Najnovije trendovi u razvoju visokonaponskih prekidaca baziranih na alternativnim plinovima za SF₆

1. Uvod
SF₆ se široko koristi u sistemima prenose i raspodele električne energije, kao što su gas-insulativni prekidači (GIS), prekidači (CB) i srednjeg napona (MV) preključivači. Posjeduje jedinstvene osobine električne izolacije i ugasičnosti. Međutim, SF₆ je takođe moćni staklenični gas, sa globalnim potencijalom za zagrijavanje oko 23.500 na vremenskom horizontu od 100 godina, stoga je njegova upotreba regulisana i podložna trajnim diskusijama o ograničenjima. Kao rezultat, istraživanja alternativnih gasova za primene u energetici se provode već oko dve decenije.

"Club Zéro" (CZC), u saradnji sa CIGRE-om, nedavno je pokrenuo inicijativu da proceni stanje umetnosti u pogledu alternativnih gasova SF₆ za prekidačke primene. Izvršena je anketa kako bi se sakupila sva dostupna literatura o ovom temi. Rezultati su bili predstavljeni i raspravljani na zajedničkoj sesiji tokom CIGRE Sesije 2016. godine. Ovaj rad predstavlja glavna saznanja te ankete. Budući da tehnologija vakuumskog prekidanja čini posebnu trivajuću aktivnost, neće biti obrađena u ovom pregledu.

2. Alternativni gasi

Nakon usvajanja Kiotske protokole 1997. godine, istraživanja alternativnih gasova su se intenzificirala i dalje su se povećavala tokom protekle dekade. Ključni zahtevi za alternativne gasove su identifikovani kao: nizak potencijal za globalno zagrijavanje (GWP), nula potencijal za uništavanje ozona (ODP), niska toksičnost, neplamivost, visoka dielektrična snaga, visoka sposobnost ugasačnosti i disipacije toplote, hemijska stabilnost, kompatibilnost materijala i dostupnost na tržištu.

Među različitim prirodnim gasovima koji su ispitivani, CO₂ se pokazao kao najobećavajući gas za ugasevanje lukovi, sa svojom performansom koja se može poboljšati dodavkom aditiva poput O₂ ili CF₄. Međutim, studije su pokazale da su oba prekidajuća i izolaciona performansa CO₂ niže nego kod SF₆. Drugi zanimljivi kandidati su identifikovani među fluoriranim gasovima, kao što su CF₃I, hidrofluoroolefini (HFO-1234ze i HFO-1234yf), perfluoroketonide (npr., C₅F₁₀O), perfluoronitrili (C₄F₇N), fluorirane etere (HFE-245cb2), fluorirani epokside i hidroklorofluoroolefini (HCFO-1233zd).

Uzimajući u obzir sve zahteve, najobećavajući trenutni kandidati su C₅ perfluoroketon (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ ili C₅-PFK) i izo-C₄ perfluoronitril ((CF₃)₂CF-CN ili C₄-PFN). Za čiste gasove, dielektrična performansa je proporcionalna točki varljenja—tj., gasovi sa visokom dielektričnom snagom tipično imaju i visoke točke varljenja. Pri 0.1 MPa, točke varljenja C₅-PFK i C₄-PFN su 26.5°C i –4.7°C, redom. Stoga, za primene opreme za prekidanje koje zahtevaju dovoljno niske točke varljenja kako bi zadovoljile zahteve za rad na niskim temperaturama, moraju se dodati bufer gasi. Zbog svoje dobre sposobnosti ugasevanja lukova, CO₂ je izabran kao bufer gas u primenama visokog napona. U primenama srednjeg napona, vazduh je takođe izveštavan kao bufer gas koji se koristi u kombinaciji sa C₅-PFK radi izolacionih svrha.

3. Osobine čistih gasova i mješavina gasova

Tabela 1 prikazuje osobine odabranih alternativnih gasova u odnosu na SF₆. GWP-ovi ovih gasova značajno variraju: C₄-PFN ima mnogo viši GWP nego CO₂ ili C₅-PFK, koji imaju GWP oko 1. Svi zanimljivi kandidati su neplamivi, imaju nula ODP i prijavljeni su kao netoksični prema tehničkim i sigurnosnim karticama proizvođača kemikalija. Dielektrična snaga čistog C₄-PFN i C₅-PFK je gotovo dva puta veća nego kod SF₆. Dielektrična otpornost CO₂ je slična vazduhu—to jest, značajno niža nego kod SF₆.

Tabela 1: Uporedba osobina čistih gasova sa SF₆

Tabela 2 pokazuje karakteristike plinova i plinskih mešavina kada se koriste u prekidačkoj opremi. Koncentracije C₄-PFN-a i C₅-PFK-a u mešavinama sa bufernim plinovima date su u drugoj koloni, obično ispod 13% (molekulsko koncentracija). Treba napomenuti da za upotrebu C₅-PFK-a u CO₂ takođe su prijavljeni dodatak kiseonika, jer prisustvo kiseonika može smanjiti nastanak štetnih sporednih proizvoda (poput CO) i čvrstih sporednih proizvoda (poput dima).

Tabela 2: Karakteristike/Prestavljanje čistih plinova i plinskih mešavina u primenama srednje- i visokonaponske prekidačke opreme

Zbog smanjenog dielektričnog otpora mješavina u odnosu na SF₆ pri istom pritisku (Kolona 6), minimalni radni pritisak za C₅-PFK i C₄-PFN sa CO₂ kao bufernim gasom u visokonaponskim primenama treba povećati na otprilike 0,7–0,8 MPa. Za srednjepresunske primene koristeći mješavine zraka/C₅-PFK, pritisak od 0,13 MPa može se održavati, postižući dielektrični otpor blizu onog SF₆.

Visoki dielektrični otpor dostignut relativno niskim stopama mešanja C₄-PFN ili C₅-PFK može se objasniti sinergijskim efektom—tj., dielektrična čvrstoća se povećava nelinearno s koncentracijom dodatka, pojava koja je prethodno utvrđena u mješavinama SF₆/N₂. GWP mješavina C₅-PFK je zanemarljiv, ali to dolazi uz cijenu veće minimalne temperature rada. Niskotemperaturne primene (npr., –25°C) mogu se rešiti korišćenjem bilo čistog CO₂ ili mješavina CO₂ + C₄-PFN, iako s kompromisima: značajno smanjen dielektrični otpor u slučaju čistog CO₂, ili značajno veći GWP korišćenjem mješavina C₄-PFN.

4. Performanse prekida kod alternativnih gasova
Tabela 3 sadrži predviđene informacije o performansama prekida kod čistog CO₂ i mješavina baziranih na CO₂, sa performansama SF₆ date za usporedbu. Povećanjem radnog pritiska u odnosu na SF₆, hladni dielektrični otpor—koji se, na primjer, koristi kao metrika za performanse kapacitivnog preključivanja—može se podići na nivo SF₆.

Tabela 3: Usporedba performansi prekida gasova i mješavina gasova pri povećanim radnim pritiscima u odnosu na SF₆ u visokonaponskim primenama

U pregledanoj literaturi mogu se pronaći samo kvalitativni izveštaji o performansama prekida u mešavinama C₄-PFN i C₅-PFK. Za CO₂, postoje neki kvantitativni uporedni podaci. Opšte rečeno, sa čistim CO₂ na povećanom punoćnom pritisku od oko 1 MPa, može se očekivati izolaciona i prekidna performansa za kratke linije (SLF) koja iznosi oko dve trećine one SF₆.

Dodavanjem O₂ u CO₂ (sa omjerima mešanja do 30%), može se očekivati poboljšanje SLF prekidne performanse i blago povećanje dielektrične snage. Dodavanjem C₄-PFN ili C₅-PFK u CO₂ omogućuje se dielektrička performansa koja se približava onoj SF₆. Studije pokazuju da je SLF prekidna performansa mešavina CO₂/O₂/C₅-PFK oko 20% niža od one SF₆. U suprotnom, prekidnici specifično prilagođeni mešavinama CO₂/C₄-PFN tvrde da dostižu SLF performansu sličnu SF₆.

Ipak, postoje i studije koje direktno upoređuju čisto CO₂ sa mešavinama CO₂/C₄-PFN i CO₂/C₅-PFK pod identičnim geometrijskim i pritiskim uslovima, koje pokazuju sličnu prekidnu performansu u blizini (termalnu) za CO₂ sa ili bez dodataka. Sa manjim dizajnerskim izmenama ili umjerenim deretingom, nove mešavine su uspešno prošle IEC testne obaveze L90 (SLF) i T100 (100% terminalni grešci), što ukazuje da njihova prekidna performansa nije značajno niža od SF₆. To je takođe pokazano za prekidnu funkciju prekidnika.

Dalji napredak u prekidnoj performansi očekuje se u budućnosti kroz specifične optimizacije dizajna. Važan problem je toksičnost gasova nakon lukovanja. C₅-PFK i C₄-PFN su složene molekule koje počinju da se raspadaju iznad otprilike 650 °C u slučaju C₄-PFN. Pri raspadu, ove molekule se ne rekombiniraju u svoje originalne strukture, već formiraju manje fragmente. Izveštavano je o stopi dekompozicije od 0.5 mol/MJ za mešavine CO₂/O₂/C₅-PFK pri prekidu visokih struja. Za djelomične ispitivanja, stopa dekompozicije je bila više od jednog reda veličine niža od navedene vrednosti.

Ponašanje dekompozicije ovih novih gasova nije direktno uporedivo sa SF₆, koji se uglavnom dekomponuje zbog hemijskih reakcija sa ablatiranim kontaktima i materijalima duvača. Za nove gasove, dekompozicija tokom životnog veka opreme se ne smatra kritičnim problemom, ali bi koncentracija gasa unutar opreme trebalo da se nadgleda ili periodički proverava. Najtoksičiji proizvodi dekompozicije u primenama pod visokim pritiskom (tj. mešavine sa CO₂) su CO i HF. Proizvodi lukova ovih mešavina smatraju se da imaju toksičnost sličnu ili nižu od toksičnosti luka dekomponiranog SF₆. Stoga se preporučuju postupci rukovanja slični onima koriscenim za luke izložene SF₆.

Međutim, mora se napomenuti da su navedeni izveštaji bazirani na ograničenom znanju o toksičnosti ovih novih gasova. Potrebno je više iskustva u pogledu toksičnosti posle luka potencijalnih alternativa SF₆. Ostali izveštani problemi uključuju kompatibilnost materijala (npr. efekti na sealove i masti), integritet zatvaranja gasa i procedure rukovanja gasom. Kao rezultat, ne bi trebalo očekivati da će postojeće opreme visokog napon bez odgovarajućih dizajnerskih ili materijalnih izmena sigurno raditi sa ovim novim gasovima.

Unutrašnji testovi luka su izvršeni sa svim mešavinama, a nisu izveštani ozbiljni problemi. Termalna provodljivost mešavina je blago niža od SF₆, što može zahtevati umjeren dereting ili dizajnerske prilagodbe za kapacitet nosače struje. Prekidnici sa živim rezervoarama CO₂ su već stekli poljsko iskustvo, sa implementacijama koje su započele pre nekoliko godina, a prekidnici ispuni CO₂ su sada komercijalno dostupni.

Visokonaponske i srednjeg napon pilot projekte sa mešavinama C₅-PFK uspešno rade u Švicarskoj i Nemačkoj od 2015. godine. Pilot projekti sa mešavinama CO₂/C₄-PFN su planirani ili u tijeku u nekoliko evropskih zemalja, uključujući 145 kV unutrašnji GIS u Švicarskoj, 245 kV spoljašnji transformator struje u Nemačkoj i spoljašnje 420 kV GIL sisteme u UK-u i Škotskoj.

5. Zaključci i perspektive
Pregledane su objavljene informacije o alternativnim gasovima SF₆ za prekidne aplikacije. Trenutno, ova istraživanja su još u ranim fazama i mnogo manje obimna nego decenije duga bibliografija o SF₆. Dostupni proizvodni podaci pokazuju da su novi gasovi, poput C₅-PFK i C₄-PFN, moguće opcije koje, kad se mešaju sa CO₂ kao bufer gas, mogu delimično da se približe performansi SF₆, mada možda neće u potpunosti replikirati sve sposobnosti SF₆.

Ključne razlike leže u izolacionoj i prekidnoj performansi, kao i u tački vrebanja - koja određuje minimalnu specificiranu radnu temperaturu prekidnika. Niska minimalna radna temperatura (npr. –50 °C) može biti dostignuta sa čistim CO₂. Međutim, CO₂ izgleda da ima općenito nižu prekidnu performansu, posebno u pogledu otpornosti na vrh povratne naponske krive i prekidne sposobnosti, u poređenju sa gasovima mešavinama sa C₄-PFN ili C₅-PFK.

Prednost mešavina CO₂/C₅-PFK nad mešavinama CO₂/C₄-PFN jeste njihovo zanemarljivo GWP (~1 u odnosu na 427/600 za C₄-PFN). S druge strane, mešavine CO₂/C₄-PFN nude nižu minimalnu radnu temperaturu (otprilike –25 °C) u poređenju sa mešavinama CO₂/C₅-PFK (otprilike –5 °C).

6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV Mrtvi rezervoar vakuumski prekidnik

Opis ：

40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV i 245kV mrtvi rezervoari vakuumskih prekidnika su ključni zaštitni uređaji za sisteme visokog napon. Koristeći vakuum kao sredstvo za ugasevanje luka i izolaciju, oni poseduju izuzetne sposobnosti za gašenje luka, brzo prekidaju grešne struje i efektivno sprečavaju ponovno zapaljivanje luka kako bi osigurali stabilno funkcionisanje sistema snabdevanja. Dizajn mrtvog rezervoara pruža kompaktnu površinu i robustnu mehaničku stabilnost, što olakšava instalaciju i održavanje. Opremljeni sovisno pouzdanim mehanizmima sa oprugama, ovi prekidnici imaju mehanički vek trajanja preko 10.000 operacija, obezbeđuju brze i precizne odgovore. Sa izuzetnom adaptabilnošću na okruženje, mogu da rade stabilno pod teškim vanjskim uslovima. Široko se koriste u pretvorima, linijama prijenosa i drugim scenarijima, pružajući efikasno i sigurno kontrolisanje preklapanja snaga i pouzdanu zaštitu na različitim nivoima napona.

Kratki pregled glavnih funkcija:

• Učinkovito gasenje luka: Koristi vakuum za brzo i pouzdanog gasenje luka, sprečavajući ponovno zapaljivanje.

• Širok opseg napona: Dostupan u izvođajima od 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV i 245kV za razne primene mreže.

• Robustni dizajn sa mrtvim rezervoarom: Kompaktna struktura osigurava mehaničku stabilnost i pojednostavljuje montažu i održavanje.

• Pouzdano funkcionisanje: Mekanički mehanizam na osnovu opruge sa preko 10.000 ciklusa mehaničke izdržljivosti.

• Unapređeno zatvaranje: Dizajn sa dvostrukim zatvorenim flanšem nudi vodootpornu i plinotisnu zaštitu, idealnu za upotrebu na otvorenom.