Jaunākie attīstības tendences SF₆ aizvietojošu gāzu balstītiem augsprieguma strāvas pārtraukumiem

1. Ievads
SF₆ plaši tiek izmantots elektroenerģijas pārnesanas un sadalīšanas sistēmās, piemēram, gāzveida izolētajos pārslēgumos (GIS), pārtraukumos (CB) un vidējā sprieguma (MV) slodzes pārslēgumos. Tas ir unikālas elektriskās izolācijas un loku apgūšanas spējas. Tomēr, SF₆ ir arī spēcīga siltumnīcefekta gāze, ar aptuveni 23 500 reizes lielāku globālo sasilšanas potenciālu 100 gadu laikposmā, tāpēc tā izmantošana ir regulēta un tai ir jāpieliek ierobežojumi. Tādēļ, alternatīvo gāzu pētījumi enerģētikas nozarē tiek veikti jau aptuveni divdesmit gadus.

"Club Zéro" (CZC) saistībā ar CIGRE nesen uzsāka iniciatīvu, lai novērtētu pašreizējo stāvokli attiecībā uz SF₆ alternatīvām gāzēm pārslēgumu lietojumā. Tika veikts aptauja, lai apkopotu visu pieejamo jaunāko literatūru šajā jomā. Rezultāti tika prezentēti un apspriesti kopīgā sesijā CIGRE sanāksmē 2016. gadā. Šajā rakstā tiek izklāstīti šīs aptaujas galvenie secinājumi. Tā kā vakuumu pārslēgumu tehnoloģija veido atsevišķu darbības virzienu, tā šajā apskatā netiks iekļauta.

2. Alternatīvās gāzes

Pēc Kioto protokola pieņemšanas 1997. gadā, alternatīvo gāzu pētījumi intensificējušies un pagājušajā desmitgadē to skaits vēl ir pieaugis. Alternatīvām gāzēm ir identificētas šādas būtiskās prasības: zems globālais sasilšanas potenciāls (GWP), nulle ozona iznīcināšanas potenciāls (ODP), zema toksičitāte, neaugsnešanāspēja, augsta dielektrikā spēja, augsta loku apgūšanas un siltuma izplūdes spēja, ķīmiskā stabilitāte, materiālu savietojamība un tirgus pieejamība.

No daudziem pētītajiem dabiski avotu gāzēm CO₂ ir parādījusi sevi kā visperspektīvākā loku apgūšanas gāze, kuras efektivitāti var palielināt piesātinājumi, piemēram, O₂ vai CF₄. Tomēr, pētījumi liecina, ka gan pārtraukuma, gan izolācijas efektivitāte CO₂ ir zemāka nekā SF₆. Citi interesanti kandidāti ir identificēti starp fluorētajām gāzēm, piemēram, CF₃I, hidrofluoroolefinas (HFO-1234ze un HFO-1234yf), perfluorketoni (piem., C₅F₁₀O), perfluornitrili (C₄F₇N), fluorētie eifiri (HFE-245cb2), fluorētie epoksīdi un hidrohlorofluoroolefinas (HCFO-1233zd).

Visvairāk solīdžošie pašreizējie kandidāti, ņemot vērā visas prasības, ir C₅ perfluorketon (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ vai C₅-PFK) un izo-C₄ perfluornitrils ((CF₃)₂CF-CN vai C₄-PFN). Neatkarīgiem gāzēm dielektrika spēja ir proporcionāla viršanos punktam—tātad, gāzes ar augstu dielektisko spēju parasti arī ir ar augstu viršanos punktu. Pie 0,1 MPa C₅-PFK un C₄-PFN viršanos punkti ir atbilstoši 26,5°C un –4,7°C. Tāpēc, lai nodrošinātu pietiekami zemu viršanos punktu, kas atbilst zemākām temperatūras darbības prasībām, ir jāpievieno bufergāzes. Tā kā CO₂ ir laba loku apgūšanas spēja, tā tiek izvēlēta kā bufergāze augstā sprieguma lietojumos. Vidējā sprieguma lietojumos arī gaisa izmantošana kā bufergāze kopā ar C₅-PFK ir ziņots par izolācijas mērķiem.

3. Nepārtrauktās un gāzu maisījumu īpašības

Tabulā 1 ir sniegtas izvēlēto alternatīvo gāzu īpašības salīdzinājumā ar SF₆. Šo gāzu GWP ir būtiski dažāds: C₄-PFN rāda daudz augstāku GWP nekā CO₂ vai C₅-PFK, kuri abi ir aptuveni 1. Visas interesējošās kandidātgāzes ir neatvaļkāmas, ar nulles ODP un tiek ziņotas kā neatvaļkāmas, pamatojoties uz tehniskajām un drošības datu lapām, ko sniedz ķīmiskās rūpniecības ražotāji. Nepārtrauktā C₄-PFN un C₅-PFK dielektiska spēja ir gandrīz divreiz lielāka nekā SF₆. CO₂ dielektiskā izturība ir salīdzināma ar gaisa—tātad, būtiski zemāka nekā SF₆.

Tabula 1: Salīdzinājums nepārtrauktās gāzes īpašībām ar SF₆

2. tabula parāda gāzu un gāzu maisījumu īpašības, kad tie tiek izmantoti pārslēgēs. Otrajā kolonnā ir norādītas C₄-PFN un C₅-PFK koncentrācijas maisījumos ar bufergāzēm, parasti zemākas par 13% (molārā koncentrācija). Jāņem vērā, ka C₅-PFK izmantošanai CO₂ iekšienē tika atzīmēts arī skābekļa pievienošana, kā rezultātā var samazināties kaitīgo blakusproduktu (piemēram, CO) un solidu blakusproduktu (piemēram, sūknis) veidošanās.

2. tabula: Gāzu un gāzu maisījumu īpašības/veiktspēja vidējas un augstās sprieguma pārslēgēs

Tāpēc, ka saliekumu dielektriskā izturība pret spriegumu pie tāda paša spiediena (Kolonna 6) ir zemāka nekā SF₆, C₅-PFK un C₄-PFN ar CO₂ kā bufergāzi augstsprieguma lietojumos jāpalielina minimālais darbības spiediens līdz aptuveni 0,7–0,8 MPa. Vidusprieguma lietojumiem, izmantojot gaisa/C₅-PFK maisījumu, var uzturēt 0,13 MPa spiedni, sasniegdamas dielektrisko izturību, kas tuvāka SF₆.

Augstā dielektriskā izturība, kas sasniegta relatīvi zemām C₄-PFN vai C₅-PFK maisījuma daudzumkopībām, var tikt paskaidrota sinerģijas efektu dēļ—t.i., dielektriskā izturība neproporcionali palielinās ar pievienoto koncentrāciju, parādība, ko agrāk novēroja SF₆/N₂ maisījumos. C₅-PFK maisījumu GWP ir nolieksams, bet tas notiek maksas par augstāku minimālo darbības temperatūru. Zemas temperatūras lietojumi (piem., –25°C) var tikt risināti, izmantojot gan tīru CO₂, gan CO₂ + C₄-PFN maisījumus, ar kompromisiem: nozīmisami samazināta dielektriskā izturība gadījumā ar tīru CO₂, vai būtiski augstāks GWP, izmantojot C₄-PFN maisījumus.

4. Alternatīvo gāzu pārslēguma rīcība
Tabulā 3 apkopotas sākotnējās informācijas par tīra CO₂ un CO₂ pamata maisījumu pārslēguma rīcību, salīdzinot to ar SF₆. Palielinot darbības spiedienu attiecībā pret SF₆, var sasniegt kaltā dielektriskā izturība—piemēram, kā rādītājs kondensatoru pārslēguma rīcībai—līdz SF₆ līmenim.

Tabula 3: Gāzu un gāzu maisījumu pārslēguma rīcības salīdzinājums pie paaugstinātiem darbības spiedieniem salīdzinājumā ar SF₆ augstsprieguma lietojumos

Pārskatītajā literatūrā tikai kvalitatīvi aprakstīta C₄-PFN un C₅-PFK maisījumu pārslēgšanas veiktspēja. Par CO₂ ir pieejami daži kvantitatīvi salīdzinājumi. Kopumā runājot, ar tīru CO₂, pieaugus izpildes spiedienam līdz aptuveni 1 MPa, var sagaidīt apmēram divtrešdaļas no SF₆ izolācijas un īsās līnijas kļūdas (SLF) pārtraukšanas veiktspēju.

Pievienojot O₂ CO₂ (ar maisījuma attiecībām līdz 30%), var sagaidīt SLF pārtraukšanas veiktspējas uzlabojumu un mazu dielektiskās stipruma palielinājumu. Pievienojot C₄-PFN vai C₅-PFK CO₂, var sasniegt dielektisko veiktspēju, kas tuvojas SF₆. Pētījumi ziņo, ka CO₂/O₂/C₅-PFK maisījumu SLF pārslēgšanas veiktspēja ir aptuveni 20% zemāka nekā SF₆. Savukārt šķērsgriezļi, kas speciāli pielāgoti CO₂/C₄-PFN maisījumiem, tiek apgalvoti, ka sasniedz SLF veiktspēju, kas salīdzināma ar SF₆.

Tomēr ir arī pētījumi, kas tieši salīdzina tīro CO₂ ar CO₂/C₄-PFN un CO₂/C₅-PFK maisījumiem vienādā ģeometrijā un spiediena apstākļos, kas rāda līdzīgu blakuszonas (termisko) pārtraukšanas veiktspēju CO₂ ar vai bez pievienošanas vielām. Ar nelielu dizaina izmaiņu vai mazu samazinājumu jaunie maisījumi veiksmīgi ir pārbaudīti IEC testa pienākumos L90 (SLF) un T100 (100% galda kļūda), kas liecina, ka to pārslēgšanas veiktspēja nav būtiski nabadzīgāka nekā SF₆. Tas tika pierādīts arī šķērsgriezļu pārtraukšanas funkcijai.

Nākotnē gaida papildu veiktspējas uzlabojumi, izmantojot specializētas dizaina optimizācijas. Svarīga problēma ir gāzu toksiskums pēc loksnes. C₅-PFK un C₄-PFN ir sarežģīti molekulas, kas sāk sadalīties virs aptuveni 650 °C gadījumā C₄-PFN. Sadaloties, šīs molekulas neatgriežas savā sākotnējā struktūrā, bet veido mazākas fragmentu. CO₂/O₂/C₅-PFK maisījumiem lielā strāvas pārtraukšanā ir ziņots par sadalīšanās ātrumu 0.5 mol/MJ. Daļējiem izlaides gadījumā sadalīšanās ātrums tika novērots vairāk nekā desmitreiz zemāks par minēto vērtību.

Šo jauno gāzu sadalīšanās uztvere nav tieši salīdzināma ar SF₆, kas sadalās galvenokārt dēļ ķīmiskām reakcijām ar atceltām kontaktmaterialiem un trauksmes materiāliem. Jaunajām gāzēm sadalīšanās iekārtu darbības laikā netiek uzskatīta par kritisku jautājumu, tomēr iekārtā esošo gāzu koncentrāciju vajadzētu uzraudzīt vai regulāri pārbaudīt. Visbīstamākie sadalīšanās produkti augstspiediena lietojumos (t.i., maisījumi ar CO₂) ir CO un HF. Šo maisījumu loksnes blakusprodukts tiek uzskatīts par toksiskumu, kas līdzināms vai zemāks nekā loksnes sadalīšanās SF₆. Tāpēc tiek iesakotas līdzīgas apstrādes procedūras kā arc-exposed SF₆.

Tomēr jāatzīmē, ka minētie apgalvojumi balstīti uz ierobežotu zināšanu par šo jauno gāzu toksiskumu. Vajadzīga vēl vairāk pieredze par potenciālo SF₆ aizstājēju pozzoles toksiskumu. Citi ziņotie jautājumi ietver materiālu savietojamību (piemēram, efektus uz sprādzieniem un smaržiem), gāzu ciešanas integritāti un gāzu apstrādes procedūras. Tāpēc esamās augsprieguma iekārtas bez atbilstošā dizaina vai materiālu izmaiņām nevar sagaidīt drošu darbību ar šīm jaunajām gāzēm.

Iekšējie loksnes testi ir veikti ar visiem maisījumiem, un nopietni jautājumi nav ziņoti. Maisījumu termiskā vedņtspēja ir nedaudz nabadzīgāka nekā SF₆, kas var prasīt vidēju samazinājumu vai dizaina pielāgojumus strāvas pārnešanas spējai. CO₂ dzīves rezervuāra šķērsgriezļi jau ir ieguvuši praksē pieredzi, sākot ar izmantošanu pirms dažiem gadiem, un CO₂ aizpildīti šķērsgriezļi tagad ir komerciāli pieejami.

Augsprieguma un vidējsprieguma pilotprojekti, kas izmanto C₅-PFK maisījumus, ir veiksmīgi darbojušies Šveicē un Vācijā kopš 2015. gada. Pilotprojekti, kas izmanto CO₂/C₄-PFN maisījumus, tiek plānoti vai jau notiek vairākās Eiropas valstīs, tostarp 145 kV iekšējā GIS Šveicē, 245 kV ārējais strāvas transformators Vācijā un ārējie 420 kV GIL sistēmas Apvienotajā Karalistē un Skotijā.

5. Secinājumi un perspektīva
Pārskatīta informācija par SF₆ aizstājēju gāzēm pārslēgšanas lietojumos. Pašreizējā stāvoklī šis pētījums joprojām ir savā agrīnajā posmā un daudz mazāk izplatīts nekā desmitgadžu garā SF₆ pētījumu vēsture. Pieejamie ražotāju dati liecina, ka jaunas gāzes, piemēram, C₅-PFK un C₄-PFN, ir iespējamās alternatīvas, kas, maiņā ar CO₂ kā bufergāzi, var daļēji atbilst SF₆ veiktspējai, lai gan tās var nebūt pilnībā atbilstošas visām SF₆ spējām.

Galvenās atšķirības atrodas izolācijas un pārtraukšanas veiktspējā, kā arī sāļšanas temperatūrā, kas nosaka mazāko norādīto iekārtas darbības temperatūru. Zema mazākā darbības temperatūra (piemēram, –50 °C) var tikt sasniegta ar tīru CO₂. Tomēr CO₂ parāda vispār zemāku pārtraukšanas veiktspēju, īpaši atslaides sprieguma atveseļošanas augstākā sprieguma izturēšanas un pārtraukšanas spējā, salīdzinot ar gāzēm, kas satur C₄-PFN vai C₅-PFK.

CO₂/C₅-PFK maisījumu priekšrocība CO₂/C₄-PFN maisījumiem ir to mazs globālais siltumnīcefekta potenciālis (~1 salīdzinājumā ar 427/600 C₄-PFN). Savukārt CO₂/C₄-PFN maisījumi piedāvā zemāku mazāko darbības temperatūru (aptuveni –25 °C) salīdzinājumā ar CO₂/C₅-PFK maisījumiem (aptuveni –5 °C).

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

Apraksts:

40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV un 245kV Dead tank vakuuma šķērsgriezļi ir svarīgi aizsardzības ierīces augsprieguma elektrotīkliem. Izmantojot vakuumu kā loksnes nogāzēju un izolācijas vidu, tie piedāvā izcilu loksnes nogāzēju spējas, ātri pārtraucot kļūdas strāvas un efektīvi novēršot loksnes atdzimšanu, lai nodrošinātu stabila elektrotīkla darbību. Dead tank dizains piedāvā kompakto platību un stipru mehānisko stabilitāti, palīdzot instalācijai un apkopei. Aprīkots ar augsti uzticībāmām pavadoņu mehānismiem, šie šķērsgriezļi ir ar mehānisko ilgumu, kas pārsniedz 10 000 operācijas, sniedzot ātru un precīzu atbildi. Ar izcilu vides pielāgojamību, tie var darboties stabilā veidā grūtās ārējās apstākļos. Tās plaši tiek izmantotas pārvades stacijās, transmisijas līnijās un citās situācijās, sniedzot efektīvu un drošu enerģijas pārslēgšanas kontrolēšanu un uzticību dažādos sprieguma līmeņos.

Galvenās funkcijas apraksts:

• Efektīva loka iznīcināšana: Izmanto vakuumu, lai ātri un uzticami iznīcinātu lokus, novēršot to atkaluzglabāšanos.

• Plašs sprieguma diapazons: Pieejams 40.5 kV, 72.5 kV, 145 kV, 170 kV un 245 kV reitings, lai nodrošinātu universālu tīkla lietojumu.

• Robusts dead tank dizains: Kompaktais struktūra nodrošina mehānisko stabilitāti un vienkāršo instalāciju/un remontu.

• Uzticama darbība: Spraugas balstīts darbības mehānisms ar vairāk nekā 10 000 mehāniskajiem izturības cikliem.

• Palielināta izolācija: Divu segu flanžu dizains piedāvā ūdensneprogāmu un gāznomeklēju aizsardzību, ideāli piemērots ārpusdzīvokļu lietojumam.