SF₆ Alternatif Gaz Tabanlı Yüksek Gerilimli Anahtarların En Son Gelişim Trendleri
1. Giriş
SF₆ elektrik güç iletim ve dağıtım sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır, örneğin gaz yalıtımlı anahtar kabinleri (GIS), devre kesiciler (CB) ve orta gerilimli (MV) yük anahtarlarda. Bu gaz, benzersiz elektrik yalıtım ve ark söndürme yeteneklerine sahiptir. Ancak, SF₆ aynı zamanda güçlü bir sera gazıdır, 100 yıllık bir süre içinde yaklaşık 23.500'lük küresel ısınma potansiyeline sahiptir ve bu nedenle kullanımına düzenlemeler yapılmış olup, kısıtlamalar konusunda sürekli tartışmalar devam etmektedir. Sonuç olarak, güç uygulamaları için alternatif gazlar üzerine yaklaşık iki on yıl boyunca araştırma yapılmıştır.
"Club Zéro" (CZC), CIGRE ile işbirliği içinde, anahtar uygulamaları için SF₆ alternatif gazlarının en son durumunu değerlendirmek amacıyla bir girişim başlattı. Bu konuda mevcut tüm güncel literatürü toplamak amacıyla bir anket yapıldı. Anket sonuçları, 2016 yılında düzenlenen CIGRE Oturumu sırasında bir ortak oturumda sunuldu ve tartışıldı. Bu makale, o anketin ana bulgularını sunmaktadır. Vakum anahtar teknolojisi ayrı bir devam eden faaliyet olduğu için, bu incelemede ele alınmayacaktır.
2. Alternatif Gazlar
1997'de Kyoto Protokolünün kabul edilmesinin ardından, alternatif gazlar üzerine yapılan araştırmalar yoğunlaştı ve son on yılda daha da arttı. Alternatif gazlar için belirlenen temel gereksinimler şunlardır: düşük küresel ısınma potansiyeli (GWP), sıfır ozon tükenme potansiyeli (ODP), düşük toksisite, yanıcı olmama, yüksek dielektrik dayanım, yüksek ark söndürme ve ısı verimliliği, kimyasal istikrar, malzeme uyumluluğu ve piyasa kullanılabilirliği.
İncelenen çeşitli doğal kaynaklı gazlar arasında, CO₂ en çok umut vadeden ark söndürme gazı olmuştur ve performansı O₂ veya CF₄ gibi katkı maddeleri ile artırılabilir. Bununla birlikte, araştırmalar göstermiştir ki, CO₂'nin kesme ve yalıtım performansı, SF₆'nınkine kıyasla daha düşüktür. Diğer ilginç adaylar, CF₃I, hidrofloroolefinler (HFO-1234ze ve HFO-1234yf), perfluorketonlar (örneğin, C₅F₁₀O), perfluoronitriller (C₄F₇N), florlu eyterler (HFE-245cb2), florlu epoksitler ve hidroklorofluoroolefinler (HCFO-1233zd) gibi florlanmış gazlar arasında belirlenmiştir.
Tüm gereksinimleri göz önünde bulundurarak, şu anda en umut vadeden adaylar C₅ perfluorketon (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ veya C₅-PFK) ve izo-C₄ perfluoronitril ((CF₃)₂CF-CN veya C₄-PFN)'dir. Saf gazlar için, dielektrik performans kaynama noktasıyla orantılıdır - yani, yüksek dielektrik dayanıma sahip gazların genellikle yüksek kaynama noktaları vardır. 0,1 MPa'da, C₅-PFK ve C₄-PFN'nin kaynama noktaları sırasıyla 26,5°C ve -4,7°C'dir. Bu nedenle, düşük sıcaklık işlem gerekliliklerini karşılamak için yeterince düşük kaynama noktalara ihtiyaç duyan anahtar ekipmanları uygulamalarında, tampon gazlar eklenmelidir. İyi ark söndürme yeteneğine sahip olması nedeniyle, yüksek gerilim uygulamalarında CO₂ tampon gaz olarak seçilmiştir. Orta gerilim uygulamalarında ise, C₅-PFK ile birlikte yalıtım amaçlı olarak hava da tampon gaz olarak kullanıldığı bildirilmiştir.
3. Saf Gazların ve Gaz Karışımının Özellikleri
Tablo 1, seçilen alternatif gazların SF₆'ya göre özelliklerini sunmaktadır. Bu gazların GWPleri önemli ölçüde değişmektedir: C₄-PFN, CO₂ veya C₅-PFK'ye kıyasla çok daha yüksek bir GWP'ye sahiptir, her ikisi de yaklaşık 1 olan GWPlere sahiptir. İlgi çeken tüm aday gazlar yanıcı değildir, sıfır ODP'ye sahiptir ve kimyasal üreticiler tarafından sağlanan teknik ve güvenlik bilgi sayfalarına göre toksik olmayan olarak bildirilmiştir. Saf C₄-PFN ve C₅-PFK'nin dielektrik dayanımı, SF₆'ninkinden neredeyse iki katıdır. CO₂'nin dielektrik dayanım voltajı, hava ile karşılaştırılabilir - yani, SF₆'ninkinden önemli ölçüde düşüktür.
Tablo 1: Saf Gaz Özelliklerinin SF₆ ile Karşılaştırılması
| Gas | CAS Number | Boiling Point / °C | GWP | ODP | Flammability | Toxicity LC50(4h) ppmv | Toxicity TWA ppmv | Dielectric Strength / pu at 0.1 MPa |
| SF₆ | 2551-62-4 | -64 | 23500 | 0 | No | - | 1000 | 1 |
| CO₂ | 124-38-9 | -78.5 | 1 | 0 | No | >300000 | 5000 | ≈0.3 |
| C5-PFK | 756-12-7 | 26.5 | <1 | 0 | No | ≈20000 | 225 | ≈2 |
| C4-PFN | 42532-60-5 | -4.7 | 2100 | 0 | No | 12000…15000 | 65 | ≈2 |
Tablo 2, gazların ve gaz karışımlarının anahtarlama ekipmanlarında kullanıldığında gösterdikleri özelliklerin bir genel bakışını sunmaktadır. C₄-PFN ve C₅-PFK'nın tampon gazlarla karışımındaki konsantrasyonları ikinci sütunda verilmiştir, genellikle bu konsantrasyonlar %13 (mol konsantrasyonu) altında seyretmektedir. Ayrıca, C₅-PFK'nın CO₂ ile kullanımı sırasında oksijen eklenmesi de bildirilmiş olup, oksijenin varlığı zararlı yan ürünlerin (CO gibi) ve katı yan ürünlerin (kül gibi) oluşumunu azaltabilir.
Tablo 2: Orta ve Yüksek Gerilimli Anahtarlama Ekipmanları Uygulamalarında Saf Gazlar ve Gaz Karışımlarının Özellikleri/Performansı
| Gas | Concentration | Minimum Pressure / MPa | Minimum Temperature / °C | GWP | Dielectric Strength | Toxicity LC50 ppmv |
| SF₆ | - | 0.43…0.6 | -41…-31 | 23500 | 0.86…1 | - |
| CO₂ | - | 0.6…1 | ≤-48 | 1 |
0.4…0.7 | >3e5 |
| CO₂/C5-PFK/O₂ (HV) | ≈6/12 | 0.7 | -5…+5 | 1 | ≈0.86 | >2e5 |
| CO₂/C4-PFN(HV) | ≈4…6 | 0.67…0.88 | -25…-10 | 327…690 | 0.87…0.96 | >1e5 |
| Air/C5-PFK(MV) | ≈7…13 | 0.13 | -25…-15 | 0.6 | ≈0.85 | 1e5 |
Aynı basınçta (Tablo 6) SF₆'ya kıyasla karışımların dielektrik dayanım geriliminin azalması nedeniyle, yüksek gerilim uygulamalarında CO₂ tampon gazı olarak kullanılan C₅-PFK ve C₄-PFN için minimum çalışma basıncının yaklaşık 0.7–0.8 MPa'ya artırılması gerekmektedir. Orta gerilim uygulamalarında hava/C₅-PFK karışımları kullanılarak 0.13 MPa'lık bir basınç korunabilir, bu da SF₆'ya yakın bir dielektrik dayanım gerilimi sağlar.
C₄-PFN veya C₅-PFK'nin düşük karışım oranlarıyla elde edilen yüksek dielektrik dayanım gerilimi, sinerjik etki yoluyla açıklanabilir—yani, dielektrik dayanım gerilimi, additif konsantrasyonla doğrusal olmayan bir şekilde artar, bu durum daha önce SF₆/N₂ karışımlarında gözlemlenmiştir. C₅-PFK karışımlarının GWP'si ihmal edilebilir düzeydedir, ancak bu, daha yüksek bir minimum çalışma sıcaklığına mal olur. Düşük sıcaklık uygulamaları (örneğin, -25°C) ya saf CO₂ ya da CO₂ + C₄-PFN karışımları kullanılarak ele alınabilir, ancak her iki seçenek de bazı dezavantajlar içerir: saf CO₂ kullanıldığında dielektrik dayanım geriliminin önemli ölçüde azalması, veya C₄-PFN karışımlarını kullanırken GWP'nin çok daha yüksek olması.
4. Alternatif Gazların Anahtarlanma Performansı
Tablo 3, saf CO₂ ve CO₂ tabanlı karışımların anahtarlanma performansına ilişkin ön bilgileri derler ve karşılaştırma amacıyla SF₆ performansını sunar. SF₆'ya göre çalışma basıncını artırarak, örneğin kapasitif anahtarlama performansı ölçütü olarak kullanılan soğuk dielektrik dayanım gerilimi, SF₆ seviyesine çıkarılabilir.
Tablo 3: Yüksek Gerilim Uygulamalarında Yükseltilmiş Çalışma Basıncındaki Gaz ve Gaz Karışmalarının Anahtarlanma Performanslarının SF₆ ile Karşılaştırılması
| Gaz | Çalışma Basıncı [MPa] | Dielektrik Dayanım / pu | SLF Performansı vs SF6 / pu | |
| SF₆ | 0.6 |
1 | 1 |
1 |
| CO₂ | 0.8…1 | 0.5…0.7 | 0.5…0.83 | ≥0.5 |
| CO₂+C5-PFK/O₂ | 0.7…0.8 | SF₆'ya yakın | 0.8…0.87 | SF₆'ya yakın |
| CO₂/C4-PFN | 0.67…0.82 | SF₆'ya yakın | 0.83…(1) | SF₆'ya yakın |
İnceleme edilen literatürde, C₄-PFN ve C₅-PFK karışımının anahtarlama performansı hakkında sadece niteliksel açıklamalar bulunabiliyor. CO₂ için bazı niceliksel karşılaştırmalar mevcut. Genel olarak, yaklaşık 1 MPa artan doldurma basıncında saf CO₂ ile, SF₆'nın yaklaşık iki üçte biri kadar yalıtım ve kısa hat arızası (SLF) kesme performansı bekleniyor.
CO₂'ye O₂ eklenmesi (karışım oranı %30'a kadar), SLF kesme performansında bir iyileşme ve dielektrik gücünde hafif bir artış beklenir. CO₂'ye C₄-PFN veya C₅-PFK ekleme, SF₆'nın dielektrik performansına yaklaşan bir performans sağlar. Çalışmalar, CO₂/O₂/C₅-PFK karışımının SLF anahtarlama performansının SF₆'nın yaklaşık %20'si daha düşük olduğunu bildirmektedir. Buna karşılık, CO₂/C₄-PFN karışımı için özel olarak uyarlanmış devre kesicilerin, SF₆'ya benzer SLF performansını elde ettiğini iddia edilmiştir.
Ancak, aynı geometri ve basınç koşullarında saf CO₂ ile CO₂/C₄-PFN ve CO₂/C₅-PFK karışımını doğrudan karşılaştıran çalışmalar da var. Bu çalışmalar, CO₂'nin katkı maddeleri olup olmamasına bakılmaksızın benzer yakın bölge (termal) kesme performansı gösterdiğini göstermektedir. Küçük tasarım değişiklikleri veya hafif indirimlerle, yeni karışımlar IEC test görevleri L90 (SLF) ve T100 (100% uç hat arızası) başarıyla geçmiştir. Bu, onların anahtarlama performansının SF₆'ya önemli ölçüde geri kalmasının olmadığını göstermektedir. Bu, devre kesicinin kesme fonksiyonu için de gösterilmiştir.
Gelecekte özel tasarım optimizasyonları aracılığıyla anahtarlama performansındaki ilerlemeler beklenmektedir. Önemli bir konu, ark oluşumundan sonra gazların toksisitesidir. C₅-PFK ve C₄-PFN karmaşık moleküllerdir ve C₄-PFN'in durumunda yaklaşık 650 °C üzerinde parçalanmaya başlar. Parçalanma sırasında bu moleküller orijinal yapılarına yeniden birleşmezler, küçük fragmanlara dönüşürler. Yüksek akım kesiminde CO₂/O₂/C₅-PFK karışımının 0.5 mol/MJ parçalanma hızı bildirilmiştir. Kısmi salınım durumunda, bu değerin bir sıfır derece daha düşük olduğu gözlemlenmiştir.
Bu yeni gazların parçalanma davranışları, SF₆'nın ablastan kontakt ve nozul malzemeleriyle kimyasal reaksiyonlar nedeniyle parçalanması gibi doğrudan karşılaştırılamaz. Yeni gazlar için, ekipman ömrü boyunca parçalanma kritik bir sorun olarak görülmemekteyse de, ekipmanın içindeki gaz konsantrasyonu izlenmelidir veya periyodik olarak kontrol edilmelidir. Yüksek basınçlı uygulamalarda (yani CO₂ karışımında) en toksik parçalanma ürünlerinden CO ve HF'dir. Bu karışımların ark yan ürünleri, ark-dekompoze edilmiş SF₆'ya benzer veya daha düşük toksisiteye sahip kabul edilir. Bu nedenle, ark-maruz kalmış SF₆ için kullanılan benzer işlem prosedürleri önerilmektedir.
Ancak, yukarıdaki açıklamaların bu yeni gazların toksisitesi hakkında sınırlı bilgiye dayandığı belirtilmelidir. Potansiyel SF₆ alternatiflerinin ark sonrası toksisitesi hakkında daha fazla deneyime ihtiyaç vardır. Diğer bildirilen endişeler arasında malzeme uyumluluğu (örneğin, mühür ve yağların etkileri), gaz sıkıştırma bütünlüğü ve gaz işleme prosedürleri bulunmaktadır. Sonuç olarak, bu yeni gazlarla güvenli çalışmak için uygun tasarım veya malzeme değişiklikleri olmadan mevcut yüksek gerilimli ekipmanlardan beklenecek değildir.
Tüm karışımlarla dahili ark testleri gerçekleştirilmiştir ve ciddi bir sorun bildirilmemiştir. Karışımın termal iletkenliği, SF₆'nınkinden hafifçe daha düşüktür, bu da akım taşıma kapasitesi için ılımlı indirim veya tasarım ayarlarının yapılması gerekebilir. CO₂ canlı tanklı devre kesiciler, birkaç yıl önce başlayarak alan deneyimi kazanmış ve CO₂ dolgulu devre kesiciler şu anda ticari olarak mevcuttur.
C₅-PFK karışımları kullanılarak yüksek ve orta gerilimli pilot kurulumları, 2015 yılından beri İsviçre ve Almanya'da başarılı bir şekilde faaliyet göstermektedir. CO₂/C₄-PFN karışımları kullanılarak planlanmış veya devam eden pilot projeler, çeşitli Avrupa ülkelerinde, İsviçre'de 145 kV iç mekanlı GIS, Almanya'da 245 kV dış mekanlı akım transformatörü ve Birleşik Krallık ve İskoçya'da dış mekanlı 420 kV GIL sistemleri dahil olmaktadır.
5. Sonuçlar ve Öngörü
Anahtarlama uygulamaları için SF₆ alternatif gazları hakkında yayınlanmış bilgiler incelenmiştir. Mevcut aşamada, bu araştırma hala erken evrede ve SF₆ üzerine yapılan on yıllarca çalışma kadar kapsamlı değildir. Uygun üretici verileri, C₅-PFK ve C₄-PFN gibi yeni gazların, CO₂'nin tampon gazı olarak kullanılmasıyla, SF₆ performansına kısmen eşit olabileceğini, ancak tüm SF₆ yeteneklerini tam olarak tekrarlayamayacağını göstermektedir.
Ana farklar, yalıtım ve kesme performansı, ayrıca kaynama noktası—bu, anahtarlamanın minimum belirlenmiş işletme sıcaklığını belirler. Saf CO₂ ile -50 °C gibi düşük bir minimum işletme sıcaklığı sağlanabilir. Ancak, CO₂ genellikle C₄-PFN veya C₅-PFK içeren gaz karışımlarına göre daha düşük kesme performansı göstermektedir, özellikle kurtarma voltaj zirvesi dayanımı ve kesme yeteneği açısından.
CO₂/C₅-PFK karışımlarının CO₂/C₄-PFN karışımlarına göre avantajı, önemsiz GWP (~1 vs. C₄-PFN için 427/600)'dür. Buna karşılık, CO₂/C₄-PFN karışımları, CO₂/C₅-PFK karışımlarına (-5 °C civarında) kıyasla daha düşük bir minimum işletme sıcaklığı (-25 °C civarında) sunar.
6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV Dead tank Vakum Devre Kesici
Açıklama：
40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV ve 245kV Dead tank Vakum Devre Kesiciler, yüksek gerilimli güç sistemleri için gerekli koruma cihazlarıdır. Vakumu ark söndürme ve yalıtım ortamı olarak kullanarak, muhteşem ark söndürme yeteneklerine sahiptir, hata akımlarını hızlı bir şekilde keser ve ark yeniden yakılmasını etkili bir şekilde önler, böylece güç sisteminin istikrarlı çalışmasını sağlar. Dead tank tasarımı, kompakt bir yere sığabilme ve sağlam mekanik istikrar sağlar, kurulum ve bakım kolaylaşır. Yüksek güvenilirlikli yay mekanizmalarıyla donatılmış olan bu devre kesiciler, 10.000'den fazla operasyon süresine sahip mekanik bir ömür sunar, hızlı ve hassas yanıtlar verir. Sıradışı çevre uyumlu olması, onları sert dış ortam koşullarında stabil çalışmasına imkan tanır. Alt merkezler, iletim hatları ve diğer senaryolarda yaygın olarak kullanılır, çeşitli gerilim seviyelerinde etkin ve güvenli güç anahtarlama kontrolü ve güvenilir koruma sağlar.
Ana fonksiyonlar:
Verimli Ark Söndürme: Hızlı ve güvenilir ark söndürme için vakum kullanılır, yeniden yanmayı önler.
Geniş Gerilim Aralığı: Çeşitli şebeke uygulamaları için 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV ve 245kV seviyelerinde mevcuttur.
Dayanıklı Dead Tank Tasarımı: Kompakt yapı, mekanik stabiliteyi sağlar ve kurulum/bakımı kolaylaştırır.
Güvenilir İşlem: Yüz binlerce mekanik dayanıklılık döngüsüne sahip yay tabanlı çalışma mekanizması.
Geliştirilmiş Sigortalama: Su geçirmez ve gaz sıkıştırıcı koruma sağlayan çift sigorta flans tasarımı, dış kullanım için idealdir.
