१. परिचय
SF₆ विद्युत प्रसारण र वितरण प्रणालीहरूमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ, जस्तै गैस-अवरोधित स्विचगियर (GIS), सर्किट ब्रेकर (CB) र मध्यम वोल्टेज (MV) लोड स्विचहरू। यसको अनौठो विद्युत अवरोधक र आर्क-बंद क्षमता छ। तर, SF₆ एक शक्तिशाली ग्रीनहाउस ग्यास हो, जिसको १०० वर्षको समयकालमा विश्वव्यापी तापन क्षमता लगभग २३,५०० छ, र यसको प्रयोग नियमित र इसको प्रयोगमा सीमा लगाउने बारे चलिरहेको चर्चा छ। त्यसैले, विद्युत प्रयोगका लागि विकल्पी ग्यासहरूको बारेमा दो दशक भइसकेको अनुसन्धान गरिएको छ।
"Club Zéro" (CZC) ले CIGRE संग सहकार्यमा विद्युत स्विचिङ प्रयोगका लागि SF₆को विकल्पी ग्यासहरूको अवस्थित अवलोकन गर्ने एक उपक्रम शुरु गरेको छ। यस विषयमा उपलब्ध सबै हालको पुस्तकहरू संग्रह गर्ने एउटा सर्वेक्षण गरिएको थियो। यसका परिणामहरूलाई २०१६ मा CIGRE सत्रको एक संयुक्त सत्रमा प्रस्तुत र विचार गरियो। यो पेपरले उक्त सर्वेक्षणका मुख्य खोजहरू प्रस्तुत गर्छ। यद्यपि वैक्युम स्विचिङ प्रविधि एक अलग चलिरहेको कार्यक्रम हो, यसलाई यस समीक्षामा समावेश गरिएको छैन।

२. विकल्पी ग्यासहरू
१९९७ मा क्योटो प्रोटोकल अपनाएपछि, विकल्पी ग्यासहरूको अनुसन्धान तीव्र हुँदै गएको र यस दशकमा यसले अझ पनि बढेको छ। विकल्पी ग्यासहरूको लागि मुख्य आवश्यकताहरू यस प्रकार पहिचानिएका छन्: निम्न विश्वव्यापी तापन क्षमता (GWP), शून्य ओजोन नष्ट क्षमता (ODP), निम्न विषाक्तता, अग्निरहित, उच्च विद्युत अवरोधक शक्ति, उच्च आर्क-बंद र ताप वितरण क्षमता, रासायनिक स्थिरता, सामग्री संगतता, र बाजार उपलब्धता।
अन्तिम रूपमा जाँच गरिएका विभिन्न प्राकृतिक उत्पादित ग्यासहरूमध्ये, CO₂ एक अनौठो आर्क-बंद ग्यास बनेको छ, जिसको प्रदर्शन O₂ वा CF₄ जस्ता योग्यताहरूले बढाउन सकिन्छ। तर, अध्ययनहरूले देखाएको छ कि CO₂को अवरोध र अवरोधक प्रदर्शन SF₆ भन्दा निम्न छ। अन्य रुचाउने उम्मीदवारहरू फ्लोरिनित ग्यासहरूमध्ये पहिचानिएका छन्, जस्तै CF₃I, हाइड्रोफ्लोरोओलिफिन्स (HFO-1234ze र HFO-1234yf), परफ्लोरोकेटोनहरू (उदाहरणका लागि, C₅F₁₀O), परफ्लोरोनाइट्रिलहरू (C₄F₇N), फ्लोरिनित ईथरहरू (HFE-245cb2), फ्लोरिनित एपोक्साइडहरू, र हाइड्रोक्लोरोफ्लोरोओलिफिनहरू (HCFO-1233zd)।
सबै आवश्यकताहरूलाई विचार गर्दा, सबैभन्दा उम्मीदवार वर्तमान उम्मीदवारहरू C₅ परफ्लोरोकेटोन (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ वा C₅-PFK) र इसो-C₄ परफ्लोरोनाइट्रिल ((CF₃)₂CF-CN वा C₄-PFN) हुन्छन्। शुद्ध ग्यासको लागि, विद्युत अवरोधक प्रदर्शन उबालने बिन्दुलाई आनुपातिक छ - यानी, उच्च विद्युत अवरोधक शक्तिका ग्यासहरूको उबालने बिन्दु भन्दा उच्च छ। ०.१ MPa मा, C₅-PFK र C₄-PFNको उबालने बिन्दुहरू अनुक्रमे २६.५°C र –४.७°C छन्। त्यसैले, निम्न तापमानको प्रचालन लागि पर्याप्त रूपमा निम्न उबालने बिन्दु लिनुपर्ने स्विचिङ उपकरण प्रयोगका लागि, बफर ग्यासहरू थप्नुपर्छ। उच्च वोल्टेज प्रयोगका लागि, अच्छो आर्क-बंद क्षमताको लागि CO₂ बफर ग्यासको रूपमा चयन गरिएको छ। मध्यम वोल्टेज प्रयोगका लागि, हवा C₅-PFK संग अवरोधक प्रयोगका लागि बफर ग्यासको रूपमा प्रयोग गरिएको बताइएको छ।
३. शुद्ध ग्यास र ग्यास मिश्रणको गुणधर्महरू
टेबल १ निम्नलिखित विकल्पी ग्यासहरूको SF₆ सापेक्ष गुणधर्महरू प्रस्तुत गर्छ। यी ग्यासहरूको GWPs अलग अलग छन्: C₄-PFNको GWP CO₂ वा C₅-PFK भन्दा धेरै उच्च छ, जिनी दुवैको GWPs लगभग १ छन्। रुचाउने सबै ग्यासहरू अग्निरहित, शून्य ODP छन्, र रासायनिक उत्पादकहरूद्वारा प्रदान गरिएका तकनीकी र सुरक्षा डेटा शीटहरूअनुसार अविषाक्त छन्। शुद्ध C₄-PFN र C₅-PFKको विद्युत अवरोधक शक्ति SF₆ भन्दा लगभग दुई गुना छ। CO₂को विद्युत अवरोधक वोल्टेज हवा जस्तै - यानी, SF₆ भन्दा धेरै निम्न छ।
टेबल १: शुद्ध ग्यासको गुणधर्महरूको SF₆ सापेक्ष तुलना
| 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 |
टेबल २ ले स्विचगियरमा प्रयोग गरिँदा ग्यासहरू र ग्यास मिश्रणहरूको विशेषताहरू देखाउँछ। दोस्रो स्तम्भमा बफर ग्यासहरूसँग C₄-PFN र C₅-PFK को सान्द्रता दिइएको छ, जुन आमतौरले १३% (मोलर सान्द्रता) भन्दा थोरै हुन्छ। याद राख्नुहोस् कि C₅-PFK को CO₂मा प्रयोगमा ऑक्सिजन एडिटिभहरूको बारेमा पनि रिपोर्ट गरिएको छ, किनभने ऑक्सिजनको उपस्थितिले हानिकारक उत्पादहरू (जस्तै CO) र ठोस उत्पादहरू (जस्तै साख) को निर्माण घटाउन सक्छ।
टेबल २: मध्य- र उच्च-वोल्टेज स्विचगियर अनुप्रयोगहरूमा शुद्ध ग्यासहरू र ग्यास मिश्रणहरूको विशेषता/प्रदर्शन
| 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 |
समान दबाव (स्तंभ ६) मा SF₆ भन्दा मिश्रणहरूको डायलेक्ट्रिक सहनशीलता कम हुनुभएकोले, उच्च वोल्टेज अनुप्रयोगहरूमा CO₂ लाई बफर गैसको रूपमा प्रयोग गर्दा C₅-PFK र C₄-PFN को लागि न्यूनतम सञ्चालन दबाव लगभग ०.७–०.८ MPa मा बढाउनुपर्छ। मध्यम वोल्टेज अनुप्रयोगहरूमा हवा/C₅-PFK मिश्रणहरूको प्रयोग गर्दा ०.१३ MPa को दबाव बनाए राखिन सकिन्छ, जसले SF₆ जस्तै डायलेक्ट्रिक सहनशीलता प्राप्त गर्न सकिन्छ।
सापेक्ष रूपमा थोरै मिश्रण अनुपातमा C₄-PFN वा C₅-PFK ले उच्च डायलेक्ट्रिक सहनशीलता प्राप्त गर्न सकिन्छ, जसलाई एक सिनर्जिक असरद्वारा व्याख्या गर्न सकिन्छ—यानी, डायलेक्ट्रिक बल अनुपातको साथ अरेखीय रूपमा बढ्दछ, यो घटना पहिले SF₆/N₂ मिश्रणहरूमा देखिएको थियो। C₅-PFK मिश्रणहरूको GWP नगण्य छ, तर यसको लागि उच्च न्यूनतम सञ्चालन तापमान आवश्यक छ। ठूलो तापमान (उदाहरणका लागि, –२५°C) अनुप्रयोगहरूलाई या त शुद्ध CO₂ वा CO₂ + C₄-PFN मिश्रणहरू द्वारा समाधान गर्न सकिन्छ, तर यसमा ट्रेड-ऑफ्स छन्: शुद्ध CO₂ लाई प्रयोग गर्दा डायलेक्ट्रिक सहनशीलता लगभग ठूलो हुन्छ, वा C₄-PFN मिश्रणहरू प्रयोग गर्दा GWP लगभग ठूलो हुन्छ।
४. विकल्पी गैसहरूको स्विचिङ प्रदर्शन
टेबल ३ शुद्ध CO₂ र CO₂-आधारित मिश्रणहरूको स्विचिङ प्रदर्शनको प्रारंभिक जानकारी संकलित गर्छ, SF₆ प्रदर्शनलाई तुलना गर्न दिइएको छ। SF₆ भन्दा उच्च सञ्चालन दबाव बढाउँदा, ठंडा डायलेक्ट्रिक बल—जसलाई, उदाहरणका लागि, क्षमतात्मक स्विचिङ प्रदर्शनको मापन रूपमा प्रयोग गरिन्छ—SF₆ तुल्य तहमा ल्याउन सकिन्छ।
टेबल ३: उच्च वोल्टेज अनुप्रयोगहरूमा उच्च सञ्चालन दबावमा गैसहरू र गैस मिश्रणहरूको स्विचिङ प्रदर्शनको तुलना SF₆ सँग
| ग्यास | संचालन दबाव [MPa] | डाइइलेक्ट्रिक स्ट्रेन्थ / pu | SLF प्रदर्शन 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 | SF₆ को नजिक | 0.8…0.87 | SF₆ को नजिक |
| CO₂/C4-PFN | 0.67…0.82 | SF₆ को नजिक | 0.83…(1) | SF₆ को नजिक |
समीक्षा गरिएको साहित्यमा, C₄-PFN र C₅-PFK मिश्रणहरूको स्विचिङ प्रदर्शनको बारेमा केवल गुणात्मक वक्तव्यहरू पाइए। CO₂ को लागि, केही मात्रात्मक तुलनाहरू उपलब्ध छन्। सामान्यतया, लगभग 1 MPa को बढीएको भरण दबावमा शुद्ध CO₂ सँग, SF₆ को लगभग दुई-तिहाई इन्सुलेशन र छोटो-लाइन दोष (SLF) अन्तर गर्ने प्रदर्शनको अपेक्षा गर्न सकिन्छ।
CO₂ मा O₂ मिसाउँदा (मिश्रण अनुपात 30% सम्म), SLF अन्तर गर्ने प्रदर्शनमा सुधार र परावैद्युत शक्तिमा सानो वृद्धि अपेक्षित छ। CO₂ मा C₄-PFN वा C₅-PFK मिसाउँदा SF₆ को नजिकको परावैद्युत प्रदर्शन सम्भव हुन्छ। अध्ययनहरूले बताउँछन् कि CO₂/O₂/C₅-PFK मिश्रणहरूको SLF स्विचिङ प्रदर्शन SF₆ को तुलनामा लगभग 20% कम छ। विपरीतमा, CO₂/C₄-PFN मिश्रणहरूको लागि विशेष रूपमा अनुकूलित सर्किट ब्रेकरहरूले SF₆ जस्तै SLF प्रदर्शन प्राप्त गर्ने दावी गरिएको छ।
तर, एउटै ज्यामिति र दबावको अवस्थामा शुद्ध CO₂ को तुलना CO₂/C₄-PFN र CO₂/C₅-PFK मिश्रणहरूसँग सीधा गर्ने अध्ययनहरू पनि छन्, जसले CO₂ लागि वा नलागि सहायक पदार्थहरूको नजिकको (थर्मल) अन्तर गर्ने प्रदर्शन समान देखाउँछ। सानो डिजाइन परिमार्जन वा सामान्य डिरेटिङको साथ, नयाँ मिश्रणहरूले IEC परीक्षण कर्तव्य L90 (SLF) र T100 (100% टर्मिनल दोष) सफलतापूर्वक पार गरेका छन्, जसले देखाउँछ कि तिनको स्विचिङ प्रदर्शन SF₆ को तुलनामा महत्त्वपूर्ण रूपमा न्यून छैन। ब्रेकरको अन्तर कार्यको लागि पनि यो प्रदर्शित गरिएको छ।
भविष्यमा समर्पित डिजाइन अनुकूलन मार्फत स्विचिङ प्रदर्शनमा थप सुधारको अपेक्षा गरिन्छ। एउटा महत्त्वपूर्ण मुद्दा चाप पछि ग्याँसहरूको विषालुता हो। C₅-PFK र C₄-PFN जटिल अणुहरू हुन् जसले C₄-PFN को अवस्थामा लगभग 650 °C माथि विघटन शुरू गर्छन्। विघटन पछि, यी अणुहरू आफ्नो मूल संरचनामा पुन: संयोजित हुँदैनन् तर साना टुक्राहरू बनाउँछन्। उच्च-प्रवाह अन्तरणको अवस्थामा CO₂/O₂/C₅-PFK मिश्रणहरूको लागि 0.5 mol/MJ को विघटन दर रिपोर्ट गरिएको छ। आंशिक निर्वहनको लागि, विघटन दर त्यस मानको तुलनामा एक क्रम वा बढी कम अवलोकन गरिएको थियो।
SF₆ को प्राथमिक रूपमा घिसिएको सम्पर्क र नोजल सामग्रीसँग रासायनिक प्रतिक्रियाको कारण विघटन हुने भएकोले, यी नयाँ ग्याँसहरूको विघटन व्यवहार सीधा SF₆ सँग तुलना गर्न सकिँदैन। नयाँ ग्याँसहरूको लागि, उपकरणको जीवनकालमा विघटनलाई गम्भीर समस्या मानिँदैन, तर उपकरणभित्र ग्याँस सान्द्रता मोनिटर वा नियमित रूपमा जाँच गर्नुपर्छ। उच्च दबाव अनुप्रयोगहरूमा (अर्थात्, CO₂ सँगको मिश्रणहरू) सबैभन्दा विषालु विघटन उत्पादनहरू CO र HF हुन्। यी मिश्रणहरूको चाप उत्पादनहरूको विषालुता SF₆ को चाप-विघटित उत्पादनहरूको तुलनामा समान वा कम मानिन्छ। त्यसैले, चाप-उजागर भएको SF₆ को लागि प्रयोग गरिएका प्रक्रियाहरू जस्तै प्रक्रियाहरू सिफारिस गरिन्छ।
तर, यी नयाँ ग्याँसहरूको विषालुताको सीमित ज्ञानमा आधारित यी वक्तव्यहरू भएको ध्यान दिनुपर्छ। SF₆ विकल्पहरूको चाप पछिको विषालुताको बारेमा थप अनुभव आवश्यक छ। अन्य रिपोर्ट गरिएका चिन्ताहरूमा सामग्री सुसंगतता (जस्तै, सील र ग्रीसमा प्रभाव), ग्याँस सीलिङ अखण्डता, र ग्याँस ह्यान्डलिङ प्रक्रियाहरू समावेश छन्। त्यसैले, उपयुक्त डिजाइन वा सामग्री परिमार्जन बिना यी नयाँ ग्याँसहरूसँग अवस्थित उच्च-भोल्टेज उपकरणहरू सुरक्षित रूपमा संचालन गर्ने अपेक्षा गर्नु हुँदैन।
सबै मिश्रणहरूसँग आन्तरिक चाप परीक्षणहरू सम्पन्न गरिएका छन्, र कुनै गम्भीर समस्या रिपोर्ट गरिएको छैन। मिश्रणहरूको तापीय चालकता SF₆ को तुलनामा सामान्यतया न्यून छ, जसले वर्तमान वहन क्षमताको लागि मध्यम डिरेटिङ वा डिजाइन समायोजन आवश्यक पर्न सक्छ। CO₂ लाइभ-ट्यांक सर्किट ब्रेकरहरूले पहिले नै क्षेत्र अनुभव प्राप्त गरिसकेका छन्, केही वर्ष अघि सञ्चालन सुरु गर्दै, र अहिले CO₂ भरिएका ब्रेकरहरू व्यावसायिक रूपमा उपलब्ध छन्।
C₅-PFK मिश्रणहरू प्रयोग गर्ने उच्च-र मध्यम-भोल्टेज पाइलट स्थापनाहरू 2015 देखि स्विट्जरल्याण्ड र जर्मनीमा सफलतापूर्वक संचालनमा छन्। CO₂/C₄-PFN मिश्रणहरू प्रयोग गर्ने पाइलट परियोजनाहरू केही युरोपेली देशहरूमा योजना वा अगाडि बढिरहेका छन्, जसमा स्विट्जरल्याण्डमा 145 kV आन्तरिक GIS, जर्मनीमा 245 kV बाहिरी प्रवाह ट्रान्सफार्मर, र यूके र स्कटल्याण्डमा बाहिरी 420 kV GIL प्रणालीहरू समावेश छन्।
5. निष्कर्ष र दृष्टिकोण
स्विचिङ अनुप्रयोगहरूको लागि SF₆ विकल्प ग्याँसहरूको बारेमा प्रकाशित जानकारी समीक्षा गरिएको छ। वर्तमान चरणमा, यो अनुसन्धान अझै प्रारम्भिक चरणमा छ र दशकौंदेखि SF₆ मा भएको कार्यको तुलनामा धेरै कम विस्तृत छ। उपलब्ध निर्माता डाटाले देखाउँछ कि नयाँ ग्याँसहरू—जस्तै C₅-PFK र C₄-PFN—व्यवहार्य विकल्पहरू हुन् जुन बफर ग्याँसको रूपमा CO₂ सँग मिसाउँदा SF₆ प्रदर्शनको आंशिक रूपमा मेल खान सक्छन्, यद्यपि तिनीहरूले SF₆ को सबै क्षमताहरू पूर्ण रूपमा प्रतिकृति गर्न सक्दैनन्।
मुख्य भिन्नताहरू इन्सुलेशन र अन्तरण प्रदर्शनमा, साथै उबलने बिन्दुमा छन्—जसले स्विचगियरको न्यूनतम निर्दिष्ट संचालन तापमान निर्धारण गर्छ। शुद्ध CO₂ सँग न्यूनतम संचालन तापमान (जस्तै, –50 °C) प्राप्त गर्न सकिन्छ। तर, C₄-PFN वा C₅-PFK युक्त ग्याँस मिश्रणहरूको तुलनामा CO₂ ले सामान्यतया न्यून अन्तरण प्रदर्शन प्रदर्शन गर्ने देखिन्छ, विशेष गरी पुनर्प्राप्ति भोल्टेज चरम सहनशीलता र अन्तरण क्षमताको सन्दर्भमा।
CO₂/C₅-PFK मिश्रणहरूको CO₂/C₄-PFN मिश्रणहरूमाथि फाइदा तिनको नगण्य GWP (~1 बनाम C₄-PFN को 427/600) हो। विपरीतमा, CO₂/C₄-PFN मिश्रणहरूले CO₂/C₅-PFK मिश्रणहरू (लगभग –5 °C) को तुलनामा न्यून न्यूनतम संचालन तापमान (लगभग –25 °C) प्रदान गर्छन्।
6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV डेड ट्यांक भ्याकुम सर्किट-ब्रेकर
वर्णन:
40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV, र 245kV डेड ट्यांक भ्याकुम सर्किट-ब्रेकरहरू उच्च-भोल्टेज बिजुली प्रणालीहरूका लागि आवश्यक सुरक्षा उपकरणहरू हुन्। चाप निर्वाह र इन्सुलेशन माध्यमको रूपमा भ्याकुम प्रयोग गर्दै, तिनीहरूमा अत्युत्तम चाप निर्वाह क्षमता छ, जसले दोष प्रवाहलाई छिटो अन्तर गर्छ र चाप पुनः प्रज्वलनलाई प्रभावकारी ढंगले रोक्छ, जसले स्थिर बिजुली प्रणाली संचालन सुनिश्चित गर्छ। डेड ट्यांक डिजाइनले सानो ठाउँ ओगट्छ र बलियो यान्त्रिक स्थिरता प्रदान गर्छ, जसले स्थापना र रखरखावलाई सजिलो बनाउँछ। अत्यधिक विश्वसनीय स्प्रिंग संचालन तन्त्रहरूसँग ल्याएका, यी सर्किट ब्रेकरहरूको यान्त्रिक जीवनकाल 10,000 संचालनभन्दा बढी छ, जसले छिटो र सटीक प्रतिक्रिया प्रदान गर्छ। उत्कृष्ट पर्यावरण अनुकूलन क्षमताको साथ, तिनीहरू कठोर बाह्य अवस्थामा स्थिर रूपमा संचालन गर्न सक्छन्। उपकेन्द्रहरू, संचारण लाइनहरू, र अन्य परिदृश्यहरूमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ, तिनीहरूले विभिन्न भोल्टेज स्तरहरूमा कुशल र सुरक्षित बिजुली स्विचिङ नियन्त्रण र विश्वसनीय सुरक्षा प्रदान गर्छन्।
मुख्य कार्य विवरण:
कुशल आर्क निरोधन: तेजी से और विश्वसनीय आर्क निरोधन के लिए वैक्यूम का उपयोग करता है, पुन: आर्क नहीं होता।
व्यापक वोल्टेज रेंज: 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV, और 245kV रेटिंग में उपलब्ध है जो विभिन्न ग्रिड अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी है।
दृढ़ डेड टैंक डिजाइन: संकुचित संरचना यांत्रिक स्थिरता दिलाती है और स्थापना/रखरखाव को सरल बनाती है।
विश्वसनीय संचालन: स्प्रिंग-आधारित संचालन मैकेनिज्म जिसमें 10,000 से अधिक यांत्रिक लंबी अवधि की चक्र होती है।
उन्नत निरोधन: दोहरा-सील फ्लैंज डिजाइन पानी-प्रतिरोधी और गैस-सील सुरक्षा प्रदान करता है, जो बाहरी उपयोग के लिए आदर्श है।