Legfrissebb fejlesztési trendek az SF₆-alternatív gázalapú magfeszültségű átmenetek esetében

1. Bevezetés
Az SF₆ széles körben használatos az elektromos energiaátviteli és -elosztó rendszerekben, mint például a gázizolált váltókészülékek (GIS), áramkiezeltők (CB) és középhatású (MV) terhelés-váltók. Kiváló elektrikus izolációs és ívkioltó képességeket mutat. Azonban az SF₆ erős üdehajtást okozó gáz is, amelynek globális felmelegedési potenciálya kb. 23 500, ami miatt használata szabályozott, és folyamatosan vitatják a korlátozásokat. Ennek következtében már két évtizede folyik kutatás alternatív gázokról energetikai alkalmazásokhoz.

A "Club Zéro" (CZC) a CIGRE együttműködésében mostanra indított egy kezdeményezést, hogy felmérje az SF₆ alternatív gázainak jelenlegi állapotát kapcsolódó alkalmazásokban. Végzett felmérés során összegyűjtötték a témával kapcsolatos legfrissebb irodalmat. Az eredményeket bemutatták és megvitatották a 2016-os CIGRE konferencián tartott közös munkameneten. Ez a cikk a felmérés főbb találmányait ismerteti. Mivel a vakuum kapcsoló technológia különálló tevékenységet jelent, ezért ebben a felülvizsgálatban nem foglalkozunk vele.

2. Alternatív gázok

A Kyoto-i Jegyzőkönyv elfogadása után 1997-ben intenzívebbé vált az alternatív gázok kutatása, és az elmúlt évtizedben tovább növekedett. Az alternatív gázok kulcsfontosságú követelményei a következők: alacsony globális felmelegedési potenciál (GWP), nulla ozonkényszer-eltapadási potenciál (ODP), alacsony mérgező hatás, lángrettenetes, magas izolációs erejű, nagy ívkioltó és hőledési képesség, kémiai stabilitás, anyagkompatibilitás és piaci elérhetőség.

A különböző természetes forrásból származó gázok közül a CO₂ bizonyult a legjanalmasabb ívkioltó gáznak, amelyet O₂ vagy CF₄ hozzáadásával lehet javítani. Ugyanakkor a tanulmányok azt mutatták, hogy a CO₂ megszakító és izoláló teljesítménye alacsonyabb, mint az SF₆. Más érdekes jelöltek a fluorált gázok között, mint például a CF₃I, a hidrofluoroolefinök (HFO-1234ze és HFO-1234yf), a perfluorketonok (pl. C₅F₁₀O), a perfluornitrilök (C₄F₇N), a fluorált éterek (HFE-245cb2), a fluorált epoxidok és a hidroklorofluoroolefinök (HCFO-1233zd).

Minden követelmény figyelembe vételével a legjanalmasabb jelenlegi jelöltek a C₅ perfluorketon (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ vagy C₅-PFK) és az izo-C₄ perfluornitril ((CF₃)₂CF-CN vagy C₄-PFN). A tiszta gázoknál az izolációs teljesítmény arányos a forrásponttal, azaz a magas izolációs erejű gázok általában magas forrásponttal is rendelkeznek. 0,1 MPa-nál a C₅-PFK és a C₄-PFN forráspontja rendre 26,5°C és –4,7°C. Tehát az olyan kapcsoló berendezések alkalmazásához, amelyekhez alacsony forráspontú gázok szükségesek a hideg működési feltételekhez, hozzá kell adni puffergázokat. A jó ívkioltó képessége miatt a CO₂ választott puffergáz a magasfeszültségi alkalmazásokban. A középfeszültségi alkalmazásokban az égboltot is jelentették, amit C₅-PFK-vel kombinálva használnak izoláció céljából.

3. Tiszta gázok és gázkeverékek tulajdonságai

A 1. táblázat a kiválasztott alternatív gázok tulajdonságait mutat az SF₆-hez képest. A gázok GWPe-i jelentősen eltérőek: a C₄-PFN sokkal magasabb GWP-jel mutatkozik, mint a CO₂ vagy a C₅-PFK, amelyek GWPe-i kb. 1. Minden érdekes jelölt gáz lángrettenetes, nulla ODP-vel rendelkezik, és a vegyüanyaggyártók által nyújtott technikai és biztonsági adatlapok szerint nem mérgező. A tiszta C₄-PFN és C₅-PFK izolációs ereje majdnem kétszerese az SF₆-nek. A CO₂ izolációs viszonylagos feszültsége hasonló az égboltéhoz, azaz jelentősen alacsonyabb, mint az SF₆.

Táblázat 1: Tiszta gázok tulajdonságainak összehasonlítása az SF₆-vel

Táblázat 2. a gázok és gázkeverékek jellemzőit mutatja, amikor használják áttengőkészülékekben. A C₄-PFN és C₅-PFK koncentrációja a buffergázokkal készített keverékekben a második oszlopban található, általában 13% alatt (mól koncentráció). Jelentős, hogy a C₅-PFK használata CO₂-ben esetén szintén oxigén hozzáadásról számoltak be, mivel az oxigén jelenléte csökkentheti a káros melléktermékek (mint például a CO) és száraz anyagú melléktermékek (mint például a füst) képződését.

Táblázat 2: Tiszta gázok és gázkeverékek jellemzői/eredményessége közép- és magasfeszültségű áttengőkészülékekben

Mivel a keverékek izoláló ereje azonos nyomás mellett (6. oszlop) alacsonyabb, mint az SF₆-nak, a C₅-PFK és a C₄-PFN CO₂ puffergázzal történő használata magas feszültségű alkalmazásokban megköveteli, hogy a minimális működési nyomást növeljük körülbelül 0,7–0,8 MPa-ra. Közepes feszültségű alkalmazások esetén, amikor levegő/C₅-PFK keveréket használnak, 0,13 MPa nyomás maradhat, ami közel áll az SF₆ izoláló erejéhez.

A C₄-PFN vagy C₅-PFK relatíve alacsony keverési arányai által elérhető magas izoláló erejét szinergia hatásra lehet visszavezetni—azaz, a dielektrikus erősség nemlineárisan növekszik az additív koncentrációval, egy korábban már megfigyelt jelenség SF₆/N₂ keverésekben. A C₅-PFK keverések globális felmelegedési potenciálja elhanyagolható, de ez magasabb minimális működési hőmérsékletet jelent. Alacsony hőmérsékletű alkalmazások (pl. –25°C) esetén használhatók tiszta CO₂ vagy CO₂ + C₄-PFN keverések, bár ennek árat kel kell fizetni: jelentősen csökkenő izoláló erejű tiszta CO₂, vagy jelentősen magasabb GWP érték C₄-PFN keverések esetén.

4. Alternatív gázok kapcsolószemélyessége
Az 3. táblázat összefoglaló információkat tartalmaz a tiszta CO₂ és a CO₂-alapú keverések kapcsolószemélyességéről, az SF₆ teljesítménye pedig összehasonlítás céljából van megadva. Az SF₆-hez képest növelt működési nyomás segítségével a hideg izoláló erejet—amely például a kondenzátor-kapcsoló teljesítményének mérőszáma—fel lehet emelni az SF₆ szintjére.

Táblázat 3: Gázok és gázkeverések kapcsolószemélyességének összehasonlítása emelt működési nyomás mellett az SF₆-hez képest magas feszültségű alkalmazásokban

A felülvizsgált irodalomban csak minőségi állítások találhatók a C₄-PFN és C₅-PFK keverékek kapcsolóteljesítményéről. A CO₂ esetében néhány mennyiségi összehasonlítás is elérhető. Általánosságban elmondható, hogy tiszta CO₂ esetén, körülbelül 1 MPa növekedett töltési nyomáson, a szigetelési és rövidvillamos hiba (SLF) megszakító teljesítmény kb. a SF₆ kétszerese várható.

Az O₂ hozzáadásával a CO₂-hez (legfeljebb 30%-os keveréki arányban) javulás várható az SLF megszakító teljesítményben és enyhén növekszik a dielektrikus erősség. A C₄-PFN vagy C₅-PFK hozzáadása a CO₂-hoz lehetővé teszi, hogy a dielektrikus teljesítmény megközelítse a SF₆-t. A tanulmányok szerint a CO₂/O₂/C₅-PFK keverékek SLF kapcsolóteljesítménye kb. 20%-kal alacsonyabb, mint a SF₆. Ellenben azt állítják, hogy a CO₂/C₄-PFN keverékekre specifikusan alkalmazkodott áramtörők SLF teljesítményt érnek el, ami hasonlítható a SF₆-val.

Ugyanakkor vannak olyan tanulmányok is, amelyek közvetlenül összehasonlítják a tiszta CO₂-t a CO₂/C₄-PFN és CO₂/C₅-PFK keverékekkel azonos geometriában és nyomásban, és ezek hasonló közeli zóna (hőmérsékleti) megszakító teljesítményt mutatnak a CO₂-nél, függetlenül attól, hogy adalékanyagok vannak-e benne. Kisebb tervezési módosítások vagy enyhe határengedmények mellett a keverékek sikeresen teljesítették az IEC L90 (SLF) és T100 (100% végső hiba) vizsgálati feladatait, ami azt jelenti, hogy a kapcsoló teljesítményük nem jelentősen rosszabb, mint a SF₆. Ez a törő funkcióra is igazolt.

A jövőben további fejlesztések várhatók a kapcsoló teljesítményben dedikált tervezési optimalizációk révén. Egy fontos kérdés a gázok toxikussága a villamután. A C₅-PFK és a C₄-PFN összetett molekulák, amelyek a C₄-PFN esetében körülbelül 650 °C fölött kezdnek bomlani. A bomlás során ezek a molekulák nem egyesülnek vissza eredeti szerkezetükbe, hanem kisebb részeket formálnak. A CO₂/O₂/C₅-PFK keverékek esetében 0,5 mol/MJ bomlási rátát jelentettek nagy áramerősségű megszakításnál. Részleges kiadás esetén a bomlási ráta több tízszer alacsonyabb volt, mint az említett érték.

Ezek új gázok bomlásviselkedése nem közvetlenül hasonlítható a SF₆-val, amely elsősorban kémiai reakciók révén bontódik le a lebaltogatott kapcsoló- és szopóanyagokkal. Az új gázok esetében a berendezés élettartama alatt a bomlás nem tekintendő kritikus kérdésként, de a gáz koncentrációját a berendezésen belül figyelni kell, vagy időnként ellenőrizni. A legtoxikusabb bomlást termelő anyagok magas nyomású alkalmazásokban (azaz CO₂ keverékekben) a CO és HF. Ezek a keverékek bomlásával keletkező anyagok toxicitása hasonló vagy alacsonyabb, mint a SF₆ bomlásával keletkező anyagok. Ezért ajánlottak a villamután kitett SF₆ kezeléséhez hasonló eljárások.

Azonban meg kell jegyezni, hogy a fenti állítások korlátozott ismeretek alapján készültek az új gázok toxicitásáról. További tapasztalat szükséges a potenciális SF₆ alternatívák utáni toxicitásáról. Más jelentkezett aggodalmak közé tartozik a anyagkompatibilitás (pl. hatás a szellőzések és zsírozatokra), a gázszellőzés integritása, valamint a gázkezelési eljárások. Ennek következtében a meglévő nagyfeszültségi berendezések nem működhetnek biztonságosan ezekkel az új gázokkal anélkül, hogy megfelelő tervezési vagy anyagbeli módosításokat végeznek rajtuk.

Belső villamvizsgálatok végzésre kerültek minden keveréknél, és komoly problémákat nem jelentettek. A keverékek hővezető képessége kissé alacsonyabb, mint a SF₆, ami enyhe határengedményt vagy tervezési módosításokat kívánhat a vezetőkapacitás szempontjából. A CO₂ élő tankú áramtörők már gyakorlati tapasztalatot szereztek, az üzembe helyezések pár évvel ezelőtt kezdődtek, és a CO₂-töltött áramtörők már kereskedelmi elérhetőséggel rendelkeznek.

Magas- és közepes feszültségű pilottelepítések C₅-PFK keverékekkel sikeresen működnek Svájcban és Németországban 2015 óta. Pilotprojektjeink CO₂/C₄-PFN keverékekkel tervezés alatt vannak vagy már folyamatban vannak több európai országban, beleértve egy 145 kV belső GIS-t Svájcban, egy 245 kV külső áramerősítőt Németországban, valamint külső 420 kV GIL rendszereket az Egyesült Királyságban és Skóciában.

5. Következtetések és kilátás
A SF₆ alternatív gázairól kapcsolóalkalmazásokra vonatkozóan publikált információk felülvizsgálatra kerültek. Jelenleg a kutatás korai szakaszban van, és messze nem olyan kiterjedt, mint a SF₆-ről szóló évtizedek hosszú munkája. A gyártók által elérhető adatok szerint az új gázok, mint például a C₅-PFK és a C₄-PFN, viabilitású opciók, amelyek, ha CO₂ buffergázzal keverik, részben megközelítik a SF₆ teljesítményét, bár nem teljesen replikálják a SF₆ összes képességét.

A kulcsfontosságú különbségek a szigetelési és megszakító teljesítmény, valamint a forraláspont, amely meghatározza a kapcsolóberendezés minimálisan előírt működési hőmérsékletét. Alacsony minimális működési hőmérséklet (pl. –50 °C) elérhető tiszta CO₂-vel. Azonban a CO₂ általában alacsonyabb megszakító teljesítményt mutat, különösen a helyreállító feszültség csúcsálló és megszakító képessége tekintetében, a C₄-PFN vagy C₅-PFK tartalmú gázkeverékekkel összehasonlítva.

A CO₂/C₅-PFK keverékek előnye a CO₂/C₄-PFN keverékekkel szemben a negligeálható GWP-jük (kb. 1 vs. 427/600 a C₄-PFN esetében). Ugyanakkor a CO₂/C₄-PFN keverékek alacsonyabb minimális működési hőmérsékletet (kb. –25 °C) kínálnak, mint a CO₂/C₅-PFK keverékek (kb. –5 °C).

6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV Halott tankú Vakuumban működő Áramtörő

Leírás ：

A 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV és 245kV halott tankú vakuumban működő áramtörők létfontosságú védelmi eszközök a magasfeszültségi áramellátó rendszerek számára. A vakuumban működő arcmelegítő és izoláló közeg segítségével kiváló arcmelegítő képességekkel rendelkeznek, gyorsan megszakítják a hibajáratokat, és hatékonyan megelőzik az arc újraindulását, így biztosítva a stabil áramellátó rendszer működést. A halott tankú tervezés kompakt alapterületet és robust mechanikai stabilitást kínál, ami megkönnyíti a telepítést és karbantartást. Magas megbízhatóságú rugóoperációs mechanizmusokkal felszerelt, ezek az áramtörők 10,000-es működési élettartamot biztosítanak, gyors és pontos válaszidővel. Kiváló környezeti alkalmazkodó képességgel rendelkeznek, és stabil működést biztosítanak kemény körülmények között is. Széles körben alkalmazva átalakítóállomásokban, átvitelvezetőkben és más forgatókönyvekben, hatékony és biztonságos áramellátó irányítást és megbízható védelmet nyújtanak különböző feszültségi szinteken.

Fő funkciók bemutatása:

• Hatékony ív kikapcsolás: Vakuum használata gyors és megbízható ív kikapcsoláshoz, az újra-izelés megelőzése érdekében.

• Széles feszültség tartomány: 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV és 245kV-os fokozatokban elérhető, sokoldalú hálózati alkalmazásokhoz.

• Robusztus dead tank tervezés: Kompakt szerkezet biztosítja a mechanikai stabilitást, egyszerűsíti a telepítést és karbantartást.

• Megbízható működés: Rugó alapú működtető mechanizmus, amely felett 10,000 mechanikai tartósodási ciklust biztosít.

• Fejlett szegélyezés: Dupla szegélyes csatlakozó tervezés víz- és gázszoros védelmet nyújt, ideális szabadban való használatra.