უკანასკნელი განვითარების ტენდენციები SF₆ ალტერნატიული აირის მოხმარებით დამატებული ძაბვის შუქის დაჭერებზე
1. შესავალი
SF₆ ფართოდ გამოიყენება ელექტრო ენერგიის ტრანსპორტირებისა და დისტრიბუციის სისტემებში, როგორიცაა გაზით დაკავშირებული ჩართვის და გამორთვის ხელახალი (GIS), შერეული და გამორთვის მართველი (CB) და საშუალო დარტყმის (MV) ჩართვის მართველი. ის არის უნიკალური ელექტრო იზოლაციისა და დარტყმის წარმოქმნის შესაძლებლობების მქონე. თუმცა, SF₆ ასევე არის ძალიან ძლიერი გლეხის აღმოფხვრის არასასურველი გაზი, რომელიც 100-წლიანი პერიოდის განმავლობაში აქვს ახლოს 23,500 გლეხის აღმოფხვრის პოტენციალი, ამიტომ მისი გამოყენება რეგულირებულია და განხილვაში არის შეზღუდვების შესახებ. შედეგად, პროგრესული გაზების შესახებ კვლევა დაიწყო დაახლოებით რამდენიმე ათწლეულის წინ.
"Club Zéro" (CZC)-მა, CIGRE-ის თანამშრომლობით, ახლახან დაიწყო ინიციატივა შესახებ შეფასება შემდეგი სახის შესახებ: SF₆-ის ალტერნატიული გაზები ჩართვის აპლიკაციებისთვის. შედგა კვლევა ყველა ხელმისაწვდომი ახალი ლიტერატურის შესახებ ამ თემაზე. შედეგები დაიწყო დაწერა და განხილვა შეერთებული სესიისას 2016 წელს CIGRE-ში. ეს სტატია წარდგენს მთავარ შედეგებს ამ კვლევისა. რადგან ვაკუუმის ჩართვის ტექნოლოგია არის ცალკე დარჩენილი აქტივობა, ის არ იქნება შეფასებული ამ რევიზიაში.
2. ალტერნატიული გაზები
კიოტოს პროტოკოლის მიღების შემდეგ 1997 წელს, ალტერნატიული გაზების შესახებ კვლევა გახარისხდა და ბოლო ათწლეულში კი უფრო გაიზარდა. ალტერნატიული გაზების სამართლებრივი მოთხოვნები იდენტიფიცირებულია როგორც: დაბალი გლეხის აღმოფხვრის პოტენციალი (GWP), ნულოვანი ჰაერის დანაკლების პოტენციალი (ODP), დაბალი ტოქსიკურობა, არადამატებადობა, მაღალი დიელექტრული ძალა, მაღალი დარტყმის წარმოქმნის და თეპლოს გასართილებლობა, ქიმიური სტაბილობა, მასალებისთვის თანხმობა და ბაზრო ხელმისაწვდომობა.
სხვადასხვა ბუნებრივად წყაროდ გამოყოფილი გაზების შესახებ შესახებ, CO₂ გამოჩნდა ყველაზე პროგრესული დარტყმის წარმოქმნის გაზი, რომლის მომხმარებელი შესაძლებლობები შეიძლება გაუმჯობესდეს O₂ ან CF₄ დამატებით. თუმცა, კვლევები გამოჩენილია, რომ დარტყმის და იზოლაციის შესახებ CO₂-ის შედეგები დაკარგებულია შედარებით შესახებ SF₆-ის. სხვა ინტერესანტური კანდიდატები იდენტიფიცირებულია ფლუორირებული გაზების შესახებ, როგორიცაა CF₃I, ჰიდროფლუოროლეფინები (HFO-1234ze და HFO-1234yf), პერფლუოროკეტონები (მაგალითად, C₅F₁₀O), პერფლუორონიტრილები (C₄F₇N), ფლუორირებული ეთერები (HFE-245cb2), ფლუორირებული ეპოქსიდები და ჰიდროქლოროფლუოროლეფინები (HCFO-1233zd).
ყველა მოთხოვნის შესახებ, ყველაზე პროგრესული ამჟამინდელი კანდიდატები არის C₅ პერფლუოროკეტონი (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ ან C₅-PFK) და იზო-C₄ პერფლუორონიტრილი ((CF₃)₂CF-CN ან C₄-PFN). სუფთა გაზების შესახებ, დიელექტრული შესაძლებლობები პროპორციულია დედაქვეში ტემპერატურას—იგივე, რომ მაღალი დიელექტრული ძალის მქონე გაზებს აქვთ მაღალი დედაქვეში ტემპერატურა. 0.1 MPa-ში, C₅-PFK-ისა და C₄-PFN-ის დედაქვეში ტემპერატურები არის შესაბამისად 26.5°C და –4.7°C. ამიტომ, ჩართვის მოწყობილობების შესახებ, რომლებიც მოითხოვენ საკმარისად დაბალ დედაქვეში ტემპერატურას დაბალი ტემპერატურის მოქმედების მოთხოვნების შესასრულებლად, უნდა დაემატოთ ბუფერის გაზები. CO₂-ს დარტყმის წარმოქმნის შესახებ კარგი შესაძლებლობის გამო, ის არის შერჩეული ბუფერის გაზი მაღალი დარტყმის აპლიკაციებში. საშუალო დარტყმის აპლიკაციებში, ჰაერი ასევე შეიძლება გამოყენებული იყოს ბუფერის გაზად კომბინირებულად C₅-PFK-ით იზოლაციის მიზნით.
3. სუფთა და გაზების რთულების შესახებ შესახებ
ცხრილი 1 წარდგენს არჩეული ალტერნატიული გაზების შესახებ შესახებ SF₆-ის შედარება. ეს გაზების გლეხის აღმოფხვრის პოტენციალები (GWP) ნაკლებად განსხვავდება: C₄-PFN-ის GWP ნაკლებად არის მაღალი შედარებით CO₂-ისა და C₅-PFK-ის შემდეგ, რომლებიც აქვთ ახლოს 1. ყველა ინტერესანტური კანდიდატი გაზები არიან არადამატებადი, აქვთ ნულოვანი ODP და მოწოდებულია როგორც არატოქსიკური ქიმიური და უსაფრთხოების მონაცემების შესახებ ქიმიკური წარმოშობის მწარმოებლების მიერ. სუფთა C₄-PFN-ისა და C₅-PFK-ის დიელექტრული ძალა არის თითქმის ორჯერ უფრო მაღალი შედარებით SF₆-ის. CO₂-ის დიელექტრული დატვირთვა არის შედარებით ჰაერის მსგავსი—იგივე, ნაკლებად მაღალი შედარებით SF₆-ის.
ცხრილი 1: სუფთა გაზების შედარება SF₆-ით
| 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 |
ცხრილი 2 აჩვენებს გაზებისა და გაზთა შე):-ბის მახასიათებლობას სვიტჩგეარის გამოყენებისას. C₄-PFN-ის და C₅-PFK-ის კონცენტრაციები ბუფერის გაზთან შემადგენლობაში მოცემულია მეორე სვეტში, ჩვეულებრივ 13% (მოლის კონცენტრაცია) -ზე დაბალი. შეიძლება შენიშვნა, რომ C₅-PFK-ის გამოყენებისას CO₂-ში, ასევე არის დამატებული ოქსიგენი, რადგან ოქსიგენის არსებობა შეიძლება შეამციროს ბრინჯების და სხვა დაზიანებული პროდუქტების (როგორიცაა CO) და რწვის დახარჯვა.
ცხრილი 2: სურვილის და გაზთა შე):-ბის მახასიათებლობა/პერფორმანსი საშუალო და მაღალი სიმძლავრის სვიტჩგეარის აპლიკაციებში
| 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 |
იმის გამო, რომ დიელექტრული გაძლევა ნახშირობის შედარებით იდენტურ წნევაზე (კოლონა 6) დაეცემა, მაღალი წნევის აპლიკაციებში C₅-PFK-სა და C₄-PFN-ის შესახებ შესაძლებლობა შეიძლება მიიღოს მხოლოდ შემდეგ, თუ მინიმალური მოქმედების წნევა გაიზარდება დაახლოებით 0,7–0,8 MPa. საშუალო წნევის აპლიკაციებისთვის ჰაერი/C₅-PFK ნახშირობის შემთხვევაში შეიძლება დარჩეს 0,13 MPa წნევა, რაც უზრუნველყოფს დიელექტრულ გაძლევას, რომელიც ახლოს არის SF₆-ის დიელექტრული გაძლევისგან.
C₄-PFN-ის ან C₅-PFK-ის შემცველი ნახშირობებით მიღებული მაღალი დიელექტრული გაძლევა შეიძლება განმარტოდეს სინერგიული ეფექტით—ანუ, დიელექტრული ძალა არაწრფივად იზრდება დამატებითი კონცენტრაციის მიხედვით, რაც უკვე დაკვირვებული იყო SF₆/N₂ ნახშირობებში. C₅-PFK ნახშირობების GWP უმცირესია, მაგრამ ეს ხდება უფრო მაღალი მინიმალური მოქმედების ტემპერატურის ღირებულებით. დაბალი ტემპერატურის აპლიკაციები (მაგ., –25°C) შეიძლება განხორციელდეს პური CO₂-ის ან CO₂ + C₄-PFN ნახშირობების გამოყენებით, თუმცა არსებობს კომპრომისი: პური CO₂-ის შემთხვევაში დიელექტრული გაძლევა ნაკლებია, ხოლო C₄-PFN ნახშირობების შემთხვევაში GWP ნაკლებად შესაძლებელია.
4. ალტერნატიული გაზების კომუტატორული შესაძლებლობები
ცხრილი 3 შეიცავს პრელიმინარულ ინფორმაციას პური CO₂-სა და CO₂-ზე დაფუძნებული ნახშირობების კომუტატორული შესაძლებლობების შესახებ, რომელთან შედარებით შეიძლება გამოყენებული იყოს SF₆-ის შესაძლებლობები. მუშაობის წნევის გაზრდით შესაძლებელია გამოყენება როგორც კონდენსატორული კომუტაციის შესაძლებლობის მარკერი ცხელი დიელექტრული ძალის დონეზე, რაც შესაძლებელია შეიტანოს SF₆-ის დონე.
ცხრილი 3: გაზების და გაზის ნახშირობების კომუტატორული შესაძლებლობების შედარება მაღალი მუშაობის წნევის შემთხვევაში შედარებით მაღალი წნევის აპლიკაციებში SF₆-ის შესახებ
| გაზი | ოპერაციული წნევა [MPa] | დიელექტრიკული ძლიერება / pu | SLF პერფორმანსი შედარებით SF6-თან / 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 | ახლოს SF₆-ს | 0.8…0.87 | ახლოს SF₆-ს |
| CO₂/C4-PFN | 0.67…0.82 | ახლოს SF₆-ს | 0.83…(1) | ახლოს SF₆-ს |
გამოყენებული ლიტერატურაში მხოლოდ კვალიტატიური ციტატები იპოვება C₄-PFN და C₅-PFK სახელმწიფოების ჩართვის პერფორმანსის შესახებ. CO₂-ის შემთხვევაში ზოგიერთი კვანტიტატიური შედარება ხელმისაწვდომია. საერთოდ რომ ვთქვათ, უფასო CO₂-ით და გაზაფარვის წნევით დაახლოებით 1 MPa, შესაძლებელია დაელოდოთ დახურვის და SLF (შორი ხაზის შეცდომა) პერფორმანსი, რომელიც შედგება SF₆-ის ორ მესამედს.
CO₂-ში O₂-ის დამატებით (მიერთების რაოდენობამდე 30%), შესაძლებელია დაელოდოთ SLF დახურვის პერფორმანსის გაუმჯობესება და დიელექტრული ძალის მცირე ზრდა. C₄-PFN ან C₅-PFK-ის CO₂-ში დამატებით შესაძლებელია დიელექტრული პერფორმანსი, რომელიც ახლოდაა SF₆-ის. შესაძლებელია დაელოდოთ, რომ CO₂/O₂/C₅-PFK სახელმწიფოების SLF ჩართვის პერფორმანსი იქნება დაახლოებით 20% დაბალი SF₆-ის შედარებით. შესაბამისად, განკუთვნილი დახურვის მოწყობილობები, რომლებიც განკუთვნილია CO₂/C₄-PFN სახელმწიფოებისთვის, მოიტოვებენ SLF პერფორმანსს, რომელიც შედარებით არის SF₆-ის ტოლი.
თუმცა, არსებობს შესაბამისი შედარება უფასო CO₂-ს, CO₂/C₄-PFN და CO₂/C₅-PFK სახელმწიფოებებს ერთი და იგივე გეომეტრიისა და წნევის პირობებში, რომლებიც ჩვენია მსგავსი შედარებით დახურვის (თერმალური) პერფორმანსი CO₂-ისთვის, დამატებებით ან გარეშე. მცირე დიზაინის შეცვლებებით ან მცირე დარეიტინგით, ახალი სახელმწიფოებები წარმატებით გადის IEC ტესტების L90 (SLF) და T100 (100%-იანი ბოლო შეცდომა) დავალებებზე, რაც ნიშნავს, რომ ჩართვის პერფორმანსი არ არის ნაკლები SF₆-ის შედარებით. ეს ასევე დახურვის ფუნქციისთვის გამოხატულია.
მომავალში შესაძლებელია ჩართვის პერფორმანსის დამატებითი გაუმჯობესება დედაქტური დიზაინის უფლებებით. მნიშვნელოვანი პრობლემა არის არქის შემდეგ გაზების ტოქსიკურობა. C₅-PFK და C₄-PFN არის რთული მოლეკულები, რომლებიც დაიწყებენ დეკომპოზიციას დაახლოებით 650 °C-ზე C₄-PFN-ის შემთხვევაში. დეკომპოზიციის დროს ეს მოლეკულები არ არეკომბინირებენ თავიანთ საწყის სტრუქტურებში, არამედ ქმნიან მცირე ფრაგმენტებს. შედეგი 0.5 mol/MJ შედგება CO₂/O₂/C₅-PFK სახელმწიფოებების დიდი დენის დახურვის შემთხვევაში. ნაწილობრივი დისპერსიის შემთხვევაში დეკომპოზიციის რაოდენობა აღმოჩენილია ერთი რიგით დაბალი ზემოთ მოყვანილი მნიშვნელობის შედარებით.
ახალი გაზების დეკომპოზიციის ქცევა არ არის შესაბამისი SF₆-ის დეკომპოზიციის, რომელიც ხდება ქიმიური რეაქციების შედეგად კონტაქტებისა და ნაზელის მასალებთან. ახალი გაზების შემთხვევაში დეკომპოზიცია მოწყობილობის მოხმარების განმავლობაში არ არის კრიტიკული პრობლემა, თუმცა გაზის კონცენტრაცია მოწყობილობაში უნდა დადგენილი იყოს ან პერიოდულად შემოწმდეს. დიდი წნევის გამოყენების შემთხვევაში (ანუ CO₂-თან შეერთებული სახელმწიფოებები), ყველაზე ტოქსიკური დეკომპოზიციის პროდუქტებია CO და HF. არქის შედეგად შემდეგი სახელმწიფოებების პროდუქტები არიან ტოქსიკური ან დაბალი ტოქსიკურობის შედეგი, როგორც არქის შედეგად დეკომპოზირებული SF₆. ამიტომ, რეკომენდებულია არქის შედეგად დეკომპოზირებული SF₆-ის მსგავსი პროცედურები.
თუმცა, უნდა იყოს აღნიშნული, რომ ზემოთ მოყვანილი შეტყობინებები არის შესაბამისი ახალი გაზების ტოქსიკურობის შესაბამის შეზღუდული ცოდნის მიხედვით. საჭიროა მეტი გამოცდილება შესაბამისი SF₆-ის ალტერნატივების არქის შედეგად ტოქსიკურობის შესახებ. სხვა შეტყობინებები მოიცავს მასალების თანხმობას (მაგალითად, ელასტიკებზე და სარეცხად მასალებზე გავლენას), გაზის დახურვის სრულყოფილებას და გაზის მომართვის პროცედურებს. შესაბამისად, არ უნდა იყოს შესაძლებელი არსებული მაღალი წნევის მოწყობილობების უსაფრთხო მოქმედება ახალი გაზებით შეუძლია არასაერთო დიზაინის ან მასალების შეცვლების გარეშე.
შინაარსი არქის ტესტები შესრულდა ყველა სახელმწიფოებით და დარღვევები არ არის შეტანილი. სახელმწიფოების თერმალური დამტაცების შესახებ შესაძლებელია შემცირება ან დიზაინის შეცვლა დენის გადატაცების შესაძლებლობისთვის. CO₂ ცხოვრების ტანკის დახურვის მოწყობილობები უკვე შეიძინებენ ვარჯიშს, რომელიც დაიწყო რამდენიმე წლის წინ, და CO₂-თი შევსებული დახურვის მოწყობილობები უკვე კომერციულად ხელმისაწვდომია.
C₅-PFK სახელმწიფოებით მუშაობის პილოტური ინსტალაციები წარმატებით მუშაობს შვეიცარიასა და გერმანიაში 2015 წლიდან. CO₂/C₄-PFN სახელმწიფოებით მუშაობის პილოტური პროექტები გეგმილია ან იხდის რამდენიმე ევროპულ ქვეყანაში, მათ შორის 145 kV შინაური GIS შვეიცარიაში, 245 kV გარეული დენის ტრანსფორმატორი გერმანიაში და გარეული 420 kV GIL სისტემები ინგლისში და სკოტლანდიაში.
5. შესაბამისი და მომავალი
გამოყენებული ინფორმაცია გამოყენებული იყო SF₆-ის ალტერნატიული გაზების ჩართვის შესახებ. ამჟამად ეს კვლევა არის კიდევ საწყისი ფაზაში და დაბალი დონის შედარებით რამდენიმე ათწლეულის მუშაობის შედეგებთან. ხელმისაწვდომი წარმოების მონაცემები ჩვენია, რომ ახალი გაზები, როგორიცაა C₅-PFK და C₄-PFN, არიან შესაძლებელი ალტერნატივები, რომლებიც, როდესაც შეერთდებიან CO₂-თან როგორც ბუფერ გაზთან, შეიძლება ნაკლებად შეადარონ SF₆-ის პერფორმანსს, თუმცა არ შეძლებენ სრულად რეპლიკაციას SF₆-ის ყველა შესაძლებლობების.
ძირითადი განსხვავებები არის იზოლაციისა და დახურვის პერფორმანსი, და დედაქვეყნის ტემპერატურა, რომელიც განსაზღვრავს დახურვის მოწყობილობის მინიმალურ მუშაობის ტემპერატურას. დაბალი მინიმალური მუშაობის ტემპერატურა (მაგალითად, –50 °C) შესაძლებელია უფასო CO₂-ით. თუმცა, CO₂-ი ჩანს უფრო დაბალ დახურვის პერფორმანსს აჩერებს, განსაკუთრებით რეკოვერის წნევის პიკის და დახურვის შესაძლებლობის შემდეგ, როგორც არის შესაძლებელი დახურვის მოწყობილობები, რომლებიც შეიცავენ C₄-PFN ან C₅-PFK-ს.
CO₂/C₅-PFK სახელმწიფოების სარგებელი CO₂/C₄-PFN სახელმწიფოების შემდეგ არის მინიმალური GWP (~1 vs. 427/600 C₄-PFN-ის შემთხვევაში). შესაბამისად, CO₂/C₄-PFN სახელმწიფოები შეიძლება შეიცავდეს დაბალ მინიმალურ მუშაობის ტემპერატურას (დაახლოებით –25 °C) შედარებით CO₂/C₅-PFK სახელმწიფოებებთან (დაახლოებით –5 °C).
6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV Dead tank Vacuum Circuit-Breaker
აღწერა:
40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV და 245kV დედა ტანკის ვაკუუმის დახურვის მოწყობილობები არის მნიშვნელოვანი დაცვითი მოწყობილობები მაღალი დენის ელექტროენერგიის სისტემებისთვის. ვაკუუმის გამოყენებით როგორც არქის დასრულებისა და იზოლაციის მედიუმი, ისინი გამოირჩენენ საშუალებას სწრაფად დახურონ შეცდომის დენს და ეფექტურად არ დაარეკინებენ არქის დახვრევას, რაც უზრუნველყოფს სტაბილურ ელექტროენერგიის სისტემების მუშაობას. დედა ტანკის დიზაინი უზრუნველყოფს კომპაქტურ ფუტპრინტს და ძლიერ მექანიკურ სტაბილობას, რაც ხელს უწყობს ინსტალაციასა და მექანიკურ მრთვას. მათ აქვთ მაღალი დონის დამართვის მექანიკური მექანიზმები, რომლებიც შეიძლებენ მექანიკურად მუშაობას 10,000 დახურვის შემდეგ, რაც უზრუნველყოფს სწრაფ და ზუსტ პასუხს. საშუალებას უზრუნველყოფენ მაღალი გარემოს ადაპტირებას და შესაძლებლობას სტაბილურად მუშაობას მძიმე გარემოში. მათ ფართოდ გამოიყენებენ ქვესადგურებში, ტრანსმისიულ ხაზებში და სხვა სცენარიებში, რაც უზრუნველყოფს ეფექტურ და უსაფრთხო დენის ჩართვის მართვას და დაცვას სხვადასხვა დენის დონის შემთხვევაში.
მთავარი ფუნქციების შესახებ:
ეფექტური დугის გაქრობა: ვაკუუმის გამოყენება სწრაფი და დამნდობელი დუგის გაქრობისთვის, რათა არ მოხდეს სახის შემდეგი აღება.
ფართო ძაბვის დიაპაზონი: ხელმისაწვდომია 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV და 245kV რეიტინგებში სხვადასხვა გრიდის გამოყენებისთვის.
გადახრილი დანარჩენი დიზაინი: კომპაქტური სტრუქტურა უზრუნველყოფს მექანიკურ სტაბილურობას და ამარტივებს დაყენებას/სერვისს.
დამნდობელი ოპერაცია: სპრინგის მუშაობის მექანიზმი მექანიკური გამტარობის 10,000 ციკლით დამატებით.
გაუმჯობესებული დახურვა: დიუალური დახურვის ფლანჟის დიზაინი უზრუნველყოფს წყალდაუწყვეტელ და გაზის დახურულ დაცვას, იდეალური გარე გამოყენებისთვის.
