SF₆ альтернативалы газына негізделген жоғары құрылымдың соңғы өнімдері мен дамуының тенденциялары
1. Кіріспе
SF₆ электр энергия тасымалдау және тарату жүйелерінде кеңінен қолданылады, мысалы, газмен заттың шектеуші кабылдайтын коммутатор (GIS), автоматты анықтама (CB) және орта напрямдагы (MV) жүк переключательлері. Бұл уникальды электр заттық және дуганың өту қабілеттеріне ие. Бірақ SF₆ де қатты ыстық анасы газы болып табылады, 100 жылдық уақыт ішінде 23,500-ге жететін глобалдық ыстықшағы потенциалы бар, сондықтан оның қолданылуы жөніндегі ережелер мен мүмкін болатын шектеулер жөніндегі талқылаулар жүргізілуде. Сонымен қатар, электр энергия қолданылуы үшін альтернативті газдарды зерттеу болжамына қарама-карсы бірнеше онжылдық болып келеді.
"Club Zéro" (CZC) CIGRE-мен бірге алғашқы рет коммутация қолданылуы үшін SF₆ альтернативті газдардың жаңартылған технологиясын бағалау үшін инициативаны бастады. Бұл тақырыпқа қатысты барлық қол жетімді жаңа әдебиеттерді жинау үшін сауалнама өткізілді. Нәтижелер 2016 жылы CIGRE сессиясында жоғары деңгейде өткізілген жалпы сессияда ұсынылды және талқыланды. Бұл мақала сауалнаманың негізгі табыстарын ұсынады. Вакуумды коммутация технологиясы басқа өзара қозғалыс ретінде қарастырылған, сондықтан бұл қорытындыда қамтылмайды.
2. Альтернативті Газдар
1997 жылы Киото протоколын қабылдауынан кейін, альтернативті газдарды зерттеу қалыптасып, соңғы онжылдықта әрі қарай өсіп келді. Альтернативті газдар үшін негізгі талаптар төмендегілер: төмен глобалдық ыстықшағы потенциалы (GWP), нөл озон деңгейін төмендету потенциалы (ODP), төмен зиянылық, жарық болмау, жоғары диэлектрикалық қабілет, жоғары дуганың өту қабілеті және жылу құю қабілеті, химиялық стабилдік, материалдық ыңғайлылық және пазарда қол жетімділік.
Зерттелген барлық табиғаттан алынған газдардың ішінде CO₂ дуганың өту үшін ең ұмтылған газ болып табылады, O₂ немесе CF₄ сызықтарымен қосқанда оның өрісі әрі қарай жақсартылады. Бірақ зерттеулер CO₂-ның анықтама және заттық қабілеттерінің SF₆-ден тығыз екендігін көрсетеді. Фторленген газдар арасында, мысалы, CF₃I, гидрофторолефиндер (HFO-1234ze және HFO-1234yf), перфторкетондар (мысалы, C₅F₁₀O), перфторнитрилдер (C₄F₇N), фторленген эфирлер (HFE-245cb2), фторленген эпоксидтер, және гидрохлорофторолефиндер (HCFO-1233zd) қызықты кандидаттар болып табылады.
Барлық талаптарды ескере отырып, ең ұмтылған ағымдағы кандидаттар C₅ перфторкетон (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ немесе C₅-PFK) және изо-C₄ перфторнитрил ((CF₃)₂CF-CN немесе C₄-PFN). Таза газдар үшін диэлектрикалық өріс кипіру температурасына пропорционалды - яғни, жоғары диэлектрикалық қабілетке ие газдардың кипіру температурасы да жоғары болады. 0,1 МПа при 0,1 МПа, C₅-PFK және C₄-PFN-ның кипіру температуралары сәйкес 26,5°C және –4,7°C. Сондықтан, төмен температуралы операциялық талаптарды қанағаттандыру үшін буфер газдар қосылуы қажет. Жоғары напрямдагы қолданыстарда CO₂-нің жақсы дуганың өту қабілетіне қарағанда, буфер газ ретінде ұсынылады. Орта напрямдагы қолданыстарда, ауа C₅-PFK-мен бірге заттық қабілеттер үшін буфер газ ретінде қолданылатыны белгіленген.
3. Таза және Газ Айналымдарының Қасиеттері
Кесте 1 SF₆-ге қатысты таңдалған альтернативті газдардың қасиеттерін көрсетеді. Бұл газдардың GWPsі айырмашылықтай өзгереді: C₄-PFN-ның GWP CO₂ немесе C₅-PFK-ден қатты жоғары, екеуінің GWPsі 1-ге жуық. Кез келген қызықты газ кандидаттары жарық емес, ODP-сы нөл, химиялық және қауіпсіздік деректер тізімдерін қол жетімді тағындау арқылы токсик емес деп хабарланған. Таза C₄-PFN және C₅-PFK-ның диэлектрикалық қабілеті SF₆-ден екі есе жоғары. CO₂-ның диэлектрикалық өткізу напрямдасы ауаға тең, яғни, SF₆-ден қатты төмен.
Кесте 1: Таза Газдың Қасиеттерінің SF₆-ге Салыстыру
| 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 |
Жадылық шекараларындағы газдар мен газ көмірлерінің қасиеттері таблица 2-де көрсетілген. C₄-PFN және C₅-PFK ның буфер газымен қосылған көмірлердегі концентрациясы екінші бағандада, адатта 13% (молярлық концентрация) төмендерінде берілген. Ескертуге болады, C₅-PFK ны CO₂-да пайдалану үшін кисіктің қосымша қолданылуы да ескерілген, себебі кисіктің қатынасы зиянды бұзықтарды (мысалы, CO) және заттық бұзықтарды (мысалы, дым) пайда болуын азайтуда рөл атқарады.
Таблица 2: Орта және жоғары напрямдагы жадылық шекараларындағы чистогаздар мен газ көмірлерінің қасиеттері/пайдалануы
| 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 |
Санын айырмашылығына (Баған 6) СF₆-ге салыстыруда кемістік ерітінділердің диэлектрлік жөндеу деңгейіне байланысты, C₅-PFK және C₄-PFN CO₂ буфер газымен жоғары напрямдада қолданылатын минималды іске қосылу басынды 0,7–0,8 МПа дейін арттыру қажет. Орта напрямдада воздух/C₅-PFK ерітінділерін пайдалану үшін 0,13 МПа басын сақталатын, СF₆-ге жақын диэлектрлік жөндеу деңгейін жеткізуге болады.
C₄-PFN немесе C₅-PFK ниспелерімен төмен қосылыс ниспелерімен жоғары диэлектрлік жөндеу деңгейін жеткізу синергиялық эффекттен туындайды - басқа айтқанда, диэлектрлік құрғылықтық қосылыс концентрациясымен сызықты емес өсетін, бұл СF₆/N₂ ерітінділерінде алдын-ала анықталған феноменді білдіреді. C₅-PFK ерітінділерінің GWP-ы маңызды емес, бірақ бұл жоғары минималды іске қосылу температураға әкеледі. Төмен температуралы қолданыстар (мисалы, –25°C) чисто CO₂ немесе CO₂ + C₄-PFN ерітінділерімен шешілетін, бірақ олардың өзара компромисстері бар: чисто CO₂ үшін диэлектрлік жөндеу деңгейі маңызды төмендейді, ал C₄-PFN ерітінділерімен қолданғанда GWP маңызды артық.
4. Альтернативті Газдардың Комутациялық Жұмысы
Кесте 3-те чисто CO₂ және CO₂-ға негізделген ерітінділердің комутациялық жұмысы жөніндегі бастапқы ақпараттар жиналған, СF₆-ның жұмысы салыстыру үшін берілген. СF₆-ге салыстыруда іске қосылу басын арттыру арқылы, мысалы, емкілікті комутациялық жұмыстың метрикасы ретінде қолданылатын соғыс диэлектрлік құрғылықтық СF₆-ге дейін дейінке әкелінетін болады.
Кесте 3: Жоғары напрямдадағы қолданыстарда СF₆-ге салыстыруда газдар мен газ ерітінділерінің комутациялық жұмысын салыстыру
| Газ | Иштетін басы [МПа] | Диэлектрикалық бағытталу / pu | SLF жөндемі SF₆-ке салыстырмалы / 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 | SF₆-ге жақын | 0.8…0.87 | SF₆-ге жақын |
| CO₂/C4-PFN | 0.67…0.82 | SF₆-ге жақын | 0.83…(1) | SF₆-ге жақын |
Барлық өткізілген әдебиеттерде C₄-PFN және C₅-PFK араласының үйкелу мүмкіндігіне қатысты тек сапалық ақпарат табылды. CO₂ үшін біраз сандық салыстырулар қол жетімді. Жалпы есептімен, 1 МПа жартылай басындағы чисто CO₂ пайдалануымен SF₆-ның екі үштен бірініңдей диэлектрикалық және кішкентай сызықтық дефект (SLF) үйкелу мүмкіндігі ойында болады.
CO₂-ге O₂ қосу (30% дейінгі араласу қатынасымен) SLF үйкелу мүмкіндігін және диэлектрикалық құрылымдың тез өсімдігін қалауға болады. CO₂-ге C₄-PFN немесе C₅-PFK қосу SF₆-ға жеткізетін диэлектрикалық үйкелу мүмкіндігін береді. Зерттеулердің қорытындысына сәйкес, CO₂/O₂/C₅-PFK араласының SLF үйкелу мүмкіндігі SF₆-нің 20% үстінде болады. Сол сияқты, CO₂/C₄-PFN араласы үшін өзгертировыл қызмет еткіштері SLF үйкелу мүмкіндігі SF₆-ға тең болуы мүмкін деп айтылады.
Бірақ, бірдей геометрия мен басы шарттарында чисто CO₂-мен CO₂/C₄-PFN және CO₂/C₅-PFK араласын салыстыру үшін зертханалық тәсірлер жүргізілген. Бұл тәсірлер CO₂-нің адитивтерінің болуына қатысты ойында бірдей жақын аймақта (жылулық) үйкелу мүмкіндігін көрсетеді. Кішкентай өзгертулер немесе негізгі өзгертулермен жаңа араласы IEC L90 (SLF) және T100 (100% терминалдық дефект) тесттерін қолданылатында өткізді. Бұл олардың үйкелу мүмкіндігі SF₆-ға қатысты көбірек емес екендігін көрсетеді. Бұл үйкелу функциясы үшін де дәлелденген.
Арнайы дизайн оптимизациялары арқылы үйкелу мүмкіндігінің өзін-өзі жеткізуі мүмкін. Арқылы жарылған газдардың қалыптасуы маңызды. C₅-PFK және C₄-PFN - құрлық молекулалар, C₄-PFN үшін 650 °C-ден жоғары температураларда құрайып бастайды. Құрайып кеткенде, бұл молекулалар өзінің бастапқы құрылымына қайтадан құрылмайды, олар кіші құрамдарға қайтып өтеді. CO₂/O₂/C₅-PFK араласының құрайып кету қатынасы 0,5 моль/МДж болғаны айтылады. Парциальды құбылыстар үшін құрайып кету қатынасы жоғары қатынастан бір реттік өсу үстінде болады.
Бұл жаңа газдардың құрайып кету құрылымы SF₆-мен түсіндірілетін құрайып кету құрылымына ұқсамайды, себебі SF₆-де құрайып кету абляцияланған контакт және соқу материалдарымен химиялық реакциялар арқылы өтеді. Жаңа газдардың құпиялық мүшелерінің өмірі бойынша құрайып кету маңызды емес, бірақ құпиялық мүшелердің ішіндегі газ концентрациясын мониторинг жасау немесе периодикалық тексеру қажет. Жоғары басы қолданылғанда (CO₂ араласында) ең қалыптасу өнімі CO және HF. Бұл араласының жарылған өнімдері SF₆-нің жарылған өнімінен қалыптасу қатынасына тең же үнемі болады. Сондықтан, жарылған SF₆ үшін қолданылатын процедураны бұл араласы үшін де ұсыну қажет.
Бірақ, бұл айтылған тұжырымдамалар жаңа газдардың қалыптасуына қатысты шектеулі білім арқылы жасалған. SF₆-нің қалыптасуына қатысты қалыптасу қатынасына қатысты да әлі де көбірек тәжірибе қажет. Басқа айтылған қатынасы - материалдың ұқсастығы (мысалы, заттар және жыртыштарға әсері), газ құпиялықтың туындылығы және газ қызметтерінің процедурасы. Соның ішінде, барлық жоғары напруга құпиялық мүшелері осы жаңа газдармен қауіпсіз қызмет көрсету үшін ұсынылған дизайның немесе материалдың өзгертулерін қажет етеді.
Ішкі арка тесттері барлық араласымен өткізілген, ал қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатынасында қатына Негізгі функциялар туралы: Эффективті дуга жою: Вакуумды пайдаланып, тез және итіндетімді дуга жою, кейінгі жарылуын бас алу. Жылдамдық аймағының кең диапазоны: Құрылымдардың өзара қолданысы үшін 40.5кВ, 72.5кВ, 145кВ, 170кВ және 245кВ сатыларында қол жетімді. Маңызды өлтірілген резервуарлы дизайн: Компакттық құрылым механикалық стабилділікті және орнату/бекіту қысқартады. Итіндетімді іске қосу: Жыртықты негізде іске қосу механизми, 10,000-ден астам механикалық жұмыс мезгілдерімен. Жақшартылған жабысу: Екі қойындылық фланец дизайні суға және газға тиімді қорғау береді, сыртқы қолданыс үшін идеалды.
