के मामले में डाइइलेक्ट्रिक टोलरेंस वोल्टेज में बहुत कमी, या C₄-PFN मिश्रणों का उपयोग करते हुए बहुत अधिक GWP।
४. विकल्पी गैसों का स्विचिंग प्रदर्शन
टेबल ३ में शुद्ध CO₂ और CO₂-आधारित मिश्रणों के स्विचिंग प्रदर्शन की प्रारंभिक जानकारी दी गई है, SF₆ के प्रदर्शन के लिए तुलना के लिए प्रदान की गई है। SF₆ की तुलना में संचालन दबाव को बढ़ाकर, ठंडा डाइइलेक्ट्रिक शक्ति—जैसे कि कैपेसिटिव स्विचिंग प्रदर्शन के लिए एक मैट्रिक के रूप में उपयोग किया जाता है—SF₆ के स्तर तक लाया जा सकता है।
टेबल ३: उच्च वोल्टेज अनुप्रयोगों में उच्च संचालन दबाव पर गैसों और गैस मिश्रणों के स्विचिंग प्रदर्शन की SF₆ के साथ तुलना
| गैस | संचालन दबाव [MPa] | परावैद्युत शक्ति / pu | SLF प्रदर्शन बनाम 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 | SF₆ के निकट | 0.8…0.87 | SF₆ के निकट |
| CO₂/C4-PFN | 0.67…0.82 | SF₆ के निकट | 0.83…(1) | SF₆ के निकट |
समीक्षित साहित्य में केवल C₄-PFN और C₅-PFK मिश्रणों के स्विचिंग प्रदर्शन से संबंधित गुणात्मक कथन पाए गए। CO₂ के लिए कुछ मात्रात्मक तुलनाएँ उपलब्ध हैं। सामान्य रूप से, लगभग 1 MPa के बढ़ा हुआ भराव दबाव के साथ शुद्ध CO₂ के साथ, SF₆ की लगभग दो-तिहाई विद्युत अवरोधन और छोटी लाइन दोष (SLF) अवरोधन प्रदर्शन की उम्मीद की जा सकती है।
CO₂ में O₂ (30% तक के मिश्रण अनुपात) को जोड़ने से SLF अवरोधन प्रदर्शन में सुधार और विद्युत अवरोधन में थोड़ी वृद्धि की उम्मीद की जा सकती है। CO₂ में C₄-PFN या C₅-PFK जोड़ने से SF₆ के समान विद्युत अवरोधन प्रदर्शन की उम्मीद की जा सकती है। अध्ययनों के अनुसार, CO₂/O₂/C₅-PFK मिश्रणों का SLF स्विचिंग प्रदर्शन SF₆ की तुलना में लगभग 20% कम होता है। इसके विपरीत, CO₂/C₄-PFN मिश्रणों के लिए विशेष रूप से अनुकूलित सर्किट ब्रेकरों को SF₆ के समान SLF प्रदर्शन प्राप्त करने का दावा किया गया है।
हालांकि, कुछ अध्ययन शुद्ध CO₂, CO₂/C₄-PFN और CO₂/C₅-PFK मिश्रणों के बीच समान ज्यामिति और दबाव स्थितियों में तुलना करते हैं, जो समान निकटवर्ती क्षेत्र (तापीय) अवरोधन प्रदर्शन को दिखाते हैं, जो उपकरणों के साथ या बिना उपकरणों के CO₂ के लिए होता है। थोड़े डिजाइन संशोधनों या मध्यम स्तर के डेरेटिंग के साथ, नए मिश्रण IEC परीक्षण दायित्व L90 (SLF) और T100 (100% टर्मिनल दोष) को सफलतापूर्वक पारित कर चुके हैं, जो इंगित करता है कि उनका स्विचिंग प्रदर्शन SF₆ से बहुत कम नहीं है। यह सर्किट ब्रेकर के अवरोधन कार्य के लिए भी प्रदर्शित किया गया है।
अग्रिम में विशेष डिजाइन अनुकूलन के माध्यम से स्विचिंग प्रदर्शन में और सुधार की उम्मीद है। एक महत्वपूर्ण मुद्दा आर्किंग के बाद गैसों की विषाक्तता है। C₅-PFK और C₄-PFN जटिल अणुओं के रूप में होते हैं, जो लगभग 650 °C से ऊपर C₄-PFN के मामले में विघटन शुरू करते हैं। विघटन के दौरान, ये अणु अपने मूल संरचनाओं में फिर से नहीं जुड़ते, बल्कि छोटे टुकड़ों में बदल जाते हैं। CO₂/O₂/C₅-PFK मिश्रणों के लिए उच्च विद्युत धारा अवरोधन के दौरान 0.5 mol/MJ की विघटन दर की रिपोर्ट की गई है। आंशिक विसरणों के लिए, विघटन दर उपरोक्त मान से एक क्रम नीचे देखी गई है।
इन नए गैसों के विघटन व्यवहार SF₆ के समान नहीं है, जो मुख्य रूप से अपघटित संपर्क और नोज़ल सामग्री के साथ रासायनिक अभिक्रियाओं के कारण विघटित होता है। नए गैसों के लिए, उपकरण के जीवनकाल में विघटन एक महत्वपूर्ण मुद्दा नहीं माना जाता है, लेकिन उपकरण के भीतर गैस सांद्रता की निगरानी की जानी चाहिए या अवधिक रूप से जांच की जानी चाहिए। उच्च दबाव के अनुप्रयोगों (यानी CO₂ के साथ मिश्रण) में सबसे विषाक्त विघटन उत्पाद CO और HF हैं। इन मिश्रणों के आर्क उत्पादों की विषाक्तता SF₆ के आर्क विघटन से समान या कम मानी जाती है। इसलिए, आर्क-प्रकट SF₆ के लिए उपयोग किए जाने वाले समान संचालन प्रक्रियाओं की सिफारिश की जाती है।
हालांकि, यह ध्यान में रखना चाहिए कि उपरोक्त कथन इन नए गैसों की विषाक्तता के सीमित ज्ञान पर आधारित हैं। SF₆ के संभावित विकल्पों की आर्क-पश्च विषाक्तता के बारे में अधिक अनुभव की आवश्यकता है। अन्य रिपोर्ट किए गए मुद्दे में सामग्री की योग्यता (उदाहरण के लिए, सील और ग्रीस पर प्रभाव), गैस टाइट इंटेग्रिटी, और गैस संचालन प्रक्रियाएँ शामिल हैं। इस परिणामस्वरूप, उपयुक्त डिजाइन या सामग्री के संशोधन के बिना, मौजूदा उच्च विद्युत उपकरणों को इन नए गैसों के साथ सुरक्षित रूप से संचालित नहीं किया जा सकता है।
सभी मिश्रणों के साथ आंतरिक आर्क परीक्षण किए गए हैं, और कोई गंभीर मुद्दे रिपोर्ट नहीं किए गए हैं। मिश्रणों का तापीय चालकता SF₆ से थोड़ा निम्न है, जिससे विद्युत धारा वहन क्षमता के लिए मध्यम स्तर के डेरेटिंग या डिजाइन संशोधन की आवश्यकता हो सकती है। CO₂ लाइव-टैंक सर्किट ब्रेकरों को कई वर्षों पहले से फील्ड अनुभव प्राप्त हो रहा है, और CO₂-भरे सर्किट ब्रेकर अब व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैं।
C₅-PFK मिश्रणों का उपयोग करने वाले उच्च और मध्य विद्युत पायलट इंस्टॉलेशन 2015 से स्विट्जरलैंड और जर्मनी में सफलतापूर्वक संचालित हो रहे हैं। CO₂/C₄-PFN मिश्रणों का उपयोग करने वाले पायलट परियोजनाएँ कई यूरोपीय देशों में योजना बनाई गई हैं या चल रही हैं, जिनमें स्विट्जरलैंड में 145 kV इंडोर GIS, जर्मनी में 245 kV आउटडोर वर्तमान ट्रांसफॉर्मर, और ब्रिटेन और स्कॉटलैंड में आउटडोर 420 kV GIL सिस्टम शामिल हैं।
5. निष्कर्ष और भविष्यवाणी
स्विचिंग अनुप्रयोगों के लिए SF₆ विकल्प गैसों पर प्रकाशित जानकारी की समीक्षा की गई है। वर्तमान स्तर पर, यह शोध अभी भी अपने प्रारंभिक चरणों में है और SF₆ पर दशकों के शोध की तुलना में बहुत कम व्यापक है। उपलब्ध निर्माता डेटा इंगित करते हैं कि नए गैसें—जैसे C₅-PFK और C₄-PFN—विकल्प हैं जो, जब CO₂ के रूप में बफर गैस के साथ मिश्रित किए जाते हैं, तो SF₆ के प्रदर्शन को आंशिक रूप से मेल खाते हैं, हालांकि वे SF₆ की सभी क्षमताओं को पूरी तरह से नहीं नक्कल कर सकते हैं।
मुख्य अंतर विद्युत अवरोधन और अवरोधन प्रदर्शन, और उबालने का बिंदु—जो स्विचगियर की न्यूनतम निर्दिष्ट संचालन तापमान निर्धारित करता है—में हैं। शुद्ध CO₂ के साथ -50 °C तक का निम्नतम संचालन तापमान प्राप्त किया जा सकता है। हालांकि, CO₂ का अवरोधन प्रदर्शन सामान्य रूप से निम्न होता है, विशेष रूप से विद्युत विक्षेपण शिखर टोलरेंस और अवरोधन क्षमता के मामले में, C₄-PFN या C₅-PFK युक्त गैस मिश्रणों की तुलना में।
CO₂/C₅-PFK मिश्रणों का CO₂/C₄-PFN मिश्रणों की तुलना में एक लाभ उनका नगण्य GWP (~1 vs. 427/600 for C₄-PFN) है। विपरीत रूप से, CO₂/C₄-PFN मिश्रणों (-25 °C के लगभग) की तुलना में CO₂/C₅-PFK मिश्रणों (-5 °C के लगभग) का निम्नतम संचालन तापमान होता है।
6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV डेड टैंक वैक्यूम सर्किट-ब्रेकर
विवरण:
40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV, और 245kV डेड टैंक वैक्यूम सर्किट-ब्रेकर उच्च विद्युत प्रणालियों के लिए आवश्यक संरक्षण उपकरण हैं। वैक्यूम का उपयोग आर्क-निरोधक और विद्युत अवरोधक माध्यम के रूप में किया जाता है, जिससे उनमें असाधारण आर्क-निरोधक क्षमता होती है, जो दोष धाराओं को तेजी से अवरोधित करती है और आर्क के पुनर्ज्वलन को प्रभावी रूप से रोकती है ताकि स्थिर विद्युत प्रणाली का संचालन सुनिश्चित किया जा सके। डेड टैंक डिजाइन एक संकुचित फुटप्रिंट और मजबूत यांत्रिक स्थिरता प्रदान करता है, जो स्थापना और रखरखाव को सुविधाजनक बनाता है। उच्च रिलायबिलिटी वाले स्प्रिंग संचालन तंत्रों से सुसज्जित, ये सर्किट ब्रेकर 10,000 संचालन से अधिक की यांत्रिक आयु के साथ तेजी से और सटीक प्रतिक्रिया प्रदान करते हैं। उत्कृष्ट पर्यावरणीय अनुकूलता के साथ, वे कठोर बाहरी स्थितियों में स्थिर संचालन कर सकते हैं। उपस्टेशन, ट्रांसमिशन लाइनों, और अन्य परिदृश्यों में व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले, वे विभिन्न वोल्टेज स्तरों पर कुशल और सुरक्षित विद्युत स्विचिंग नियंत्रण और विश्वसनीय संरक्षण प्रदान करते हैं।
मुख्य कार्य परिचय:
कुशल आर्क विलोपन: तेज़ और विश्वसनीय आर्क विलोपन के लिए वैक्यूम का उपयोग करता है, जो पुनर्प्रज्वलन से बचाता है।
व्यापक वोल्टेज रेंज: 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV, और 245kV रेटिंग में उपलब्ध है जो विभिन्न ग्रिड अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी है।
दृढ डेड टैंक डिज़ाइन: संक्षिप्त संरचना मैकेनिकल स्थिरता को सुनिश्चित करती है और इंस्टॉलेशन/मेंटेनेंस को सरल बनाती है।
विश्वसनीय संचालन: स्प्रिंग-आधारित संचालन प्रणाली 10,000 से अधिक मैकेनिकल लंबिता चक्रों के साथ।
उन्नत सीलिंग: दोहरी-सील फ्लेंज डिज़ाइन वाटरप्रूफ और गैस-टाइट सुरक्षा प्रदान करता है, जो आउटडोर उपयोग के लिए आदर्श है।
