Nyeste utviklingstrender for høyspenningsbrytere basert på SF₆-alternativgasser

1. Innføring
SF₆ er vidt bruket i elektriske overførings- og distribusjonssystemer, som gassisolerte spenningsskifter (GIS), sirkuitsikringer (CB) og mediumspennings (MV) belastningskontaktorer. Den har unike egenskaper for elektrisk isolasjon og bueutslukking. Imidlertid er SF₆ også et kraftig drivhusgass, med en global varmegjennomsnittseffekt på omtrent 23 500 over en periode på 100 år, og derfor er bruken av det regulert og underlagt pågående diskusjoner om begrensninger. Dermed har forskningen på alternativ gass for energianvendelser blitt gjort i omtrent to tiår.

"Club Zéro" (CZC), i samarbeid med CIGRE, startet nylig en initiativ for å vurdere staten for kunnskapen om SF₆-alternative gasser for spenningsskifter. En undersøkelse ble gjennomført for å samle all tilgjengelig ny litteratur på dette emnet. Resultatene ble presentert og diskutert under en felles sesjon under CIGRE-sesjonen i 2016. Denne artikkelen presenterer de viktigste funnene fra denne undersøkelsen. Siden vakuumskifte-teknologi utgjør en separat pågående aktivitet, vil den ikke bli behandlet i denne oversikten.

2. Alternative Gasser

Etter vedtagelsen av Kyotoprotokollen i 1997, intensiverte forskningen på alternative gasser og har økt ytterligere over de siste tiårene. Nøkkelpunkter for alternative gasser har blitt identifisert som: lav global varmegjennomsnittseffekt (GWP), null ozonnedbrytningspotensial (ODP), lav toksisitet, ikkje-brannfarlig, høy dielektrisk styrke, høy buetilbakemelding og varmeavledningsevne, kjemisk stabilitet, materialekompatibilitet, og markedsadgang.

Blant de forskjellige naturlige gassene som er undersøkt, har CO₂ vist seg å være den mest lovende buetilbakemeldingsgassen, med sin yteevne potensielt forbedret av tilsatsstoffer som O₂ eller CF₄. Men studier har vist at både avbrytings- og isolasjonsytingen til CO₂ er mindre enn de til SF₆. Andre interessante kandidater har blitt identifisert blant fluorerte gasser, som CF₃I, hydrofluoroolefiner (HFO-1234ze og HFO-1234yf), perfluoroketon (f.eks., C₅F₁₀O), perfluoronitriler (C₄F₇N), fluorerte ether (HFE-245cb2), fluorerte epoksid, og hydrochlorofluoroolefiner (HCFO-1233zd).

Med alle krav i betraktning, er de mest lovende nåværende kandidatene C₅ perfluoroketon (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ eller C₅-PFK) og iso-C₄ perfluoronitril ((CF₃)₂CF-CN eller C₄-PFN). For rene gasser, er dielektrisk ytelse proporsjonal med kokepunkt—altså, gasser med høy dielektrisk styrke har typisk også høye kokepunkter. Ved 0,1 MPa, er kokepunktene for C₅-PFK og C₄-PFN henholdsvis 26,5°C og –4,7°C. Derfor, for spenningsskifteranvendelser som krever tilstrekkelig lave kokepunkter for å møte operasjonskrav ved lav temperatur, må buffergasser legges til. På grunn av sin gode buetilbakemeldingsevne, er CO₂ valgt som buffergass i høyvoltageanvendelser. I mediumspenningsanvendelser, har også luft blitt rapportert som buffergass brukt i kombinasjon med C₅-PFK for isolasjon.

3. Egenskaper for Reine Gasser og Gassmiksler

Tabell 1 viser egenskapene til valgte alternative gasser i forhold til SF₆. GWPs for disse gassene varierer betydelig: C₄-PFN viser en mye høyere GWP enn CO₂ eller C₅-PFK, som begge har GWPs på omtrent 1. Alle interessante kandidatgasser er ikke-brannfarlige, har null ODP, og er rapportert som ikke-toxiske ifølge tekniske og sikkerhetsdataark fra kjemikaliefabrikanter. Dielektrisk styrke av ren C₄-PFN og C₅-PFK er nesten dobbelt så høy som den til SF₆. Dielektrisk holdbarhetsspenning for CO₂ er sammenlignbar med luft—altså, betydelig lavere enn for SF₆.

Tabell 1: Sammenligning av egenskaper for rene gasser med SF₆

Tabell 2 viser egenskapene til gasser og gasblandinger når de brukes i spenningsvekslere. Koncentrasjonen av C₄-PFN og C₅-PFK i blandinger med mellomlagringsegass er oppgitt i den andre kolonnen, typisk under 13% (molekylær konentrasjon). Det bør merkes at for bruk av C₅-PFK i CO₂, har det også blitt rapportert om tilsetning av oksygen, da tilstedeværelsen av oksygen kan redusere dannelsen av skadelige biprodukter (som CO) og faste biprodukter (som røyk).

Tabell 2: Egenskaper/yteevne til rene gasser og gasblandinger i anvendelser med medium- og høyspenningsvekslere

På grunn av den reduserte dielektriske spenningståligheten til blandingene sammenlignet med SF₆ ved samme trykk (Kolonne 6), må det minste driftstrykket for C₅-PFK og C₄-PFN med CO₂ som mellomgass i høyspenningsapplikasjoner økes til omtrent 0,7–0,8 MPa. For mellomspenningsapplikasjoner som bruker luft/C₅-PFK blanding, kan et trykk på 0,13 MPa opprettholdes, noe som gir en dielektrisk spenningstålighet nær den til SF₆.

Den høye dielektriske spenningståligheten som oppnås med relativt lave blandingssammenstillinger av C₄-PFN eller C₅-PFK kan forklares gjennom en synergistisk effekt—altså øker dielektrisk styrke ikke-lineært med legemiddelkonsentrasjonen, et fenomen tidligere observert i SF₆/N₂ blandingene. GWP for C₅-PFK blanding er ubetydelig, men dette kommer til prisen av et høyere minimum driftstemperatur. Lavtemperaturapplikasjoner (f.eks. –25°C) kan håndteres ved hjelp av rent CO₂ eller CO₂ + C₄-PFN blanding, selv om det innebærer kompromisser: betydelig redusert dielektrisk spenningstålighet i tilfellet rent CO₂, eller en betydelig høyere GWP når C₄-PFN blanding brukes.

4. Slagavbrytningsprestasjon for alternative gasser
Tabell 3 sammendrar foreløpig informasjon om slagavbrytningsprestasjonen for rent CO₂ og CO₂-baserte blanding, med SF₆ prestasjon gitt for sammenligning. Ved å øke driftstrykket i forhold til SF₆, kan den kalde dielektriske styrken—brukt for eksempel som en metrikk for kapasitiv slagavbrytningsprestasjon—fremmes til nivået til SF₆.

Tabell 3: Sammenligning av slagavbrytningsprestasjon for gasser og gasblanding ved økt driftstrykk sammenlignet med SF₆ i høytrykkapplikasjoner

I den gjennomgåtte litteraturen ble det bare funnet kvalitative uttalelser om skruingsytelsen til blandingene C₄-PFN og C₅-PFK. For CO₂ er noen kvantitative sammenligninger tilgjengelige. Generelt sett kan man forvente en isolerings- og kortslutningsskruing (SLF) ytelset på omtrent to tredeler av SF₆ ved rene CO₂ ved en økt fylltrykk på ca. 1 MPa.

Ved å legge til O₂ i CO₂ (med blandingstiltak opp til 30 %), kan en forbedring i SLF-skruingytelsen og en lett økning i dielektrisk styrke forventes. Ved å legge til C₄-PFN eller C₅-PFK i CO₂, kan dielektrisk ytelse nærme seg den til SF₆. Studier rapporterer at SLF-skruingytelsen til blandingene CO₂/O₂/C₅-PFK er ca. 20 % lavere enn den til SF₆. I motsetning til dette, har spesifikt tilpassede strømbrytere for CO₂/C₄-PFN-blandinger hevdet å ha oppnådd SLF-ytelse sammenlignbar med SF₆.

Det finnes imidlertid også studier som direkte sammenligner rent CO₂ med CO₂/C₄-PFN- og CO₂/C₅-PFK-blandinger under like geometriske og trykkforhold, som viser lignende nærområdes (termisk) skruingytelse for CO₂ med eller uten tilsat stoffer. Med mindre designendringer eller moderate nedgraderinger, har de nye blandingene vellykket bestått IEC-testoppdrag L90 (SLF) og T100 (100 % terminalfeil), noe som indikerer at deres skruingytelse ikke er betydelig dårligere enn SF₆. Dette har også blitt demonstrert for strømbryterens skruingfunksjon.

Yderligere forbedringer i skruingytelse gjennom dedikerte designoptimaliseringer forventes i fremtiden. Et viktig spørsmål er gassens giftighet etter bue. C₅-PFK og C₄-PFN er komplekse molekyler som begynner å dekomponere seg over omtrent 650 °C i tilfelle C₄-PFN. Ved dekomposisjon former disse molekylene ikke sine opprinnelige strukturer, men danner mindre fragmenter. En dekomponeringshastighet på 0,5 mol/MJ har blitt rapportert for CO₂/O₂/C₅-PFK-blandinger under høystrømsavbryting. For delvis ladning observertes dekomponeringshastigheten å være mer enn en ordenes størrelse lavere enn den nevnte verdien.

De komposisjonsoppførselen til disse nye gassene er ikke direkte sammenlignbar med den til SF₆, som primært dekomponerer seg på grunn av kjemiske reaksjoner med ablaserte kontakt- og spyttematerialer. For de nye gassene regnes dekomposisjon over utstyrets levetid ikke som et kritisk problem, men gasskonsentrasjonen innenfor utstyret bør overvåkes eller periodisk sjekkes. De mest giftige dekomponeringsprodukter i høytrykkapplikasjoner (dvs. blanding med CO₂) er CO og HF. Bue-biprodukter av disse blandingene regnes som å ha en giftighet lik eller lavere enn buedekomponert SF₆. Derfor anbefales håndteringsskjemaer tilsvarende de som brukes for buetiltekt SF₆.

Det må imidlertid merkes at de ovennevnte utsagnene er basert på begrenset kunnskap om giftigheten til disse nye gassene. Mer erfaring er nødvendig angående post-buegiftighet av potensielle SF₆-alternativer. Andre rapporterte bekymringer inkluderer materialkompatibilitet (f.eks. effekter på tetter og smøremidler), gassettetthet og gashandteringsskjemaer. Derfor kan ikke eksisterende høyspenningsutstyr forventes å fungere sikkert med disse nye gassene uten passende design- eller materialendringer.

Interne buetester har blitt utført med alle blandingene, og ingen alvorlige problemer har blitt rapportert. Termisk ledningsevne til blandingene er litt dårligere enn SF₆, noe som kan kreve moderate nedgraderinger eller designjusteringer for strømledningskapasitet. CO₂ levende tank-strømbrytere har allerede fått feltprøving, med innsats startet flere år siden, og CO₂-fylte strømbrytere er nå kommersielt tilgjengelige.

Høy- og mediumspenning pilotinstallasjoner med C₅-PFK-blanding har fungert vellykket i Sveits og Tyskland siden 2015. Pilotprosjekter med CO₂/C₄-PFN-blanding er planlagt eller pågår i flere europeiske land, inkludert en 145 kV indoor GIS i Sveits, en 245 kV outdoor strømmåler i Tyskland, og eksterne 420 kV GIL-systemer i Storbritannia og Skottland.

5. Konklusjon og utsikt
Publisert informasjon om SF₆-alternativgasser for skruingsapplikasjoner har blitt gjennomgått. På nåværende tidspunkt er denne forskningen fortsatt i sin barndom og langt mindre omfattende enn de årtiers lange arbeidet med SF₆. Tilgjengelige produsentdata indikerer at nye gasser, som C₅-PFK og C₄-PFN, er gyldige alternativer som, når blandet med CO₂ som buffergass, kan delvis matche SF₆-ytelsen, selv om de kanskje ikke fullt ut kan duplisere alle SF₆-evner.

Kjerneforskjeller ligger i isolerings- og avbrytingsytelse, samt kokepunkt—som bestemmer minimumsoperasjonstemperaturen for spenningsutstyret. Et lavt minimum operasjonstemperatur (f.eks. –50 °C) kan oppnås med rent CO₂. Imidlertid viser CO₂ generelt en lavere avbrytingsytelse, spesielt i forhold til gassblandinger som inneholder C₄-PFN eller C₅-PFK, særlig i forhold til gjenopprettingsvolts toppmotstand og avbrytingskapasitet.

En fordel med CO₂/C₅-PFK-blandinger sammenlignet med CO₂/C₄-PFN-blandinger er deres fornektnelige GWP (~1 vs. 427/600 for C₄-PFN). Omvendt tilbyr CO₂/C₄-PFN-blandinger en lavere minimum operasjonstemperatur (ca. –25 °C) sammenlignet med CO₂/C₅-PFK-blandinger (ca. –5 °C).

6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV Dead tank vakuum strømbryter

Beskrivelse ：

40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV og 245kV dead tank vakuum strømbrytere er essensielle beskyttelsesenheter for høyspenningsekraftsystemer. Ved bruk av vakuum som buetilintetgjøring- og isoleringsmedium, har de fremragende buetilintetgjøringsevner, som raskt avbryter feilstrømmer og effektivt forebygger buetilintetgjøring for å sikre stabil drift av strømsystemet. Dead tank-designet gir en kompakt fotavtrykk og robust mekanisk stabilitet, som forenkler installasjon og vedlikehold. Utrüstet med høytilfredsstillende fjærdrivmekanismer, har disse strømbryterne en mekanisk levetid som overstiger 10 000 operasjoner, med hurtige og nøyaktige respons. Med fremragende miljøtilpasning, kan de operere stabilt under hardt utevær. De er vidt anvendt i transformatorstasjoner, overføringslinjer og andre scenarioer, og de leverer effektiv og sikker strømskruingkontroll og pålitelig beskyttelse på ulike spenningsnivåer.

Hovedfunksjoner:

• Effektiv buelokking: Bruker vakuum for rask og pålitelig buelokking, som forebygger gjenoppløping.

• Bred spenningsområde: Tilgjengelig i 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV og 245kV ranger for mange anvendelser i nettverket.

• Robust død tank design: Kompakt struktur sikrer mekanisk stabilitet og forenkler installasjon/maintenance.

• Pålitelig drift: Federbasert operasjonsmekanisme med over 10 000 mekaniske utmattelsescykluser.

• Forbedret tettning: Dobbel tette flansdesign gir vann- og gass-tett beskyttelse, ideell for bruk utendørs.