Senaste utvecklings trenderna för högspänningsbrytare baserade på SF₆-alternativ gas

1. Introduktion
SF₆ används omfattande inom elektrisk energiöverföring och distributionsystem, såsom gasisolerade växelstationer (GIS), strömavbrottsutrustning (CB) och mellanspänningsbelastningskopplare (MV). Det har unika egenskaper för elektrisk isolering och bågsläckning. SF₆ är dock också en kraftfull växthusgas, med ett globalt uppvärmningspotential på cirka 23 500 under en 100-årsperiod, och dess användning regleras därför och är föremål för fortsatta diskussioner om begränsningar. Därför har forskning om alternativa gaser för energianvändning bedrivits i ungefär två decennier.

"Club Zéro" (CZC), i samarbete med CIGRE, lanserade nyligen en initiativ för att utvärdera den aktuella kunskapsnivån om alternativa gaser till SF₆ för växlingstillämpningar. En undersökning genomfördes för att samlade all tillgänglig nyare litteratur på detta ämne. Resultaten presenterades och diskuterades vid en gemensam session under CIGRE Sessionen 2016. Den här artikeln presenterar de huvudsakliga resultaten av den undersökningen. Eftersom vakuumväxlingsteknik utgör en separat pågående verksamhet behandlas den inte i denna översikt.

2. Alternativa gaser

Efter antagandet av Kyotoprotokollet 1997 intensifierades forskningen om alternativa gaser och har ökat ytterligare under det senaste årtiondet. Viktiga krav för alternativa gaser har identifierats som: låg global uppvärmningspotential (GWP), noll potential för ozonnedbrytning (ODP), låg toxicitet, icke-brännbarhet, hög dielektrisk styrka, hög kapacitet för bågsläckning och värmeavledning, kemisk stabilitet, materialkompatibilitet och marknadstillgänglighet.

Bland de olika naturligt framkomna gaserna som undersökts har CO₂ visat sig vara den mest lovande bågsläckande gasen, vars prestanda kan förbättras genom tillsatser som O₂ eller CF₄. Studier har dock visat att både avbrotts- och isoleringsprestandan hos CO₂ är sämre än hos SF₆. Andra intressanta kandidater har identifierats bland fluorinerade gaser, såsom CF₃I, hydrofluoroolefiner (HFO-1234ze och HFO-1234yf), perfluoroketon (t.ex. C₅F₁₀O), perfluoronitriler (C₄F₇N), fluorinerade ätter (HFE-245cb2), fluorinerade epoxider och hydrochlorofluoroolefiner (HCFO-1233zd).

Med hänsyn tagen till alla krav är de mest lovande nuvarande kandidaterna C₅ perfluoroketon (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ eller C₅-PFK) och iso-C₄ perfluoronitril ((CF₃)₂CF-CN eller C₄-PFN). För rena gaser är dielektriska prestandan proportionell mot kokpunkt—dvs., gaser med hög dielektrisk styrka har vanligtvis också höga kokpunkter. Vid 0,1 MPa är kokpunkterna för C₅-PFK och C₄-PFN 26,5°C respektive –4,7°C. Därför, för växlingstillämpningar som kräver tillräckligt låga kokpunkter för att möta kraven på lågtemperaturdrift, måste buffergaser tillsättas. På grund av sin goda bågsläckande kapacitet väljs CO₂ som buffergas i högspänningstillämpningar. I mellanspänningsapplikationer har också luft rapporterats som en buffergas som används i kombination med C₅-PFK för isoleringsändamål.

3. Egenskaper hos rena gaser och gasblandningar

Tabell 1 visar egenskaperna för utvalda alternativa gaser i förhållande till SF₆. GWPs för dessa gaser varierar betydligt: C₄-PFN visar en mycket högre GWP än CO₂ eller C₅-PFK, vilka båda har GWPs på ungefär 1. Alla intressanta kandidatgaser är icke-brännbara, har noll ODP och rapporteras som icke-toxiska enligt tekniska och säkerhetsdata från kemiska tillverkare. Dielektriska styrkan hos rent C₄-PFN och C₅-PFK är nästan dubbelt så hög som hos SF₆. Dielektriska spänningsuthålligheten hos CO₂ är jämförbar med den hos luft—dvs., betydligt lägre än hos SF₆.

Tabell 1: Jämförelse av egenskaper hos rena gaser med SF₆

Tabell 2 visar egenskaperna för gaser och gassammansättningar när de används i spänningsväxlar. Koncentrationerna av C₄-PFN och C₅-PFK i sammansättningar med buffergaser anges i den andra kolumnen, vanligtvis under 13% (molär koncentration). Det bör noteras att för användningen av C₅-PFK i CO₂ har även tillägg av syre rapporterats, eftersom närvaron av syre kan minska bildningen av skadliga biprodukter (som CO) och fasta biprodukter (som svart).

Tabell 2: Egenskaper/prestanda för rena gaser och gassammansättningar i mellan- och högspänningsväxlar

På grund av den lägre dielektriska hållbarhetsvolten för blandningarna jämfört med SF₆ vid samma tryck (Kolumn 6) behöver det minsta driftstrycket för C₅-PFK och C₄-PFN med CO₂ som buffergas i högspänningsapplikationer ökas till cirka 0,7–0,8 MPa. För medelspänningsapplikationer med luft/C₅-PFK-blandningar kan ett tryck på 0,13 MPa bibehållas, vilket ger en dielektrisk hållbarhetsvolt nära den för SF₆.

Den höga dielektriska hållbarhetsvolten som uppnås med relativt låga blandningsförhållanden av C₄-PFN eller C₅-PFK kan förklaras genom en synergistisk effekt - dvs. dielektrisk styrka ökar icke-linjärt med tillsatskoncentrationen, ett fenomen som tidigare observerats i SF₆/N₂-blandningar. GWP för C₅-PFK-blandningar är försumbart, men detta kommer med kostnaden av ett högre minimumdrifttemperatur. Lågtemperaturapplikationer (t.ex. –25°C) kan hanteras med antingen rent CO₂ eller CO₂ + C₄-PFN-blandningar, fastän med kompromisser: betydligt lägre dielektrisk hållbarhetsvolt i fallet med rent CO₂, eller väsentligt högre GWP när C₄-PFN-blandningar används.

4. Omkopplingsprestanda för alternativa gaser
Tabell 3 samlar preliminär information om omkopplingsprestandan för rent CO₂ och CO₂-baserade blandningar, med SF₆-prestanda för jämförelse. Genom att öka driftstrycket i förhållande till SF₆ kan den kalla dielektriska styrkan - som till exempel används som en måttstock för kapacitiv omkopplingsprestanda - höjas upp till nivån för SF₆.

Tabell 3: Jämförelse av omkopplingsprestanda för gaser och gasblandningar vid högre drifttryck jämfört med SF₆ i högspänningsapplikationer

I granskad litteratur kunde bara kvalitativa uttalanden om kopplingsprestandan för C₄-PFN- och C₅-PFK-blandningar hittas. För CO₂ finns det dock vissa kvantitativa jämförelser. Generellt sett kan man för ren CO₂ vid en ökad fyllningstryck på ungefär 1 MPa förvänta sig isolerings- och kortslutningsavbrottsprestanda (SLF) på cirka två tredjedelar av SF₆.

Genom att tillfoga O₂ till CO₂ (med blandningsförhållanden upp till 30 %) kan en förbättring av SLF-avbrottsprestanda och en lätt ökning av dielektrisk styrka förväntas. Lägg till C₄-PFN eller C₅-PFK i CO₂ möjliggör dielektrisk prestanda nära den för SF₆. Studier rapporterar att SLF-kopplingsprestandan för CO₂/O₂/C₅-PFK-blandningar är ca 20 % lägre än för SF₆. I motsats till detta har det hävdats att strömbrytare speciellt anpassade för CO₂/C₄-PFN-blandningar uppnår SLF-prestanda jämförbar med SF₆.

Det finns dock också studier som direkt jämför ren CO₂ med CO₂/C₄-PFN- och CO₂/C₅-PFK-blandningar under identiska geometriska och tryckvillkor, vilket visar liknande närliggande (termisk) avbrottsprestanda för CO₂ med eller utan tillsatser. Med små designändringar eller måttliga derating har de nya blandningarna framgångsrikt passerat IEC-testerna L90 (SLF) och T100 (100 % terminalfel), vilket indikerar att deras kopplingsprestanda inte är betydligt sämre än SF₆. Detta har också visats för strömbrytarens avbrottsfunktion.

Ytterligare förbättringar av kopplingsprestanda genom dedikerade designoptimeringar förväntas i framtiden. Ett viktigt problem är gasernas toxicitet efter båg. C₅-PFK och C₄-PFN är komplexa molekyler som börjar dekomponera sig ovanför ca 650 °C för C₄-PFN. Vid dekomposition bildar dessa molekyler inte om till sina ursprungliga strukturer utan formerar mindre fragment. En dekompositionsgrad på 0,5 mol/MJ har rapporterats för CO₂/O₂/C₅-PFK-blandningar under högströmsskoppling. För partiella utlösningar observerades dekompositionsgraden vara mer än ett tiotal lägre än ovanstående värde.

Delekompositionen av dessa nya gaser är inte direkt jämförbar med SF₆, som huvudsakligen dekomponeras på grund av kemiska reaktioner med avskalade kontakt- och munstycke-material. För de nya gaserna anses delekomposition över utrustningens livstid inte vara ett kritiskt problem, men gaskoncentrationen inuti utrustningen bör övervakas eller periodiskt kontrolleras. De mest giftiga dekompositionsprodukterna i högtrycksapplikationer (dvs blandningar med CO₂) är CO och HF. Bågprodukterna av dessa blandningar anses ha en toxicitet liknande eller lägre än arc-dekomponerad SF₆. Därför rekommenderas hanteringsrutiner liknande de som används för bågexponerad SF₆.

Det bör noteras att ovanstående uttalanden bygger på begränsad kunskap om de nya gasernas toxicitet. Mer erfarenhet behövs angående post-arc-toxicitet för potentiella SF₆-alternativ. Andra rapporterade bekymmer inkluderar materialkompatibilitet (t.ex. effekter på tättningar och smörjmedel), gasseal integritet och gas hanteringsrutiner. Därför bör existerande högspänningsutrustning inte förväntas fungera säkert med dessa nya gaser utan lämpliga design- eller materialändringar.

Intern bågtest har utförts med alla blandningar, och inga allvarliga problem har rapporterats. Delekötheten för blandningarna är något sämre än för SF₆, vilket kan kräva måttliga derating eller designjusteringar för strömföringskapacitet. CO₂ levande tank-strömbrytare har redan fått fältupplevelse, med distributioner som inleddes för flera år sedan, och CO₂-fyllda strömbrytare är nu kommersiellt tillgängliga.

Hög- och medelspänningspilotinstallationer med C₅-PFK-blandningar har fungerat framgångsrikt i Schweiz och Tyskland sedan 2015. Pilotprojekt med CO₂/C₄-PFN-blandningar planeras eller pågår i flera europeiska länder, inklusive en 145 kV inomhus GIS i Schweiz, en 245 kV utomhus strömmätare i Tyskland och utomhus 420 kV GIL-system i Storbritannien och Skottland.

5. Slutsatser och utblick
Publicerad information om alternativa gaser till SF₆ för kopplingstillämpningar har granskats. På nuvarande stadium är denna forskning fortfarande i sin begynnelse och långt mindre omfattande än de decenniers långa arbetena med SF₆. Tillgängliga tillverkardata indikerar att nya gaser - såsom C₅-PFK och C₄-PFN - är möjliga alternativ som, när blandade med CO₂ som buffergas, delvis kan matcha SF₆-prestanda, även om de kanske inte fullt ut replikerar alla av SF₆:s kapaciteter.

Nyckelskillnader finns i isolerings- och avbrottsprestanda, samt kokpunkt - vilken bestämmer den minsta specificerade driftstemperaturen för spänningsapparaturen. En låg minimumdriftstemperatur (t.ex. –50 °C) kan uppnås med ren CO₂. CO₂ verkar dock generellt ha lägre avbrottsprestanda, särskilt vad gäller återhämtningsspänning och avbrottskapacitet, jämfört med gasblandningar innehållande C₄-PFN eller C₅-PFK.

En fördel med CO₂/C₅-PFK-blandningar jämfört med CO₂/C₄-PFN-blandningar är deras försumbar GWP (~1 vs. 427/600 för C₄-PFN). Å andra sidan erbjuder CO₂/C₄-PFN-blandningar en lägre minimumdriftstemperatur (ca –25 °C) jämfört med CO₂/C₅-PFK-blandningar (ca –5 °C).

6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV Dead tank Vakuumbrytare

Beskrivning：

40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV och 245kV Dead tank Vakuumbrytare är viktiga skyddsanordningar för högspänningsströmsystem. Genom att använda vakuum som bågutsläckande och isolerande medium har de exceptionell bågutsläckande förmåga, snabbt avbryter felströmmar och förhindrar effektivt bågens återuppflammning för att säkerställa stabilt strömsystemfunktion. Dead tank-designen erbjuder en kompakt fotavtryck och robust mekanisk stabilitet, vilket underlättar installation och underhåll. Utrustade med mycket tillförlitliga fjäderdrivna drivsystem har dessa strömbrytare en mekanisk livslängd som överstiger 10 000 operationer, vilket ger snabba och precisa svar. Med utmärkt miljöanpassning kan de fungera stabilt under hårda utomhusvillkor. Vid bred användning i transformatorstationer, ledningslinjer och andra scenarier, erbjuder de effektiv och säker strömsvitsning och pålitlig skydd vid olika spänningssnivåer.

Introduktion av huvudfunktioner:

• Effektiv bågutsläckning: Använder vakuum för snabb och pålitlig bågutsläckning, vilket förhindrar återantändning.

• Bred spänningsomfattning: Tillgänglig i spänningsklasserna 40,5 kV, 72,5 kV, 145 kV, 170 kV och 245 kV för mångsidiga nätanvändningar.

• Robust design med död behållare: Kompakt struktur som garanterar mekanisk stabilitet och förenklar installation och underhåll.

• Pålitligt driftsätt: Federstyrt driftsätt med över 10 000 mekaniska driftscykler.

• Förbättrad tätning: Dubbeltät flänsdesign erbjuder vatten- och gasdämmig skydd, idealiskt för utomhusanvändning.