Последние тенденции развития высоковольтных выключателей на основе альтернативных газов SF₆

1. Введение
SF₆ широко используется в системах передачи и распределения электроэнергии, таких как газоизолированные выключатели (GIS), автоматические выключатели (CB) и средневольтные (MV) коммутационные аппараты. Он обладает уникальными электрическими изоляционными и дугогасящими свойствами. Однако SF₆ также является мощным парниковым газом, с потенциалом глобального потепления около 23 500 за 100-летний период, поэтому его использование регулируется и подвергается постоянным обсуждениям относительно ограничений. В результате исследования альтернативных газов для энергетических применений проводятся уже около двух десятилетий.

"Клуб Зеро" (CZC) в сотрудничестве с CIGRE недавно запустил инициативу по оценке современного состояния альтернативных газов SF₆ для коммутационных приложений. Было проведено исследование, чтобы собрать всю доступную недавнюю литературу по этой теме. Результаты были представлены и обсуждены на совместной сессии во время CIGRE Session в 2016 году. В данной статье представлены основные выводы этого исследования. Поскольку технология вакуумного коммутационного оборудования представляет собой отдельную продолжающуюся деятельность, она не будет рассмотрена в данном обзоре.

2. Альтернативные газы

После принятия Киотского протокола в 1997 году исследования альтернативных газов усилились и продолжают увеличиваться в последние десять лет. Основные требования к альтернативным газам были определены как: низкий потенциал глобального потепления (GWP), нулевой потенциал разрушения озонового слоя (ODP), низкая токсичность, негорючесть, высокая диэлектрическая прочность, высокие дугогасящие и теплорассеивающие способности, химическая стабильность, совместимость с материалами и доступность на рынке.

Среди различных природных газов, которые были исследованы, CO₂ оказался самым перспективным дугогасящим газом, с его производительностью, потенциально улучшенной добавками, такими как O₂ или CF₄. Однако исследования показали, что как прерывающая, так и изоляционная производительность CO₂ уступают SF₆. Другие интересные кандидаты были выявлены среди фторированных газов, таких как CF₃I, гидрофторолефины (HFO-1234ze и HFO-1234yf), перфторокетоны (например, C₅F₁₀O), перфторнитрилы (C₄F₇N), фторированные эфиры (HFE-245cb2), фторированные эпоксиды и гидрохлорофторолефины (HCFO-1233zd).

Учитывая все требования, наиболее перспективными текущими кандидатами являются C₅ перфторокетон (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ или C₅-PFK) и изо-C₄ перфторнитрил ((CF₃)₂CF-CN или C₄-PFN). Для чистых газов диэлектрические характеристики пропорциональны точке кипения — то есть газы с высокой диэлектрической прочностью обычно также имеют высокую точку кипения. При давлении 0,1 МПа точки кипения C₅-PFK и C₄-PFN составляют 26,5°C и –4,7°C соответственно. Поэтому, для применения в коммутационном оборудовании, требующем достаточно низких точек кипения для удовлетворения потребностей в работе при низких температурах, необходимо добавлять буферные газы. Из-за своих хороших дугогасящих свойств CO₂ выбирается в качестве буферного газа в высоковольтных применениях. В средневольтных применениях также сообщалось, что воздух используется в качестве буферного газа в сочетании с C₅-PFK для изоляционных целей.

3. Свойства чистых газов и газовых смесей

Таблица 1 представляет свойства выбранных альтернативных газов по сравнению с SF₆. Потенциалы глобального потепления этих газов значительно различаются: C₄-PFN имеет гораздо более высокий GWP, чем CO₂ или C₅-PFK, оба из которых имеют GWP примерно 1. Все интересующие кандидатские газы негорючи, имеют нулевой ODP и, согласно техническим и справочным данным, предоставленным химическими производителями, считаются нетоксичными. Диэлектрическая прочность чистого C₄-PFN и C₅-PFK почти вдвое выше, чем у SF₆. Диэлектрическая прочность CO₂ сравнима с воздухом — то есть значительно ниже, чем у SF₆.

Таблица 1: Сравнение свойств чистых газов с SF₆

Таблица 2 показывает характеристики газов и газовых смесей при их использовании в коммутационном оборудовании. Концентрации C₄-PFN и C₅-PFK в смесях с буферными газами приведены во втором столбце, обычно они ниже 13% (молярная концентрация). Следует отметить, что для использования C₅-PFK в CO₂ также сообщалось о добавках кислорода, так как наличие кислорода может уменьшить образование вредных побочных продуктов (таких как CO) и твердых побочных продуктов (таких как сажа).

Таблица 2: Характеристики/производительность чистых газов и газовых смесей в применении среднего и высокого напряжения

Из-за снижения диэлектрической прочности смесей по сравнению с SF₆ при одинаковом давлении (столбец 6), минимальное рабочее давление для C₅-PFK и C₄-PFN с CO₂ в качестве буферного газа в высоковольтных применениях необходимо увеличить до примерно 0,7–0,8 МПа. Для средневольтных применений, использующих смеси воздух/C₅-PFK, можно поддерживать давление 0,13 МПа, достигая диэлектрической прочности, близкой к SF₆.

Высокую диэлектрическую прочность, достигаемую при относительно низких соотношениях смешивания C₄-PFN или C₅-PFK, можно объяснить синергетическим эффектом — то есть диэлектрическая прочность увеличивается нелинейно с концентрацией добавки, что ранее наблюдалось в смесях SF₆/N₂. ПГП смесей C₅-PFK незначителен, но это происходит за счет более высокой минимальной рабочей температуры. Низкотемпературные применения (например, –25°C) могут быть решены с использованием либо чистого CO₂, либо смесей CO₂ + C₄-PFN, хотя и с компромиссами: значительное снижение диэлектрической прочности в случае чистого CO₂, или значительно более высокий ПГП при использовании смесей C₄-PFN.

4. Переключательные характеристики альтернативных газов
Таблица 3 содержит предварительную информацию о переключательных характеристиках чистого CO₂ и смесей на основе CO₂, с приведением характеристик SF₆ для сравнения. Увеличивая рабочее давление относительно SF₆, холодную диэлектрическую прочность, используемую, например, как метрику для емкостного переключения, можно довести до уровня SF₆.

Таблица 3: Сравнение переключательных характеристик газов и газовых смесей при повышенном рабочем давлении по сравнению с SF₆ в высоковольтных применениях

В обзорной литературе можно найти только качественные оценки переключательных характеристик смесей C₄-PFN и C₅-PFK. Для CO₂ доступны некоторые количественные сравнения. В целом, с чистым CO₂ при увеличенном давлении заполнения примерно 1 МПа можно ожидать изоляционные и характеристики отключения короткого замыкания (SLF) на уровне около двух третей от SF₆.

Добавление O₂ к CO₂ (с соотношением до 30%) позволяет улучшить характеристики отключения SLF и незначительно повысить диэлектрическую прочность. Добавление C₄-PFN или C₅-PFK к CO₂ обеспечивает диэлектрические характеристики, близкие к SF₆. Исследования показывают, что характеристики переключения SLF для смесей CO₂/O₂/C₅-PFK примерно на 20% ниже, чем у SF₆. В противоположность этому, выключатели, специально адаптированные для смесей CO₂/C₄-PFN, заявлено, достигают характеристик SLF, сравнимых с SF₆.

Однако есть также исследования, прямого сравнения чистого CO₂ с смесями CO₂/C₄-PFN и CO₂/C₅-PFK при одинаковой геометрии и давлении, которые показывают схожие характеристики отключения в ближней зоне (тепловые) для CO₂ как с добавками, так и без них. С небольшими изменениями в дизайне или незначительным снижением мощности новые смеси успешно прошли испытания IEC L90 (SLF) и T100 (100% концевое короткое замыкание), что указывает на то, что их характеристики переключения не значительно уступают SF₆. Это также было продемонстрировано для функции отключения выключателей.

В будущем ожидаются дальнейшие улучшения переключательных характеристик благодаря специальным оптимизациям дизайна. Важным вопросом является токсичность газов после дугового разряда. C₅-PFK и C₄-PFN — это сложные молекулы, которые начинают разлагаться при температуре выше примерно 650 °C в случае C₄-PFN. При разложении эти молекулы не восстанавливаются в исходные структуры, а образуют более мелкие фрагменты. Для смесей CO₂/O₂/C₅-PFK при высокотоковом отключении сообщалась скорость разложения 0,5 моль/МДж. Для частичных разрядов скорость разложения была наблюдаема на порядок ниже указанного значения.

Поведение разложения этих новых газов не напрямую сравнимо с поведением SF₆, который разлагается главным образом из-за химических реакций с абляционными материалами контактов и сопел. Для новых газов разложение за срок службы оборудования не считается критическим вопросом, но концентрация газа внутри оборудования должна контролироваться или периодически проверяться. Наиболее токсичные продукты разложения при высоких давлениях (например, в смесях с CO₂) — это CO и HF. Продукты дугового разряда этих смесей считаются токсичными на уровне, аналогичном или ниже, чем продукты разложения SF₆. Поэтому рекомендуется использовать процедуры, аналогичные тем, которые применяются для SF₆, подвергнутого воздействию дуги.

Однако следует отметить, что вышеуказанные утверждения основаны на ограниченных данных о токсичности этих новых газов. Необходимо больше опыта относительно постдуговой токсичности потенциальных альтернатив SF₆. Другие отмеченные проблемы включают совместимость материалов (например, влияние на уплотнения и смазки), герметичность газа и процедуры обращения с газом. В результате, существующее высоковольтное оборудование не должно ожидать безопасной работы с этими новыми газами без соответствующих изменений в дизайне или материалах.

Испытания внутренней дуги были проведены для всех смесей, и серьезных проблем не было выявлено. Теплопроводность смесей немного ниже, чем у SF₆, что может потребовать умеренного снижения мощности или изменений в дизайне для проводимости тока. Выключатели с живым баком CO₂ уже получили опыт эксплуатации, начиная несколько лет назад, и теперь они доступны коммерчески.

Высоковольтные и средневольтные пилотные установки, использующие смеси C₅-PFK, успешно работают в Швейцарии и Германии с 2015 года. Пилотные проекты, использующие смеси CO₂/C₄-PFN, планируются или уже осуществляются в нескольких европейских странах, включая внутреннюю GIS на 145 кВ в Швейцарии, внешний трансформатор тока на 245 кВ в Германии и внешние системы GIL на 420 кВ в Великобритании и Шотландии.

5. Заключение и перспективы
Была рассмотрена опубликованная информация о газах-альтернативах SF₆ для переключательных приложений. На данном этапе это исследование находится в начальной фазе и намного менее обширно, чем десятилетия работы над SF₆. Доступные данные производителей свидетельствуют о том, что новые газы, такие как C₅-PFK и C₄-PFN, являются жизнеспособными вариантами, которые, когда смешиваются с CO₂ как буферным газом, могут частично соответствовать характеристикам SF₆, хотя они могут не полностью воспроизводить все возможности SF₆.

Основные различия заключаются в изоляционных и отключающих характеристиках, а также в точке кипения, которая определяет минимальную рабочую температуру коммутационного оборудования. Низкая минимальная рабочая температура (например, –50 °C) может быть достигнута с использованием чистого CO₂. Однако CO₂, по-видимому, демонстрирует более низкие отключающие характеристики, особенно в отношении пиковой выдерживаемой восстановительной напряженности и способности к отключению, по сравнению с газовыми смесями, содержащими C₄-PFN или C₅-PFK.

Преимуществом смесей CO₂/C₅-PFK перед смесями CO₂/C₄-PFN является их незначительный индекс глобального потепления (GWP) (~1 по сравнению с 427/600 для C₄-PFN). С другой стороны, смеси CO₂/C₄-PFN обеспечивают более низкую минимальную рабочую температуру (примерно –25 °C) по сравнению со смесями CO₂/C₅-PFK (примерно –5 °C).

6. 40.5 кВ 72.5 кВ 145 кВ 170 кВ 245 кВ Выключатели вакуумные в металлическом корпусе

Описание:

Выключатели вакуумные в металлическом корпусе на 40.5 кВ, 72.5 кВ, 145 кВ, 170 кВ и 245 кВ являются важными защитными устройствами для высоковольтных энергетических систем. Используя вакуум в качестве среды для гашения дуги и изоляции, они обладают отличными характеристиками гашения дуги, быстро прерывая аварийные токи и эффективно предотвращая повторное возгорание дуги, обеспечивая стабильную работу энергосистемы. Конструкция в металлическом корпусе обеспечивает компактность и высокую механическую устойчивость, облегчая установку и обслуживание. Оборудованные высокоэффективными пружинными механизмами, эти выключатели имеют механический ресурс, превышающий 10 000 операций, обеспечивая быстрые и точные реакции. Благодаря выдающейся адаптивности к окружающей среде, они могут стабильно работать в суровых условиях наружного применения. Широко применяемые в подстанциях, линиях электропередачи и других сценариях, они обеспечивают эффективное и безопасное управление коммутацией энергии и надежную защиту на различных уровнях напряжения.

Основные функции:

• Эффективное гашение дуги: Использует вакуум для быстрого и надежного гашения дуги, предотвращая повторное возгорание.

• Широкий диапазон напряжений: Доступен в исполнениях 40.5кВ, 72.5кВ, 145кВ, 170кВ и 245кВ для различных сетевых применений.

• Прочный корпус с неподвижным баком: Компактная конструкция обеспечивает механическую устойчивость и упрощает монтаж и обслуживание.

• Надежная работа: Механизм привода на основе пружины с более чем 10 000 циклами механической выносливости.

• Улучшенная герметизация: Двухступенчатое фланцевое соединение обеспечивает водонепроницаемость и газонепроницаемость, что идеально подходит для использования на открытом воздухе.