Recentissimae Tenditiae Developmentis Interruptorum Circuituum Altae Tensionis Basati in Gas Alternativum SF₆
1. Introducere
Gasul SF₆ este larg utilizat în sistemele de transmisie și distribuție a energiei electrice, cum ar fi echipamentele de comutare izolate cu gaz (GIS), disjunctorii (CB) și comutatoarele pentru sarcina medie (MV). Acesta are capacități unice de izolare electrică și de stingere a arcului. Cu toate acestea, SF₆ este de asemenea un gaz cu efect de seră puternic, având un potențial de încălzire globală de aproximativ 23.500 pe o perioadă de 100 de ani, și astfel utilizarea sa este reglementată și subiectul discuțiilor continue privind restricțiile. Prin urmare, cercetările privind gazele alternative pentru aplicații electrice au fost desfășurate timp de aproximativ două decenii.
Clubul "Club Zéro" (CZC), în cooperare cu CIGRE, a lansat recent o inițiativă pentru a evalua starea actuală a gazelor alternative la SF₆ pentru aplicații de comutare. S-a realizat un sondaj pentru a colecta toată literatura disponibilă recentă pe acest subiect. Rezultatele au fost prezentate și discutate într-o sesiune comună în timpul sesiunii CIGRE din 2016. Acest articol prezintă principalele descoperiri ale acelui sondaj. Deoarece tehnologia de comutare în vid constituie o activitate separată în curs de desfășurare, nu va fi acoperită în această revizuire.
2. Gaze alternative
În urma adoptării Protocolului de la Kyoto în 1997, cercetările privind gazele alternative s-au intensificat și au crescut și mai mult în ultimul deceniu. Cerințele cheie pentru gaze alternative au fost identificate ca: potențial scăzut de încălzire globală (GWP), potențial zero de destrămări al stratului de ozon (ODP), toxicitate redusă, non-inflamabilitate, putere dielectrică ridicată, capacitate ridicată de stingere a arcului și de dispersare a căldurii, stabilitate chimică, compatibilitate cu materialele, și disponibilitate pe piață.
Dintre diferitele gaze de sursă naturală investigate, CO₂ s-a dovedit a fi cel mai promițător gaz pentru stingerea arcului, cu performanța sa potențială îmbunătățită prin aditivi precum O₂ sau CF₄. Cu toate acestea, studiile au arătat că atât performanța de întrerupere, cât și cea de izolare a CO₂ sunt inferioare celei de la SF₆. Alți candidați interesanți au fost identificați printre gaze fluorate, cum ar fi CF₃I, hidrofluoroolefine (HFO-1234ze și HFO-1234yf), cetonuri perfluorate (de exemplu, C₅F₁₀O), nitrile perfluorate (C₄F₇N), etheri fluorurați (HFE-245cb2), epoxide fluorate, și hidroclorofluoroolefine (HCFO-1233zd).
Luând în considerare toate cerințele, cei mai promițători candidați actuali sunt cetonul perfluorat C₅ (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ sau C₅-PFK) și nitrilul perfluorat iso-C₄ ((CF₃)₂CF-CN sau C₄-PFN). Pentru gaze pure, performanța dielectrică este proporțională punctului de fierbere—adică, gazele cu putere dielectrică ridicată au de obicei și puncte de fierbere ridicate. La 0.1 MPa, punctele de fierbere ale C₅-PFK și C₄-PFN sunt 26.5°C, respectiv –4.7°C. Prin urmare, pentru aplicațiile de echipamente de comutare care necesită puncte de fierbere suficient de joase pentru a satisface cerințele operaționale la temperaturi scăzute, trebuie adăugate gaze tampon. Datorită capacității sale bune de stingere a arcului, CO₂ este selectat ca gaz tampon în aplicațiile de înaltă tensiune. În aplicațiile de medie tensiune, aerul a fost, de asemenea, raportat ca gaz tampon folosit în combinație cu C₅-PFK pentru scopurile de izolare.
3. Proprietăți ale gazelor pure și a amestecurilor de gaze
Tabelul 1 prezintă proprietățile unor gaze alternative selectate în raport cu SF₆. Potențialele de încălzire globală (GWP) ale acestor gaze variază semnificativ: C₄-PFN prezintă un GWP mult mai mare decât CO₂ sau C₅-PFK, ambele având GWP de aproximativ 1. Toți candidații gazoși de interes sunt non-inflamabili, au ODP zero, și sunt raportați ca netoxici conform foilor tehnice și de siguranță furnizate de producătorii chimici. Puterea dielectrică a purului C₄-PFN și C₅-PFK este aproape de două ori mai mare decât cea a SF₆. Tensiunea de rezistență dielectrică a CO₂ este comparabilă cu cea a aerului—adică, semnificativ mai mică decât cea a SF₆.
Tabelul 1: Compararea proprietăților gazelor pure cu SF₆
| 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 |
Tabula 2 ostendit proprietates gasorum et mixturarum gasorum quando in apparatibus commutationis utuntur. Concentrationes C₄-PFN et C₅-PFK in mixturis cum gasibus tamponis in secunda columna dantur, saepe sub 13% (concentratio molaris). Notandum est quod pro usu C₅-PFK in CO₂, additamenta oxygeni quoque reportata sunt, quia praesentia oxygeni potest restringere formationem by-productorum nocivorum (sicut CO) et by-productorum solidorum (sicut fumus).
Tabula 2: Proprietates/Praestatio Gasorum Purorum et Mixturarum Gasorum in Applicationibus Apparatorum Commutationis Medii- et Altivoltaginis
| 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 |
Propter diëlectricam tensiönem sustinentiam mixturarum comparatam ad SF₆ in eadem pressione (Columna 6) minorem, pressio operativa minima pro C₅-PFK et C₄-PFN cum CO₂ ut gas tamponis in applicationibus altae tensionis debet augeri ad circa 0.7–0.8 MPa. In applicationibus mediae tensionis, ubi usantur mixturae aeris/C₅-PFK, potest servari pressio 0.13 MPa, attingens diëlectricam tensiönem sustinentiam prope ad SF₆.
Alta diëlectrica tensiö sustinentia obtinenda est cum relativiter parvis proportiönibus C₄-PFN vel C₅-PFK, quod explicatur effectu synergistico—id est, vis diëlectrica non lineari crescit cum concentratione additiui, phaenomenon prius observatum in mixturis SF₆/N₂. GWP mixturarum C₅-PFK est neglegibilis, sed hoc pretium est altioris temperaturae operativae minima. Applicationes bassae temperaturae (exempli gratia, –25°C) possunt traktari aut per CO₂ purum aut per mixturas CO₂ + C₄-PFN, licet cum compromissis: significanter diminuta diëlectrica tensiö sustinentia in casu CO₂ puri, vel GWP substantiöse maior quando utuntur mixturis C₄-PFN.
4. Praestatio Commutandi Gasorum Alternativorum
Tabula 3 compingit informationes preliminares de praestatione commutandi CO₂ puri et mixturarum CO₂-basiatarum, cum praestatione SF₆ data ad comparationem. Per augmentationem pressionis operativae respectu SF₆, fortitudo diëlectrica frigida—uti, exempli gratia, metrica pro praestatione commutationis capacitivae—potest elevari ad nivellum SF₆.
Tabula 3: Comparatio Praestationis Commutandi Gasorum et Mixturarum Gasorum sub Elevatis Pressionibus Operativis versus SF₆ in Applicationibus Altae Tensionis
| Gas | Praesentia Pressionis [MPa] | Robur Dielectricum / pu | Praestantia SLF vs SF₆ / 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 | Prope ad SF₆ | 0.8…0.87 | Prope ad SF₆ |
| CO₂/C4-PFN | 0.67…0.82 | Prope ad SF₆ | 0.83…(1) | Prope ad SF₆ |
In scriptis litteris, tantum qualitativa enuntiata de commutatione performance C₄-PFN et C₅-PFK miscellis reperiri potuerunt. De CO₂, quaedam quantitativa comparationes sunt praebitae. Generaliter loquendo, cum puro CO₂ ad aucta impletio pressione circa 1 MPa, insulatio et interruptio brevis lineae (SLF) performance fere duobus tertius SF₆ expectari possunt.
Per additum O₂ ad CO₂ (cum miscendi rationibus usque ad 30%), melioratio SLF interruptionis performance et parva augmentatio dielectrica fortitudo praedici potest. Additum C₄-PFN vel C₅-PFK ad CO₂ permittit dielectrica performance ad SF₆ accedere. Studia narrant quod SLF commutatio performance CO₂/O₂/C₅-PFK miscellis est circa 20% minus quam SF₆. Contrario, circuit breakers specialiter adaptati pro CO₂/C₄-PFN miscellis asseruntur attingere SLF performance comparabilem SF₆.
Tamen, sunt etiam studia directe comparantia purum CO₂ cum CO₂/C₄-PFN et CO₂/C₅-PFK miscellis sub identica geometria et pressione conditionibus, quae similem proximum zonam (thermal) interruptionis performance pro CO₂ cum vel sine additivis ostendunt. Per minora design modificationes vel modesta derating, novae miscellis successu IEC test officia L90 (SLF) et T100 (100% terminal fault) transierunt, indicantes quod eorum commutationis performance non significanter inferior est SF₆. Hoc etiam demonstratum est pro interruptor function breaker.
Ulteriores meliorationes in commutatione performance per dedicata design optimisationes futura exspectantur. Importans quaestio est toxicitas gas post arcing. C₅-PFK et C₄-PFN sunt complexa molecula quae supra circa 650 °C in casu C₄-PFN incipiunt decomponi. Post decompositionem, haec molecula non recombinant in suas originales structuras sed formant minores fragmenta. Decompositio ratio 0.5 mol/MJ reportata est pro CO₂/O₂/C₅-PFK miscellis sub alta current interruption. Pro partial discharges, de compositione ratio observata est plus quam unius magnitudinis ordo minor quam suprascripta valor.
Decompositionis behavior novarum harum gas non directe comparabile est ad SF₆, quod primarie decomponitur ob chemica reactiones cum ablatis contact et siphon materialibus. Novis gas, decompositio super equipment vitae non consideratur critica quaestio, sed gas concentratio intra equipment debet monitorari vel periodiciter examinari. Venenatissimi decompositionis producta in alta pressione applicationibus (i.e., miscellis cum CO₂) sunt CO et HF. Arc by-products harum miscellis considerantur habere toxicitatem similarem vel minorem quam arc-decomposed SF₆. Ergo, manuens procedure similares ad illas usatas pro arc-exposed SF₆ recommendantur.
Tamen, notandum est quod suprascripta enuntiata fundantur in limitata scientia de toxicitate novarum harum gas. Plus experientiae desideratur de post-arc toxicitate potential SF₆ alternativis. Alii reportati concernentes includunt material compatibility (e.g., effectus super sigilla et greases), gas sealing integritas, et gas handling procedure. Consequentia, existentia alta tensio equipment non debet sperari operari secure cum his novis gas absque appropriatis design vel material modificationibus.
Interni arc tests perficientur cum omnibus miscellis, et nulla seria problemata reportata sunt. Thermal conductivity miscellorum est paululum inferior ad SF₆, quod necessitare potest moderatum derating vel design adjustmentes pro current-carrying capacity. CO₂ live-tank circuit breakers iam experiencia campi acceperunt, cum deploymentes initiantes paucis annis retro, et CO₂-filled breakers iam commerciale disponibiles sunt.
Alta- et media-tensio pilot installationes utentes C₅-PFK miscellis feliciter operantur in Suisse et Germania ab 2015. Pilot projecta utentes CO₂/C₄-PFN miscellis planantur vel in progressu sunt in pluribus Europaeis nationibus, includens 145 kV indoor GIS in Suisse, 245 kV outdoor current transformer in Germania, et outdoor 420 kV GIL systemata in Anglia et Scotia.
5. Conclusions et Outlook
Publicata informatio de SF₆ alternative gas pro commutatione applicationibus recensita est. In huius temporis stadio, hoc studium adhuc in suis initiis est et multo minus extensa quam decennalia corpus opus de SF₆. Disponibilis fabricator data indicant novas gas—sicut C₅-PFK et C₄-PFN—esse viabiles optiones, quae, quando mixturae cum CO₂ ut buffer gas, potest partim SF₆ performance aequari, licet non totaliter omnia SF₆ capacitates replicare.
Claves differentias sunt in insulatio et interruptio performance, sicut et ebullitionis punctum—quod determinat minimum specificatum operando temperaturam switchgear. Bassus minimum operando temperatura (e.g., –50 °C) potest attingi cum puro CO₂. Tamen, CO₂ videtur exhibere generaliter inferiorem interruptio performance, praecipue in terminis recovery voltage peak withstand et interruptio capability, comparata ad gas miscellis continentes C₄-PFN vel C₅-PFK.
Advantage CO₂/C₅-PFK miscellis super CO₂/C₄-PFN miscellis est eorum negligibilis GWP (~1 versus 427/600 pro C₄-PFN). Converse, CO₂/C₄-PFN miscellis offerunt bassior minimum operando temperatura (circa –25 °C) comparata ad CO₂/C₅-PFK miscellis (circa –5 °C).
6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV Dead tank Vacuum Circuit-Breaker
Describendum ：
40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV, et 245kV Dead tank Vacuum Circuit-Breakers sunt essentialia protectiva disposita pro alta tensio power systemata. Usantes vacuum ut arc-extinguishing et insulating medium, illi gloriantur exceptionali arc-quenching capabilities, celeriter interruptentes fault currents et efficaciter prohibentes arc re-ignition ad stabilis power system operation securam. Dead tank design offert compactum pedem et robustam mechanicam stabilitatem, facilitantes installationem et maintenance. Equipatos cum altissima fidelitate spring operating mechanisms, isti circuit breakers habent mechanicam vitam ultra 10,000 operationes, praebentes rapidos et precisos responsus. Cum excellente environmental adaptabilitate, illi possunt stable operari sub dura outdoor conditionibus. Latiter applicati in substationibus, transmissionibus lineis, et aliis scenario, illi praebent efficientem et securam power switching control et reliable protection variis tensio gradibus.
Introducere in principalele functii:
Extinctie eficienta a arcului electric: Utilizeaza vid pentru o extinctie rapida si fiable a arcului, prevenind reluarea.
Gama larga de tensiuni: Disponibil in ratinguri de 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV si 245kV pentru aplicatii versatile ale retelei electrice.
Design robust al rezervorului mort: Structura compacta asigura stabilitate mecanica si simplifica instalarea/mintenanta.
Operare fiable: Mecanism de operare bazat pe resort cu peste 10.000 cicluri de durabilitate mecanica.
Sigilaj imbunatatit: Designul cu flansea dublu sigilata ofera protectie impermeabila si hermetica, ideal pentru utilizare la exterior.
