Најновите трендови во развојот на високонапоњни прекинувачи базирани на гас како алтернатива на SF₆

1. Вовед
СФ₆ е широко користен во системите за пренос и дистрибуција на електрична енергија, како што се гас-изолирани превключувачки апарати (GIS), прекинувачи (CB) и средно напонски (MV) превключувачи. Има уникални капацитети за електрична изолација и гасење на дуг. Меѓутоа, СФ₆ исто така е моќен парников гас, со глобален потенцијал за загревување од приближно 23.500 во временски период од 100 години, затоа неговата употреба е регулирана и подлежи на продолжуваати разговори за ограничувања. Затоа, истражувањето на алтернативни гасови за енергетски применби се врши околу две децении.

"Клубот Зеро" (CZC), во соработка со CIGRE, наскоро ја започна иницијативата за оценка на современата состојба на алтернативни гасови за СФ₆ за превключувачки применби. Извршена беше анкета за собирање на сите достапни нови литератури по тој тема. Резултатите беа презентирани и обсновани на заедничка сесија во време на CIGRE Session во 2016 година. Овој труд представува главните пронајдени резултати од таа анкета. Бидејќи технологијата на вакуумско превключување составува одделна наредна активност, не ќе биде обработена во овој преглед.

2. Алтернативни гасови

После прифатувањето на Киотскиот протокол во 1997 година, истражувањето на алтернативни гасови се интензифицирало и дополнително се зголемило во последната деценија. Клучните барања за алтернативни гасови биле идентификувани како: ниско глобално потенцијално за загревување (GWP), нулта потенцијална за уништување на озон (ODP), ниска токсичност, не-загорливост, висока диелектрична јачина, висока капацитет за гасење на дуг и дисипација на топлина, хемиска стабилност, компатибилност со материјали и пазарска достапност.

Меѓу различните природни гасови кои биле истражени, CO₂ се покажа како најнадежниот гас за гасење на дуг, со можно подобрување на неговата перформанса со добавки како O₂ или CF₄. Меѓутоа, студии покажаа дека и прекинувачката и изолаторската перформанса на CO₂ се ниж од онаа на СФ₆. Други интересни кандидати беа идентификувани меѓу флуорирани гасови, како CF₃I, хидрофлуороолефини (HFO-1234ze и HFO-1234yf), перфторкетони (нпр. C₅F₁₀O), перфторни трилони (C₄F₇N), флуорирани етери (HFE-245cb2), флуорирани епоксиди и хидрохлорофлуороолефини (HCFO-1233zd).

Земајќи ги предвид сите барања, најнадежните моментални кандидати се C₅ перфторкетон (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ или C₅-PFK) и iso-C₄ перфторни трилон ((CF₃)₂CF-CN или C₄-PFN). За чисти гасови, диелектричната перформанса е пропорционална со точката на врејање - тоа е, гасовите со висока диелектрична јачина типично имаат и високи точки на врејање. При 0,1 МПа, точките на врејање на C₅-PFK и C₄-PFN се 26,5°C и –4,7°C, соодветно. Затоа, за применби на превключувачко опрема кои бараат доволно ниски точки на врејање за да задоволат барањата за работа при ниски температури, мора да се додадат буферни гасови. Заблагодарени на неговата добра капацитет за гасење на дуг, CO₂ е избран како буферен гас во високо напонски применби. Во средно напонски применби, воздухот исто така е извесен како буферен гас користен во комбинација со C₅-PFK за цели на изолација.

3. Својства на чисти гасови и мешавини од гасови

Табела 1 прикажува својствата на избрани алтернативни гасови во однос на СФ₆. GWP-тите на овие гасови варираат значително: C₄-PFN има многу повисок GWP од CO₂ или C₅-PFK, кои имаат GWP околу 1. Сите интересни кандидати гасови се не-загорливи, имаат нулта ODP и се извесени како нетоксични според технички и безбедносни листови обезбедени од производителите на хемикалии. Диелектричната јачина на чисти C₄-PFN и C₅-PFK е скоро двојна од тоа на СФ₆. Диелектричната отпорност на CO₂ е сравнима со онаа на воздухот - тоа е, значително пониска од тоа на СФ₆.

Табела 1: Сравнение на својствата на чисти гасови со СФ₆

Табела 2 прикажува карактеристиките на гасови и мешавини од гасови кога се користат во превключувачки апаратура. Концентрациите на C₄-PFN и C₅-PFK во мешавини со буферни гасови се дадени во втората колона, обично под 13% (моловска концентрација). Треба да се напомене дека за употребата на C₅-PFK во CO₂, исто така се рапортувало за добавки од кислород, бидејќи присуството на кислород може да ја намали формацијата на штетни побочни производи (како што е CO) и тврди побочни производи (како што е саж).

Табела 2: Характеристики/Постапки на Чисти Гасови и Мешавини од Гасови во Апликации за Превключувачка Апаратура со Средно и Високо Напон

Зошто што мешавините имаат намалена издржливост на диелектрична напонесност во споредба со SF₆ при истата притисната (колона 6), минималниот работен притисок за C₅-PFK и C₄-PFN со CO₂ како буферен гас во високонапонски применби треба да се зголеми до приближно 0,7–0,8 МПа. За средненапонски применби користејќи мешавина од ваздух/C₅-PFK, може да се задржи притисок од 0,13 МПа, постигнувајќи диелектрична напонесност блиска до таа на SF₆.

Високата диелектрична напонесност постигната со релативно ниски пропорции на C₄-PFN или C₅-PFK може да се објасни со синергетичен ефект—т.е., диелектричната јачина се зголемува нелинеарно со концентрацијата на додаток, феномен кој претходно е бил забележан во мешавините SF₆/N₂. GWP-тот на мешавините C₅-PFK е занемарлив, но тоа доаѓа со цена на повисок минимален температурен режим. Нискотемпературни применби (напр. –25°C) можат да се обработат со користење на чист CO₂ или мешавина од CO₂ + C₄-PFN, иако со компромити: значително намалена диелектрична напонесност во случај на чист CO₂, или многу повисок GWP кога се користат мешавини од C₄-PFN.

4. Превклучувачка способност на алтернативни гасови
Табела 3 содржи првично информации за превклучувачката способност на чист CO₂ и мешавини од CO₂, со превклучувачката способност на SF₆ за споредба. Со зголемување на работниот притисок во споредба со SF₆, холодната диелектрична јачина—која, на пример, се користи како метрика за капацитивна превклучувачка способност—може да се доведе до ниво на SF₆.

Табела 3: Споредба на превклучувачката способност на гасови и мешавини од гаси при повисоки работни притисоци во споредба со SF₆ во високонапонски применби

Во претраганата литература, само квалитативни изјави за перформансите на преклопување на мешавините C₄-PFN и C₅-PFK може да се најдат. За CO₂, достапни се некои квантитативни споредби. Генерално земено, со чист CO₂ при повишена наполнителна притисната од околу 1 МПа, може да се очекува изолувачки и преклопувачки перформанс на кратки линиски грешки (SLF) околу две трети од SF₆.

Додавањето на O₂ во CO₂ (со мешавински односи до 30%) може да доведе до подобрување на SLF преклопувачкиот перформанс и слабо зголемување на диелектричката јачина. Додавањето на C₄-PFN или C₅-PFK во CO₂ овозможува диелектрички перформанс кој се приближува до SF₆. Исследувањата рапортираат дека SLF преклопувачкиот перформанс на мешавините CO₂/O₂/C₅-PFK е околу 20% помал од SF₆. Спротивно, преклопувачи специјално адаптирани за мешавините CO₂/C₄-PFN се тврде дека постигнуваат SLF перформанс компаративен со SF₆.

Од друга страна, има истражувања кои директно споредуваат чист CO₂ со мешавините CO₂/C₄-PFN и CO₂/C₅-PFK при идентични геометриски и притисни услови, што покажуваат слични блисоки (термални) преклопувачки перформанси за CO₂ со или без додаточни материјали. Со минимални дизајнерски модификација или скромно поништање, новите мешавини успешно поминале IEC тестови L90 (SLF) и T100 (100% терминална грешка), што индицира дека нивниот преклопувачки перформанс не е значително ниж од SF₆. Тоа е така исто така демонстрирано за преклопувачката функција на преклопувачот.

Дополнителни подобрувања на преклопувачкиот перформанс преку специјализирани дизајнерски оптимизации се очекуваат во иднина. Важен проблем е токсичноста на гасите после дуга. C₅-PFK и C₄-PFN се комплексни молекули кои започнуваат да се распаѓаат над околу 650 °C во случај на C₄-PFN. При распаѓањето, овие молекули не се рекомбинираат во своите оригинални структури, туку формираат помали фрагменти. Распаѓањето на темп од 0,5 мол/МЈ се рапортирало за мешавините CO₂/O₂/C₅-PFK при преклопување со големи строји. За делумни разлаги, темпот на распаѓање се набљудувал да е повеќе од еден ред од вредноста погоре.

Распаѓањето на овие нови гаси не е директно компаративно со SF₆, кој се распаѓа главно поради хемиски реакции со аблатирани контактни и цевни материјали. За новите гаси, распаѓањето над временската длителност на опремата не се смета за критичен проблем, но концентрацијата на гасот во опремата треба да се мониторира или периодично проверува. Најтоксичните продукти на распаѓање во високопритисни апликации (на пример, мешавини со CO₂) се CO и HF. Продуктите на дуга од овие мешавини се сметаат да имаат токсичност слична или помала од SF₆. Затоа, препорачуваат се процедури за обработка слични на теа што се користат за SF₆ изложени на дуга.

Меѓутоа, треба да се забележи дека горенаведените изјави се основаат на ограничена знаење за токсичноста на овие нови гаси. Потребно е повеќе искуство во однос на токсичноста по дуга на потенцијални алтернативи на SF₆. Други рапортирани загрижености вклучуваат компатибилноста на материјалите (на пример, ефекти на печати и мастила), целоста на гасот печат и процедурите за обработка на гас. Консеквентно, постојечката опрема за висок напон не треба да се очекува да работи сигурно со овие нови гаси без одговарачки дизајнерски или материјални модификација.

Испробувања на интерни дуги се изведени со сите мешавини, и нема рапортирани сериозни проблеми. Термалната проводливост на мешавините е слабо ниж од SF₆, што може да бара умерено поништање или дизајнерски приспособувања за капацитет на пренос на строј. CO₂ преклопувачи со живо резервоар се веќе добијаат полесно, со воведувања почнати пред неколку години, и преклопувачи наполнети со CO₂ сега се комерцијално достапни.

Пилотни инсталации со мешавини C₅-PFK успешно функционираат во Швајцарија и Германија од 2015 година. Пилотни проекти со мешавини CO₂/C₄-PFN се планирани или во тек во неколку европски земји, вклучувајќи 145 kV indoor GIS во Швајцарија, 245 kV надворешен преобразувач на строј во Германија, и надворешни системи GIL на 420 kV во УК и Шкоција.

5. Заклучоци и перспективи
Обработени се информации за алтернативни гаси на SF₆ за преклопувачки апликации. Во моментовата фаза, ова истражување все уште е во рана фаза и многу помало екстензивно од децении долготрајни студии на SF₆. Достапните податоци од производители индицираат дека новите гаси - како C₅-PFK и C₄-PFN - се вијабилни опции кои, кога се мешаат со CO₂ како буферен гас, можат делично да се одговараат со перформансот на SF₆, иако можеби не ќе ги повторат сите можности на SF₆.

Клучните разлики се во изолувачкиот и преклопувачкиот перформанс, како и точката на вршење - која определува минималната оперативна температура на преклопувачот. Ниска минимална оперативна температура (на пример, –50 °C) може да се постигне со чист CO₂. Меѓутоа, CO₂ изгледа дека има општо ниж преклопувачки перформанс, особено во однос на капацитетот за одржување на вршина на востанаставувачкиот напон и преклопувачкиот капацитет, споредно со гасним мешавинам со C₄-PFN или C₅-PFK.

Преимање на мешавините CO₂/C₅-PFK над мешавините CO₂/C₄-PFN е нивниот занемарлив GWP (~1 спротивно на 427/600 за C₄-PFN). Спротивно, мешавините CO₂/C₄-PFN нудат ниж минимална оперативна температура (приближно –25 °C) споредно со мешавините CO₂/C₅-PFK (приближно –5 °C).

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

Опис:

Преклопувачите со мртов резервоар и вакуум на 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV и 245kV се суштински заштитни уреди во системите за висок напон. Користејќи вакуум како средство за гашење на дуга и изолација, тоа има изузетни способности за гашење на дуга, брзо преклопувајќи грешки во стројот и ефективно го предизвика повторното зажигнување на дуга за осигурување стабилна работа на системот за строј. Дизајнот со мртов резервоар нуди компактен след и робустна механичка стабилност, олеснувајќи инсталацијата и одржуването. Опремени со високо релевантни пружински оперативни механизми, овие преклопувачи имаат механички живот над 10.000 операции, доставувајќи брзи и прецизни одговори. Со изузетна приспособливост на околина, тоа може да работи стабилно под тешки вонешни услови. Широко применети во преобразувачи, преносни линии и други сценарија, тоа нуди ефикасна и сигурна контрола на преклопување на строј и надежна заштита на различни нивоа на напон.

Основно воведување на функции:

• Ефикасно гасење на дуга: Исползува вакуум за брзо и надежно гасење на дуга, спречувајќи повторно запалување.

• Широк опсег на напон: Достапен во напонски класи од 40.5кВ, 72.5кВ, 145кВ, 170кВ и 245кВ за многуфункционални мрежни применби.

• Цврста конструкција со мртво резервоар: Компактен дизајн кој осигурува механична стабилност и поедноставува инсталацијата/одржуването.

• Надежна работа: Механизам на работа базиран на пружини со повеќе од 10.000 цикли на механичка издржливост.

• Подобрен затвор: Дизајн со двојна затворна фланжа што нуди водонепроницлива и гасотесна заштита, идеална за употреба на отворено.