Nýjustu þróunartrendir hjá SF₆ samskiptagassbundið hágildis straumskiptum

1. Inngangur
SF₆ er víðtæklega notað í rafbænum orkutengslum og dreifikerfum, eins og gassinsulatögu (GIS), stöðvarbrotara (CB) og miðvöldalagabrotara (MV). Það hefur einstakt einkenni af elektrískri insúlkeringu og bogaleyslu. Hins vegar er SF₆ einnig kraftmikill grínhausgjafi með áhrifamátt um 23.500 yfir 100 ára tímaás, og notkun hans er regluð og fyrirlestri áfram um takmarkanir. Þess vegna hefur rannsókn á sýkjum gassum fyrir orkutækni verið framkvæmd um allt svæði alnar.

"Club Zéro" (CZC), í samstarfi við CIGRE, hafði nýlega fram á að meta staðreyndina um SF₆ sýkjagaesi fyrir skiptingaraefni. Rannsókn var framkvæmd til að safna öllum lausnum ritgerðum um þetta efni. Niðurstöðurnar voru framfærðar og ræddar á sameiningarsérsæti á CIGRE-sérsætinu 2016. Þessi ritgerð birtir helstu niðurstöður þessarrar rannsókar. Vegna þess að vakuumskiptingartechnología stendur fyrir sérhverju áframferðarverkefni, verður ekki fjallað um hana í þessari yfirliti.

2. Sýkjagaesi

Eftir að Kiotóprotokollinn var tekin til við 1997, hefur rannsókn á sýkjugaesi aukast og verið frekar meiri síðustu áratug. Aukaforsendur fyrir sýkjugaesi hafa verið markað sem: lágt áhrifamátt á grínhausgjafa (GWP), núll áhrifamátt á ozonlag (ODP), lágt efnisgefar, óeldandi, hátt insúlkerinu, há bógleyslu- og hitasprettuforrit, efnavæðing, efnavirkni og markaðarauka.

Meðal margra náttúrulegra gassa sem hafa verið rannsakað, hefur CO₂ komist fram sem mest lögreglulegur bógleyslugass, með möguleika á aukun áframtöku með tilskeytingum eins og O₂ eða CF₄. En rannsóknir hafa sýnt að bæði brotunar- og insúlkerinu af CO₂ eru lægri en hjá SF₆. Aðrar spennandi valkostir hafa verið fundnir í flúrþungum gassum, eins og CF₃I, hydrofluoroolefin (HFO-1234ze og HFO-1234yf), perfluoroketones (til dæmis, C₅F₁₀O), perfluoronitriles (C₄F₇N), fluorinated ethers (HFE-245cb2), fluorinated epoxides, og hydrochlorofluoroolefins (HCFO-1233zd).

Með tilliti til allra forsendna, eru C₅ perfluoroketone (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ eða C₅-PFK) og iso-C₄ perfluoronitrile ((CF₃)₂CF-CN eða C₄-PFN) núverandi bestu valkostarnir. Fyrir hrein gass, er insúlkerinu hlutfallslega samhverfa við kveikpunkt—þ.e., gassar með hátt insúlkerinu hafa oftast háa kveikpunkta. Á 0,1 MPa, eru kveikpunktar C₅-PFK og C₄-PFN 26,5°C og –4,7°C, á sama tíma. Því, fyrir skiptingarefni sem biðja um nægilega lága kveikpunkta til að uppfylla kröfur um lágtemperatur, verða búfgassir bættir við. Af því að CO₂ hefur góða bógleyslugetu, er hann valinn sem búfgass í hágildismálum. Í miðgildismálum hefur líka verið tilkynnt að loft sé notað sem búfgass í sameiningu við C₅-PFK til insúlkerinar.

3. Eiginleikar hreins og gassameisla

Tafla 1 sýnir eiginleika valda sýkjugaesa í samanburði við SF₆. GWPs gassa munast mikilvægt: C₄-PFN sýnir mikið hærra GWP en CO₂ eða C₅-PFK, bæði með GWP um 1. Allir valdir gassar eru óeldandi, með núll ODP, og eru tilkynndir sem óeinfaldlegir eftir tekniskum og öryggisupplýsingaskrár frá efnaverksmönnum. Insúlkerinu hreins C₄-PFN og C₅-PFK er næstum tvöfalt meira en hjá SF₆. Insúlkerinu viðspilavolt CO₂ er jafnt og hjá loptu—þ.e., mjög lágra en hjá SF₆.

Tafla 1: Samanburður eiginleika hreins gassar við SF₆

Tafla 2 sýnir eiginleika enns og blanda ens sem notaðar eru í skiptavélar. Samsetning C₄-PFN og C₅-PFK í blandum með miðblandi er gefin í öðru dálki, venjulega undir 13% (molfræðileg samsetning). Það ætti að merkja að við notkun C₅-PFK í CO₂ hafa einnig verið tilkynnt ofvitundaraðgerðir, þar sem tilvara öxugangs getur minnkað myndun hærskildra afleiðinga (svo sem CO) og fastu afleiðinga (svo sem smola).

Tafla 2: Eiginleikar/þróun enns og blandanna í mið- og háspennuskiptavélar

Vegna lægri dielektrískra stöðugleikastra C₅-PFK og C₄-PFN með CO₂ sem búfrágas samanburði við SF₆ á sama þrýsting (Dálkur 6), þarf að hækka lágmarksþrýstinginn fyrir C₅-PFK og C₄-PFN með CO₂ sem búfrágas í hágildistengslum til um 0.7–0.8 MPa. Fyrir miðgildistengsl sem nota blöndu af lofti og C₅-PFK, getur verið haldið þrýstingu á 0.13 MPa, en þá er nálgunaraðili dielektrískrar stöðugleika eins og hjá SF₆.

Hár dielektrískur stöðugleiki sem náð er með lágra hlutföllum C₄-PFN eða C₅-PFK má skýra með samstarfsaðil—þ.e. dielektrísk styrkur stækkar ólínulega með mækihnúkningarsamhengi, fyrirbæri sem áður hefur verið athugað í blöndum af SF₆/N₂. GWP C₅-PFK blöndu er nægilega litla, en það kemur á kostnað hærri lágmarksþrýstingstempers. Lágtembra notkun (t.d. –25°C) getur verið tekin fram með rennum CO₂ eða blöndu af CO₂ + C₄-PFN, en með kostnað: mjög lægrar dielektrískrar stöðugleikar í tilviki rennsins CO₂, eða markmiðað hærri GWP við notkun blöndu af C₄-PFN.

4. Skiptifærsla sveiksni gás
Tafla 3 samanstendur upplýsingar um skiptifærslu rennsins CO₂ og CO₂-bundið blöndu, með SF₆ fyrir samanburð. Með því að hækka virkniþrýstinginn samanburði við SF₆, getur kyltur dielektrískur styrkur—sem t.d. er notaður sem mælikvarði fyrir kapassmagnsskiptifærslu—verið hafð upp að stigi SF₆.

Tafla 3: Samanburður á skiptifærslu gás og gásblöndu við hækkaðan virkniþrýsting samanburði við SF₆ í hágildistengslum

Í yfirferðar ritum var einungis hægt að finna gagnrýndar lýsingu á skiptingarafköstum blanda af C₄-PFN og C₅-PFK. Fyrir CO₂ eru nokkrar kvantitativar samanburðarupplýsingar tiltækar. Almennt verður með hreinu CO₂ við aukin fyllingarspenni um 1 MPa búist til að vinna út skilgreindar skiptingarafköst sem eru um þriðjunginn af SF₆.

Með því að bæta O₂ við CO₂ (með blandnisbili upp í 30%) er hægt að reikna með aukningu í skiptingarafköstu SLF og línulegum stöðugleika. Með því að bæta C₄-PFN eða C₅-PFK við CO₂ er hægt að ná stöðugleika sem nærar að SF₆. Rannsóknir segja að skiptingarafköst blendana af CO₂/O₂/C₅-PFK séu um 20% lægra en hjá SF₆. Í mótsögu hefur verið kynnt að skiptingar sem eru sérstaklega aðlagaðar fyrir CO₂/C₄-PFN blendi geti náð SLF afköstum sem eru jafngildir SF₆.

Þó svo eru til rannsóknir sem bera saman hrein CO₂ við blendi af CO₂/C₄-PFN og CO₂/C₅-PFK undir sama rúmmálsgildi og spennu, sem sýna líka mikilvæga nærhversskiptingarafköst fyrir CO₂ hvort með eða án bætistofnana. Með smá hönnunar breytingum eða lítilli dreifingu hafa nýju blendin orkuð að ganga gegn IEC prófsmálum L90 (SLF) og T100 (100% endaskipting), sem bendir til að skiptingarafköst þeirra séu ekki merkilega ljóðari en hjá SF₆. Þetta hefur líka verið sýnt fyrir skiptingarafköstum.

Áætlað er að frekari betur á skiptingarafköstum verði náð með aðlagaðum hönnunaroptimumum í framtíðinni. Mikilvæg málefur er giftmæti lofta eftir ark. C₅-PFK og C₄-PFN eru flóknir sameindir sem byrja að brosa of 650 °C í tilfelli C₄-PFN. Við brosun brosa þessir sameindir ekki aftur í upprunalegar struktúrur heldur mynda þeir minni hlutabrot. Hefur verið framfarað að brosunartaktur af 0.5 mol/MJ fyrir blendi af CO₂/O₂/C₅-PFK við hágildis skiptingar. Fyrir hlutskiptingar var brosunartakturur athugaður vera meira en ein tening slækkari en áður nefndu gildi.

Brosunarkenningin nýju gasanna er ekki beint sameiginleg við SF₆, sem brosar aðallega vegna efnum sem komast af tóku og sværifrum. Fyrir nýju gasana er brosun yfir tímabil hugbúnaðar ekki talin vera alvarleg málefur, en skyldi halda vakt á koncentrasi gasanna innan hugbúnaðarins eða skoða það reglulega. Ofgiftamikilvægustu brosunarfræðini í háspenna notkun (þ.e. blendi með CO₂) eru CO og HF. Ark-brosunarfæðingar þessa blendanna eru talnar vera jafngiftar eða ljóðari en brosunar-SF₆. Því miður er ráðlagt að nota sömu skipulag fyrir ark-exposed SF₆.

Hafið í huga að ofangreindar segðir byggja á takmarkaðri þekkingu á giftmæti nýju gasanna. Þarf að fá meiri reynslu á eftir-ark-giftmæti mögulegra SF₆-alternatíva. Aðrar kjörðar ætti að taka tillit til eins og efnaverðar (t.d. áhrif á tjald og greifar), sperru fullkomleika gasa, og skipulag fyrir notkun gasa. Því miður er ekki væntað að núverandi háspenna hugbúnaður virki örugglega með nýju gasum án viðeigandi hönnunar eða efnaverðarbreytinga.

Innstakar ark-próf hafa verið gerðir með öllum blendum, og engin alvarleg vandamál hafa verið kominn fram. Hitaleiðni blendanna er smá ljóðari en hjá SF₆, sem gæti kröftuð litið dreifingu eða hönnunarbreyingar fyrir straumferð. CO₂-lífstaður skiptingarhjól hafa nú verið prófað og staðfest, og CO₂-fyllt skiptingarhjól eru nú fyrir handa á markaðinum.

Há- og miðalspjalla prufur sem nota C₅-PFK blendi hafa verið keyptar og keyrðar í Sviss og Þýskaland síðan 2015. Prufur sem nota CO₂/C₄-PFN blendi eru planaðar eða í gangi í mörgum Evrópuslöndum, þar á meðal 145 kV innihús GIS í Sviss, 245 kV úthús straummyndara í Þýskalandi, og 420 kV GIL kerfi í Bretlandi og Skotlandi.

5. Ályktanir og útsýni
Hefur verið skoðað upplýsingar um SF₆-varamöguleika fyrir skiptingar. Í þessu skiptingu er rannsókn enn í upphafi og mun minni en áratalin rannsókn á SF₆. Útgáfudæmi veitir að nýju gasum - eins og C₅-PFK og C₄-PFN - er hægt að nota sem viðeigandi valkosti, sem, með CO₂ sem skyddargas, geta komið að hluta SF₆ afköstum, en ekki fullt uppfylla allar aðferðir SF₆.

Kostgildi eru í skilgreindum skiptingarafköstum og spennuskyldu, sem og hitapunkt - sem ákveður lágmarks notkunshitapunkt skiptingahjóls. Með hreinu CO₂ er hægt að ná lágmörkum notkunshitapunkti (t.d. –50 °C). En CO₂ virðist hafa almennlega lægari skiptingarafköst, sérstaklega í viðhaldið af skiptingarafköstum og skiptingarafköstum, í samanburði við gasblendin sem innihalda C₄-PFN eða C₅-PFK.

Forskur á CO₂/C₅-PFK blendi og CO₂/C₄-PFN blendi er að GWP fyrir CO₂/C₅-PFK er næstum neyslu (um 1 samanburði við 427/600 fyrir C₄-PFN). Í mótsögu býða CO₂/C₄-PFN blendi lægri lágmarksnotkunshitapunkt (um –25 °C) í samanburði við CO₂/C₅-PFK blendi (um –5 °C).

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

Lýsing:

40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV, og 245kV Dead tank Vacuum Circuit-Breakers eru grunnlega verndarhlutir fyrir háspenna rafbúnað. Með notkun vakuum sem ark-skilgræðing og skilgræðingameðium, hafa þeir framúrskarandi ark-skilgræðingarafköst, skipta hratt og ákvörðuð í skiptingar, og tryggja að engar ark reyna að endurtækast, til að tryggja örugga og stöðugan rafbúnað. Hönnun dead tank býður fjölbreyttu og stöðugri verkrofi, sem auðveldar uppsetningu og viðhaldi. Með hæfilega trúplegum fjörmælaskeiðum, hafa þessi skiptingarhjól mekanísk líftíma yfir 10,000 keyrslur, sem gefur hratt og nákvæm svara. Með frábærri umhverfisviðhorf, hafa þeir aðgerðarmöguleika til að vinna stöðugt í harðum úthússkilyrðum. Nýtt víðfebrar í skiptistöðum, flutningsleiðum, og öðrum atburðum, tryggja þeir gildandi og örugga rafskiptingarstýringu og vernd á mismunandi spennu.

Yfirlit yfir aðal eiginleikana:

• Hágæð dreifbrot: Notar vakúm til hraða og treysts dreifbrots, sem hindrar endurveldu.

• Breið spönnusvið: Útgáfa í 40,5kV, 72,5kV, 145kV, 170kV og 245kV spännunum fyrir margþætt netanvendanir.

• Stöðugur dauður tanki hönnun: Smál en stöðugur uppbygging sem einfaldar uppsetningu og viðhaldi.

• Treyst verking: Frjóshögg á skipunarkerfi með yfir 10.000 mekanískum keyrsluhörum.

• Aukin löðun: Tvöfaldaður löðunarfletti sem býður vatnsheldur og loftlöðunarskyld, mjög viðeigandi fyrir utanverða notkun.