Алтернативи на газовата SF6 изолация

Газът SF6 (елегаз) става достъпен в лабораторни количества в края на 40-те години на миналия век. Производството в голям мащаб започва около 1953 година. През 60-те години на ХХ век са били налице редица проекти за прекъсвачи за високо напрежение с елегаз. Преобладаващо те са били така наречените конструкции "с две налягания", при които за изолационни цели се използва газ с относително ниско налягане, а за прекъсване на тока се използва система с високо налягане. В началото тези агрегати са имали относително високо изтичане на газ. Тъй като опитът с SF6 при високоволтовите прекъсвачи нараства, производителите въвеждат дизайн с "едно налягане" и подобряват технологиите за капсуловане, намалявайки значително степента на изтичане. Съвременните прекъсвачи за високо напрежение с SF6 изолация имат нива на изтичане под 0,1% годишно.

Текст: списание Енергия

снимка: ABB

Молекулата на SF6 има шест флуорни атома, поставени симетрично около един серен атом. Симетричното подреждане води до изключителна стабилност, много висока диелектрична способност и приблизително три пъти по-голяма диелектричната якост на въздуха при атмосферно налягане. В резултат на това оборудването, което използва елегаз като изолационна среда може да бъде значително по-компактно от това, използващо въздух като изолационна среда. Някои от физическите свойства на SF6 газа включват безцветност, без мирис, нетоксичен, незапалим, инертен, некорозивен, термично стабилен (не се наблюдава разлагане под 500°C), плътност приблизително 5 пъти по-голяма от тази на въздуха.

SF6 е силно електрически негативен газ, предимство както за диелектричните характеристики, така и за прекъсванията на електрическата дъга. Това означава, че неговата молекула има силен електронен афинитет, т. е. тя има тенденция да хваща свободни електрони и да изгражда силно отрицателни йони, които не се движат бързо. Това предотвратява (или най-малко забавя) електронната лавина, която предшества електрическата дъга. Елегазът е "самовъзстановяващ се" диелектрик и това го прави изключително подходящ като среда за комутация. Диелектричната якост на газа не намалява поради разпадане, каквото се получава при прекъсване на дъга или искрене. Той има отлични охлаждащи свойства при температури, свързани с гасенето на дъгата, тъй като газът използва енергия, когато се разпада. Процесът е обратим, така че почти целия SF6 газ се рекомбинира след прекъсване. По този начин много малко от него се "изчерпва" по време на прекъсването, особено при прекъсване на обикновените (товарни) токове.

Използване на SF6

В електрическото оборудване SF6 се използва в почти всички високоволтови прекъсвачи (над 36kV), като газово изолирани подстанции (GIS) и газово изолирани линии (GIL), които са изключително подходящи за градски приложения за пренос и разпределение на енергия. В областта на средното напрежение (до 36kV), елегазът се използва в прекъсвачи с относително оскъдни прекъсвания. В тези приложения SF6 позволява изключително компактни комутационни устройства, капсулована конструкция и много ниска поддръжка.

Проблеми с околната среда

Парниковите газове (GHG) са в основата на "парниковия ефект", който причинява изменението на климата в целия свят поради драстично увеличените емисии. В Протокола от Киото са изброени шест газа с доказан ефект върху околната среда: въглероден диоксид (СО2) главно от потреблението на изкопаеми горива; азотен оксид (N2O) и метан (СН4) главно от селското стопанство; серен хексафлуорид (SF6), перфлуоровъглероди (PFCs) и хидрофлуоровъглероди (HFCs) главно от промишлеността. SF6 няма въздействие върху намаляването на озоновия слой, но има значителен ефект върху изменението на климата.

През последните години елегазът е дискутиран широко в сферата на околната среда. Той се приeма за много силен парников газ, има атмосферен живот от около 3200 г. и потенциал за глобално затопляне (на 100 годишна база) от 23,900 пъти от този на СО2. Работна група по CIGRE е направила проучване за използването на SF6 в електрическата промишленост и изчислява, че емисиите на елегаз в атмосферата представляват приблизително 0,1% от общия потенциал за глобално затопляне за същия период от време. Основната причина за слабото въздействие върху глобалното затопляне е, че той се използва в "затворена система". Отчасти поради цената на газа и главно за намаляване на въздействието върху околната среда, той е "защитен" старателно на всички етапи по време на жизнения цикъл. Процесите се контролират по време на производството, за да се гарантира, че загубите на газ се свеждат до минимум. Комутационното устройство е проектирано така, че изтичането на газ през неговия живот да е минимално. В края на жизнения цикъл използвания SF6 газ се изпраща за възстановяване и преработка за повторна употреба.

Алтернативи за SF6

Благодарение на отличните си свойства за електрическа изолация и прекъсване на дъгата, SF6 газа дава възможност за безопасни и надеждни операции, като същевременно е възможно да се намали значително размера на комутационната апаратура. Елегазът обаче е парников газ и разходите за управление на жизнения цикъл, които се поемат при обработката, се увеличават когато се извеждат от експлоатация стари подстанции. Тези разходи ще се увеличат допълнително, тъй като търсенето на електроенергия и следователно напълнените с газ преносни системи за високо и средно напрежение се увеличава. Този фактор прави още по-спешно търсенето на природосъобразна алтернатива на SF6.

Компанията ABB вече е разработила и пуснала в експлоатация въздушно изолирани високоволтови прекъсвачи, които използват въглероден диоксид (CO2) като изолационна и дъгогасителна среда и компактни разпределителни уредби (RMU), които използват въздух за изолация. Тези решения обаче са само част от картината - необходима е алтернатива на SF6, която може да се използва в по-широка област от приложения.

Основните технически параметри за изолационния газ в разпределителната уредба са неговите диелектрична якост и възможности за гасене на дъгата. За използването му в GIS има други, по-малко очевидни, но също толкова важни свойства - като ниска точка на кипене, ниска токсичност, стабилност, ниска запалимост, потенциал за изчерпване на озона и много нисък потенциал за глобално затопляне (GWP). GWP се изразява като съотношението на количеството топлина, уловена от определена маса на газа към количеството уловено от подобна маса на СО2. Тя се изчислява за определен период от време - обикновено 20, 50 или 100 години. За да се намери подходяща алтернатива за SF6, са положени значителни усилия от изследователски групи по целия свят. За подпомагане на търсенето за подмяната на SF6 са разработени ефективни изчислителни процедури за отделяне на молекули, подходящи за високоволтова изолация. Тези процедури включват виртуално отсяване на молекули за GWP, токсичност, запалимост и други, следвани от проучване на тяхната област на разпад и точка на кипене.

След дългогодишни проучвания е открита екологична алтернатива на SF6, която съответства на всички необходими свойства. Газовата смес се основава на продукт от 3M, наречена Novec 5110 Dielectric Fluid - перфлуориран кетон с пет въглеродни атома (C5 PFK). Доставя се като течност, изпарява се и се смесва по време на процеса на пълнене. Газовата смес, базирана на флуорокетони за приложения за разпределителни устройства, е наречена AirPlus. Тя съдържа флуорокетон, въглероден диоксид и кислород за високоволтови (ВН) GIS; флуорокетон, азот и кислород за GIS на средно напрежение (СН). Тази флуорирана молекула се разлага бързо под въздействието на ултравиолетова светлина в атмосфера с по-ниско налягане. Следователно атмосферният живот на молекулата е кратък (около 15 дни, спрямо 3200 години за SF6). Разлага се на CO2, който остава в атмосферата и други молекули, които се измиват. Количествата на двата елемента са ниски, така че приноса за глобалното затопляне е незначителен. Поради това GWP на новата газова смес е по-малък от 1, което е дори по-ниско от CO2 (GWP=1). Също така, флуорираната молекула е практически нетоксична, незапалима и не намалява озоновия слой. Лабораторните демонстрации са покзали високия потенциал на смесите на основата на флуорокетони като среда за превключване и прекъсване на дъгата при пренос и разпределение на електроенергия. Газовата смес не компрометира качеството и надеждността на оборудването и това е единствената налична изолация досега с GWP ≤1, която е тествана по стандартите на IEC и отговаря на критериите за експлоатация, подобни на тези, определени за SF6.

Grid Solutions, съвместно предприятие на компаниите GE и Alstom, е първата в света, която пуска чиста алтернатива на SF6 газ, който често се използва във високоволтовите съоръжения. Досега нямаше икономична алтернатива на елегаза при високите напрежения, която да има еквивалентни възможности за превключване и издържане на напрежение. Революционното решение g³ (зелен газ за мрежа), е било разработено съвместно с 3M™, лидер в екологично устойчиви решения. Тази газова смес има с 98% по-малко влияние върху глобалното затопляне, отколкото SF6. С производителност, сравнима с тази на елегаза, тя е подходяща технология за разработване на днешното ново поколение високоволтова апаратура.

Газова смес g³ е екологосъобразна, нетоксична, незапалима, която може да замени SF6 газа в разпределителни инсталации за високо напрежение с въздушно или газова изолация. Това решение отговаря на строгите спецификации на разпределителните устройства, включително издръжливост на напрежение, токово прекъсване, топлопредаване, работа при ниски температури, съвместимост с разпределителните материали, стабилност спрямо температура и време, лесна обработка за пълнене и зареждане, подобна конструктивна компактност на оборудването.

В технологичния изследователски център на Villeurbanne (Франция) са извършени тестове на реално оборудване за високо напрежение, за да се сравнят новите газови характеристики с тези на съществуващите SF6 решения за различни видове приложения. Газовата смес g3 демонстрира ефективност, сравнима с елегаз, която я прави подходяща технология за разработване на ново поколение високоволтово оборудване от 72kV до свръхвисоко напрежение.

GE и LSIS подписаха Меморандум за разбирателство (МР) за всеобхватно сътрудничество в областта на елекроенергията и интелигентните фабрични решения. Компаниите ще си сътрудничат в голяма степен с производствените иновации, както и с интелигентните мрежови решения като системи за съхранение на енергия (ESS) и микромрежи, включително екологични енергийни продукти.

Натискът за намаляване на емисиите на парникови газове продължава с Парижкото споразумение за изменението на климата. И двете компании съвместно ще разработят оборудване без SF6 специално в областта на газово изолирани шинопроводи (GIB) 400kV и газово изолирани подстанции (GIS) 170kV. LSIS очаква сътрудничеството с GE да ускори разработването на екологично съвместими комутационни устройства за битови електроенергийни системи.

На панаира в Хановер Alstom представи първите две високоволтови приложения, използващи газовата смес g3, която може да замени SF6 за високоволтови приложения с въздушно-изолирани (AIS) или газово изолирани разпределителни устройства (GIS). Alstom стана първата компания в света, която предлага на електрическата индустрия реална техническа и икономическа алтернатива на SF6.

Първото приложение е пилотен проект за шина за напрежение 420kV, с дължина 300 метра, снабдена с g3 газова изолация за използване при температури до -25°C. Газово изолираната шина по същество е концентрична система от цилиндрични заграждения и проводници, изолирани с газ под налягане. 

Второто приложение е токов трансформатор тип SKF за 245kV. Това оборудване за високо напрежение и за външни приложения използва g3 като изолационна среда, с възможност за достигане на температури до -30°C. Токовият трансформатор защитава подстанциите чрез осигуряване на точни и надеждни измервания на тока.  Тестовете са извършени успешно на реално високоволтово оборудване в съответствие с международните стандарти.

Газово изолирана разпределителна уредба ZX0 Air

Екоефективно газово изолирано разпределително устройство (GIS) за средно напрежение 12kV, за първично и вторично разпределение. ZX0 Air е зелена алтернатива, тъй като използва сух въздух вместо SF6 като изолационен газ, но предлага всички известни предимства на GIS: компактност, безопасност и надеждност.

Основните предимства са суха въздушна изолация с нулев глобален потенциал за затопляне (GWP); реален GIS дизайн: защитена от атмосферните условия чрез запечатано газово отделение; лесна замяна: същите компактни размери като доказания SafePlus с елегазова изолация; с възможност за използване в интелигентна мрежа: предлага се със сензорна технология и опции за цифрова комуникация; висока сигурност на персонала с вътрешна защита от дъга; голяма гъвкавост: предлага се като компактно, полумодулно и изцяло модулно разпределително устройство.

Комутационна апаратура без SF6 от Eaton

С глобално продуктово портфолио, Eaton разполага с разнообразни решения за комутационни апарати за средно напрежение, които използват екологични и безопасни изолационни материали. Тези алтернативни решения включват проектиране на разпределителни уредби с въздушна изолация и твърдо изолирани разпределителни устройства, които избягват използването на SF6 газ и могат да предложат по-ниска обща стойност на собствеността през целия жизнен цикъл на оборудването.

MMS е метално-затворена, въздушно-изолирана комутационна система с вакуумни прекъсвачи. Това е модулна система, която е разработена за приложения с двойна шина за напрежение до 24kV. Шкафовете са сглобени от модулни компоненти, състоящи се от панели за прекъсвачи и панели за свързване на шините.

FMX е КРУ с единична шина на Eaton, изолирана твърдо/с въздух комутационна апаратура за средно напрежение до 24kV. Системата осигурява надеждно превключване, защита, измерване и разпределение на електрическата енергия. Екологична с минимален брой компоненти и без използване на SF6 газ за превключване и изолация.

Твърдо изолирана комутационна апаратура от LSIS

Твърдо изолираната комутационна апаратура за средно напрежение е от епоксидно изолиран тип, която е проектирана специално в съответствие с политиката за екологична безопасност, без да се използва SF6 газ. Прекъсвачът, разединителя и заземителя са разположени в шкаф и са изолирани чрез епоксидна смола, разкривайки наистина екологичен и безпроблемен продукт с висока производителност.

Икономични и практични екологични устройства без SF6 газ. Безопасни чрез изолация на фазите и земята от външната повърхност, предотвратяване на неправилни манипулации чрез електрическа блокировка, лесни за управление поради модулност на всеки компонент. Надеждност реализирана чрез екологичен вакуумен прекъсвач, задвижване с постоянен магнит, предлагащо висока производителност и дълъг експлоатационен живот.

Прекъсвач за високо напрежение без SF6 от Siemens

Компанията Siemens е разработила своята съществуваща изолационна и дъгогасителна технология в съответствие с изискванията за неутралност на климата. Високоволтовите прекъсвачи и газово изолираните разпределителни устройства в областта на високото напрежение са с технология за вакуумно прекъсване и чист въздух за изолация. Те са подобрения на прекъсвачите и разпределителните устройства, които работят с елегаз като изолиращ, комутационен и дъгогасителен газ. Вакуумният прекъсвач превключва и изгася дъгата, докато технически подготвен и пречистен въздух в съотношение на смесване от 80% азот до 20% кислород (известен като чист въздух), осигурява изолацията на проводниците вътре в корпуса.

Технология за приложения при високо напрежение от ABB

ABB се ангажира да разработва екологично ефективни продукти, които намаляват използването на ресурсите и въздействието върху околната среда през целия им жизнен цикъл. Флуорокетановата алтернативна газова смес на SF6 е химическо съединение, разработено за приложенията на комутационните апарати от ABB в сътрудничество с 3M. Тя има диелектрични характеристики, подобни на SF6, когато се използват в закрити приложения, но с много нисък потенциал за глобално затопляне.  Новата газова смес също има адекватно токово прекъсване, но в това отношение SF6 е по-добър. Затова тя ще бъде разработена за приложения с номинално напрежение до 170kV, където токовете на късо съединение са под 50kA.

Електрическата изолация, термичното разсейване и ефективността на превключване вече са утвърдени и съществуващите възможности за прекъсване са обект на изследване с окуражителни резултати, постигнати при прекъсвач за напрежение 145kV. Била е определена токсичността на чистите добавки и газови смеси, които показват, че газовата смес, когато се счита за нетоксична и когато се замърсява, трябва да се третира като замърсен SF6 газ. Следователно прилагането на този алтернативен газ изглежда обещаващо да бъде използван като евентуално заместване на елегаза в комутационната апаратура за високо напрежение с потенциал за глобално затопляне по-малко от 2% от GWP на SF6, което ще доведе до намаляване на емисиите на парникови газове с 98% в сравнение със съществуващите разпределителни уредби с SF6.