Pinakabagong Tendensya ng Pag-unlad ng High-Voltage Circuit Breakers Batay sa Alternatibong Gas ng SF₆

1. Pagpapakilala
Ang SF₆ ay malawakang ginagamit sa mga sistema ng paglipat at pamamahagi ng kuryente, tulad ng gas-insulated switchgear (GIS), circuit breakers (CB), at medium-voltage (MV) load switches. Ito ay may natatanging kakayahan sa electrical insulation at arc-quenching. Gayunpaman, ang SF₆ ay isang makapangyarihang greenhouse gas, na may global warming potential na humigit-kumulang 23,500 sa loob ng 100-taong panahon, kaya ang paggamit nito ay regulado at kasalukuyang pinag-uusapan ang mga limitasyon dito. Dahil dito, ang pag-aaral tungkol sa mga alternative gases para sa mga aplikasyon ng kuryente ay nagsimula nang higit sa dalawang dekada.

Ang "Club Zéro" (CZC), sa pakikipagtulungan kay CIGRE, kamakailan lamang nagsimula ng isang inisiatiba upang suriin ang estado ng arte ng mga alternative gases para sa SF₆ sa mga aplikasyon ng switching. Isinagawa ang isang survey upang makuha ang lahat ng magagamit na kamakailang literatura tungkol sa paksa. Ang mga resulta ay ipinresenta at pinag-usapan sa isang joint session sa CIGRE Session noong 2016. Ang papel na ito ay nagpapakita ng pangunahing mga natuklasan ng nasabing survey. Dahil ang vacuum switching technology ay isang hiwalay na patuloy na aktibidad, hindi ito sasama sa pagsusuri na ito.

2. Mga Alternative Gases

Matapos ang pag-adopt ng Kyoto Protocol noong 1997, ang pag-aaral tungkol sa mga alternative gases ay lumakas at patuloy na tumataas sa nakaraang dekada. Ang mga pangunahing kailangan para sa mga alternative gases ay naitala bilang: mababang global warming potential (GWP), zero ozone depletion potential (ODP), mababang toxicity, hindi flammable, mataas na dielectric strength, mataas na arc-quenching at heat dissipation capability, chemical stability, material compatibility, at market availability.

Sa iba't ibang natural na mga gas na sinuri, ang CO₂ ang pinakamagandang nagpakita bilang arc-quenching gas, na maaaring mapalakas ng mga additive tulad ng O₂ o CF₄. Gayunpaman, ang mga pag-aaral ay nagpapakita na ang interrupting at insulating performances ng CO₂ ay mas mahina kaysa sa SF₆. Iba pang interesanteng mga kandidato ay naitala sa mga fluorinated gases, tulad ng CF₃I, hydrofluoroolefins (HFO-1234ze at HFO-1234yf), perfluoroketones (halimbawa, C₅F₁₀O), perfluoronitriles (C₄F₇N), fluorinated ethers (HFE-245cb2), fluorinated epoxides, at hydrochlorofluoroolefins (HCFO-1233zd).

Kapag tinimbang ang lahat ng kailangan, ang mga pinakamagandang kandidato ngayon ay ang C₅ perfluoroketone (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ o C₅-PFK) at iso-C₄ perfluoronitrile ((CF₃)₂CF-CN o C₄-PFN). Para sa mga pure gases, ang dielectric performance ay proporsiyonal sa boiling point—ibig sabihin, ang mga gas na may mataas na dielectric strength karaniwang may mataas din na boiling points. Sa 0.1 MPa, ang boiling points ng C₅-PFK at C₄-PFN ay 26.5°C at –4.7°C, kasing-ayon. Kaya, para sa mga aplikasyon ng switching equipment na nangangailangan ng sapat na mababang boiling points upang matugunan ang mga operational demands sa mababang temperatura, kailangang idagdag ang buffer gases. Dahil sa mabubuting arc-quenching capability, ang CO₂ ang pinili bilang buffer gas sa high-voltage applications. Sa medium-voltage applications, ang hangin ay inirereport rin bilang buffer gas na ginagamit kasama ang C₅-PFK para sa insulation purposes.

3. Katangian ng Mga Pure at Gas Mixtures

Ang Table 1 ay nagpapakita ng mga katangian ng mga napiling alternative gases kaugnay ng SF₆. Ang GWPs ng mga gas na ito ay may malaking pagkakaiba: ang C₄-PFN ay may mas mataas na GWP kaysa sa CO₂ o C₅-PFK, parehong may GWPs na humigit-kumulang 1. Ang lahat ng mga kandidatong gas na interesante ay hindi flammable, may zero ODP, at inirereport bilang non-toxic batay sa technical at safety data sheets na ibinibigay ng mga chemical manufacturers. Ang dielectric strength ng pure C₄-PFN at C₅-PFK ay halos dalawang beses na mas mataas kaysa sa SF₆. Ang dielectric withstand voltage ng CO₂ ay kapareho ng hangin—that is, significantly lower than that of SF₆.

Table 1: Comparison of Pure Gas Properties with SF₆

Ipinalalaman ng Table 2 ang mga katangian ng mga gas at pagkakasamang gas kapag ginagamit sa switchgear. Ang koncentrasyon ng C₄-PFN at C₅-PFK sa mga pagkakasamang may buffer gases ay ibinibigay sa pangalawang haligi, na karaniwang mas mababa sa 13% (molar concentration). Dapat tandaan na para sa paggamit ng C₅-PFK sa CO₂, mayroong balita rin tungkol sa mga oksiheno additives, dahil ang presensya ng oksiheno ay maaaring makatulong sa pagbawas ng pagbuo ng mga nakakapinsalang by-products (tulad ng CO) at solid by-products (tulad ng soot).

Table 2: Katangian/Pagganap ng Mga Puro na Gas at Pagkakasamang Gas sa mga Aplikasyon ng Medium- at High-Voltage Switchgear

Dahil sa mas mababang dielectric withstand voltage ng mga mixture kumpara sa SF₆ sa parehong presyon (Kolona 6), ang minimum na operating pressure para sa C₅-PFK at C₄-PFN na may CO₂ bilang buffer gas sa high-voltage applications kailangan paigtingin hanggang sa humigit-kumulang 0.7–0.8 MPa. Para sa medium-voltage applications na gumagamit ng air/C₅-PFK mixtures, maaari pang panatilihin ang presyon na 0.13 MPa, na nagpapahiwatig ng dielectric withstand voltage na malapit sa ng SF₆.

Ang mataas na dielectric withstand voltage na nakuha sa mababang blending ratios ng C₄-PFN o C₅-PFK ay maaaring ipaliwanag ng synergistic effect—i.e., ang dielectric strength ay lumalaki nang hindi linear sa additive concentration, isang phenomenon na naobserbahan na noon sa SF₆/N₂ mixtures. Ang GWP ng C₅-PFK mixtures ay negligible, ngunit ito ay may kasama ang mas mataas na minimum operating temperature. Mga low-temperature applications (halimbawa, –25°C) maaaring ma-address gamit ang puro CO₂ o CO₂ + C₄-PFN mixtures, bagaman may trade-offs: significantly reduced dielectric withstand voltage sa kaso ng puro CO₂, o substantially higher GWP kapag gumagamit ng C₄-PFN mixtures.

4. Pagkakataon ng Switching ng Alternative Gases
Naglalaman ang Table 3 ng preliminary information tungkol sa pagkakataon ng switching ng puro CO₂ at CO₂-based mixtures, na may SF₆ performance na ibinibigay para sa paghahambing. Sa pamamagitan ng pagtaas ng operating pressure relative sa SF₆, maaaring mapabuti ang cold dielectric strength—na ginagamit, halimbawa, bilang metric para sa capacitive switching performance—hanggang sa antas ng SF₆.

Table 3: Paghahambing ng Pagkakataon ng Switching ng Gases at Gas Mixtures sa Elevated Operating Pressures versus SF₆ sa High-Voltage Applications

Sa mga na-review na literatura, maaaring makita ang mga kwalitatibong pahayag tungkol sa switching performance ng C₄-PFN at C₅-PFK mixtures. Para sa CO₂, mayroong ilang kuantitatibong paghahambing. Sa pangkalahatan, sa tulong ng malinis na CO₂ sa isang taas na presyon ng humigit-kumulang 1 MPa, inaasahan ang insulasyon at short-line fault (SLF) interrupting performance na humigit-kumulang dalawang-tercio ng performance ng SF₆.

Sa pamamagitan ng pagdaragdag ng O₂ sa CO₂ (hanggang sa ratio ng 30%), inaasahan ang pag-improve ng SLF interrupting performance at kaunting pagtaas ng dielectric strength. Ang pagdaragdag ng C₄-PFN o C₅-PFK sa CO₂ ay nagbibigay ng dielectric performance na malapit sa performance ng SF₆. Ang mga pag-aaral ay nagsasabi na ang SLF switching performance ng CO₂/O₂/C₅-PFK mixtures ay humigit-kumulang 20% mas mababa kaysa sa SF₆. Sa kabilang dako, ang mga circuit breakers na ika-spesyal na inaadapt para sa CO₂/C₄-PFN mixtures ay sinasabing nakakamit ng SLF performance na katulad ng SF₆.

Gayunpaman, may mga pag-aaral rin na direktang naghahambing ng malinis na CO₂ sa CO₂/C₄-PFN at CO₂/C₅-PFK mixtures sa parehong geometry at presyon, na nagpapakita ng katulad na near-zone (thermal) interrupting performance para sa CO₂ kasama man o wala ang additives. Sa kaunting pagbabago sa disenyo o modest derating, ang mga bagong mixture ay matagumpay na lumampas sa IEC test duties L90 (SLF) at T100 (100% terminal fault), na nagpapakita na ang kanilang switching performance ay hindi naiiwan nang malaki sa SF₆. Ito rin ang ipinakita para sa breaker’s interrupting function.

Inaasahan ang karagdagang pag-improve sa switching performance sa hinaharap sa pamamagitan ng espesyal na pag-optimize ng disenyo. Isang mahalagang isyu ay ang toxicity ng mga gas pagkatapos ng arcing. Ang C₅-PFK at C₄-PFN ay mga komplikadong molekula na nagsisimula mag-decompose sa itaas ng humigit-kumulang 650 °C sa kaso ng C₄-PFN. Pagka-decompose, ang mga molekulang ito ay hindi bumabalik sa kanilang orihinal na struktura kundi nabubuo ng mas maliit na fragments. Inireport na ang decomposition rate ng 0.5 mol/MJ para sa CO₂/O₂/C₅-PFK mixtures sa panahon ng high-current interruption. Para sa partial discharges, ang decomposition rate ay napansin na mas mababa ng isang order of magnitude kaysa sa nabanggit na halaga.

Ang decomposition behavior ng mga bagong gases na ito ay hindi direkta na makukumpara sa SF₆, na nagdecompose dahil sa chemical reactions sa ablated contact at nozzle materials. Para sa mga bagong gases, ang decomposition sa loob ng buhay ng equipment ay hindi itinuturing na critical issue, ngunit dapat bantayan o regular na i-check ang concentration ng gas sa loob ng equipment. Ang pinaka toxic na decomposition products sa high-pressure applications (i.e., mixtures with CO₂) ay ang CO at HF. Ang mga by-products ng arc ng mga mixture na ito ay itinuturing na may toxicity na katulad o mas mababa kaysa sa arc-decomposed SF₆. Kaya, inirerekumenda ang mga handling procedures na katulad ng ginagamit para sa arc-exposed SF₆.

Ngunit, dapat tandaan na ang mga nabanggit na pahayag ay batay sa limitadong kaalaman tungkol sa toxicity ng mga bagong gases. Kailangan pa ng higit pang karanasan tungkol sa post-arc toxicity ng potensyal na alternatibo sa SF₆. Iba pang inireport na isyu ay kinabibilangan ng material compatibility (halimbawa, epekto sa seals at greases), gas sealing integrity, at gas handling procedures. Bilang resulta, hindi inaasahan na ang umiiral na high-voltage equipment ay ligtas na mag-operate sa mga bagong gases na ito nang walang angkop na pagbabago sa disenyo o materyales.

Nagawa na ang mga internal arc tests sa lahat ng mixture, at walang seryosong isyu ang inireport. Ang thermal conductivity ng mga mixture ay kaunti lamang mas mababa kaysa sa SF₆, na maaaring mag-require ng moderate derating o design adjustments para sa current-carrying capacity. Ang CO₂ live-tank circuit breakers ay may field experience na, na nagsimula ilang taon na ang nakalipas, at ang CO₂-filled breakers ay ngayon ay komersyal na available.

Ang high- at medium-voltage pilot installations na gumagamit ng C₅-PFK mixtures ay matagumpay na nagsasagawa ng operasyon sa Switzerland at Germany simula noong 2015. Ang mga pilot project na gumagamit ng CO₂/C₄-PFN mixtures ay nasa plano o nasa progreso sa ilang European countries, kasama ang 145 kV indoor GIS sa Switzerland, 245 kV outdoor current transformer sa Germany, at outdoor 420 kV GIL systems sa UK at Scotland.

5. Mga Konklusyon at Outlook
Na-review ang published information tungkol sa alternative gases sa SF₆ para sa switching applications. Sa kasalukuyang yugto, ang pag-aaral na ito ay nasa maagang yugto pa at mas limitado kaysa sa mga dekadang body of work sa SF₆. Ang available manufacturer data ay nagpapakita na ang mga bagong gases—tulad ng C₅-PFK at C₄-PFN—ay viable options na, kapag ibinlend sa CO₂ bilang buffer gas, maaari mag-match sa SF₆ performance, bagaman hindi sila maaaring ganap na kopyahin ang lahat ng kakayahan ng SF₆.

Ang mga pangunahing pagkakaiba ay nasa insulation at interruption performance, pati na rin sa boiling point—na nagdetermina ng minimum specified operating temperature ng switchgear. Ang isang mababang minimum operating temperature (halimbawa, –50 °C) ay maaaring makamit sa malinis na CO₂. Gayunpaman, ang CO₂ ay tila may mas mababang interruption performance, lalo na sa recovery voltage peak withstand at interruption capability, kumpara sa gas mixtures na may C₄-PFN o C₅-PFK.

Ang isang advantage ng CO₂/C₅-PFK mixtures sa CO₂/C₄-PFN mixtures ay ang kanilang negligible GWP (~1 vs. 427/600 para sa C₄-PFN). Sa kabilang dako, ang CO₂/C₄-PFN mixtures ay nagbibigay ng mas mababang minimum operating temperature (humigit-kumulang –25 °C) kumpara sa CO₂/C₅-PFK mixtures (humigit-kumulang –5 °C).

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

Paliwanag ：

Ang 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV, at 245kV Dead tank Vacuum Circuit-Breakers ay mga mahalagang protective devices para sa high-voltage power systems. Gumagamit ng vacuum bilang arc-extinguishing at insulating medium, sila ay may extraordinary arc-quenching capabilities, mabilis na nag-iinterrupt ng fault currents at epektibong nagpaprevent ng arc re-ignition upang tiyakin ang stable power system operation. Ang dead tank design ay nagbibigay ng compact footprint at robust mechanical stability, na nagpapadali ng installation at maintenance. Nakakabit ng highly reliable spring operating mechanisms, ang mga circuit breakers na ito ay may mechanical lifespan na higit sa 10,000 operations, nagbibigay ng mabilis at precise responses. May outstanding environmental adaptability, sila ay maaaring mag-operate nang maayos sa harsh outdoor conditions. Malawakang ginagamit sa mga substation, transmission lines, at iba pang scenarios, sila ay nagbibigay ng efficient at secure power switching control at reliable protection sa iba't ibang voltage levels.

Pangunahing pagpapakilala ng mga tampok:

• Epektibong Pagpapatay ng Arc: Gumagamit ng vacuum para sa mabilis at maasintas na pagpapatay ng arc, na nagpapahinto sa pagbabalik ng apoy.

• Malawak na Range ng Voltaje: Magagamit sa 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV, at 245kV ratings para sa iba't ibang aplikasyon ng grid.

• Matatag na disenyo ng Dead Tank: Ang kompakto nitong istraktura ay nagbibigay ng mekanikal na estabilidad at nagpapahusay ng pag-install/maintenance.

• Mapagkakatiwalaang Paggana: Mekanismo ng pagsasagawa batay sa spring na may higit sa 10,000 siklo ng mekanikal na endurance.

• Napakalaking Siguro: Ang disenyo ng dual-seal flange ay nagbibigay ng waterproof at gas-tight na proteksyon, na ideyal para sa outdoor use.