Najnovije trendovi u razvoju visokonaponskih prekidača temeljenih na plinu alternativnom SF₆

1. Uvod
SF₆ se široko koristi u sustavima prenose i distribucije električne energije, poput gasno izolirane prekidačke opreme (GIS), prekidača (CB) i srednjeg napona (MV) prekidnih uređaja. Posjeduje jedinstvene električne izolacijske i ugase kapacitete. Međutim, SF₆ je također moćan staklenični plin, s globalnim potencijalom zagrijavanja od približno 23.500 na vremenskom horizontu od 100 godina, te je njegova uporaba regulirana i podložna trajnim raspravama o ograničenjima. Stoga su istraživanja alternativnih plinova za primjene u energetici provodila se otprilike dvadeset godina.

"Club Zéro" (CZC), u suradnji s CIGRE-om, nedavno je pokrenuo inicijativu za procjenu stanja umjetnosti alternativnih plinova SF₆ za prekidne primjene. Izvedena je anketa kako bi se prikupila sva dostupna nedavna znanstvena literatura o toj temi. Rezultati su predstavljeni i raspravljeni tijekom zajedničke sesije tijekom CIGRE Sesije 2016. godine. Ovaj rad predstavlja glavna saznanja te ankete. Budući da tehnologija vakuumskog prekida čini posebnu nadaljnju aktivnost, neće biti obrađena u ovom pregledu.

2. Alternativni plinovi

Nakon usvajanja Kjotskog protokola 1997. godine, istraživanje alternativnih plinova intenziviralo se i još je više poraslo tijekom protekle desetljeće. Ključni zahtjevi za alternativne plinove identificirani su kao: niska globalna toplinska snaga (GWP), nula potencijal za uništavanje ozona (ODP), niska toksičnost, neplamivost, visoka dielektrična čvrstoća, visoka kapacitet ugase i disipacija topline, kemijska stabilnost, kompatibilnost materijala i dostupnost na tržištu.

Među različitim prirodnim plinovima koji su istraženi, CO₂ se pokazao kao najnadjevniji plin za ugase, s njegovom performansom koja se može poboljšati dodacima poput O₂ ili CF₄. Međutim, studije su pokazale da su i prekidne i izolacijske performanse CO₂ manje dobre od onih SF₆. Ostali zanimljivi kandidati identificirani su među fluoriranim plinovima, poput CF₃I, hidrofluoroolefini (HFO-1234ze i HFO-1234yf), perfluoroketonima (npr. C₅F₁₀O), perfluoronitrilima (C₄F₇N), fluoriranim eterskim spojevima (HFE-245cb2), fluoriranim epoxidima i hidroklorofluoroolefinima (HCFO-1233zd).

Uzimajući u obzir sve zahtjeve, najnadjevniji trenutni kandidati su C₅ perfluoroketon (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ ili C₅-PFK) i iso-C₄ perfluoronitril ((CF₃)₂CF-CN ili C₄-PFN). Za čiste plinove, dielektrična performansa je proporcionalna točki vreline—tj. plinovi s visokom dielektričnom čvrstoću tipično imaju visoke točke vreline. Na 0,1 MPa, točke vreline C₅-PFK i C₄-PFN su 26,5°C i –4,7°C, redom. Stoga, za primjene prekidne opreme koje zahtijevaju dovoljno niske točke vreline kako bi ispunili zahtjeve za rad na niskim temperaturama, moraju se dodati bufer plinovi. Zbog svoje dobre performanse u ugase, CO₂ je odabran kao bufer plin u visokonaponskim primjenama. U srednjeg napona primjenama, zrak je također izvijestio kao bufer plin korišten u kombinaciji s C₅-PFK za izolacijske svrhe.

3. Svojstva čistih plinova i mješavina plinova

Tablica 1 prikazuje svojstva odabranih alternativnih plinova u odnosu na SF₆. GWP-ovi tih plinova značajno variraju: C₄-PFN ima znatno veći GWP od CO₂ ili C₅-PFK, koji oba imaju GWP-a približno 1. Svi zanimljivi kandidati plinovi su neplamivi, imaju nula ODP i izvijestili su se kao netoksni prema tehničkim i sigurnosnim listicima pruženim od strane proizvođača kemikalija. Dielektrična čvrstoća čistog C₄-PFN i C₅-PFK je skoro dva puta veća od one SF₆. Dielektrična otpornost CO₂ je slična onoj zraka—tj. značajno niža od one SF₆.

Tablica 1: Usporedba svojstava čistih plinova s SF₆

Tablica 2 prikazuje karakteristike plinova i plinskih mješavina kada se koriste u prekidničkom opremu. Koncentracije C₄-PFN-a i C₅-PFK-a u mješavinama s bufernim plinovima navedene su u drugoj koloni, obično ispod 13% (molarska koncentracija). Treba napomenuti da za upotrebu C₅-PFK-a u CO₂, također je izvijestljivo o dodacima kiseonika, jer prisustvo kiseonika može smanjiti stvaranje štetnih sporednih proizvoda (poput CO) i čvrstih sporednih proizvoda (poput dima).

Tablica 2: Karakteristike/Prestavljanje čistih plinova i plinskih mješavina u primjenama srednje- i visokonaponske prekidničke opreme

Zbog smanjenog dielektričnog otpora mješavina u usporedbi s SF₆ na istom tlaku (Stupac 6), minimalni radni tlak za C₅-PFK i C₄-PFN s CO₂ kao bufernim plinom u visokonaponskim aplikacijama treba povećati na približno 0,7–0,8 MPa. Za srednjeg tlaka aplikacije koristeći mješavine zraka/C₅-PFK, može se održati tlak od 0,13 MPa, dostizajući dielektrični otpor blizu onog SF₆.

Visoki dielektrični otpor postignut relativno niskim udjelima mješavina C₄-PFN ili C₅-PFK može se objasniti sinergijskim efektom - tj., dielektrična čvrstoća se povećava nelinearno s koncentracijom dodataka, pojava koja je prethodno opažena u mješavinama SF₆/N₂. GWP mješavina C₅-PFK je zanemariv, ali to donosi cijenu višeg minimalnog radne temperature. Niskotemperaturne aplikacije (npr. –25°C) mogu se riješiti upotrebom čistog CO₂ ili mješavina CO₂ + C₄-PFN, iako s kompromisima: značajno smanjeni dielektrični otpor u slučaju čistog CO₂, ili znatno veći GWP kada se koriste mješavine C₄-PFN.

4. Performanse prekidanja alternativnih plinova
Tablica 3 prikazuje predviđene informacije o performansama prekidanja čistog CO₂ i mješavina temeljenih na CO₂, uz poređenje s performansama SF₆. Povećanjem radnog tlaka u usporedbi s SF₆, hladni dielektrični otpor - koji se, na primjer, koristi kao metrika za performanse prekidanja kapacitivnosti - može se podići na razinu SF₆.

Tablica 3: Poređenje performansi prekidanja plinova i mješavina plinova pri povećanim radnim tlacima u usporedbi s SF₆ u visokonaponskim aplikacijama

U pregledanoj literaturi mogla su se naći samo kvalitativne izjave o performanci prekidača za mješavine C₄-PFN i C₅-PFK. Za CO₂, dostupni su neki kvantitativni usporedbeni podaci. Općenito, s čistim CO₂ pri povećanom tlaku poput otprilike 1 MPa, može se očekivati izolacijska i prekidna performanca kratkih krivina (SLF) od oko dvije trećine onog što je dostupno kod SF₆.

Dodavanjem O₂ u CO₂ (s omjerima mješanja do 30%), može se očekivati poboljšanje performanse prekida SLF i blaga povećanja dielektričke čvrstoće. Dodavanje C₄-PFN ili C₅-PFK u CO₂ omogućuje postizanje dielektričke performanse koja se približava onoj SF₆. Istraživanja pokazuju da je performansa prekida SLF za mješavine CO₂/O₂/C₅-PFK otprilike 20% niža od one SF₆. U suprotnosti, prekidači specifično prilagođeni mješavinama CO₂/C₄-PFN tvrde da postižu performansu SLF sličnu SF₆.

Međutim, postoje i studije koje direktno uspoređuju čisto CO₂ s mješavinama CO₂/C₄-PFN i CO₂/C₅-PFK pod identičnim geometrijskim i tlakovim uvjetima, koje pokazuju sličnu performansu prekida bliskih zona (termalnih) za CO₂ s ili bez dodataka. S manjim dizajnerskim promjenama ili umjerenim sniženjem, nove mješavine uspješno su prošle IEC testne obveze L90 (SLF) i T100 (100% terminalni kvar), što upućuje na to da njihova prekidna performansa nije značajno niža od SF₆. To je također pokazano za funkciju prekida prekidača.

Napredak u prekidnoj performansi putem specifičnih optimizacija dizajna očekuje se u budućnosti. Važan je problem toksičnost plinova nakon lukovanja. C₅-PFK i C₄-PFN su složene molekule koje počinju raspadati iznad otprilike 650 °C u slučaju C₄-PFN. Pri raspadu, ove molekule se ne rekomponiraju u svoje originalne strukture, već formiraju manje fragmente. Za mješavine CO₂/O₂/C₅-PFK pri visokoj strujnoj prekidnoj akciji prijavljen je stopa dekompozicije od 0,5 mol/MJ. Za djelomične isparavanja, stopa dekompozicije bila je više od jednog reda veličine niža od navedene vrijednosti.

Ponašanje dekompozicije ovih novih plinova nije direktno uporedivo s SF₆, koji se uglavnom dekomponira zbog kemijskih reakcija s materijalima kontaktne površine i džepina. Za nove plinove, dekompozicija tijekom vijeka opreme se ne smatra ključnim problemom, ali treba nadgledati koncentraciju plina unutar opreme ili je periodički provjeravati. Najtoksičniji produkti dekompozicije u visokopritisnim aplikacijama (npr. mješavine s CO₂) su CO i HF. Proizvodi lukovanja ovih mješavina smatraju se imati toksičnost sličnu ili nižu od toksičnosti lukovanih SF₆. Stoga se preporučuju postupci rukovanja slični onima za lukovane SF₆.

Međutim, treba napomenuti da su gornje izjave temeljene na ograničenoj znanosti o toksičnosti ovih novih plinova. Potrebno je više iskustva o toksičnosti poslije lukovanja potencijalnih alternativa SF₆. Ostali prijavljeni problemi uključuju kompatibilnost materijala (npr. utjecaji na sigurnosne presade i masti), integritet zatvaranja plina i postupci rukovanja plinom. Stoga se ne može očekivati da će postojeća oprema visokog napon bez odgovarajućih dizajnerskih ili materijalnih modifikacija bezbedno raditi s ovim novim plinovima.

Testovi unutrašnjeg luka izvršeni su sa svim mješavinama, a nisu prijavljeni ozbiljni problemi. Toplotna provodljivost mješavina je malo niža od SF₆, što može zahtijevati umjeren sniženje ili prilagodbu dizajna za kapacitet nosače struje. Prekidači s CO₂ u živom rezervoaru već su dobili poljsko iskustvo, s primjenama koje su započele prije nekoliko godina, a prekidači punjeni CO₂ su sada komercijalno dostupni.

Visokonaponske i srednjonaponske pilotne instalacije koristeći mješavine C₅-PFK uspješno operiraju u Švicarskoj i Njemačkoj od 2015. godine. Pilot projekti koristeći mješavine CO₂/C₄-PFN planirani su ili u tijeku u nekoliko europskih zemalja, uključujući 145 kV GIS u zatvorenom prostoru u Švicarskoj, 245 kV vanjski transformator struje u Njemačkoj i vanjski 420 kV GIL sustavi u UK-u i Škotskoj.

5. Zaključci i perspektive
Pregledana je objavljena informacija o alternativnim plinovima SF₆ za prekidne aplikacije. Na trenutnoj razini, ovo istraživanje još je u ranim fazama i mnogo manje ekstenzivno nego decenijalno tijelo rada o SF₆. Dostupni podaci proizvođača ukazuju da su novi plinovi, poput C₅-PFK i C₄-PFN, moguće opcije koje, kad se pomiješaju s CO₂ kao bufernim plinom, mogu djelomično usporediti performansu SF₆, iako možda neće potpuno replicirati sve sposobnosti SF₆.

Ključne razlike leže u performanci izolacije i prekida, kao i u temperaturi varljavanja – koja određuje najmanju zadatu radnu temperaturu prekidača. Niska minimalna radna temperatura (npr. –50 °C) može se postići s čistim CO₂. Međutim, CO₂ čini da ima općenito nižu prekidnu performansu, posebno u pogledu otpornosti na vrhovne napetosti oporavka i prekidne sposobnosti, u usporedbi s mješavinama plinova s C₄-PFN ili C₅-PFK.

Prednost mješavina CO₂/C₅-PFK nad mješavinama CO₂/C₄-PFN je njihova zanemarljiva GWP (~1 naspram 427/600 za C₄-PFN). Suprotno tome, mješavine CO₂/C₄-PFN nude nižu minimalnu radnu temperaturu (otprilike –25 °C) u usporedbi s mješavinama CO₂/C₅-PFK (otprilike –5 °C).

6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV Dead tank vakuumski prekidač

Opis:

40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV i 245kV dead tank vakuumski prekidači su ključni zaštitni uređaji u visokonaponskim električnim sistemima. Koristeći vakuum kao sredstvo za gašenje luka i izolaciju, oni poseduju izvanredne sposobnosti za gašenje luka, brzo prekidaju kvarne struje i učinkovito sprečavaju ponovno zapaljivanje luka kako bi se osigurala stabilna operacija električnog sistema. Dizajn dead tanka nudi kompaktnu površinu i robustnu mehaničku stabilnost, što olakšava instalaciju i održavanje. Opremljeni su visoko pouzdanim mjenjačima sa oprugama, ovi prekidači imaju mehanički vijek trajanja preko 10.000 radnji, obezbeđuju brze i precizne reakcije. S izvanrednom adaptabilnošću na okoliš, mogu raditi stabilno u teškim vanjskim uvjetima. Široko se primjenjuju u pretvorama, prijenosnim linijama i drugim scenarijima, pružajući učinkovitu i sigurnu kontrolu prebacivanja struje i pouzdanu zaštitu na različitim nivoima napona.

Ključne funkcije:

• Učinkovito ugasešće lukova: Koristi vakuum za brzo i pouzdano gašenje luka, sprečavajući ponovno zapaljenje.

• Široki raspon napona: Dostupan u izvedbama od 40.5 kV, 72.5 kV, 145 kV, 170 kV i 245 kV za razne primjene mreže.

• Robustan dizajn s mrtvom bačvom: Kompaktna struktura osigurava mehaničku stabilnost i pojednostavljuje instalaciju/održavanje.

• Pouzdan rad: Mekanički mehanizam rada temeljen na vijaku sa preko 10.000 ciklusa mehaničke izdržljivosti.

• Poboljšana sigurnosna zatvaranja: Dizajn s dvostrukim zglobnim zatvaranjem pruža zaštitu od vode i plinova, idealno za vanjsku upotrebu.