Найновіші тенденції розвитку високовольтних автоматів на основі альтернативних газів замість SF₆

1. Вступ
СF₆ широко використовується в електроенергетичних системах передачі та розподілу електроенергії, таких як газозаповнене комутаційне обладнання (GIS), преривачі (CB) та середньовольтові (MV) вимикачі завантаження. Він має унікальні електричні ізоляційні та аркушні здатності. Однак СF₆ також є потужним парниковим газом, з потенціалом глобального потепління приблизно 23 500 за горизонтом 100 років, тому його використання регулюється та підлягає тривалим дискусіям щодо обмежень. В результаті, дослідження альтернативних газів для енергетичних застосувань проводилися близько двох десятиліть.

"Клуб Зеро" (CZC) разом з CIGRE недавно запустили ініціативу для оцінки сучасного стану альтернативних газів до СF₆ для комутаційних застосувань. Було проведене опитування для збору всієї доступної актуальної літератури з цієї теми. Результати були представлені та обговорені на спільній сесії під час CIGRE Session у 2016 році. Ця стаття представляє основні результати цього опитування. Оскільки технологія вакуумного комутування становить окрему тривалу діяльність, вона не буде розглянута в цьому огляді.

2. Альтернативні гази

Після прийняття Киотського протоколу у 1997 році, дослідження альтернативних газів стало більш інтенсивним і продовжують зростати за останнє десятиліття. Основні вимоги до альтернативних газів були визначені як: низький потенціал глобального потепління (GWP), нульовий потенціал знищення озонового шару (ODP), низька токсичність, невидатність, висока диелектрична стійкість, висока аркушна та теплообмінна здатність, хімічна стабільність, сумісність з матеріалами та доступність на ринку.

Серед різних природних газів, які були досліджені, CO₂ довів свою найбільшу перспективність як аркушний газ, з можливістю покращення його продуктивності за допомогою добавок, таких як O₂ або CF₄. Однак, дослідження показали, що як преривальна, так і ізоляційна продуктивність CO₂ нижча, ніж у СF₆. Інші цікаві кандидати були виявлені серед фторовані газів, таких як CF₃I, гідрофторолефи (HFO-1234ze та HFO-1234yf), перфторокетони (наприклад, C₅F₁₀O), перфторнітріли (C₄F₇N), фторовані етери (HFE-245cb2), фторовані епоксиди та гідрохлорофторолефи (HCFO-1233zd).

З урахуванням всіх вимог, найбільш перспективними поточними кандидатами є C₅ перфторокетон (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ або C₅-PFK) та ізо-C₄ перфторнітріл ((CF₃)₂CF-CN або C₄-PFN). Для чистих газів, диелектрична продуктивність пропорційна точці кипіння—тобто, гази з високою диелектричною стійкістю, як правило, мають високі точки кипіння. При 0,1 МПа, точки кипіння C₅-PFK та C₄-PFN становлять 26,5°C та –4,7°C відповідно. Тому, для застосувань комутаційного обладнання, які потребують достатньо низьких точок кипіння для задоволення потреб роботи при низьких температурах, необхідно додавати буферні гази. Через свою добру аркушну здатність, CO₂ вибирається як буферний газ у високовольтних застосуваннях. У середньовольтних застосуваннях, повітря також було зазначено як буферний газ, використаний у поєднанні з C₅-PFK для ізоляційних цілей.

3. Властивості чистих газів та газових сумішей

Таблиця 1 представляє властивості вибраних альтернативних газів відносно СF₆. GWPs цих газів значно відрізняються: C₄-PFN має набагато більший GWP, ніж CO₂ або C₅-PFK, які мають GWPs приблизно 1. Усі цікаві кандидати-гази не видатні, мають нульовий ODP та згідно технічних та безпекових даних, наданих хімічними виробниками, вважаються нетоксичними. Диелектрична стійкість чистого C₄-PFN та C₅-PFK майже удвічі вища, ніж у СF₆. Диелектрична стійкість CO₂ порівняна з повітрям—тобто, значно нижча, ніж у СF₆.

Таблиця 1: Порівняння властивостей чистих газів зі СF₆

Таблиця 2 показує характеристики газів та газових сумішей при використанні в комутаційному обладнанні. Концентрації C₄-PFN і C₅-PFK у сумішах з буферними газами наведено у другому стовпці, як правило, нижче 13% (молярна концентрація). Варто звернути увагу, що для використання C₅-PFK в CO₂ також зазначалися додатки кисню, оскільки наявність кисню може зменшити формування шкідливих вторинних продуктів (таких як CO) та твердих вторинних продуктів (таких як саж).

Таблиця 2: Характеристики/Ефективність Чистих Газів та Газових Сумішей у Застосуваннях Середньо- та Високонапругового Комутаційного Обладнання

Завдяки зниженій стійкості до діелектричного напруги сумішей по відношенню до SF₆ при тій самій тисні (Стовпець 6), мінімальний робочий тиск для C₅-PFK та C₄-PFN з CO₂ як буферним газом у високонапільнених застосуваннях необхідно збільшити до приблизно 0,7–0,8 МПа. Для середньонапільнених застосувань, що використовують суміш повітря/C₅-PFK, можна підтримувати тиск 0,13 МПа, досягаючи стійкості до діелектричного напруги, близької до SF₆.

Висока стійкість до діелектричного напруги, досягнута за допомогою відносно низьких коефіцієнтів суміші C₄-PFN або C₅-PFK, може бути пояснена синергетичним ефектом — тобто, діелектрична міцність зростає нелінійно з концентрацією добавки, явище, спостережене раніше в сумішах SF₆/N₂. GWP сумішей C₅-PFK незначне, але це має на увазі вищий мінімальний робочий температурний режим. Низькотемпературні застосування (наприклад, –25°C) можна вирішити за допомогою чистого CO₂ або сумішей CO₂ + C₄-PFN, хоча з компромісами: значно знижена стійкість до діелектричного напруги у випадку чистого CO₂, або значно вищий GWP при використанні сумішей C₄-PFN.

4. Перформанс переключення альтернативних газів
Таблиця 3 збирає попередню інформацію про перформанс переключення чистого CO₂ та сумішей на основі CO₂, з наданими для порівняння показниками SF₆. Збільшуючи робочий тиск відносно SF₆, можна підвищити холодну діелектричну міцність — наприклад, як метрику для перформансу переключення конденсаторів — до рівня SF₆.

Таблиця 3: Порівняння перформансу переключення газів та газових сумішей при підвищених робочих тисках відносно SF₆ у високонапільнених застосуваннях

У відкритій літературі можна знайти лише якісні твердження щодо комутаційної продуктивності сумішей C₄-PFN і C₅-PFK. Для CO₂ доступні деякі кількісні порівняння. Загалом, з чистим CO₂ при збільшенному наповнювальному тиску близько 1 МПа, можна очікувати ізоляційну та короткочасну відмову (SLF) на рівні приблизно двох третин продуктивності SF₆.

Додавання O₂ до CO₂ (з коефіцієнтами суміші до 30%) може підвищити продуктивність SLF та трохи збільшити електроізоляційну стійкість. Додавання C₄-PFN або C₅-PFK до CO₂ дозволяє досягти електроізоляційної продуктивності, близької до SF₆. За даними досліджень, продуктивність комутації SLF сумішей CO₂/O₂/C₅-PFK становить приблизно 20% нижче, ніж у SF₆. Натомість, автоматичні відключувачі, спеціально адаптовані для сумішей CO₂/C₄-PFN, заявляють про досягнення продуктивності SLF, схожої на SF₆.

Однак, є також дослідження, які безпосередньо порівнюють чистий CO₂ з сумішами CO₂/C₄-PFN і CO₂/C₅-PFK при однакових геометричних та тискових умовах, які показують подібну ближню зону (теплову) комутаційну продуктивність для CO₂ з та без додатків. З невеликими модифікаціями конструкції або незначним зниженням характеристик, нові суміші успішно пройшли IEC-тестові завдання L90 (SLF) та T100 (100% термінальна вада), що свідчить про те, що їхня комутаційна продуктивність не значно гірша за SF₆. Це також було продемонстровано для функції відключення відключувача.

У майбутньому очікуються подальші покращення комутаційної продуктивності через спеціальні оптимізації конструкції. Важливим питанням є токсичність газів після дуги. C₅-PFK і C₄-PFN — це складні молекули, які починають розкладатися приблизно при 650 °C у випадку C₄-PFN. При розкладанні ці молекули не знову об'єднуються в свої початкові структури, а формують менші фрагменти. Для сумішей CO₂/O₂/C₅-PFK при великих струмах було звітовано про швидкість розкладання 0,5 моль/МДж. Для часткових розрядів швидкість розкладання була спостережена на порядок нижче, ніж вище зазначена величина.

Поведінка розкладання цих нових газів не є прямо порівняною з поведінкою SF₆, який розкладається в основному через хімічні реакції з абразивними матеріалами контактів і сопел. Для нових газів розкладання протягом строку служби не вважається критичним питанням, але концентрацію газу всередині обладнання слід контролювати або періодично перевіряти. Найтоксичніші продукти розкладання при високих тисках (тобто, сумішах з CO₂) — це CO і HF. Продукти дуги цих сумішей вважаються токсичними на рівні або нижчому, ніж продукти розкладання SF₆ після дуги. Тому рекомендується використовувати процедури обробки, схожі на ті, що використовуються для SF₆, після виявлення дуги.

Проте слід зазначити, що вищезазначені твердження базуються на обмежених знаннях про токсичність цих нових газів. Потрібний більший досвід щодо токсичності після дуги потенційних альтернатив SF₆. Інші зазначені проблеми включають сумісність матеріалів (наприклад, вплив на уплотнення та пластичні смазки), цілісність ущільнення газу та процедури обробки газу. В результаті, не можна очікувати, що існуюче високовольтне обладнання буде безпечним для роботи з цими новими газами без відповідних проектних або матеріальних модифікацій.

Внутрішні дугові випробування були проведено з усіма сумішами, і серйозних проблем не було виявлено. Теплопровідність сумішей трохи нижча, ніж у SF₆, що може вимагати незначного зниження характеристик або модифікацій конструкції для провідної здатності. Автоматичні відключувачі з CO₂ уже отримали полівський досвід, з розгортаюванням декілька років тому, і тепер відключувачі, заповнені CO₂, доступні комерційно.

Високовольтні та середньовольтні пілотні встановлення з використанням сумішей C₅-PFK успішно працюють у Швейцарії та Німеччині з 2015 року. Пілотні проекти з використанням сумішей CO₂/C₄-PFN плануються або вже відбуваються у кількох країнах Європи, включаючи внутрішню GIS на 145 кВ у Швейцарії, зовнішній трансформатор струму на 245 кВ у Німеччині та зовнішні системи GIL на 420 кВ у Великобританії та Шотландії.

5. Висновки та перспективи
Було оглянуто опубліковану інформацію про альтернативні гази SF₆ для комутаційних застосувань. На поточному етапі це дослідження все ще знаходиться на ранніх стадіях і набагато менш обсягне, ніж десятиліття роботи над SF₆. Доступні дані виробників вказують, що нові гази, такі як C₅-PFK і C₄-PFN, є придатними вариантами, які, коли змішуються з CO₂ як буферним газом, можуть частково відповідати продуктивності SF₆, хоча можливо, не повністю повторюють всі здатності SF₆.

Основні відмінності полягають у ізоляційній та комутаційній продуктивності, а також у точці закипіння, яка визначає мінімальну вказану температуру роботи пристроїв. Низька мінімальна температура роботи (наприклад, –50 °C) може бути досягнута з чистим CO₂. Однак, CO₂, здається, демонструє загалом нижчу комутаційну продуктивність, особливо у відношенні до витриваності на піковій напругі відновлення та здатності до комутації, порівняно з газовими сумішами, що містять C₄-PFN або C₅-PFK.

Перевага сумішей CO₂/C₅-PFK над сумішами CO₂/C₄-PFN полягає в незначному GWP (~1 проти 427/600 для C₄-PFN). Натомість, суміші CO₂/C₄-PFN пропонують нижчу мінімальну температуру роботи (приблизно –25 °C) порівняно з сумішами CO₂/C₅-PFK (приблизно –5 °C).

6. 40.5кВ 72.5кВ 145кВ 170кВ 245кВ Безрезервуарний вакуумний відключувач

Опис:

Безрезервуарні вакуумні відключувачі на 40.5кВ, 72.5кВ, 145кВ, 170кВ та 245кВ є важливими захисними пристроями для високовольтних електроенергетичних систем. Використовуючи вакуум як середовище для гашення дуги та ізоляції, вони мають виняткові здатності до гашення дуги, швидко переривають аварійні струми та ефективно запобігають повторному згорянню дуги, забезпечуючи стабільну роботу електроенергетичної системи. Безрезервуарна конструкція пропонує компактні розміри та надійну механічну стійкість, сприяючи встановленню та обслуговуванню. Обладнані високо надійними пружними приводами, ці відключувачі мають механічний термін служби, що перевищує 10 000 операцій, забезпечуючи швидкі та точні відгуки. З винятковою адаптивністю до навколишнього середовища, вони можуть стабільно працювати в поганіх зовнішніх умовах. Широко застосовуються в підстанціях, лініях передачі та інших сценаріях, вони забезпечують ефективне та безпечне управління комутацією електроенергії та надійну захист на різних рівнях напруги.

Основне представлення функцій:

• Ефективне гасіння дуги: Використовується вакуум для швидкого та надійного гасіння дуги, що запобігає повторному запалюванню.

• Широкий діапазон напруг: Доступні моделі на 40.5кВ, 72.5кВ, 145кВ, 170кВ та 245кВ для різноманітних застосувань в електромережах.

• Міцна конструкція з нерухомим резервуаром: Компактна структура забезпечує механічну стабільність та спрощує монтаж та обслуговування.

• Надійна робота: Механізм працює на основі пружини, має більше 10 000 циклів механічної витривалості.

• Покращене уплотнення: Двократне уплотнення фланцем забезпечує водонепроникність та газонепроникність, що ідеально підходить для використання на вулиці.