Mfano wa Mwisho wa Mwenendo wa Maendeleo wa Vifaa vya Kutumia Nyuzi za Umeme Magumu Zinazotumia Gasi ya Kawaida ya SF₆

1. Utangulizi
SF₆ inatumia kwa ukwasi na usambazaji wa umeme, kama vile vifungu vilivyo na gesi iliyozaongea (GIS), vibofua vya mduara (CB), na vifungo vya shinikizo cha wastani (MV). Ina uwezo mkubwa wa kuzaonga umeme na kuzima arch. Hata hivyo, SF₆ pia ni gesi kali ya greenhouse, yenye uwezo wa kuchomoza joto duniani wa takriban 23,500 katika muda wa miaka 100, kwa hiyo matumizi yake yanashughulikiwa na kuna majadiliano yanayowasilishwa juu ya mapendekezo ya kupunguza matumizi. Kwa sababu hiyo, utafiti kuhusu gesi mbadala kwa matumizi ya nguvu umefanyika kwa miaka kumi mbili.

"Club Zéro" (CZC), kwa ushirika na CIGRE, hivi karibuni ilauncha mradi wa kutathmini hali ya sanaa ya gesi mbadala za SF₆ kwa matumizi ya kufungua. Uchunguzi ulifanyika kupata habari zote zilizopatikana kuhusu jambo hili. Matokeo yalipokelewa na kujadiliwa katika sehemu moja wakati wa Mkutano wa CIGRE mwaka 2016. Makala haya hutolewa matokeo muhimu ya uchunguzi huo. Kwa kuwa teknolojia ya kufungua kwa njia ya vacuum inawezesha shughuli moja isiyotegemeana, haijitajika katika upau huu.

2. Gesi Mbada

Baada ya kukubaliwa kwa Mikataba ya Kyoto mwaka 1997, utafiti kuhusu gesi mbadala umekuwa mkali zaidi na umepanda zaidi katika kipindi kimoja cha miaka kumi. Mahitaji muhimu ya gesi mbadala yameainishwa kama: uwezo mdogo wa kuchoma joto duniani (GWP), uwezo wa sifuri wa kuharibu ozoni (ODP), sumu ndogo, si wa moto, nguvu kubwa za dielectric, uwezo mkubwa wa kuzima arch na kusambaza joto, ustahimilivu wa kemikali, uhusiano mzuri na vitu, na upatikanaji wa masoko.

Kati ya gesi mbalimbali zinazotokana asili, CO₂ imeonyeshwa kuwa ni bora kwa kuzima arch, uwezo wake unaweza kuimarishwa kwa kuongeza viwango kama vile O₂ au CF₄. Hata hivyo, utafiti umeonesha kwamba uwezo wa CO₂ kuzima na kuzingatia umeme ni duni kuliko wa SF₆. Wengine wameshauriwa kama waliosema kama waliofanikisha kama CF₃I, hydrofluoroolefins (HFO-1234ze na HFO-1234yf), perfluoroketones (mfano, C₅F₁₀O), perfluoronitriles (C₄F₇N), fluorinated ethers (HFE-245cb2), fluorinated epoxides, na hydrochlorofluoroolefins (HCFO-1233zd).

Kama tunachukua mahitaji yote, wale bora wa sasa ni C₅ perfluoroketone (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ au C₅-PFK) na iso-C₄ perfluoronitrile ((CF₃)₂CF-CN au C₄-PFN). Kwa gesi safi, nguvu za dielectric zinaendelea kama pointi ya kufulia—maana yake, gesi zenye nguvu kubwa za dielectric mara nyingi zina pointi kubwa za kufulia. Kwa 0.1 MPa, pointi za kufulia za C₅-PFK na C₄-PFN ni 26.5°C na –4.7°C, kila moja. Kwa hiyo, kwa matumizi ya kifaa cha kufungua kinachohitaji pointi chini za kufulia kuelekea hitaji la kazi baridi, lazima ziongezwe gesi za kusaidia. Kwa sababu ya uwezo wake mzuri wa kuzima arch, CO₂ hutumika kama gesi ya kusaidia katika matumizi ya shinikizo kubwa. Katika matumizi ya shinikizo cha wastani, hewa pia imerejeshwa kama gesi ya kusaidia inayotumika pamoja na C₅-PFK kwa ajili ya uzima.

3. Sifa za Gesi Safi na Mazungumzo ya Gesi

Jedwali la 1 linaweka sifa za gesi mbadala zilizochaguliwa kulingana na SF₆. GWPs ya gesi hizo zina tofauti kubwa: C₄-PFN ina GWP kubwa kuliko CO₂ au C₅-PFK, ambazo zote zina GWP ya takriban 1. Gesi zote zinazosikiliza ni zisizo za moto, zinazo ODP ya sifuri, na zimeorodheshwa kama zisizo na sumu kulingana na data za teknolojia na usalama zilizotolewa na waprodus wa kemikali. Nguvu ya dielectric ya C₄-PFN safi na C₅-PFK ni karibu mara mbili ya ile ya SF₆. Voltage ya dielectric ya CO₂ ni sawa na ile ya hewa—maana yake, ni chini sana kuliko ile ya SF₆.

Jedwali la 1: Linganishi la Sifa za Gesi Safi na SF₆

Jadualu 2 inaonyesha sifa za gesi na mchanganyiko wa gesi wakati yanapotumika katika vifaa vya kuwasha. Kiasi cha C₄-PFN na C₅-PFK katika mchanganyiko na gesi za kubalizi kimepewa kwenye safu ya pili, mara nyingi chini ya 13% (kiwango cha kimoja). Lazima kujitolee makini kwamba kutumia C₅-PFK katika CO₂, pia kumeulizwa kutumia ongezeko la oksijeni, kwa sababu uwepo wa oksijeni unaweza kupunguza undani wa bidhaa za kimahususi (kama vile CO) na bidhaa za kimtaka (kama vile keki).

Jadualu 2: Sifa/Utendaji wa Gesi Safi na Mchanganyiko wa Gesi Katika Maombile ya Vifaa vya Kuwasha vya Voltage ya Kati na ya Juu

Kwa sababu ya upungufu wa chini wa umuhimu wa dielectric wa miamala kwa kumpa viwango vya SF₆ kwenye viwango vya ufanisi sawa (Safu 6), viwango visivyo viwango vya kazi ya C₅-PFK na C₄-PFN kwa kutumia CO₂ kama gas ya buffer katika matumizi ya viwango vya juu yanapaswa kuongezeka hadi karibu 0.7–0.8 MPa. Kwa matumizi ya viwango vya wazi kutumia mchanganyiko wa hewa/C₅-PFK, viwango vya 0.13 MPa vinaweza kukamilishwa, kunafanulia umuhimu wa dielectric unaofanana na SF₆.

Ukuaji wa umuhimu mkubwa wa dielectric kwa kutumia nisabati madogo ya C₄-PFN au C₅-PFK unaweza kuelezeke kwa kutumia matokeo ya mazoezi—kama vile, nguvu ya dielectric inajipange si kwa njia moja tu na kiwango cha additive, utaratibu uliyotambuliwa hapo awali katika mchanganyiko wa SF₆/N₂. GWP ya mchanganyiko wa C₅-PFK ni duni, lakini hii hutokea kwa bei ya joto licha la viwango vya chini zaidi. Matumizi ya viwango vya chini (mfano, –25°C) yanaweza kutatwa kwa kutumia CO₂ safi au mchanganyiko wa CO₂ + C₄-PFN, ingawa kwa malipo: umuhimu mkubwa wa dielectric unapungua sana kwa CO₂ safi, au GWP unategemea sana kwa kutumia mchanganyiko wa C₄-PFN.

4. Ufaaizo wa Mazingira Alternativi
Tabela 3 hutaja taarifa za mwanzo kuhusu ufaaizo wa CO₂ safi na mchanganyiko wa CO₂, kwa kujumuisha ufaaizo wa SF₆ kwa mtazamo. Kwa kuongeza viwango vya kazi kwa kumpa viwango vya SF₆, nguvu ya dielectric ya moto chache—yanayotumiwa kama mfano, kama msingi wa ufaaizo wa capacitive—yanaweza kusimamiwa kwa kiwango cha SF₆.

Tabela 3: Mtazamo wa Ufaaizo wa Gases na Mchanganyiko wa Gases kwenye Viwango Vya Kazi Vya Juu kwa Kumpa SF₆ katika Matumizi ya Viwango Vya Juu

Katika maudhui yaliyotathmini, kwa mujibu wa C₄-PFN na C₅-PFK mixtures, zinaelezea tu maswala ya kiasi. Kwa CO₂, kuna taarifa za kiasi zinazofanikiwa kupata. Mara nyingi, kwa kutumia CO₂ safi na chini ya uchafuzi wa karibu 1 MPa, unaweza kutarajihi ufanisi wa insulation na short-line fault (SLF) interrupting performance ya karibu miwili kati ya tano ya SF₆.

Kwa kuongeza O₂ katika CO₂ (na kiwango cha mizigo hadi 30%), inaweza kutarajihi maendeleo katika SLF interrupting performance na ongezeko kidogo katika nguvu ya dielectric. Kuongeza C₄-PFN au C₅-PFK katika CO₂ kunaweza kutarajihi ufanisi wa dielectric ambao unaenda kwa urahisi wa SF₆. Maandiko yanayosema kwamba SLF switching performance ya CO₂/O₂/C₅-PFK mixtures ni chache sana kulingana na SF₆. Kwa upande mwingine, circuit breakers zilizopatikana kwa ajili ya CO₂/C₄-PFN mixtures zimeelezea kuwa zinaweza kupata SLF performance sawa na SF₆.

Hata hivyo, kuna maandiko mingine yaliyofanya mzunguko wa CO₂ safi na CO₂/C₄-PFN na CO₂/C₅-PFK mixtures kwa kasi na mazingira mawili, ambayo zinatoa ufanisi wa thermal interrupting performance sawa kwa CO₂ bila au na viungo. Kwa mabadiliko madogo ya udhibiti au derating madogo, mizigo mapya yamefikiwa kwenye majukumu ya uji IEC L90 (SLF) na T100 (100% terminal fault), ambayo inaelezea kwamba ufanisi wao wa switching si mkubwa sana kuliko SF₆. Hii imeonyeshwa pia kwa kazi ya breaker’s interrupting function.

Maendeleo mengine katika ufanisi wa switching kwa kutumia mabadiliko ya udhibiti yanatarajihi kwenye muda mrefu. Kitu muhimu ni toxicity ya viatu baada ya arcing. C₅-PFK na C₄-PFN ni molekuli magumu ambayo huanza kujirusha juu zaidi ya 650 °C kwa C₄-PFN. Baada ya kujirusha, molekuli hizi hazijapunguka tena kwa mfano wake kabla lakini hufanya vipengele vidogo. Kiwango cha kujirusha cha 0.5 mol/MJ limeelezea kwa CO₂/O₂/C₅-PFK mixtures kwenye ukiangaliaji wa high-current interruption. Kwa partial discharges, kiwango cha kujirusha kilionyeshwa kuwa chache sana kulingana na thamani hiyo.

Tabia ya kujirusha ya viatu mapya hayo sio sawa kwa urahisi na SF₆, ambayo huja kwa sababu ya chemical reactions na ablated contact na nozzle materials. Kwa viatu mapya, kujirusha kwenye muda wa ubora haifanyike kitu muhimu, lakini concentration ya gas kwenye ubora lazima iwe imewezekana kujitambua au kucheki mara kwa mara. Vipengele vilivyotokana na kujirusha vilivyotokana na toxicity vinavyotokana na high-pressure applications (i.e., mixtures na CO₂) ni CO na HF. Arc by-products za mixtures haya yametarajihi kuwa na toxicity sawa au chache sana kuliko arc-decomposed SF₆. Hivyo basi, procedures za handling zinatarajihi kuwa sawa na zinazotumika kwa arc-exposed SF₆.

Hata hivyo, lazima kujua kwamba maneno haya yanategemea maarifa machache kuhusu toxicity ya viatu mapya haya. Tunahitaji tajriba zaidi kuhusu post-arc toxicity ya alternatives za SF₆. Matatizo mengine yanayoelezwa ni compatibility ya material (mfano, matokeo kwenye seals na greases), integrity ya gas sealing, na procedures za handling ya gas. Hivyo basi, ubora wa high-voltage unayotumika sasa haifanyike kuwa safe kwa kutumia viatu mapya haya bila mabadiliko ya udhibiti au material sahihi.

Mazoezi ya internal arc yamefanyika kwa kila mixture, na hakuna matatizo makubwa yaliyorekodiwa. Thermal conductivity ya mixtures ni chache sana kuliko SF₆, ambayo inaweza kutarajihi derating au mabadiliko madogo kwa uwezo wa current-carrying. CO₂ live-tank circuit breakers tayari yamefikiwa kwenye field experience, na kuanzishwa miaka minne iliyopita, na circuit breakers zenye CO₂ zinafikia kwenye soko.

Installations za pilot za high- na medium-voltage kwa kutumia C₅-PFK mixtures zimefanyika kwa kutosha katika Switzerland na Germany tangu 2015. Projects za pilot za kutumia CO₂/C₄-PFN mixtures zimeplanifikwa au zinastahimili katika maeneo mengi ya European countries, ikiringa indoor GIS ya 145 kV katika Switzerland, outdoor current transformer ya 245 kV katika Germany, na outdoor 420 kV GIL systems katika UK na Scotland.

5. Matala na Maoni
Maudhui yaliyotathmini kuhusu SF₆ alternative gases kwa switching applications yameelezea. Sasa, utafiti huu bado unaanza na si mzuri sana kama muda wa miaka mingi ya SF₆. Data ya manufacturers inayotolewa inaelezea kwamba viatu mapya—kama vile C₅-PFK na C₄-PFN—ni options zinazoweza kufikiwa, ambazo, kwa kutumia CO₂ kama buffer gas, zinaweza kufikiwa kwenye urahisi wa SF₆, ingawa hazitaweza kufikiwa kwenye vyote vya SF₆.

Tofauti muhimu zipo kwenye ufanisi wa insulation na interruption, pamoja na boiling point—ambayo inadhibiti temperature minimum ya operating ya switchgear. Temperature minimum ya operating chache (mfano, –50 °C) inaweza kutarajihi kwa kutumia CO₂ safi. Hata hivyo, CO₂ inaelezea kuwa na ufanisi chache sana, hasa kwenye recovery voltage peak withstand na interruption capability, kilingana na gas mixtures zinazotumia C₄-PFN au C₅-PFK.

Ufadhili wa CO₂/C₅-PFK mixtures kwenye CO₂/C₄-PFN mixtures ni kwamba wana GWP chache (~1 vs. 427/600 kwa C₄-PFN). Kwa upande mwingine, CO₂/C₄-PFN mixtures zinatarajihi temperature minimum ya operating chache (karibu –25 °C) kilingana na CO₂/C₅-PFK mixtures (karibu –5 °C).

6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV Dead tank Vacuum Circuit-Breaker

Maelezo ：

Circuit-Breakers za 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV, na 245kV Dead tank Vacuum ni devices muhimu za protection kwa systems za power ya high-voltage. Kutumia vacuum kama medium ya arc-extinguishing na insulation, wana ufanisi wa arc-quenching mzuri, wanaweza kuzuia haraka fault currents na kusaidia kukosa arc re-ignition ili kuhakikisha kuwa system ya power inafanya kazi kwa urahisi. Udhibiti wa dead tank unatoa footprint chache na stability ya mechanical robust, unaweza kusaidia installation na maintenance. Wana spring operating mechanisms zinazotumika na reliable, na lifespan ya mechanical zao inazidi 10,000 operations, wanaweza kutoa majibu haraka na sahihi. Na ufanisi wa environment mzuri, wanafanya kazi kwa urahisi kwenye mazingira magumu ya outdoor. Wanatumika sana katika substations, transmission lines, na scenarios nyingine, wanaelezea kuwa wana control ya power switching na protection ya salama kwa voltage levels mbalimbali.

Ushauri kuhusu ufungaji mkuu:

• Kufunga Arc Kwa Ufanisi: Hutumia vakumu kwa ajili ya kupunga arc haraka na kwa uhakika, kuzuia upate kuanza tena.

• Urefu wa Umeme Mkubwa: Inapatikana katika vigezo vya 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV, na 245kV kwa matumizi yasiyosawa za gridi.

• Mbinu ya Tanku ya Mavuno Imara: Muundo mfupi huaminisha ustawi wa mwendo na kuonesha uzalishaji/upatanishaji.

• Matumizi Yaliyokubalika: Mbinu ya kutumia inayebuni na zaidi ya 10,000 miundombinu ya mwendo.

• Uzalishaji wa Sehemu wa Pembeni: Mbinu ya pembeni mbili inatoa usalama wa maji na hasira, ni nzuri kwa matumizi ya nje.