Najnowsze trendy rozwojowe wysokowoltowych przelaczników opartych na alternatywnych gazach zamiennikach SF₆

1. Wprowadzenie
SF₆ jest szeroko stosowany w systemach przesyłania i dystrybucji energii elektrycznej, takich jak gazowe obudowy izolacyjne (GIS), wyłączniki (CB) oraz średnie-napięciowe (MV) przełączniki obciążenia. Posiada unikalne właściwości izolacji elektrycznej i gaszenia łuku. Jednakże, SF₆ to również potężny gaz cieplarniany, z potencjałem globalnego ocieplenia około 23 500 w ciągu 100 lat, dlatego jego użycie jest regulowane i podlega ciągłym dyskusjom dotyczącym ograniczeń. W konsekwencji, badania nad alternatywnymi gazami do zastosowań energetycznych są prowadzone od około dwóch dekad.

"Club Zéro" (CZC) we współpracy z CIGRE niedawno uruchomił inicjatywę mającą na celu ocenę stanu sztuki alternatywnych gazów dla zastosowań przełączniczych. Przeprowadzono ankietę, aby zebrac wszystkie dostępne najnowsze publikacje dotyczące tego tematu. Wyniki zostały zaprezentowane i omówione podczas wspólnej sesji na CIGRE Session w 2016 roku. Niniejszy artykuł przedstawia główne wnioski z tej ankiety. Ponieważ technologia przełączania próżniowego stanowi odrębne, trwające działanie, nie będzie ona omawiana w tym przeglądzie.

2. Alternatywne Gazy

Po przyjęciu Protokołu z Kioto w 1997 roku, badania nad alternatywnymi gazami się nasiliły i wzrosły w ciągu ostatniej dekady. Kluczowe wymagania dla alternatywnych gazów to: niski potencjał globalnego ocieplenia (GWP), zerowy potencjał zniszczenia ozonu (ODP), niska toksyczność, nietlenność, wysoka siła dielektryczna, wysokie możliwości gaszenia łuku i rozpraszania ciepła, chemiczna stabilność, zgodność materiałowa oraz dostępność rynkowa.

Spośród różnych naturalnych gazów, które były badane, CO₂ okazało się być najbardziej obiecującym gazem do gaszenia łuku, z możliwością poprawy jego efektywności przez dodatki takie jak O₂ lub CF₄. Niemniej jednak, badania pokazały, że zarówno przerwy, jak i izolacyjne właściwości CO₂ są gorsze niż te SF₆. Inne interesujące kandydatury to fluorowane gazy, takie jak CF₃I, hydrofluoroolefiny (HFO-1234ze i HFO-1234yf), perfluoroketony (np. C₅F₁₀O), perfluorocyanidy (C₄F₇N), fluorowane etery (HFE-245cb2), fluorowane epoksydy oraz hydrochlorofluoroolefiny (HCFO-1233zd).

Biorąc pod uwagę wszystkie wymagania, najbardziej obiecującymi obecnymi kandydatami są C₅ perfluoroketon (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ lub C₅-PFK) i izo-C₄ perfluorocyjan (CF₃)₂CF-CN lub C₄-PFN). Dla czystych gazów, ich właściwości dielektryczne są proporcjonalne do temperatury wrzenia—czyli gazy z wysoką siłą dielektryczną zazwyczaj mają też wysoką temperaturę wrzenia. Przy 0,1 MPa, temperatury wrzenia C₅-PFK i C₄-PFN wynoszą odpowiednio 26,5°C i –4,7°C. Dlatego, dla zastosowań w urządzeniach przełączniczych, gdzie wymagana jest wystarczająco niska temperatura wrzenia, aby spełniać wymagania dotyczące pracy w niskich temperaturach, należy dodać gazy buforujące. Ze względu na dobre właściwości gaszenia łuku, CO₂ jest wybierany jako gaz buforujący w zastosowaniach wysokonapięciowych. W zastosowaniach średnie-napięciowych, powietrze jest również raportowane jako gaz buforujący używany w połączeniu z C₅-PFK do celów izolacyjnych.

3. Właściwości Czystych Gazów i Mieszanin Gazowych

Tabela 1 przedstawia właściwości wybranych alternatywnych gazów w porównaniu do SF₆. GWPs tych gazów różnią się znacznie: C₄-PFN ma znacznie wyższy GWP niż CO₂ lub C₅-PFK, oba mają GWP około 1. Wszystkie interesujące kandydujące gazy są nietlenne, mają zerowy ODP i są zgłoszone jako nietoksyczne według danych technicznych i bezpieczeństwa dostarczonych przez producentów chemicznych. Siła dielektryczna czystego C₄-PFN i C₅-PFK jest prawie dwukrotnie większa niż SF₆. Wytrzymałość dielektryczna CO₂ jest porównywalna z powietrzem—czyli znacznie niższa niż SF₆.

Tabela 1: Porównanie właściwości czystych gazów z SF₆

Tabela 2 przedstawia charakterystyki gazów i mieszanin gazowych wykorzystywanych w przekładowcach. Stężenia C₄-PFN i C₅-PFK w mieszaninach z gazami buforującymi są podane w drugiej kolumnie, zazwyczaj poniżej 13% (stężenie molowe). Należy zauważyć, że przy użyciu C₅-PFK w CO₂, również opisano dodatki tlenowe, ponieważ obecność tlenu może zmniejszyć powstawanie szkodliwych produktów ubocznych (takich jak CO) oraz stałych produktów ubocznych (takich jak sadza).

Tabela 2: Charakterystyka/Wydajność Czystych Gazów i Mieszanin Gazowych w Zastosowaniach Przekładowców Średniego i Wysokiego Napięcia

Ze względu na niższą wytrzymałość izolacyjną mieszanin w porównaniu do SF₆ pod takim samym ciśnieniem (kolumna 6), minimalne ciśnienie pracy dla C₅-PFK i C₄-PFN z CO₂ jako gazem buforującym w zastosowaniach wysokiego napięcia musi być zwiększone do około 0,7–0,8 MPa. W przypadku zastosowań średniego napięcia z użyciem mieszanin powietrze/C₅-PFK, można utrzymać ciśnienie 0,13 MPa, osiągając wytrzymałość izolacyjną zbliżoną do SF₆.

Wysoka wytrzymałość izolacyjna osiągnięta przy stosunkowo niskich proporcjach mieszania C₄-PFN lub C₅-PFK może być wyjaśniona efektem synergicznym – to znaczy, że wytrzymałość izolacyjna wzrasta nieliniowo wraz ze stężeniem dodatku, co było wcześniej zaobserwowane w mieszaninach SF₆/N₂. Wskaźnik GWP mieszanin C₅-PFK jest zaniedbywalny, ale wynika to z kosztem wyższej minimalnej temperatury pracy. Aplikacje niskotemperaturowe (np. –25°C) mogą być obsługiwane za pomocą czystego CO₂ lub mieszanin CO₂ + C₄-PFN, choć z pewnymi kompromisami: znacznie obniżona wytrzymałość izolacyjna w przypadku czystego CO₂, lub znacznie wyższy wskaźnik GWP w przypadku używania mieszanin C₄-PFN.

4. Właściwości przełączania alternatywnych gazów
Tabela 3 zawiera wstępne informacje o właściwościach przełączania czystego CO₂ i mieszanin opartych na CO₂, z uwzględnieniem właściwości SF₆ do celów porównawczych. Poprzez zwiększenie ciśnienia roboczego w stosunku do SF₆, zimna wytrzymałość izolacyjna – używana na przykład jako miara wydajności przełączania pojemnościowego – może być przystosowana do poziomu SF₆.

Tabela 3: Porównanie właściwości przełączania gazów i mieszanin gazowych przy podwyższonym ciśnieniu roboczym w stosunku do SF₆ w zastosowaniach wysokiego napięcia

W przetwarzanej literaturze znaleziono jedynie jakościowe stwierdzenia dotyczące wydajności przełączania mieszanin C₄-PFN i C₅-PFK. Dla CO₂ dostępne są pewne porównania ilościowe. Ogólnie rzecz biorąc, przy czystym CO₂ z zwiększoną ciśnieniem wypełniającym około 1 MPa, można oczekiwać wydajności izolacyjnej i przerwania krótkiego zwarcia (SLF) na poziomie około dwóch trzecich tej dla SF₆.

Dodając O₂ do CO₂ (z proporcjami mieszania do 30%), można spodziewać się poprawy wydajności przerwania SLF i lekkiego wzrostu wytrzymałości dielektrycznej. Dodanie C₄-PFN lub C₅-PFK do CO₂ umożliwia osiągnięcie wydajności dielektrycznej zbliżonej do SF₆. Badania podają, że wydajność przełączania SLF mieszanin CO₂/O₂/C₅-PFK jest około 20% niższa niż ta dla SF₆. W przeciwieństwie do tego, specjalnie dostosowane wyłomniki dla mieszanin CO₂/C₄-PFN miały być w stanie osiągnąć wydajność SLF porównywalną z SF₆.

Jednak istnieją również badania bezpośrednio porównujące czyste CO₂ z mieszaninami CO₂/C₄-PFN i CO₂/C₅-PFK w identycznych warunkach geometrycznych i ciśnieniowych, które pokazują podobną wydajność przerwania w strefie bliskiej (termicznej) dla CO₂ z lub bez dodatków. Z niewielkimi modyfikacjami projektowymi lub umiarkowanym obniżeniem parametrów, nowe mieszaniny pomyślnie przeszły testy IEC L90 (SLF) i T100 (100% zwarcie końcowe), co wskazuje, że ich wydajność przełączania nie jest znacznie gorsza od SF₆. To zostało również potwierdzone dla funkcji przerwania wyłomnika.

Dalsze poprawy wydajności przełączania dzięki dedykowanym optymalizacjom projektowym są oczekiwane w przyszłości. Ważnym problemem jest toksyczność gazów po zjawisku łuku. C₅-PFK i C₄-PFN to złożone molekuły, które zaczynają się rozkładać powyżej około 650 °C w przypadku C₄-PFN. Po rozkładzie te molekuły nie rekomponują się do swojej pierwotnej struktury, ale tworzą mniejsze fragmenty. Stosunek rozkładu 0,5 mol/MJ został zgłoszony dla mieszanin CO₂/O₂/C₅-PFK podczas przerwania dużych prądów. Dla częściowych wyładowań stosunek rozkładu był obserwowany na ponad jeden rząd wielkości niższy niż wartość powyżej.

Zachowanie rozkładu tych nowych gazów nie jest bezpośrednio porównywalne z zachowaniem SF₆, który rozkłada się głównie w wyniku reakcji chemicznych z ablacyjnymi materiałami kontaktów i dysz. Dla nowych gazów, rozkład w ciągu życia sprzętu nie jest uważany za krytyczny problem, ale stężenie gazu wewnątrz sprzętu powinno być monitorowane lub okresowo sprawdzane. Najbardziej toksycznymi produktami rozkładu w aplikacjach wysokiego ciśnienia (tj. mieszaninach z CO₂) są CO i HF. Produkty uboczne łuku tych mieszanin są uważane za mające toksyczność podobną lub niższą niż rozłożone w łuku SF₆. Zatem zaleca się procedury obsługi podobne do tych używanych dla SF₆ narażonego na łuk.

Jednak należy zauważyć, że powyższe stwierdzenia opierają się na ograniczonej wiedzy o toksyczności tych nowych gazów. Potrzebne jest więcej doświadczenia w zakresie toksyczności po łuku potencjalnych alternatyw dla SF₆. Inne zgłoszone obawy obejmują kompatybilność materiałów (np. wpływ na uszczelki i smary), integralność szczelności gazu oraz procedury obsługi gazu. W konsekwencji, nie można oczekiwać, że istniejące urządzenia wysokiego napięcia będą mogły bezpiecznie działać z tymi nowymi gazami bez odpowiednich modyfikacji projektowych lub materiałowych.

Przeprowadzono testy łuku wewnętrznego ze wszystkimi mieszankami, a nie zgłoszono żadnych poważnych problemów. Przewodność cieplna tych mieszank jest nieco gorsza niż SF₆, co może wymagać umiarkowanego obniżenia parametrów lub modyfikacji projektowych dla zdolności przepustowej prądu. Wyłomniki z CO₂ w zbiornikach żywej izolacji zdobyły już doświadczenie polowe, z wdrożeniami rozpoczętymi kilka lat temu, a wyłomniki wypełnione CO₂ są teraz dostępne komercyjnie.

Pilotowe instalacje wysokiego i średniego napięcia z użyciem mieszanin C₅-PFK działają pomyślnie w Szwajcarii i Niemczech od 2015 roku. Pilotowe projekty z użyciem mieszanin CO₂/C₄-PFN są planowane lub w toku w kilku krajach europejskich, w tym 145 kV GIS wewnątrzhalowy w Szwajcarii, 245 kV transformator prądowy na zewnątrz w Niemczech, oraz zewnętrzne systemy GIL 420 kV w Wielkiej Brytanii i Szkocji.

5. Podsumowanie i perspektywy
Przeglądano opublikowane informacje dotyczące alternatywnych gazów dla SF₆ w zastosowaniach przełączania. Obecnie to badanie znajduje się jeszcze we wczesnej fazie i jest znacznie mniej rozbudowane niż dziesięciolecia badań nad SF₆. Dostępne dane producentów wskazują, że nowe gazy, takie jak C₅-PFK i C₄-PFN, są realistycznymi opcjami, które, gdy są mieszane z CO₂ jako gazem buforującym, mogą częściowo dorównać wydajności SF₆, choć mogą nie replikować wszystkich możliwości SF₆.

Kluczowe różnice dotyczą wydajności izolacyjnej i przerwania, a także temperatury wrzenia, która określa minimalną określoną temperaturę pracy przełącznika. Niska minimalna temperatura pracy (np. –50 °C) może być osiągnięta z czystym CO₂. Jednak CO₂ wydaje się mieć ogólnie niższą wydajność przerwania, szczególnie pod względem wytrzymałości na szczytowe napięcie odzyskujące i zdolność przerwania, w porównaniu do mieszanin zawierających C₄-PFN lub C₅-PFK.

Zaletą mieszanin CO₂/C₅-PFK w porównaniu do mieszanin CO₂/C₄-PFN jest zaniedbywalny WPZ (około 1 w porównaniu do 427/600 dla C₄-PFN). Z drugiej strony, mieszaniny CO₂/C₄-PFN oferują niższą minimalną temperaturę pracy (około –25 °C) w porównaniu do mieszanin CO₂/C₅-PFK (około –5 °C).

6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV Martwy zbiornik Wyłomnik próżniowy

Opis:

Wyłomniki próżniowe martwego zbiornika 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV i 245kV to kluczowe urządzenia ochronne w systemach wysokiego napięcia. Wykorzystując próżnię jako medium gasne do gaszenia łuku i izolacji, posiadają wyjątkowe zdolności gaszenia łuku, szybko przerwania prądów awaryjnych i skutecznego zapobiegania ponownemu zapłonowi łuku, zapewniając stabilne działanie systemu energetycznego. Konstrukcja martwego zbiornika zapewnia kompaktową powierzchnię montażową i solidną stabilność mechaniczną, ułatwiając instalację i konserwację. Wyposażone w bardzo niezawodne mechanizmy napędowe sprężynowe, te wyłomniki mają żywotność mechaniczną przekraczającą 10 000 cykli, zapewniając szybką i precyzyjną reakcję. Dzięki doskonałej adaptacji do środowiska, mogą działać stabilnie w surowych warunkach zewnętrznych. Szeroko stosowane w stacjach elektroenergetycznych, liniach przesyłowych i innych scenariuszach, zapewniają efektywną i bezpieczną kontrolę przełączania energii oraz niezawodną ochronę na różnych poziomach napięcia.

Główne funkcje:

• Skuteczne gaszenie łuku elektrycznego: Wykorzystuje próżnię do szybkiego i niezawodnego gaszenia łuku, zapobiegając ponownemu zapłonowi.

• Szeroki zakres napięć: Dostępny w wariantach o napięciach 40,5 kV, 72,5 kV, 145 kV, 170 kV i 245 kV, co sprawia, że jest uniwersalnym rozwiązaniem dla różnych sieci energetycznych.

• Wytrzymała konstrukcja z zamkniętą izolacją: Kompaktowa struktura zapewnia mechaniczną stabilność i ułatwia montaż oraz konserwację.

• Niezawodna obsługa: Mechanizm działania oparty na sprężynie z ponad 10 000 cyklami wytrzymałości mechanicznej.

• Wzmocnione szczelności: Konstrukcja flanży dwusegmentowych zapewnia wodoszczelność i gazociągłość, co czyni urządzenie idealnym do użytku na zewnątrz.