Nove razvojne trende v visokonapetostnih preklopnikih z nadomestnimi plini namesto SF₆

1. Uvod
SF₆ se široko uporablja v sistemih prenosa in distribucije električne energije, kot so naprave za izolacijo z plinom (GIS), preklopniki (CB) in srednjeponasne (MV) preklapalne naprave. Ima edinstvene lastnosti električne izolacije in ugasnjenja loka. SF₆ je pa tudi močen talni plin, s potencialom za segrevanje Zemlje približno 23.500 v obdobju 100 let, zaradi česar je njegova uporaba urejena in podvržena nenehnim razpravam o omejitvah. Torej, raziskave alternativnih plinov za uporabo v električnih aplikacijah potekajo že približno dva desetletja.

"Club Zéro" (CZC) v sodelovanju z CIGRE je nedavno zagnal pobudo za oceno stanja tehnologije alternativnih plinov za SF₆ v preklopnih aplikacijah. Izvedel je anketiranje za zbiranje vseh na voljo stojajočih najnovejših literaturnih virov o tem temelju. Rezultati so bili predstavljeni in obravnavani na skupni seji med CIGRE Sejo leta 2016. Ta članek predstavlja glavna ugotovitva tega raziskovanja. Ker tehnologija preklopa v vakuumu predstavlja ločeno dejavnost, ki se trenutno izvaja, ne bo vključena v to preglednico.

2. Alternativni plini

Po sprejetju Kjotskega protokola leta 1997 so raziskave alternativnih plinov postale intenzivnejše in se še dodatno povečale v zadnjem desetletju. Ključne zahteve za alternativne pline so bile identificirane kot: nizki potencial za segrevanje Zemlje (GWP), ničelni potencial za uničevanje ozonskega plasta (ODP), nizka toksičnost, netopljivost, visoka dielektrična trdota, visoka zmogljivost za ugasnjenje loka in odvajanje toplote, kemijska stabilnost, združljivost z materiali in dostopnost na trgu.

Med različnimi naravno izvirajočimi plini, ki so bili preučeni, se je CO₂ izkazal kot najbolj obetaven plin za ugasnjenje loka, s svojimi lastnostmi, ki jih lahko izboljšajo dodatki, kot so O₂ ali CF₄. Vendar so raziskave pokazale, da so obeh prekinjalna in izolacijska lastnosti CO₂ manjše od tistih SF₆. Drugi zanimivi kandidati so bili identificirani med fluoriranimi plini, kot so CF₃I, hidrofluoroolefini (HFO-1234ze in HFO-1234yf), perfluoroketon (npr. C₅F₁₀O), perfluoronitrili (C₄F₇N), fluorirani etere (HFE-245cb2), fluorirani epoksiidi in hidroklorofluoroolefini (HCFO-1233zd).

Ob upoštevanju vseh zahtev, najobetavnejši trenutni kandidati sta C₅ perfluoroketon (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ ali C₅-PFK) in iso-C₄ perfluoronitril ((CF₃)₂CF-CN ali C₄-PFN). Za čiste pline je dielektrična zmogljivost sorazmerna s točko varljenja—tj. plini z visoko dielektrično trdoto imajo tipično tudi visoke točke varljenja. Pri 0,1 MPa so točke varljenja C₅-PFK in C₄-PFN 26,5 °C in –4,7 °C, zlasti. Zato, za aplikacije preklopne opreme, ki zahtevajo dovolj nizke točke varljenja, da bi izpolnile zahteve po delovanju pri nizkih temperaturah, morajo biti dodani vzdušni plini. Zaradi dobrih lastnosti za ugasnjenje loka je CO₂ izbran kot vzdušni plin v visokonaponskih aplikacijah. V srednjeponasnih aplikacijah je bilo poročano, da se vzdušje uporablja kot vzdušni plin v kombinaciji z C₅-PFK za izolacijske namene.

3. Lastnosti čistih plinov in mešanic plinov

Tabela 1 prikazuje lastnosti izbranih alternativnih plinov glede na SF₆. GWP teh plinov se zelo razlikuje: C₄-PFN ima veliko višji GWP kot CO₂ ali C₅-PFK, ki imata GWP približno 1. Vsi zanimivi kandidatski plini so netopljivi, imajo ničelni ODP in so prikazani kot netoksični glede na tehnične in varnostne listove, ki jih zagotavljajo proizvajalci kemikalij. Dielektrična trdota čistega C₄-PFN in C₅-PFK je skoraj dvakrat večja od SF₆. Dielektrična trdota CO₂ je primerljiva z vzdušjem—tj. znatno manjša od SF₆.

Tabela 1: Primerjava lastnosti čistih plinov z SF₆

Tabela 2 prikazuje lastnosti plinov in plinskih mešavin, ko se uporabljajo v preklapljalnikih. Koncentracije C₄-PFN in C₅-PFK v mešavinah s podpornimi plini so navedene v drugi stolpci, običajno pod 13 % (molska koncentracija). Je treba opozoriti, da za uporabo C₅-PFK v CO₂ so bili tudi poročani dodatki kisika, saj prisotnost kisika lahko zmanjša nastajanje škodljivih spodbitev (na primer CO) in trdnih spodbitev (na primer sadje).

Tabela 2: Lastnosti/Izvedba čistih plinov in plinskih mešavin v uporabah srednje- in visokonapetostnih preklapljalnikov

Ker so smeske pri istem tlaku (stolpec 6) zmanjšane za dielektrično trdnost v primerjavi s SF₆, mora biti minimalni delovni tlak za C₅-PFK in C₄-PFN z CO₂ kot medsebino v visokonapetostnih aplikacijah povišan na približno 0,7–0,8 MPa. Za srednjegradne napetosti z uporabo mešanice zraka/C₅-PFK se lahko ohranja tlak 0,13 MPa, kar omogoča dosego dielektrične trdnosti, ki je podobna SF₆.

Visoka dielektrična trdnost, dosežena pri relativno nizkih mešalnih razmerjih C₄-PFN ali C₅-PFK, se lahko razloži s sinergijskim učinkom – to je, dielektrična trdota se povečuje nelinearno z koncentracijo dodatka, pojav, ki je bil prej opazovan v mešanicah SF₆/N₂. GWP mešanik C₅-PFK je zanemarljiv, toda to prinaša strošek višje minimalne delovne temperature. Nizekotemperature aplikacije (npr. –25°C) je mogoče obravnavati z uporabo bodisi čistega CO₂ ali mešanice CO₂ + C₄-PFN, vendar s kompromisi: značilno zmanjšana dielektrična trdnost v primeru čistega CO₂ ali zelo visok GWP pri uporabi mešanic C₄-PFN.

4. Prestrežnost nadomestnih plinov
Tabela 3 združuje začetne informacije o prestrežnosti čistega CO₂ in mešanic CO₂, pri čemer je za primerjavo podana prestrežnost SF₆. S povečanjem delovnega tlaka v primerjavi s SF₆ se lahko hladna dielektrična trdnost – uporabljena na primer kot merilo za prestrežnost kapacitivnega preklopa – prinese na raven SF₆.

Tabela 3: Primerjava prestrežnosti plinov in mešanic plinov pri povišanem delovnem tlaku v primerjavi s SF₆ v visokonapetostnih aplikacijah

V pregledani literaturi so bile najdene le kvalitativne izjave o preklopni učinkovitosti mešanin C₄-PFN in C₅-PFK. Za CO₂ je na voljo nekaj kvantitativnih primerjav. V splošnem se lahko pri čistem CO₂ z povečanim polnilskim tlakom približno 1 MPa pričakuje izolacijska in prekinjalna učinkovitost za kratke odseke (SLF) okoli dvotretjine SF₆.

Dodajanje O₂ v CO₂ (z omesnimi razmerji do 30 %) omogoča pričakovano povečanje SLF prekinjalne učinkovitosti in nekoliko povečanje dielektrične trdnosti. Dodajanje C₄-PFN ali C₅-PFK v CO₂ omogoča dosego dielektrične učinkovitosti, ki se približuje SF₆. Raziskave poročajo, da je SLF preklopna učinkovitost mešanin CO₂/O₂/C₅-PFK približno 20 % nižja kot pri SF₆. Na drugi strani se trdi, da specifično prilagojeni preklopniki za mešanino CO₂/C₄-PFN dosežejo SLF učinkovitost, primerljivo s SF₆.

Obstajajo pa tudi raziskave, ki neposredno primerjajo čisto CO₂ z mešaninami CO₂/C₄-PFN in CO₂/C₅-PFK pod enakimi geometrijskimi in tlakovimi pogoji, ki kažejo podobno blizu-zonesko (toplotno) prekinjalno učinkovitost CO₂ z ali brez dodatkov. Z manjšimi dizajnerskimi spremembami ali nizkim deratingom so nove mešanine uspešno prešle IEC preskusne naloge L90 (SLF) in T100 (100% končni tok), kar kaže, da njihova preklopna učinkovitost ni bistveno slabša od SF₆. To je bilo tudi dokazano za prekinjalno funkcijo preklopnika.

V prihodnosti se pričakujejo nadaljnje napredek v preklopni učinkovitosti skozi namenjeno optimizacijo dizajna. Pomembna težava je toksičnost plinov po loku. C₅-PFK in C₄-PFN so kompleksni spojini, ki se začnejo razlagati pri temperaturah približno 650 °C v primeru C₄-PFN. Pri razlaganju se ti spojini ne rekonstruirajo v svoje prvotne strukture, temveč oblikujejo manjše fragmente. Za mešanice CO₂/O₂/C₅-PFK je bil priporočen razlagalski koeficient 0,5 mol/MJ pri prekinitvi velikih tokov. Za delne razpade je bilo opazovano, da je razlagalski koeficient več kot desetkrat manjši od zgornje vrednosti.

Razlaganje teh novih plinov ni neposredno primerljivo s SF₆, ki se razlaaga predvsem zaradi kemijskih reakcij z odpadnimi kontakti in cevnimi materiali. Za nove pline razlaganje med življenjem opreme ni smatrano kritičnim vprašanjem, vendar bi morala biti koncentracija plina znotraj opreme spremljana ali redno preverjana. Najtoksičnejši razlagali izdelki v visokotlačnih aplikacijah (tj. mešanice z CO₂) so CO in HF. Lokovi izdelki teh mešanin se smatrajo kot imajo toksičnost, podobno ali nižjo od lok-dekomponiranega SF₆. Zato se priporočajo postopki ravnanja, podobni tistim, ki se uporabljajo za SF₆, izpostavljenega loku.

Toda je treba upoštevati, da so zgornje izjave temeljile na omejenem znanju o toksičnosti teh novih plinov. Potrebno je več izkušenj glede toksičnosti po loku potencialnih alternativ SF₆. Druga poročena skrbi vključujejo združljivost materialov (npr. učinke na gume in masla), celost plinov in postopki ravnanja z plinom. Torej, obstoječa oprema visokega napetosti ne more varno delovati z novimi plini brez ustrezne modifikacije dizajna ali materialov.

Znotraj ark preskusi so bili izvedeni z vsemi mešanicami, pri čemer ni bilo poročenih nobenih resnih težav. Toplotna prevodnost mešanin je nekoliko nižja od SF₆, kar morda zahteva umerezeno derating ali prilagoditve dizajna za nosilnost toka. Preklopniki z živcem CO₂ že zbirajo izkušnje v terenu, z začetkom namestitve pred nekaj leti, in so trenutno komercialno na voljo.

Pilotne namestitve visoke in srednje napetosti z mešaninami C₅-PFK uspešno delujejo v Švici in Nemčiji od leta 2015. Pilotni projekti z mešaninami CO₂/C₄-PFN so načrtovani ali v teku v številnih evropskih državah, vključno z notranjim GIS 145 kV v Švici, zunanjim pretvornikom toka 245 kV v Nemčiji in zunanjimi GIL sistemoma 420 kV v Združenem kraljestvu in Škotski.

5. Zaključki in Perspektive
Opisane so bile objavljene informacije o alternativnih plinov za SF₆ za preklopne aplikacije. V trenutnem stanju je ta raziskava še v začetnih fazah in mnogo manj obsežna kot desetletja dolgo delo o SF₆. Dostopni proizvajniški podatki kažejo, da so novi plini, kot so C₅-PFK in C₄-PFN, možne opcije, ki, kadar so mešani z CO₂ kot bufernim plinom, lahko delno ujamejo zmogljivost SF₆, čeprav morda ne bodo popolnoma zamenjali vseh sposobnosti SF₆.

Ključne razlike so v izolacijski in prekinjalni učinkovitosti, kot tudi v temperaturi varljave, ki določa minimalno določeno delovno temperaturo preklopnika. Nizka minimalna delovna temperatura (npr. –50 °C) se lahko doseže z čistem CO₂. Vendar pa CO₂ na splošno prikazuje nižjo prekinjalno učinkovitost, zlasti v smislu vzpostavitve vrha obnovitvenega napona in prekinjalne zmogljivosti, v primerjavi z mešanicami, ki vsebujejo C₄-PFN ali C₅-PFK.

Prednost mešanice CO₂/C₅-PFK nad mešanico CO₂/C₄-PFN je njihovo zanemarljivo GWP (~1 vs. 427/600 za C₄-PFN). Na drugi strani pa ponuja mešanica CO₂/C₄-PFN nižjo minimalno delovno temperaturo (približno –25 °C) v primerjavi z mešanico CO₂/C₅-PFK (približno –5 °C).

6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV Dead tank vakuumski preklopnik

Opis:

40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV in 245kV dead tank vakuumski preklopniki so ključni zaščitni napravi za sisteme visoke napetosti. S uporabo vakuma kot sredstva za uglaševanje loka in izolacijo se pohvalijo izjemno učinkovito uglaševanje loka, hitro prekinjanje krivih tokov in učinkovito preprečevanje ponovnega zapalitve loka, kar zagotavlja stabilno delovanje sistema oskrbe s strujom. Dizajn dead tank ponuja kompakten odtis in trdno mehansko stabilnost, kar olajša namestitev in vzdrževanje. Opreni s izjemno zanesljivimi mehanskimi mehanizmi, ti preklopniki imajo mehansko življenjsko dobo, ki presega 10.000 operacij, s hitrimi in natančnimi odgovori. Z izjemno prilagodljivostjo okolja lahko delujejo stabilno v zahtevnih zunanjih pogojih. Široko uporabljeni v pretvorovalnih postajah, prenosnih linijah in drugih scenarijih, zagotavljajo učinkovito in varno kontrolno preklopno energije in zanesljivo zaščito na različnih ravnih napetosti.

Predstavitev glavnih funkcij:

• Učinkovito ugasanje loka: Uporaba vakuma za hitro in zanesljivo ugasanje loka, preprečevanje ponovnega zapalitve.

• Širok niz napetosti: Na voljo v ocenah 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV in 245kV za raznolike uporabe v omrežju.

• Trdn dizajn odjemalega rezervoarja: Kompaktna struktura zagotavlja mehansko stabilnost in poenostavi nameščanje/oddržbo.

• Zanesljivo delovanje: Mehanski sistem z navijalko s premerom več kot 10.000 ciklov mehanske izdržljivosti.

• Izboljšana tesnitev: Dvojno tesniški flanžni dizajn ponuja vodootpeljevajočo in plinsko tesnitev, idealno za uporabo na prostem.