Laatste Ontwikkelingstrends van Hoogspanningskringbrekers op Basis van SF₆-Alternatiefgas

1. Inleiding
SF₆ wordt wijdvers gebruikt in elektriciteitsvoorziening en -distributie systemen, zoals gasgeïsoleerde schakelkasten (GIS), circuitbrekers (CB) en middenspannings- (MV) belastingschakelaars. Het heeft unieke elektrische isolatie- en boogdoofkapaciteiten. Echter, SF₆ is ook een krachtig broeikasgas, met een globaal opwarmingspotentieel van ongeveer 23.500 over een tijdsbestek van 100 jaar, waardoor het gebruik ervan gereguleerd is en onderwerp van voortdurende discussies omtrent beperkingen. Daarom is er al bijna twee decennia lang onderzoek gedaan naar alternatieve gassen voor energieapplicaties.

De "Club Zéro" (CZC), in samenwerking met CIGRE, lanceerde onlangs een initiatief om de stand van zaken van SF₆-alternatieve gassen voor schakeltoepassingen te beoordelen. Er werd een enquête uitgevoerd om alle beschikbare recente literatuur over dit onderwerp te verzamelen. De resultaten werden gepresenteerd en besproken tijdens een gezamenlijke sessie tijdens de CIGRE-sessie in 2016. Dit artikel presenteert de belangrijkste bevindingen van die enquête. Aangezien vacuumschakeltechnologie een aparte lopende activiteit vormt, zal deze niet in deze review worden behandeld.

2. Alternatieve gassen

Na de aanneming van het Kyoto-protocol in 1997, nam het onderzoek naar alternatieve gassen toe en is dit de afgelopen tien jaar verder toegenomen. Belangrijke eisen voor alternatieve gassen zijn geïdentificeerd als: laag globaal opwarmingspotentieel (GWP), nul ozonverwoestend potentieel (ODP), lage toxiciteit, niet-brandbaar, hoge diëlektrische sterkte, hoge boogdoof- en warmteafvoerkapaciteit, chemische stabiliteit, materiaalcompatibiliteit en marktbeschikbaarheid.

Onder de verschillende natuurlijk afkomstige gassen die zijn onderzocht, heeft CO₂ zich bewezen als het meest veelbelovende boogdoofgas, waarvan de prestaties mogelijk kunnen worden versterkt door toevoegingen zoals O₂ of CF₄. Echter, studies hebben aangetoond dat zowel de onderbrekings- als de isolatieprestaties van CO₂ minder zijn dan die van SF₆. Andere interessante kandidaten zijn gevonden onder fluorineerde gassen, zoals CF₃I, hydrofluoroolefines (HFO-1234ze en HFO-1234yf), perfluorketonen (bijvoorbeeld C₅F₁₀O), perfluornitrilen (C₄F₇N), gefluoreerde ethers (HFE-245cb2), gefluoreerde epoxiden en hydrochlorofluoroolefines (HCFO-1233zd).

Met inachtneming van alle eisen, zijn de meest veelbelovende huidige kandidaten C₅-perfluorketoon (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ of C₅-PFK) en iso-C₄-perfluornitraal ((CF₃)₂CF-CN of C₄-PFN). Voor zuivere gassen is de diëlektrische prestatie evenredig aan het kookpunt—dat wil zeggen, gassen met een hoge diëlektrische sterkte hebben meestal ook een hoog kookpunt. Bij 0,1 MPa zijn de kookpunten van C₅-PFK en C₄-PFN respectievelijk 26,5°C en –4,7°C. Daarom moeten voor schakelequipment-applicaties die een voldoende laag kookpunt vereisen om de eisen van laagtemperatuur-operaties te voldoen, buffergassen worden toegevoegd. Vanwege zijn goede boogdoofcapaciteit wordt CO₂ gekozen als buffergas in hoogspanningsapplicaties. In middenspanningsapplicaties is lucht ook gerapporteerd als buffergas in combinatie met C₅-PFK voor isolatie-doeleinden.

3. Eigenschappen van zuivere gassen en gasmengsels

Tabel 1 presenteert de eigenschappen van geselecteerde alternatieve gassen ten opzichte van SF₆. De GWP's van deze gassen variëren sterk: C₄-PFN vertoont een veel hogere GWP dan CO₂ of C₅-PFK, beide hebben GWP's van ongeveer 1. Alle interessante kandidaatgassen zijn niet-brandbaar, hebben een nul ODP, en worden volgens technische en veiligheidsinformatiebladen van chemische producenten gemeld als niet-toxisch. De diëlektrische sterkte van zuiver C₄-PFN en C₅-PFK is bijna twee keer zo groot als die van SF₆. De diëlektrische weerstandsspanning van CO₂ is vergelijkbaar met die van lucht—dat wil zeggen, significant lager dan die van SF₆.

Tabel 1: Vergelijking van eigenschappen van zuivere gassen met SF₆

Tabel 2 toont de eigenschappen van gassen en gasmengsels wanneer deze worden gebruikt in schakelapparatuur. De concentraties van C₄-PFN en C₅-PFK in mengsels met buffergassen staan in de tweede kolom, meestal onder 13% (molair). Het is belangrijk op te merken dat bij het gebruik van C₅-PFK in CO₂ ook zuurstofadditieven zijn gerapporteerd, omdat de aanwezigheid van zuurstof de vorming van schadelijke nevenproducten (zoals CO) en vaste nevenproducten (zoals roet) kan verminderen.

Tabel 2: Eigenschappen/prestaties van pure gassen en gasmengsels in middel- en hoogspanningschakelapparatuurtoepassingen

Vanwege de verlaagde dielektrische spanning van de mengsels ten opzichte van SF₆ bij dezelfde druk (kolom 6), moet de minimale werkdruk voor C₅-PFK en C₄-PFN met CO₂ als buffergas in hoogspanningsapplicaties worden verhoogd tot ongeveer 0,7–0,8 MPa. Voor middenspanningsapplicaties met lucht/C₅-PFK-mengsels kan een druk van 0,13 MPa worden gehandhaafd, waarmee een dielektrische spanning wordt bereikt die dicht bij die van SF₆ ligt.

De hoge dielektrische spanning die wordt bereikt met relatief lage mengverhoudingen van C₄-PFN of C₅-PFK kan worden verklaard door een synergetisch effect—dat wil zeggen, de dielektrische sterkte neemt niet-lineair toe met de concentratie van het additief, een fenomeen dat eerder is waargenomen in SF₆/N₂-mengsels. De GWP van C₅-PFK-mengsels is verwaarloosbaar, maar dit gaat gepaard met een hogere minimale werktemperatuur. Laagtemperatuurtoepassingen (bijv. –25°C) kunnen worden aangepakt met zuivere CO₂ of CO₂ + C₄-PFN-mengsels, zij het met compromissen: aanzienlijk verminderde dielektrische spanning in het geval van zuivere CO₂, of een aanzienlijk hogere GWP bij gebruik van C₄-PFN-mengsels.

4. Schakelgedrag van alternatieve gassen
Tabel 3 bevat voorlopige informatie over het schakelgedrag van zuivere CO₂ en CO₂-gebaseerde mengsels, met SF₆-prestaties ter vergelijking. Door de werkdruk te verhogen ten opzichte van SF₆, kan de koude dielektrische sterkte—die bijvoorbeeld wordt gebruikt als maatstaf voor capaciteitschakelprestaties—worden opgevoerd tot het niveau van SF₆.

Tabel 3: Vergelijking van schakelprestaties van gassen en gasmengsels bij verhoogde werkdrukken ten opzichte van SF₆ in hoogspanningsapplicaties

In de geëvalueerde literatuur konden alleen kwalitatieve verklaringen over de schakelprestaties van C₄-PFN en C₅-PFK mengsels worden gevonden. Voor CO₂ zijn enkele kwantitatieve vergelijkingen beschikbaar. In het algemeen kan bij zuiver CO₂ met een verhoogde vullingsdruk van ongeveer 1 MPa, isolatie- en kortsluitstoring (SLF) onderbrekingsprestaties verwacht worden die ongeveer twee derde bedragen van die van SF₆.

Door O₂ toe te voegen aan CO₂ (met mengverhoudingen tot 30%), kan een verbetering in SLF-onderbrekingsprestaties en een lichte toename in elektrische sterkte worden verwacht. Het toevoegen van C₄-PFN of C₅-PFK aan CO₂ maakt dat de elektrische sterkte naderbij komt aan die van SF₆. Studies melden dat de SLF-schakelprestaties van CO₂/O₂/C₅-PFK mengsels ongeveer 20% lager zijn dan die van SF₆. Daarentegen wordt beweerd dat circuitbrekers specifiek aangepast voor CO₂/C₄-PFN mengsels SLF-prestaties kunnen bereiken die vergelijkbaar zijn met SF₆.

Er zijn echter ook studies die zuiver CO₂ direct vergelijken met CO₂/C₄-PFN en CO₂/C₅-PFK mengsels onder identieke geometrie- en drukomstandigheden, die vergelijkbare nabije-zone (thermische) onderbrekingsprestaties laten zien voor CO₂, met of zonder additieven. Met kleine ontwerpaanpassingen of bescheiden herclassificatie hebben de nieuwe mengsels succesvol de IEC-testopdrachten L90 (SLF) en T100 (100% eindfout) doorstaan, wat aantoont dat hun schakelprestaties niet aanzienlijk minder zijn dan die van SF₆. Dit is ook gedemonstreerd voor de onderbrekingsfunctie van de breker.

Verdere verbeteringen in schakelprestaties door gerichte ontwerpop optimalisaties worden in de toekomst verwacht. Een belangrijk aspect is de toxiciteit van gassen na boogvorming. C₅-PFK en C₄-PFN zijn complexe moleculen die beginnen te decomponeren boven ongeveer 650 °C in het geval van C₄-PFN. Bij decompositie komen deze moleculen niet terug samen in hun oorspronkelijke structuren, maar vormen ze kleinere fragmenten. Een decompositiegraad van 0,5 mol/MJ is gerapporteerd voor CO₂/O₂/C₅-PFK mengsels bij hoge-stroomonderbreking. Voor partiële ontladingen werd de decompositiegraad waargenomen als meer dan een orde van grootte lager dan de bovengenoemde waarde.

Het decompositiegedrag van deze nieuwe gassen is niet direct vergelijkbaar met dat van SF₆, dat voornamelijk decomposeert door chemische reacties met afgesleten contact- en mondstukmaterialen. Voor de nieuwe gassen wordt de decompositie over de levensduur van de apparatuur niet gezien als een kritisch probleem, maar de gasconcentratie binnen de apparatuur moet worden gemeten of periodiek gecontroleerd. De meest giftige decompositieproducten in high-pressure applicaties (d.w.z. mengsels met CO₂) zijn CO en HF. Boogbijproducten van deze mengsels worden beschouwd als even giftig of minder giftig dan booggedecomposeerde SF₆. Daarom worden omgangsprocedures aanbevolen die vergelijkbaar zijn met die voor boogblootgestelde SF₆.

Het moet echter worden opgemerkt dat de bovenstaande verklaringen gebaseerd zijn op beperkte kennis van de toxiciteit van deze nieuwe gassen. Meer ervaring is nodig ten aanzien van de post-boog toxiciteit van potentiële SF₆-alternatieven. Andere gerapporteerde zorgen betreffen materiaalcompatibiliteit (bijvoorbeeld effecten op dichtingen en smeermiddelen), gasdichtheid en gasomgangsprocedures. Daarom mag niet worden verwacht dat bestaande hoogspanningsapparatuur veilig kan werken met deze nieuwe gassen zonder passende ontwerp- of materiaalaanpassingen.

Interne boogtests zijn uitgevoerd met alle mengsels, en er zijn geen ernstige problemen gerapporteerd. De thermische geleidbaarheid van de mengsels is iets minder dan die van SF₆, wat mogelijk matige herclassificatie of ontwerpaanpassingen vereist voor de stroomdraagcapaciteit. CO₂ live-tank circuitbrekers hebben al veldervaring opgedaan, met implementaties die enkele jaren geleden begonnen, en CO₂-gevulde circuitbrekers zijn nu commercieel verkrijgbaar.

High- en medium-spanningspilotinstallaties met C₅-PFK mengsels werken sinds 2015 succesvol in Zwitserland en Duitsland. Pilotprojecten met CO₂/C₄-PFN mengsels zijn gepland of in uitvoering in verschillende Europese landen, waaronder een 145 kV indoor GIS in Zwitserland, een 245 kV outdoor stroomtransformator in Duitsland, en outdoor 420 kV GIL-systemen in het VK en Schotland.

5. Conclusies en Uitzicht
Gepubliceerde informatie over alternatieve gassen voor SF₆ voor schakeltoepassingen is beoordeeld. Op dit moment is dit onderzoek nog in een vroeg stadium en veel minder uitgebreid dan de decennialange lichaam van werk over SF₆. Beschikbare fabrikantendata wijzen uit dat nieuwe gassen, zoals C₅-PFK en C₄-PFN, haalbare opties zijn die, wanneer gemengd met CO₂ als buffergas, gedeeltelijk de prestaties van SF₆ kunnen benaderen, hoewel ze mogelijk niet volledig alle mogelijkheden van SF₆ kunnen repliceren.

Belangrijke verschillen liggen in isolatie- en onderbrekingsprestaties, evenals het kookpunt, dat de minimum gespecificeerde werktijdtemperatuur van de schakelaar bepaalt. Een laag minimum werktijdtemperatuur (bijvoorbeeld –50 °C) kan worden bereikt met zuiver CO₂. Echter, CO₂ lijkt in het algemeen lagere onderbrekingsprestaties te vertonen, vooral in termen van herstelspanningpiekweerstand en onderbrekingscapaciteit, in vergelijking met gasmengsels die C₄-PFN of C₅-PFK bevatten.

Een voordeel van CO₂/C₅-PFK mengsels boven CO₂/C₄-PFN mengsels is hun verwaarloosbare GWP (~1 tegenover 427/600 voor C₄-PFN). Omgekeerd bieden CO₂/C₄-PFN mengsels een lagere minimum werktijdtemperatuur (ongeveer –25 °C) in vergelijking met CO₂/C₅-PFK mengsels (ongeveer –5 °C).

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

Beschrijving：

De 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV en 245kV Dead tank Vacuum Circuit-Breakers zijn essentiële beschermende apparaten voor hoogspanningsenergiesystemen. Door vacuüm te gebruiken als boogdoof- en isolatiemiddel, hebben ze uitzonderlijke boogdoofcapaciteiten, waardoor storingstromen snel worden onderbroken en boogherontsteking effectief wordt voorkomen om stabiele energieverspreiding te garanderen. Het dead tank-ontwerp biedt een compacte voetafdruk en robuuste mechanische stabiliteit, waardoor installatie en onderhoud vergemakkelijkt worden. Uitgerust met hoogbetrouwbare veerverloopmechanismen, hebben deze circuitbrekers een mechanische levensduur van meer dan 10.000 operaties, waardoor snelle en nauwkeurige reacties mogelijk zijn. Met uitstekende milieuaanpassingsvermogen kunnen ze stabiel werken onder strenge buitenomstandigheden. Ze worden breed toegepast in transformatorstations, transportlijnen en andere scenario's, en bieden efficiënte en veilige energieoverschakeling en betrouwbare bescherming op verschillende spanningenniveaus.

Hoofdfunctie-introductie:

• Efficiënte booguitdoving: maakt gebruik van vacuüm voor snelle en betrouwbare booguitdoving, waardoor heraansteking wordt voorkomen.

• Breed spanningsbereik: beschikbaar in ratings van 40.5 kV, 72.5 kV, 145 kV, 170 kV en 245 kV voor diverse nettoepassingen.

• Robuuste dode tank ontwerp: compacte structuur zorgt voor mechanische stabiliteit en vereenvoudigt installatie en onderhoud.

• Betrouwbare werking: veervering gebaseerde bedieningsmechanisme met meer dan 10.000 mechanische uithoudingscycli.

• Verbeterde afsluiting: dubbele flensontwerp biedt waterdichte en gasdichte bescherming, ideaal voor gebruik in de buitenlucht.