Xu hướng phát triển mới nhất của cầu chì điện áp cao dựa trên khí thay thế SF₆
1. Giới thiệu
SF₆ được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền tải và phân phối điện, chẳng hạn như thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí (GIS), máy ngắt mạch (CB) và các công tắc tải trung áp (MV). Khí này sở hữu khả năng cách điện và dập hồ quang đặc biệt. Tuy nhiên, SF₆ cũng là một loại khí nhà kính mạnh, có tiềm năng gây nóng lên toàn cầu khoảng 23.500 lần so với CO₂ trong khung thời gian 100 năm, do đó việc sử dụng khí này bị quản lý chặt chẽ và đang tiếp tục được thảo luận về các hạn chế. Do đó, nghiên cứu về các loại khí thay thế cho ứng dụng trong lĩnh vực điện đã được thực hiện trong khoảng hai thập kỷ.
"Club Zéro" (CZC), hợp tác cùng CIGRE, gần đây đã khởi xướng một sáng kiến nhằm đánh giá hiện trạng các loại khí thay thế SF₆ cho các ứng dụng đóng cắt. Một cuộc khảo sát đã được thực hiện để thu thập tất cả tài liệu mới nhất hiện có về chủ đề này. Các kết quả đã được trình bày và thảo luận tại một phiên họp chung trong Hội nghị CIGRE năm 2016. Bài báo này trình bày những phát hiện chính từ cuộc khảo sát đó. Vì công nghệ đóng cắt chân không là một hoạt động riêng biệt đang diễn ra nên nó sẽ không được đề cập trong bài tổng quan này.
2. Các khí thay thế
Sau khi Nghị định thư Kyoto được thông qua vào năm 1997, nghiên cứu về các khí thay thế đã gia tăng mạnh mẽ và tiếp tục được đẩy mạnh trong thập kỷ qua. Các yêu cầu chính đối với khí thay thế bao gồm: tiềm năng làm nóng lên toàn cầu thấp (GWP), tiềm năng suy giảm tầng ôzôn bằng không (ODP), độc tính thấp, không cháy, độ bền điện môi cao, khả năng dập hồ quang và tản nhiệt tốt, ổn định hóa học, tương thích vật liệu và sẵn có trên thị trường.
Trong số các loại khí tự nhiên được nghiên cứu, CO₂ đã chứng minh là khí dập hồ quang triển vọng nhất, hiệu suất của nó có thể được cải thiện nhờ các chất phụ gia như O₂ hoặc CF₄. Tuy nhiên, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng cả khả năng cắt và cách điện của CO₂ đều kém hơn so với SF₆. Các ứng cử viên khác đáng chú ý được tìm thấy trong nhóm các khí flor hóa, chẳng hạn như CF₃I, hydrofluoroolefin (HFO-1234ze và HFO-1234yf), perfluoroketone (ví dụ: C₅F₁₀O), perfluoronitrile (C₄F₇N), ether flor hóa (HFE-245cb2), epoxy flor hóa và hydrochlorofluoroolefin (HCFO-1233zd).
Xét theo tất cả các yêu cầu, các ứng cử viên triển vọng nhất hiện nay là perfluoroketone C₅ (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ hoặc C₅-PFK) và perfluoronitrile iso-C₄ ((CF₃)₂CF-CN hoặc C₄-PFN). Đối với các khí nguyên chất, hiệu suất điện môi tỷ lệ thuận với điểm sôi – nghĩa là các khí có độ bền điện môi cao thường cũng có điểm sôi cao. Ở áp suất 0,1 MPa, điểm sôi của C₅-PFK và C₄-PFN lần lượt là 26,5°C và –4,7°C. Do đó, đối với các ứng dụng thiết bị đóng cắt yêu cầu điểm sôi đủ thấp để đáp ứng nhu cầu vận hành ở nhiệt độ thấp, cần phải thêm khí đệm. Do CO₂ có khả năng dập hồ quang tốt, nên được chọn làm khí đệm trong các ứng dụng điện áp cao. Trong các ứng dụng trung áp, không khí cũng đã được báo cáo là khí đệm được sử dụng kết hợp với C₅-PFK nhằm mục đích cách điện.
3. Tính chất của khí nguyên chất và hỗn hợp khí
Bảng 1 trình bày các tính chất của một số khí thay thế được chọn so với SF₆. Các GWP của các khí này khác nhau đáng kể: C₄-PFN có GWP cao hơn nhiều so với CO₂ hoặc C₅-PFK, cả hai loại khí sau đều có GWP khoảng 1. Tất cả các khí ứng cử viên quan tâm đều không cháy, có ODP bằng không và được báo cáo là không độc hại theo các bảng dữ liệu kỹ thuật và an toàn do các nhà sản xuất hóa chất cung cấp. Độ bền điện môi của C₄-PFN và C₅-PFK nguyên chất gần gấp đôi so với SF₆. Điện áp chịu đựng điện môi của CO₂ tương đương với không khí – tức là thấp hơn đáng kể so với SF₆.
Bảng 1: So sánh các tính chất khí nguyên chất với SF₆
| 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 |
Bảng 2 cho thấy các đặc tính của khí và hỗn hợp khí khi được sử dụng trong thiết bị đóng cắt. Nồng độ của C₄-PFN và C₅-PFK trong hỗn hợp với khí đệm được đưa ra trong cột thứ hai, thường dưới 13% (nồng độ mol). Cần lưu ý rằng khi sử dụng C₅-PFK trong CO₂, cũng đã có báo cáo về việc thêm chất oxy, vì sự hiện diện của oxy có thể giảm thiểu sự hình thành các sản phẩm phụ có hại (như CO) và các sản phẩm phụ rắn (như khói).
Bảng 2: Đặc tính/Hiệu suất của Khí Tinh Khiết và Hỗn Hợp Khí trong Ứng Dụng Thiết Bị Đóng Cắt Trung và Cao Áp
| 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 |
Do áp suất làm việc tối thiểu của các hỗn hợp so với SF₆ ở cùng một áp suất (Cột 6) giảm đi, áp suất làm việc tối thiểu cho C₅-PFK và C₄-PFN sử dụng CO₂ làm khí đệm trong các ứng dụng điện áp cao cần được tăng lên khoảng 0,7–0,8 MPa. Đối với các ứng dụng điện áp trung bình sử dụng hỗn hợp không khí/C₅-PFK, có thể duy trì áp suất 0,13 MPa, đạt được điện áp chịu đựng cách điện gần bằng SF₆.
Điện áp chịu đựng cách điện cao đạt được với tỷ lệ pha trộn tương đối thấp của C₄-PFN hoặc C₅-PFK có thể được giải thích bởi hiệu ứng cộng hưởng—tức là, cường độ điện trường tăng phi tuyến theo nồng độ chất phụ gia, hiện tượng này đã được quan sát trước đó trong các hỗn hợp SF₆/N₂. GWP của các hỗn hợp C₅-PFK là không đáng kể, nhưng điều này đi kèm với chi phí là nhiệt độ làm việc tối thiểu cao hơn. Các ứng dụng nhiệt độ thấp (ví dụ: –25°C) có thể được giải quyết bằng cách sử dụng CO₂ tinh khiết hoặc hỗn hợp CO₂ + C₄-PFN, mặc dù có những nhược điểm: điện áp chịu đựng cách điện giảm đáng kể trong trường hợp CO₂ tinh khiết, hoặc GWP tăng đáng kể khi sử dụng hỗn hợp C₄-PFN.
4. Hiệu suất chuyển mạch của các khí thay thế
Bảng 3 tổng hợp thông tin sơ bộ về hiệu suất chuyển mạch của CO₂ tinh khiết và các hỗn hợp dựa trên CO₂, với hiệu suất của SF₆ được cung cấp để so sánh. Bằng cách tăng áp suất làm việc so với SF₆, sức chịu đựng cách điện lạnh—được sử dụng, ví dụ, như một chỉ số cho hiệu suất chuyển mạch điện dung—có thể được nâng lên mức của SF₆.
Bảng 3: So sánh hiệu suất chuyển mạch của các khí và hỗn hợp khí ở áp suất làm việc cao so với SF₆ trong các ứng dụng điện áp cao
| Khí | Áp suất hoạt động [MPa] | Độ bền điện / pu | Hiệu suất SLF so với 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 | Gần như SF₆ | 0.8…0.87 | Gần như SF₆ |
| CO₂/C4-PFN | 0.67…0.82 | Gần như SF₆ | 0.83…(1) | Gần như SF₆ |
Trong các tài liệu được xem xét, chỉ có những tuyên bố định tính về hiệu suất chuyển mạch của hỗn hợp C₄-PFN và C₅-PFK. Đối với CO₂, một số so sánh định lượng có sẵn. Nói chung, với CO₂ tinh khiết ở áp suất nạp tăng khoảng 1 MPa, hiệu suất cách điện và ngắt dòng ngắn (SLF) khoảng hai phần ba so với SF₆ có thể được mong đợi.
Bằng cách thêm O₂ vào CO₂ (với tỷ lệ pha trộn lên đến 30%), có thể dự đoán sự cải thiện về hiệu suất ngắt dòng SLF và tăng nhẹ sức chịu điện. Việc thêm C₄-PFN hoặc C₅-PFK vào CO₂ cho phép hiệu suất cách điện tiếp cận với SF₆. Các nghiên cứu báo cáo rằng hiệu suất chuyển mạch SLF của hỗn hợp CO₂/O₂/C₅-PFK thấp hơn khoảng 20% so với SF₆. Ngược lại, các cầu dao được điều chỉnh đặc biệt cho hỗn hợp CO₂/C₄-PFN đã được tuyên bố đạt được hiệu suất SLF tương đương với SF₆.
Tuy nhiên, cũng có các nghiên cứu so sánh trực tiếp CO₂ tinh khiết với các hỗn hợp CO₂/C₄-PFN và CO₂/C₅-PFK trong cùng điều kiện hình học và áp suất, cho thấy hiệu suất ngắt dòng gần (nhiệt) tương tự cho CO₂ có hoặc không có chất phụ gia. Với các sửa đổi thiết kế nhỏ hoặc giảm tải nhẹ, các hỗn hợp mới đã vượt qua thành công các bài kiểm tra IEC L90 (SLF) và T100 (lỗi cuối 100%), cho thấy hiệu suất chuyển mạch của chúng không thua kém đáng kể so với SF₆. Điều này cũng đã được chứng minh cho chức năng ngắt dòng của cầu dao.
Các cải tiến tiếp theo về hiệu suất chuyển mạch thông qua tối ưu hóa thiết kế chuyên dụng được kỳ vọng trong tương lai. Một vấn đề quan trọng là độc tính của khí sau khi phóng hồ quang. C₅-PFK và C₄-PFN là các phân tử phức tạp bắt đầu phân hủy ở nhiệt độ trên khoảng 650 °C trong trường hợp C₄-PFN. Khi phân hủy, các phân tử này không tái hợp thành cấu trúc ban đầu mà tạo ra các phân đoạn nhỏ hơn. Đã có báo cáo về tốc độ phân hủy 0,5 mol/MJ cho hỗn hợp CO₂/O₂/C₅-PFK dưới chế độ ngắt dòng cường độ cao. Đối với phóng điện cục bộ, tốc độ phân hủy được quan sát thấp hơn hơn một bậc so với giá trị trên.
Hành vi phân hủy của các khí mới này không thể so sánh trực tiếp với SF₆, vốn phân hủy chủ yếu do phản ứng hóa học với vật liệu tiếp xúc và vòi bị bóc mòn. Đối với các khí mới, phân hủy trong suốt thời gian sử dụng thiết bị không được coi là vấn đề quan trọng, nhưng nên giám sát hoặc kiểm tra định kỳ nồng độ khí trong thiết bị. Các sản phẩm phân hủy độc hại nhất trong các ứng dụng áp suất cao (tức là, các hỗn hợp với CO₂) là CO và HF. Các sản phẩm phụ của hồ quang từ các hỗn hợp này được coi là có độc tính tương đương hoặc thấp hơn so với SF₆ đã phân hủy do hồ quang. Do đó, các thủ tục xử lý tương tự như đối với SF₆ đã phơi nhiễm hồ quang được khuyến nghị.
Tuy nhiên, cần lưu ý rằng các tuyên bố trên dựa trên kiến thức hạn chế về độc tính của các khí mới này. Cần nhiều kinh nghiệm hơn về độc tính sau hồ quang của các lựa chọn thay thế tiềm năng cho SF₆. Các lo ngại khác được báo cáo bao gồm tương thích vật liệu (ví dụ: tác động lên gioăng và mỡ), tính toàn vẹn của việc niêm phong khí, và các thủ tục xử lý khí. Do đó, không nên kỳ vọng rằng thiết bị điện áp cao hiện tại sẽ hoạt động an toàn với các khí mới này mà không có các sửa đổi thiết kế hoặc vật liệu phù hợp.
Các bài kiểm tra hồ quang nội bộ đã được thực hiện với tất cả các hỗn hợp, và không có vấn đề nghiêm trọng nào được báo cáo. Khả năng dẫn nhiệt của các hỗn hợp hơi kém hơn so với SF₆, điều này có thể đòi hỏi giảm tải nhẹ hoặc điều chỉnh thiết kế cho khả năng truyền tải dòng điện. Các cầu dao CO₂ có bình chết đã có kinh nghiệm thực tế, với việc triển khai bắt đầu vài năm trước, và các cầu dao chứa CO₂ hiện đã có sẵn thương mại.
Các hệ thống thí điểm sử dụng hỗn hợp C₅-PFK ở điện áp cao và trung bình đã hoạt động thành công ở Thụy Sĩ và Đức kể từ năm 2015. Các dự án thí điểm sử dụng hỗn hợp CO₂/C₄-PFN đang được lên kế hoạch hoặc đang thực hiện ở một số nước châu Âu, bao gồm GIS trong nhà 145 kV ở Thụy Sĩ, biến dòng ngoài trời 245 kV ở Đức, và các hệ thống GIL ngoài trời 420 kV ở Anh và Scotland.
5. Kết luận và Triển vọng
Thông tin được công bố về các khí thay thế cho SF₆ trong các ứng dụng chuyển mạch đã được xem xét. Ở giai đoạn hiện tại, nghiên cứu này vẫn còn ở giai đoạn sơ khai và ít rộng rãi hơn so với khối lượng công trình kéo dài hàng thập kỷ về SF₆. Dữ liệu từ các nhà sản xuất cho thấy các khí mới - như C₅-PFK và C₄-PFN - là các lựa chọn khả thi, khi được pha trộn với CO₂ làm khí đệm, có thể phần nào đạt được hiệu suất của SF₆, mặc dù chúng có thể không sao chép đầy đủ tất cả các khả năng của SF₆.
Các khác biệt chính nằm ở hiệu suất cách điện và ngắt dòng, cũng như điểm sôi - xác định nhiệt độ hoạt động tối thiểu được chỉ định của thiết bị chuyển mạch. Nhiệt độ hoạt động tối thiểu thấp (ví dụ: –50 °C) có thể đạt được với CO₂ tinh khiết. Tuy nhiên, CO₂ dường như có hiệu suất ngắt dòng thấp hơn nói chung, đặc biệt là về khả năng chịu đựng đỉnh điện áp phục hồi và khả năng ngắt dòng, so với các hỗn hợp khí chứa C₄-PFN hoặc C₅-PFK.
Một lợi thế của hỗn hợp CO₂/C₅-PFK so với hỗn hợp CO₂/C₄-PFN là GWP không đáng kể (~1 so với 427/600 cho C₄-PFN). Ngược lại, các hỗn hợp CO₂/C₄-PFN cung cấp nhiệt độ hoạt động tối thiểu thấp hơn (khoảng –25 °C) so với các hỗn hợp CO₂/C₅-PFK (khoảng –5 °C).
6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV Dead tank Vacuum Circuit-Breaker
Mô tả:
Cầu dao chân không 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV, và 245kV là các thiết bị bảo vệ quan trọng cho các hệ thống điện áp cao. Sử dụng chân không làm môi trường dập hồ quang và cách điện, chúng có khả năng dập hồ quang tuyệt vời, ngắt nhanh dòng điện lỗi và ngăn chặn hiệu quả sự tái kích hồ quang để đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống điện. Thiết kế bình chết cung cấp diện tích nhỏ gọn và độ ổn định cơ học mạnh mẽ, giúp thuận tiện cho việc lắp đặt và bảo dưỡng. Được trang bị cơ cấu vận hành lò xo cực kỳ đáng tin cậy, các cầu dao này có tuổi thọ cơ học vượt quá 10.000 lần vận hành, mang lại phản ứng nhanh chóng và chính xác. Với khả năng thích nghi môi trường xuất sắc, chúng có thể hoạt động ổn định trong điều kiện ngoại vi khắc nghiệt. Được áp dụng rộng rãi trong các trạm biến áp, đường dây truyền tải, và các tình huống khác, chúng cung cấp kiểm soát chuyển mạch điện hiệu quả và bảo vệ đáng tin cậy ở các mức điện áp khác nhau.
Giới thiệu chức năng chính:
Tiêu diệt hồ quang hiệu quả: Sử dụng chân không để tiêu diệt hồ quang nhanh chóng và đáng tin cậy, ngăn chặn sự tái đốt.
Phạm vi điện áp rộng: Có sẵn ở các mức định mức 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV và 245kV cho nhiều ứng dụng lưới điện.
Thiết kế thùng chết chắc chắn: Cấu trúc nhỏ gọn đảm bảo độ ổn định cơ học và đơn giản hóa việc lắp đặt/bảo trì.
Hoạt động đáng tin cậy: Cơ chế hoạt động dựa trên lò xo với hơn 10.000 chu kỳ chịu đựng cơ học.
Tăng cường kín: Thiết kế mặt bích kín kép mang lại khả năng chống nước và kín khí, lý tưởng cho sử dụng ngoài trời.
