Trend Pembangunan Terkini Pengganti Gas SF₆ Berasaskan Pereputar Litar Voltan Tinggi

1. Pengenalan
SF₆ digunakan secara meluas dalam sistem penghantaran dan pengagihan elektrik seperti peralatan pemutus litar gas (GIS), pemutus litar (CB), dan pemutus beban voltan sederhana (MV). Ia mempunyai keupayaan pengasingan elektrik dan pengekalan lengkungan unik. Walau bagaimanapun, SF₆ juga merupakan gas rumah hijau yang kuat, dengan potensi pemanasan global sekitar 23,500 selama tempoh 100 tahun, dan oleh itu penggunaannya dikawal dan menjadi subjek perbincangan berterusan mengenai pembatasan. Oleh itu, penyelidikan tentang gas alternatif untuk aplikasi tenaga telah dijalankan selama kira-kira dua dekad.

"Club Zéro" (CZC), bekerjasama dengan CIGRE, baru-baru ini melancarkan inisiatif untuk menilai keadaan terkini gas alternatif SF₆ untuk aplikasi pemutusan. Satu tinjauan telah dijalankan untuk mengumpul semua literatur terkini yang ada mengenai topik ini. Hasilnya telah dipresentasikan dan dibincangkan semasa sesi bersama semasa Sesi CIGRE pada tahun 2016. Kertas ini menyajikan dapatan utama dari tinjauan tersebut. Oleh kerana teknologi pemutusan vakum merupakan aktiviti berterusan yang berasingan, ia tidak akan ditangani dalam ulasan ini.

2. Gas Alternatif

Selepas pengambilan Protokol Kyoto pada tahun 1997, penyelidikan tentang gas alternatif meningkat dan terus bertambah selama dekad lepas. Keperluan utama bagi gas alternatif telah dikenal pasti sebagai: potensi pemanasan global rendah (GWP), potensi pengurangan ozon sifar, toksisiti rendah, tidak mudah terbakar, kekuatan dielektrik tinggi, keupayaan pengekalan lengkungan dan penghalaan haba yang tinggi, kestabilan kimia, keserasian bahan, dan ketersediaan pasaran.

Di antara pelbagai gas alami yang disiasat, CO₂ telah terbukti menjadi gas pengekalan lengkungan yang paling menjanjikan, dengan prestasinya mungkin ditingkatkan oleh aditif seperti O₂ atau CF₄. Namun, kajian telah menunjukkan bahawa prestasi pemutusan dan pengasingan CO₂ adalah lebih rendah daripada SF₆. Calon-calon menarik lain telah dikenal pasti di kalangan gas fluorin, seperti CF₃I, hidrofluoroolefin (HFO-1234ze dan HFO-1234yf), perfluoroketones (contohnya, C₅F₁₀O), perfluoronitriles (C₄F₇N), ether fluoro (HFE-245cb2), epoksida fluoro, dan hidroklorofluoroolefin (HCFO-1233zd).

Mengambil kira semua keperluan, calon-calon yang paling menjanjikan pada masa kini adalah C₅ perfluoroketone (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ atau C₅-PFK) dan iso-C₄ perfluoronitrile ((CF₃)₂CF-CN atau C₄-PFN). Untuk gas tulen, prestasi dielektrik berkadar dengan titik didih—iaitu, gas dengan kekuatan dielektrik tinggi biasanya juga mempunyai titik didih yang tinggi. Pada 0.1 MPa, titik didih C₅-PFK dan C₄-PFN adalah 26.5°C dan –4.7°C, masing-masing. Oleh itu, untuk aplikasi peralatan pemutusan yang memerlukan titik didih yang cukup rendah untuk memenuhi keperluan operasi suhu rendah, gas buffer harus ditambah. Berdasarkan keupayaan pengekalan lengkungan yang baik, CO₂ dipilih sebagai gas buffer dalam aplikasi voltan tinggi. Dalam aplikasi voltan sederhana, udara juga telah dilaporkan sebagai gas buffer yang digunakan bersama C₅-PFK untuk tujuan pengasingan.

3. Sifat Gas Tulen dan Campuran Gas

Jadual 1 menyajikan sifat gas alternatif yang dipilih berbanding SF₆. GWP gas-gas ini berbeza secara signifikan: C₄-PFN menunjukkan GWP yang jauh lebih tinggi daripada CO₂ atau C₅-PFK, kedua-duanya mempunyai GWP kira-kira 1. Semua gas calon yang berminat adalah tidak mudah terbakar, mempunyai ODP sifar, dan dilaporkan sebagai tidak toksik berdasarkan lembaran data teknikal dan keselamatan yang diberikan oleh pengeluar kimia. Kekuatan dielektrik C₄-PFN dan C₅-PFK tulen hampir dua kali ganda SF₆. Voltan tahanan dielektrik CO₂ setanding dengan udara—iaitu, secara signifikan lebih rendah daripada SF₆.

Jadual 1: Perbandingan Sifat Gas Tulen dengan SF₆

Jadual 2 menunjukkan ciri-ciri gas dan campuran gas apabila digunakan dalam peralatan pemutus litar. Konsentrasi C₄-PFN dan C₅-PFK dalam campuran dengan gas pengekalkan diberikan dalam lajur kedua, biasanya di bawah 13% (kepekatan molar). Patut diperhatikan bahawa untuk penggunaan C₅-PFK dalam CO₂, tambahan oksigen juga telah dilaporkan, kerana kehadiran oksigen boleh mengurangkan pembentukan hasil sampingan berbahaya (seperti CO) dan hasil sampingan pepejal (seperti jelaga).

Jadual 2: Ciri-ciri/Prestasi Gas Tulen dan Campuran Gas dalam Aplikasi Peralatan Pemutus Litar Voltan Sederhana dan Tinggi

Oleh kerana voltan daya tahan dielektrik campuran berkurangan berbanding SF₆ pada tekanan yang sama (Lajur 6), tekanan operasi minimum untuk C₅-PFK dan C₄-PFN dengan CO₂ sebagai gas pengekang dalam aplikasi voltan tinggi perlu ditingkatkan hingga kira-kira 0.7–0.8 MPa. Untuk aplikasi voltan sederhana menggunakan campuran udara/C₅-PFK, tekanan 0.13 MPa boleh dikekalkan, mencapai voltan daya tahan dielektrik yang hampir sama dengan SF₆.

Voltan daya tahan dielektrik yang tinggi yang dicapai dengan nisbah pencampuran yang relatif rendah C₄-PFN atau C₅-PFK boleh dijelaskan oleh kesan sinergi—iaitu, kekuatan dielektrik meningkat secara tidak linear dengan kepekatan tambahan, fenomena yang telah diperhatikan sebelumnya dalam campuran SF₆/N₂. GWP campuran C₅-PFK adalah tidak signifikan, tetapi ini datang dengan kos suhu operasi minimum yang lebih tinggi. Aplikasi suhu rendah (contohnya, –25°C) boleh diselesaikan dengan menggunakan CO₂ murni atau campuran CO₂ + C₄-PFN, walaupun dengan kompromi: voltan daya tahan dielektrik yang berkurangan secara signifikan dalam kes CO₂ murni, atau GWP yang jauh lebih tinggi apabila menggunakan campuran C₄-PFN.

4. Prestasi Peralihan Gas Alternatif
Jadual 3 mengumpulkan maklumat awal tentang prestasi peralihan CO₂ murni dan campuran berdasarkan CO₂, dengan prestasi SF₆ disediakan untuk perbandingan. Dengan menaikkan tekanan operasi berbanding SF₆, kekuatan dielektrik sejuk—yang digunakan, contohnya, sebagai metrik untuk prestasi peralihan kapasitif—dapat dibawa ke tahap SF₆.

Jadual 3: Perbandingan Prestasi Peralihan Gas dan Campuran Gas pada Tekanan Operasi Tinggi berbanding SF₆ dalam Aplikasi Voltan Tinggi

Dalam literatur yang ditinjau, hanya pernyataan kualitatif mengenai prestasi pemutusan C₄-PFN dan campuran C₅-PFK yang dapat ditemukan. Untuk CO₂, beberapa perbandingan kuantitatif tersedia. Secara umum, dengan CO₂ murni pada tekanan pengisian yang ditingkatkan sekitar 1 MPa, prestasi isolasi dan pemutusan kesalahan garis pendek (SLF) sekitar dua pertiga dari SF₆ dapat diharapkan.

Dengan menambahkan O₂ ke CO₂ (dengan rasio pencampuran hingga 30%), peningkatan prestasi pemutusan SLF dan sedikit peningkatan kekuatan dielektrik dapat diantisipasi. Menambahkan C₄-PFN atau C₅-PFK ke CO₂ memungkinkan prestasi dielektrik mendekati SF₆. Studi melaporkan bahwa prestasi pemutusan SLF campuran CO₂/O₂/C₅-PFK sekitar 20% lebih rendah daripada SF₆. Sebaliknya, pemutus sirkuit yang disesuaikan secara khusus untuk campuran CO₂/C₄-PFN diklaim mencapai prestasi SLF yang setara dengan SF₆.

Namun, ada juga studi yang secara langsung membandingkan CO₂ murni dengan campuran CO₂/C₄-PFN dan CO₂/C₅-PFK dalam geometri dan kondisi tekanan yang sama, yang menunjukkan prestasi pemutusan zona dekat (termal) yang serupa untuk CO₂ dengan atau tanpa aditif. Dengan modifikasi desain minor atau derating ringan, campuran baru telah berhasil lulus tugas uji IEC L90 (SLF) dan T100 (kesalahan terminal 100%), menunjukkan bahwa prestasi pemutusan mereka tidak jauh lebih rendah dari SF₆. Ini juga telah dibuktikan untuk fungsi pemutusan pemutus sirkuit.

Peningkatan lebih lanjut dalam prestasi pemutusan melalui optimisasi desain khusus diharapkan di masa depan. Masalah penting adalah toksisitas gas setelah busur listrik. C₅-PFK dan C₄-PFN adalah molekul kompleks yang mulai terurai di atas sekitar 650 °C dalam kasus C₄-PFN. Setelah terurai, molekul-molekul ini tidak bergabung kembali menjadi struktur aslinya tetapi membentuk fragmen-fragmen yang lebih kecil. Laju dekomposisi 0,5 mol/MJ telah dilaporkan untuk campuran CO₂/O₂/C₅-PFK dalam pemutusan arus tinggi. Untuk pelepasan parsial, laju dekomposisi diamati lebih dari satu magnitudo lebih rendah dari nilai di atas.

Perilaku dekomposisi gas-gas baru ini tidak dapat dibandingkan secara langsung dengan SF₆, yang terurai terutama karena reaksi kimia dengan bahan kontak dan nozzle yang tererosi. Untuk gas-gas baru, dekomposisi selama masa pakai peralatan tidak dianggap sebagai masalah kritis, tetapi konsentrasi gas dalam peralatan harus dipantau atau diperiksa secara berkala. Produk dekomposisi paling beracun dalam aplikasi tekanan tinggi (yaitu, campuran dengan CO₂) adalah CO dan HF. Produk sampingan busur dari campuran ini dianggap memiliki toksisitas serupa atau lebih rendah daripada SF₆ yang terurai oleh busur. Oleh karena itu, prosedur penanganan yang serupa dengan yang digunakan untuk SF₆ yang terpapar busur direkomendasikan.

Namun, perlu dicatat bahwa pernyataan di atas didasarkan pada pengetahuan terbatas tentang toksisitas gas-gas baru ini. Lebih banyak pengalaman diperlukan mengenai toksisitas pasca-busur alternatif potensial SF₆. Kekhawatiran lain yang dilaporkan termasuk kompatibilitas material (misalnya, efek pada segel dan pelumas), integritas penyegelan gas, dan prosedur penanganan gas. Akibatnya, peralatan tegangan tinggi yang ada tidak boleh diharapkan untuk beroperasi dengan aman dengan gas-gas baru ini tanpa modifikasi desain atau material yang sesuai.

Uji busur internal telah dilakukan dengan semua campuran, dan tidak ada masalah serius yang dilaporkan. Konduktivitas termal campuran sedikit lebih rendah daripada SF₆, yang mungkin memerlukan derating moderat atau penyesuaian desain untuk kapasitas arus. Pemutus sirkuit tangki hidup CO₂ telah mendapatkan pengalaman lapangan, dengan penerapan dimulai beberapa tahun yang lalu, dan pemutus sirkuit yang diisi CO₂ kini tersedia secara komersial.

Instalasi pilot tegangan tinggi dan menengah menggunakan campuran C₅-PFK telah beroperasi dengan sukses di Swiss dan Jerman sejak 2015. Proyek-proyek pilot menggunakan campuran CO₂/C₄-PFN direncanakan atau sedang berlangsung di beberapa negara Eropa, termasuk GIS indoor 145 kV di Swiss, transformator arus outdoor 245 kV di Jerman, dan sistem GIL outdoor 420 kV di Inggris dan Skotlandia.

5. Kesimpulan dan Prospek
Informasi yang dipublikasikan tentang gas alternatif SF₆ untuk aplikasi pemutusan telah ditinjau. Pada tahap saat ini, penelitian ini masih dalam fase awal dan jauh lebih terbatas dibandingkan dengan tubuh karya puluhan tahun pada SF₆. Data produsen yang tersedia menunjukkan bahwa gas-gas baru—seperti C₅-PFK dan C₄-PFN—adalah opsi yang layak yang, ketika dicampur dengan CO₂ sebagai gas buffer, dapat sebagian menyamai prestasi SF₆, meskipun mungkin tidak sepenuhnya mereplikasi semua kemampuan SF₆.

Perbedaan utama terletak pada prestasi isolasi dan pemutusan, serta titik didih—yang menentukan suhu operasi minimum yang ditentukan dari peralatan switchgear. Suhu operasi minimum yang rendah (misalnya, –50 °C) dapat dicapai dengan CO₂ murni. Namun, CO₂ tampaknya menunjukkan prestasi pemutusan yang umumnya lebih rendah, terutama dalam hal daya tahan puncak tegangan pemulihan dan kemampuan pemutusan, dibandingkan dengan campuran gas yang mengandung C₄-PFN atau C₅-PFK.

Keuntungan campuran CO₂/C₅-PFK dibandingkan campuran CO₂/C₄-PFN adalah GWP-nya yang dapat diabaikan (~1 vs. 427/600 untuk C₄-PFN). Sebaliknya, campuran CO₂/C₄-PFN menawarkan suhu operasi minimum yang lebih rendah (sekitar –25 °C) dibandingkan dengan campuran CO₂/C₅-PFK (sekitar –5 °C).

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

Keterangan:

Pemutus sirkuit vakum tangki mati 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV, dan 245kV adalah perangkat pelindung penting untuk sistem tenaga listrik tegangan tinggi. Menggunakan vakum sebagai medium pemadam busur dan isolasi, mereka memiliki kemampuan pemadam busur yang luar biasa, memutuskan arus kesalahan dengan cepat dan mencegah pembakaran busur kembali untuk memastikan operasi sistem tenaga yang stabil. Desain tangki mati menawarkan jejak yang kompak dan stabilitas mekanis yang kuat, memudahkan instalasi dan pemeliharaan. Dilengkapi dengan mekanisme operasi pegas yang sangat andal, pemutus sirkuit ini memiliki umur mekanis melebihi 10.000 operasi, memberikan respons yang cepat dan tepat. Dengan adaptabilitas lingkungan yang luar biasa, mereka dapat beroperasi dengan stabil dalam kondisi luar yang keras. Diterapkan secara luas di substansi, jalur transmisi, dan skenario lainnya, mereka menyediakan kontrol pemutusan tenaga yang efisien dan aman serta perlindungan yang andal di berbagai tingkat tegangan.

Pengenalan fungsi utama:

• Pemadam Busur yang Efisien: Menggunakan vakum untuk pemadaman busur yang cepat dan dapat diandalkan, mencegah kembali menyala.

• Rentang Voltan yang Luas: Tersedia dalam penilaian 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV, dan 245kV untuk aplikasi grid yang beragam.

• Reka Bentuk Dead Tank yang Kokoh: Struktur padat memastikan kestabilan mekanikal dan memudahkan pemasangan/peliharaan.

• Operasi yang Dapat Dipercayai: Mekanisme operasi berdasarkan spring dengan lebih dari 10,000 siklus ketahanan mekanikal.

• Pelembapan yang Ditingkatkan: Reka bentuk flensa dua segel menawarkan perlindungan kedap air dan gas, ideal untuk penggunaan luar ruangan.