Элегаз широко используется в системах передачи и распределения электроэнергии, например, в распределительных устройствах с газовой изоляцией (КРУЭ), высоковольтных выключателях и выключателях нагрузки. Он сочетает в себе уникальную электрическую изоляцию и возможность отключения дуги.
Тем не менее, гексафторид серы — сильный парниковый газ с коэффициентом глобального потепления (GWP) около 23500 в течение 100 лет, и его использование и выбросы регулируются с дальнейшим ограничением.
Следовательно, поиск альтернативных газов для использования в энергетике продолжается так же, как и 20-лет назад.
Альтернативные газы
В 1997 году был принят Киотский протокол, который вступил в силу в 2005 году.
В последующие годы были определены важные требования к альтернативным газам:
- Низкий коэффициент глобального потепления (ПГП) и нулевой потенциал истощения озонового слоя (ОРС);
- Низкая токсичность и невоспламеняемость;
- Высокая диэлектрическая прочность, способность дуги к закалке и теплоотводящие свойства;
- Стабильность и совместимость материалов;
- Наличие на рынке.
Из различных газов природного происхождения CO2 является наиболее перспективным дугогасительным газом, с улучшенными эксплуатационными характеристиками за счет некоторых добавок.
Однако коммутационные и диэлектрические характеристики у CO2 ниже, чем у SF6.
Другие газы были идентифицированы как фторированные газы, такие как CF3I, перфторкетоны (например, C5F10O) и фторнитрилы (например, C4F7N).
Принимая во внимание все требования, наиболее перспективными кандидатами на сегодняшний день являются перфторокетон C5 (CF3C(O)CF(CF3)2 или C5-PFK) и перфторонитрил изо-C4 ((CF3)2-CF-CN или C4-PFN).
Диэлектрические характеристики чистых газов обычно зависят от температуры кипения, то есть газы с высокой диэлектрической прочностью обычно также имеют высокую температуру кипения. Для C5-PFK и C4-PFN точки кипения при 0,1 МПа составляют 26,5 ° C и -4,7 ° C соответственно.
Таким образом, для применения в распределительных устройствах, где при низких температурах требуется достаточно низкая точка кипения, необходима примесь буферного газа. Для этой роли в ВН подошел CO2 из-за его хорошей способности к дугогашению.
В классе среднего напряжения чистый воздух в комбинации с C5-PFK также предложен в качестве газа для изоляции.
Концентрация C5-PFK и C4-PFN, и тем самым производительность смесей, зависит от минимальной требуемой рабочей температуры распределительного устройства. Предлагается дополнительный альтернативный подход в использовании воздуха для изоляции.
В качестве возможных кандидатов рассматриваются воздух, N2, CO2, перфторуглерод (PFC), гидрофторуглерод (HFC), газовые смеси. Эти газы не обладают высокой диэлектрической прочностью, но имеют более низкий ГВП, чем SF6, а их температура кипения ниже 0 ˚C.
В настоящее время изучаются другие подходы к применению новых альтернативных газов с низким ПГП в газоизолированных системах.
Это газы CF3I, фторнитрил (C4F7N) и фторкетоны, которые предлагается использовать в качестве смесей с CO2 и O2. Эти газы обладают более высокой диэлектрической прочностью и более высокой температурой кипения, чем SF6.
Рисунок 1: Диэлектрическая прочность в зависимости от температуры кипения газов
Изучение любых альтернативных предложений должно выходить за рамки технических характеристик и обеспечивать комплексную оценку. Эти условия включают безопасность, надежность, долговременную стабильность, воздействие на здоровье и окружающую среду. Краткое изложение их результатов можно увидеть на рисунке 2.
Рисунок 2: Результат комплексной оценки альтернативных сред SF6
Несмотря на то, что воздействие SF6 на окружающую среду было изучено в течение десятилетий, были значительные трудности в поиске альтернативной среды, которая не только соответствовала бы техническим характеристикам SF6, но и могла бы обеспечить такое же компактное решение для обслуживания.
Потенциальный кандидат должен иметь низкий ПГП, а также соответствовать определенным критериям, которые должно иметь распределительное устройство.
Необходимые критерии:
Высокая диэлектрическая прочность;
Высокая теплоотдача;
Низкая точка кипения;
Низкая токсичность;
Возможность быстрого дугового гашения;
Отсутствие разрушения озона (ODP);
Невоспламеняемость;
Совместимость с материалами (не вызывает коррозии);
Химически инертен;
Габариты оборудования аналогичны таким с SF6;
Высокая стабильность;
Наличие на рынке;
Простота в обращении во время работ по техническому обслуживанию.
В таблице 1 приведены основные технические характеристики альтернативных чистых газов sF6:
Таблица 1: Свойства чистых сред, рассмотренных для альтернатив SF6
| SF6 | CO2 | C5-ПФК | C4-PFN | HFO1234zee |
номер CAS | 2551-62-4 | 124-38-9 | 756-12-7 | 42532-60-5 | 1645-83-6 |
Температура кипения (°C) | -64 | -78.5 | 26.5 | -4.7 | -19 |
ГВП | 23900 | 1 | <1 | 2100 | 6 |
ODP | Нет | Нет | Нет | Нет | Нет |
Воспламеняемость | Нет | Нет | Нет | Нет | Да |
Диэлектрическая прочность (относительно SF6) | 1 | 0.3 | 1.4 | 2 | 0.8-0.9 |
Токсичность (промилле) | 1000 | 5000 | 225 | 65 | 800 |
Потенциальный изолятор | — | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
Потенциальный дугогаситель | — | ✓ | X | ✓ | X |
TRL | 9 | 8-9 | 7 | 6 | 3 |
Чистые среды, разработанные компанией 3М, были смешаны с обычными газами, такими как воздух, азот и углекислый газ, чтобы снизить температуру кипения чистых продуктов и сделать их пригодными для применения в распределительных устройствах; однако это привело к снижению диэлектрической прочности.
Кроме того, количество чистого CO2 было снижено в качестве жизнеспособной альтернативы для целей данного исследования, в связи с увеличением физических габаритов распределительного устройства по сравнению с аналогичным устройством SF6.
Доступная на рынке технология распределительных устройств среднего напряжения по альтернативным газам:
Распределительные устройства модели АББ- AirPlus:
AirPlus разработан совместно компаниями 3М и ABB, он представляет собой фторокетон (C5-PFK).
Как и в случае с другими экологически чистыми газами, добавление фтора увеличивает диэлектрическую способность за счет повышения температуры кипения. Впоследствии для снижения температуры кипения требуется буферная смесь.
Для конструкций среднего напряжения Novec 5110 смешивается с сухим воздухом.
При высоком напряжении добавляют CO2 и сухой воздух для улучшения электрических свойств газа.
Компания АББ разработала в качестве прибора среднего напряжения газоизолированный внутренний RMU, который работает при 24 кВ с номинальным напряжением 630 А.
В этом изделии используется AirPlus в качестве изолирующей среды для компонентов, находящихся под напряжением, и отключения электрического тока в вакууме.
Кроме того, компания АББ также разработала систему SafeRing Air, которая использует сухую воздушную изоляцию до 11 кВ.
Оба продукта имеют те же физические размеры, что и SafeRing, изолирующие RMU SF6 компании АББ.
На рисунке 3 мы показано распределительное устройство среднего напряжения ABB ZX2 AirPlus:
Рисунок 3: Распределительное устройство среднего напряжения ABB ZX2 AirPlus
Технология чистого воздуха и вакуума SIEMENS:
Распределительное устройство среднего напряжения фирмы SIEMENS, не требующие в качестве изолирующего газа SF6: 8DA.
В качестве изолирующего газа в системе используется чистый воздух, состоящий только из натуральных компонентов окружающего воздуха.
Распределительное устройство является новым дополнением к продуктам 8DA и 8DB, и также работает по технологии вакуумного переключения. Вакуумный блок обеспечивает переключение и дугогашение, в то время как природный газ изолирует токоведущие проводники внутри корпуса распределительного устройства с металлическими колпачками и газовой изоляцией (ГИС). Эта система после типовых испытаний используется для изменения параметров больших токов на уровне первичного распределительного устройства.
GE - g3:
Соединение g3, разработанное в сотрудничестве GE и 3M, прошло типовые испытания и доступно на рынке. Как и в AirPlus, для снижения температуры кипения требуется наличие буферной смеси.
Для конструкций оборудования среднего напряжения, Новек 471010 (C4-PFN) смешивается с азотом.
При высоких температурах CO2 смешивается с азотом для улучшения электрических свойств газа.
Технически установлено, что g3 обладает характеристиками, сходными с SF6, например, он способен обеспечивать ту же диэлектрическую прочность, что и SF6 в условиях окружающей среды.
Нувентура - синтетический воздух:
Нувентура представила свой продукт, использующий синтетический воздух в качестве изолятора с учетом компактности распределительных устройств, что соответствует типичной ширине решений с SF6.
Кроме того, предполагается, что капитальные и эксплуатационные расходы будут ниже по сравнению с распределительными устройствами SF6, на 7-10%, из-за отсутствия необходимости в процедурах обращения с газом или газовых нормативах; их продукт способен работать при напряжении 12-36 кВ.
Твердая изоляция:
Некоторые производителей предложили традиционную технологию отключение вакуумного прерывания в качестве альтернативной среды отключения для газа SF6, которая была доступна в течение нескольких лет.
Такие компании, как Eaton, Schneider, ABB и Lucy, имеют в наличии серийное оборудование, способное отключать токи короткого замыкания среднего напряжения.
В то время как в некоторых продуктах в качестве изоляционной среды до сих пор используется SF6, в других, таких как Eaton и Schneider, разработана технология, не содержащая элегаза, с применением сплошной изоляции.
Такая технология может иметь дополнительные препятствия, например, размещение альтернативных компонентов в распределительном устройстве, что может противоречить текущим процедурам монтажа установки.
Результаты исследований и заключение.
Исследования показали, что в настоящее время для замены SF6 в автоматических выключателях доступны альтернативные решения.
AirPlus и g3 в настоящее время проходят испытания в сетях с напряжением и были протестированы в соответствии со спецификациями МЭК.
Кроме того, технология вакуумного дугогашения была достаточно хорошо изучена многими компаниями, которые предлагают коммерческие продукты с различными изоляционными средами.
Альтернативные SF6 газы включают твердую эпоксидную смолу и обычные природные газы. В качестве возможной альтернативы изоляции был также исследован HFC1234zee. Наконец, Нувентура предложила технологию, используя сухой воздух в компактном решении.
Поэтому изоляционными альтернативами газа SF6, которые могут быть рассмотрены для ретрофита в уже существующих распределительных устройствах в лабораторных условиях, являются AirPlus, g3, HFC1234zee и твердая эпоксидная смола.
Дугогасительными альтернативами для SF6, которые можно было бы рассматривать для повторной установки в существующие распределительные устройства в лабораторных условиях, являются g3 и вакуумные технологии.
Также эти основные технические точки зрения должны быть рассмотрены в альтернативных газах:
- основные и практические свойства газов (смеси N2, CO2 и N2 / SF6) для потенциальных систем с газовой изоляцией; например, изоляция, методы диагностики и мониторинга ЧР;
- небольшие способности отключения тока с помощью разъединителей и заземлителей,
- возможность переработки потенциальных газов и примеры применения для потенциальных систем с газовой изоляцией.
Альтернативные диэлектрические (рутинные) испытания с использованием потенциальных газов и пригодных для повторного использования изоляционных материалов и их повторного использования для улучшенных систем с элегазовой изоляцией.