Ultime tendenze di sviluppo degli interruttori ad alta tensione a gas alternativo all'SF₆

1. Introduzione
Lo SF₆ è ampiamente utilizzato nei sistemi di trasmissione e distribuzione dell'energia elettrica, come ad esempio nelle apparecchiature a isolamento a gas (GIS), interruttori (CB) e interruttori di carico a media tensione (MV). Possiede capacità uniche di isolamento elettrico e spegnimento dell'arco. Tuttavia, lo SF₆ è anche un potente gas serra, con un potenziale di riscaldamento globale di circa 23.500 su un orizzonte temporale di 100 anni, pertanto il suo utilizzo è regolamentato e oggetto di discussioni in corso riguardo le restrizioni. Di conseguenza, la ricerca di gas alternativi per applicazioni energetiche è stata condotta per circa due decenni.

Il "Club Zéro" (CZC), in collaborazione con CIGRE, ha recentemente avviato un'iniziativa per valutare lo stato dell'arte dei gas alternativi allo SF₆ per applicazioni di commutazione. È stata condotta una ricerca per raccogliere tutta la letteratura recente disponibile sull'argomento. I risultati sono stati presentati e discussi durante una sessione congiunta alla Sessione CIGRE nel 2016. Questo articolo presenta i principali risultati di quella ricerca. Poiché la tecnologia di commutazione al vuoto costituisce un'attività separata in corso, non sarà trattata in questa revisione.

2. Gas Alternativi

A seguito dell'adozione del Protocollo di Kyoto nel 1997, la ricerca sui gas alternativi si è intensificata e si è ulteriormente incrementata negli ultimi dieci anni. Sono state identificate come requisiti chiave per i gas alternativi: basso potenziale di riscaldamento globale (GWP), zero potenziale di depletazione dello strato di ozono (ODP), bassa tossicità, non infiammabilità, alta resistenza dielettrica, alta capacità di spegnimento dell'arco e dissipazione del calore, stabilità chimica, compatibilità con i materiali e disponibilità sul mercato.

Tra i vari gas di origine naturale studiati, il CO₂ si è rivelato il gas più promettente per lo spegnimento dell'arco, con le sue prestazioni potenzialmente migliorate da additivi come O₂ o CF₄. Tuttavia, gli studi hanno dimostrato che sia le prestazioni di interruzione che quelle di isolamento del CO₂ sono inferiori a quelle dello SF₆. Altri candidati interessanti sono stati identificati tra i gas fluorurati, come CF₃I, idrofluoroolefine (HFO-1234ze e HFO-1234yf), chetoniperfluorurate (ad esempio, C₅F₁₀O), nitriliperfluorurati (C₄F₇N), eteri fluorurati (HFE-245cb2), epossidi fluorurati e idroclorofluoroolefine (HCFO-1233zd).

Considerando tutti i requisiti, i candidati attuali più promettenti sono il chetone perfluorurato C₅ (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ o C₅-PFK) e l'isocianato C₄ perfluorurato ((CF₃)₂CF-CN o C₄-PFN). Per i gas puri, le prestazioni dielettriche sono proporzionali al punto di ebollizione—cioè, i gas con alta resistenza dielettrica hanno solitamente anche punti di ebollizione elevati. A 0,1 MPa, i punti di ebollizione del C₅-PFK e del C₄-PFN sono 26,5°C e –4,7°C, rispettivamente. Pertanto, per le applicazioni di apparecchiature di commutazione che richiedono punti di ebollizione sufficientemente bassi per soddisfare le esigenze operative a basse temperature, devono essere aggiunti gas tampone. A causa della sua buona capacità di spegnimento dell'arco, il CO₂ viene selezionato come gas tampone nelle applicazioni ad alta tensione. Nelle applicazioni a media tensione, si è anche riportato l'uso dell'aria come gas tampone in combinazione con C₅-PFK per scopi di isolamento.

3. Proprietà dei Gas Puri e delle Miscuglia

La tabella 1 presenta le proprietà di alcuni gas alternativi selezionati rispetto allo SF₆. I GWP di questi gas variano significativamente: il C₄-PFN presenta un GWP molto più alto rispetto al CO₂ o al C₅-PFK, entrambi con GWP di circa 1. Tutti i gas candidati di interesse sono non infiammabili, hanno ODP zero e sono riportati come non tossici secondo le schede tecniche e di sicurezza fornite dai produttori chimici. La resistenza dielettrica del C₄-PFN puro e del C₅-PFK è quasi doppia rispetto allo SF₆. La tensione di resistenza dielettrica del CO₂ è comparabile a quella dell'aria—cioè, significativamente inferiore a quella dello SF₆.

Tabella 1: Confronto delle proprietà dei gas puri con lo SF₆

La tabella 2 mostra le caratteristiche dei gas e delle miscele di gas quando utilizzati in apparecchiature commutatrici. Le concentrazioni di C₄-PFN e C₅-PFK nelle miscele con gas tampone sono indicate nella seconda colonna, solitamente inferiori al 13% (concentrazione molare). Si deve notare che per l'uso di C₅-PFK in CO₂, sono stati riportati anche additivi di ossigeno, poiché la presenza di ossigeno può ridurre la formazione di sottoprodotti nocivi (come CO) e sottoprodotti solidi (come fuliggine).

Tabella 2: Caratteristiche/Prestazioni dei Gas Puri e delle Miscela di Gas nelle Applicazioni di Apparecchiature Commutatrici a Media e Alta Tensione

A causa della ridotta tensione di resistenza dielettrica dei composti rispetto allo SF₆ alla stessa pressione (Colonna 6), la pressione minima di funzionamento per C₅-PFK e C₄-PFN con CO₂ come gas tampone nelle applicazioni ad alta tensione deve essere aumentata a circa 0,7–0,8 MPa. Per le applicazioni a media tensione utilizzando miscele di aria/C₅-PFK, una pressione di 0,13 MPa può essere mantenuta, raggiungendo una tensione di resistenza dielettrica vicina a quella dello SF₆.

La elevata tensione di resistenza dielettrica ottenuta con rapporti di miscelazione relativamente bassi di C₄-PFN o C₅-PFK può essere spiegata da un effetto sinergico, ovvero la resistenza dielettrica aumenta in modo non lineare con la concentrazione dell'additivo, un fenomeno precedentemente osservato nelle miscele SF₆/N₂. Il GWP delle miscele C₅-PFK è trascurabile, ma ciò comporta un costo in termini di temperatura minima di funzionamento più elevata. Le applicazioni a bassa temperatura (ad esempio, –25°C) possono essere affrontate utilizzando o CO₂ puro o miscele CO₂ + C₄-PFN, sebbene con compromessi: una notevole riduzione della tensione di resistenza dielettrica nel caso del CO₂ puro, o un GWP sostanzialmente più elevato quando si utilizzano miscele C₄-PFN.

4. Prestazioni di commutazione dei gas alternativi
Il Tabella 3 raccoglie informazioni preliminari sulle prestazioni di commutazione del CO₂ puro e delle miscele a base di CO₂, con le prestazioni dello SF₆ fornite a titolo di confronto. Aumentando la pressione di funzionamento rispetto allo SF₆, la resistenza dielettrica a freddo—utilizzata, ad esempio, come metrica per le prestazioni di commutazione capacitiva—può essere portata al livello dello SF₆.

Tabella 3: Confronto delle prestazioni di commutazione dei gas e delle miscele gassose a pressioni operative elevate rispetto allo SF₆ nelle applicazioni ad alta tensione

Nella letteratura esaminata, sono state trovate solo dichiarazioni qualitative riguardo le prestazioni di commutazione delle miscele C₄-PFN e C₅-PFK. Per il CO₂, sono disponibili alcuni confronti quantitativi. In generale, con CO₂ puro ad una pressione di riempimento aumentata di circa 1 MPa, si può aspettarsi un'isolamento e una prestazione di interruzione di cortocircuito (SLF) di circa due terzi rispetto al SF₆.

Aggiungendo O₂ al CO₂ (con rapporti di miscela fino al 30%), si può prevedere un miglioramento delle prestazioni di interruzione SLF e un leggero aumento della resistenza dielettrica. L'aggiunta di C₄-PFN o C₅-PFK al CO₂ permette di ottenere prestazioni dielettriche che si avvicinano a quelle del SF₆. Studi riferiscono che la prestazione di commutazione SLF delle miscele CO₂/O₂/C₅-PFK è circa il 20% inferiore a quella del SF₆. Al contrario, interruttori specificamente adattati per miscele CO₂/C₄-PFN hanno raggiunto prestazioni SLF paragonabili a quelle del SF₆.

Tuttavia, ci sono anche studi che confrontano direttamente CO₂ puro con miscele CO₂/C₄-PFN e CO₂/C₅-PFK in condizioni geometriche e di pressione identiche, mostrando prestazioni di interruzione termica simili per il CO₂, sia con che senza additivi. Con modifiche di progettazione minime o una modesta derating, le nuove miscele hanno superato con successo i test IEC L90 (SLF) e T100 (100% di guasto terminale), indicando che le loro prestazioni di commutazione non sono significativamente inferiori a quelle del SF₆. Questo è stato dimostrato anche per la funzione di interruzione dell'interruttore.

Ulteriori miglioramenti nelle prestazioni di commutazione attraverso ottimizzazioni di progettazione dedicate sono attesi in futuro. Un problema importante è la tossicità dei gas dopo l'arco. C₅-PFK e C₄-PFN sono molecole complesse che iniziano a decomporre sopra circa 650 °C nel caso del C₄-PFN. In seguito alla decomposizione, queste molecole non ricombinano nella loro struttura originale ma formano frammenti più piccoli. È stato riferito un tasso di decomposizione di 0,5 mol/MJ per le miscele CO₂/O₂/C₅-PFK durante l'interruzione a corrente elevata. Per le scariche parziali, il tasso di decomposizione è stato osservato essere più di un ordine di grandezza inferiore al valore sopra menzionato.

Il comportamento di decomposizione di questi nuovi gas non è direttamente comparabile a quello del SF₆, che si decompone principalmente a causa di reazioni chimiche con materiali abrasivi di contatto e ugelli. Per i nuovi gas, la decomposizione durante la vita del dispositivo non è considerata un problema critico, ma la concentrazione del gas all'interno del dispositivo dovrebbe essere monitorata o verificata periodicamente. I prodotti di decomposizione più tossici nelle applicazioni ad alta pressione (cioè, miscele con CO₂) sono CO e HF. I sottoprodotti dell'arco di queste miscele sono considerati avere una tossicità simile o inferiore a quella del SF₆ decomposto dall'arco. Pertanto, si consigliano procedure di manutenzione simili a quelle utilizzate per il SF₆ esposto all'arco.

Tuttavia, va notato che le affermazioni sopra sono basate su una conoscenza limitata della tossicità di questi nuovi gas. È necessaria ulteriore esperienza riguardo la tossicità post-arco di potenziali alternative al SF₆. Altre preoccupazioni segnalate includono la compatibilità dei materiali (ad esempio, effetti sui sigilli e grassi), l'integrità del sigillaggio del gas e le procedure di manutenzione del gas. Di conseguenza, non si dovrebbe aspettare che le attrezzature ad alta tensione esistenti possano operare in sicurezza con questi nuovi gas senza appropriate modifiche di progettazione o materiali.

Sono stati eseguiti test di arco interno con tutte le miscele, e non sono stati segnalati problemi gravi. La conducibilità termica delle miscele è leggermente inferiore a quella del SF₆, il che potrebbe richiedere una moderata derating o aggiustamenti di progettazione per la capacità di trasporto di corrente. Gli interruttori a circuito chiuso con CO₂ hanno già acquisito esperienza sul campo, con distribuzioni iniziative diversi anni fa, e gli interruttori riempiti con CO₂ sono ora commercialmente disponibili.

Installazioni pilota ad alta e media tensione utilizzando miscele C₅-PFK stanno operando con successo in Svizzera e Germania dal 2015. Progetti pilota utilizzando miscele CO₂/C₄-PFN sono pianificati o in corso in diversi paesi europei, tra cui un GIS interno da 145 kV in Svizzera, un trasformatore di corrente esterno da 245 kV in Germania e sistemi GIL esterni da 420 kV nel Regno Unito e in Scozia.

5. Conclusioni e prospettive
Sono state esaminate le informazioni pubblicate sui gas alternativi al SF₆ per le applicazioni di commutazione. Attualmente, questa ricerca è ancora nelle sue fasi iniziali e molto meno estesa rispetto al corpo di lavoro decennale sul SF₆. I dati disponibili dai produttori indicano che i nuovi gas, come C₅-PFK e C₄-PFN, sono opzioni fattibili che, quando mescolati con CO₂ come gas tampone, possono in parte eguagliare le prestazioni del SF₆, sebbene potrebbero non replicare completamente tutte le capacità del SF₆.

Le differenze principali si trovano nelle prestazioni di isolamento e interruzione, nonché nel punto di ebollizione, che determina la temperatura minima operativa specificata degli apparati di commutazione. Una bassa temperatura minima operativa (ad esempio, –50 °C) può essere ottenuta con CO₂ puro. Tuttavia, il CO₂ sembra presentare in generale prestazioni di interruzione inferiori, specialmente in termini di resistenza ai picchi di tensione di recupero e capacità di interruzione, rispetto alle miscele di gas contenenti C₄-PFN o C₅-PFK.

Un vantaggio delle miscele CO₂/C₅-PFK rispetto alle miscele CO₂/C₄-PFN è il loro GWP trascurabile (~1 vs. 427/600 per C₄-PFN). Al contrario, le miscele CO₂/C₄-PFN offrono una temperatura minima operativa inferiore (circa –25 °C) rispetto alle miscele CO₂/C₅-PFK (circa –5 °C).

6. Interruttore a vuoto 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV Dead tank

Descrizione:

Gli interruttori a vuoto 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV e 245kV Dead tank sono dispositivi di protezione essenziali per i sistemi di energia ad alta tensione. Utilizzando il vuoto come mezzo di spegnimento dell'arco e isolante, presentano eccezionali capacità di spegnimento dell'arco, interrompendo rapidamente le correnti di guasto e prevenendo efficacemente la riaccesa dell'arco per garantire l'operatività stabile del sistema di energia. Il design Dead tank offre una piccola impronta e stabilità meccanica robusta, facilitando l'installazione e la manutenzione. Dotati di meccanismi di azionamento a molla altamente affidabili, questi interruttori hanno una durata meccanica superiore a 10.000 operazioni, fornendo risposte rapide e precise. Con un'eccellente adattabilità ambientale, possono operare in modo stabile in condizioni esterne difficili. Ampiamente utilizzati in centri di trasformazione, linee di trasmissione e altre situazioni, forniscono controllo efficiente e sicuro della commutazione dell'energia e protezione affidabile a vari livelli di tensione.

Introduzione alle funzioni principali:

• Spegnimento efficiente dell'arco: utilizza il vuoto per un spegnimento rapido e affidabile dell'arco, prevenendo la riaccesa.

• Ampia gamma di tensioni: disponibile in versioni da 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV e 245kV per applicazioni flessibili nella rete elettrica.

• Progettazione robusta a serbatoio morto: struttura compatta che garantisce stabilità meccanica e semplifica l'installazione e la manutenzione.

• Operatività affidabile: meccanismo di funzionamento a molla con oltre 10.000 cicli di resistenza meccanica.

• Sigillatura migliorata: design a flangia doppio sigillo che offre protezione impermeabile e stagnota, ideale per uso all'aperto.