Екологични уредби средно напрежение

От началото на следващата година в Европейския съюз влиза в сила ключова екологична регулация, която забранява използването на SF₆ газ в нови уредби за средно напрежение до 24kV. Серният хексафлуорид SF₆ е познат като един от най-мощните парникови газове, и премахването му е важна стъпка към по-устойчива и „зелена“ енергийна инфраструктура. Това изискване ще доведе до сериозна трансформация на пазара – от производителите на оборудване до операторите на електроразпределителни мрежи. В новата среда водеща роля ще имат технологиите, базирани на чист въздух, вакуумни прекъсвачи и дигитални решения, които съчетават висока надеждност, безопасност и интелигентно управление.

Текст: списание Енергия 

В основата на всяка модерна електроенергийна система стоят уредбите средно напрежение. Те осигуряват надеждното разпределение на електроенергия от подстанциите към предприятия, обществени сгради и домакинства, като гарантират стабилност, безопасност и непрекъсваемост на захранването. От тяхната ефективност и технологично ниво зависи устойчивото развитие на цели сектори от икономиката.През последните десетилетия в конструкцията на този тип оборудване широко се използваше газът серен хексафлуорид, който предлага отлични диелектрични и изолационни свойства. Благодарение на него се постига компактност, висока надеждност и дълъг експлоатационен живот на апаратурата. Именно затова SF₆ дълги години беше стандарт в електротехническата индустрия и се наложи като „златен стандарт“ за средно и високо напрежение.

Днес обаче същият този газ се оказва в центъра на сериозен екологичен дебат. Газът SF₆ има изключително силен парников ефект, които е приблизително 23500 пъти по-мощен от този на въглеродния диоксид, а времето му на живот в атмосферата надхвърля хиляда години. Въпреки че използването му е относително безопасно за хората в експлоатационна среда, неговото изпускане при производство, експлоатация или демонтаж на уредби има сериозни последици за климата. Именно затова Европейският съюз включи SF₆ в рамките на Зелената сделка и политиките за ограничаване на емисиите на флуорсъдържащи газове. Новата регулация за F-газове, която влиза в сила от началото на 2026 година, поставя ясни ограничения върху употребата на SF₆ в нови уредби до 24kV. Тази промяна е ключов момент в прехода към по-чиста, дигитална и устойчива енергийна инфраструктура, който ще трансформира начина, по който се проектират и експлоатират електроразпределителните системи в Европа и у нас.

Какво представлява новата регулация?

С цел да ограничи въздействието на най-силните парникови газове върху климата, Европейският съюз прие обновена версия на т.нар. F-gas Regulation. Тя въвежда ясни и задължителни ограничения за използването на SF₆ в електроапаратура. Най-същественият и елемент към днешна дата е пълната забрана на употребата на SF₆ в нови уредби за средно напрежение до 24kV, която влиза в сила от 1 януари 2026 година.
Регулацията е структурирана така, че да обхване и по-високите класове напрежение в следващите години. Постепенно ще бъдат наложени по-строги условия и за уредби над 24kV, като целта е в средносрочен план използването на SF₆ да бъде сведено до минимум, а в дългосрочен – напълно елиминирано. Паралелно се въвеждат нови изисквания към производителите и компаниите за сервизно обслужване и поддръжка на съществуващата апаратура, включително за стриктно отчитане и контрол върху емисиите при работа, ремонти и извеждане от експлоатация.

Важно е да се подчертае, че регулацията не засяга вече инсталираните уредби – те ще могат да продължат да работят в рамките на своя експлоатационен живот. Ограниченията са насочени единствено към ново произведено и инсталирано оборудване, за да се насърчи плавен преход към алтернативни технологии, без да се компрометира надеждността на електроенергийните мрежи. Обхватът на новите правила е широк и засяга всички ключови участници в електроенергийния сектор. На първо място това са производителите на електроапаратура, които ще трябва да предлагат нови решения без SF₆. От друга страна, операторите на електроразпределителни и преносни мрежи ще бъдат изправени пред необходимостта да интегрират тези технологии в бъдещи проекти и да съобразят плановете си за модернизация на подстанциите. Не на последно място, регулацията обхваща и големите индустриални потребители, такива като заводи, логистични и търговски комплекси, енергийни производители, които изграждат или обновяват собствени електрически съоръжения и също трябва да преминат към новите стандарти.

Очакваният ефект от регулацията е многопосочен. От една страна, тя ще ускори внедряването на екологично чисти технологии и ще насърчи преминаването към уредби с цифрови функционалности за мониторинг и управление. От друга страна, производителите ще трябва да инвестират в нови разработки, да адаптират производствените си линии и да предложат алтернативни решения без SF₆, за да останат конкурентоспособни на пазара.

Технологични решения в отговор на новите регулации

Въвеждането на новите екологични изисквания доведе до засилена иновационна активност в сектора на средното напрежение. Различните производители избраха различни пътища, но общата цел е една – да се намери надеждна и устойчива алтернатива на SF₆, която да гарантира безопасна експлоатация и дълъг живот на уредбите. В практиката вече се прилагат няколко утвърдени подхода, които често се комбинират в хибридни решения. Някои технологии се фокусират върху вакуумното гасене на електрическата дъга, което доказано предлага висока надеждност и дълъг експлоатационен живот. Други използват чист въздух като изолационна среда, елиминирайки напълно риска от парникови емисии. Все по-широко се прилагат и нови газови смеси на основата на флуорокетон или флуоронитрил, които съчетават добри диелектрични и дъгогасителни свойства с многократно по-нисък потенциал за глобално затопляне. Наред с тях се развива и подходът с твърда изолация, където тоководещите части са капсулирани в композитни материали, а дъгата се гаси във вакуум.

Тези различни технологични линии очертават една по-богата картина, която казва, че няма единствено „правилно“ решение, а по-скоро набор от алтернативи, които могат да бъдат адаптирани според приложението, изискванията на мрежата и екологичните приоритети. Именно в това разнообразие се крие силата на новата генерация уредби за средно напрежение, защото то позволява гъвкавост при проектирането и избор на най-подходящата комбинация от технологии.

Вакуумна технология

Вакуумната технология е сред най-надеждните решения за уредби до 24 kV и вече се счита за напълно зряла алтернатива на SF₆ в този диапазон. Нейната ефективност се дължи на това, че гасенето на електрическата дъга протича в напълно затворена вакуумна камера, където липсата на газови молекули не позволява поддържането на електропроводимост. Така дъгата угасва почти мигновено и без отделяне на вредни вещества. Същевременно именно вакуумът поставя и специфични технологични въпроси. Камерите трябва да осигуряват дългосрочно поддържане на много висок вакуум, което изисква прецизна херметизация и използване на висококачествени материали. В случай на разхерметизиране или микропукнатини в корпуса, ефективността на прекъсвача може да бъде компрометирана, затова производителите влагат значителни усилия в усъвършенстване на технологиите за запечатване и контрол на качеството.  Практиката показва, че съвременните вакуумни прекъсвачи са изключително надеждни и могат да работят десетилетия без необходимост от поддръжка на вакуума. Това обаче не намалява значението на строгия контрол в производството и периодичните проверки на съоръженията в експлоатация. Именно този баланс между високата ефективност на вакуумното гасене и изискванията за прецизност в изработката го правят едновременно и най-перспективното, и най-деликатното от техническа гледна точка решение за уредби до 24kV в условията на новите екологични регулации.

Изолация с чист въздух

Използването на чист въздух като изолационна среда е една от най-екологичните алтернативи на SF₆ за уредби до 24kV. В тези решения въздухът не служи за директно гасене на електрическата дъга, тази функция обикновено се осъществява във вакуумни или газова среда. Ролята на въздуха, обаче, е да осигурява надеждна изолация между отделните тоководещи части и към заземените конструкции, като по този начин гарантира безопасната работа на уредбата.Предимството на този подход е очевидно. Въздухът е естествен, навсякъде достъпен, безплатен и напълно безвреден за околната среда. Той не изисква специални системи за съхранение или рециклиране и не носи риск от изтичане на парникови газове. Благодарение на тези характеристики въздухът е особено подходящ за интегриране в градски среди и затворени помещения, където строгите екологични изисквания и безопасността са водещи фактори. Наред с предимствата, технологията има и своите предизвикателства.

Въздухът притежава по-ниски диелектрични свойства в сравнение със SF₆, което налага по-големи изолационни разстояния и внимателно конструиране на апаратурата. Съществено значение има и контролът върху параметри като влажност и чистота, тъй като дори малки замърсявания или наличие на влага могат да намалят изолационната издръжливост. Това поставя високи изисквания към херметизацията и към системите за филтриране, които производителите внедряват в модерните уредби. В практиката въздухът се утвърждава като надеждна изолационна среда, която позволява уредбите до 24kV да се впишат в новите екологични регулации, без компромис със сигурността. Така той се превръща в ключов елемент от беземисионните технологии, съчетаващ устойчивост и техническа надеждност в едно общо решение.

Газови смеси, алтернативни на SF₆

Сред най-съществените алтернативи на SF₆ в уредбите до 24kV вече има два зрели технологични подхода, основаващи се на смеси на флуорокетон и на флуоронитрил. И двата варианта са в реална търговска употреба в Европа и имат натрупан опит в практиката. Флуорокетонните смеси се отличават с изключително нисък потенциал за глобално затопляне (GWP), докато флуоронитрилните предлагат добър баланс между дъгогасителни, диелектрични свойства и значително по-нисък GWP спрямо SF₆. И в двата случая вече са разработени стандартизирани процедури за анализ и обслужване, което е предпоставка за широкото им прилагане след въвеждането на новите регулации.

Флуорокетонните смеси използват перфлуорокетон C5-FK като активен компонент за гасене, комбиниран с „буферен“ газ, който най-често е сух въздух или CO₂. Така се гарантира, че сместа остава в газообразно състояние в стандартния температурен диапазон за работа на оборудването от -25 до +40°C. Чистият C5-FK има изключително нисък GWP и влиянието му върху климата е практически пренебрежимо. В същото време газът притежава силни елекроприхващащи свойства, които му осигуряват отлични диелектрични и дъгогасителни качества. Поради относително високата си температура на кипене, която е около 26.9°C, C5-FK се използва само като малка фракция в сместа, което предотвратява риска от кондензация при ниски температури. Опитът от практиката показва, че правилно формулираните смеси на базата на C5-FK постигат характеристики, съпоставими с традиционните SF₆ решения, и вече са внедрени в серийни уредби за средно напрежение. Ключов момент при тях е поддържането на чиста среда и контрол върху влагата, тъй като евентуална кондензация би могла да влоши диелектричните свойства. Затова в експлоатацията се прилагат процедури за регулярни анализи и се следват стандарти, разработени от IEC.



Втората група алтернативни смеси са на основата на флуоронитрил C4-FN, комбиниран с CO₂ и малки количества O₂ и N₂. Чистият C4-FN има точка на кипене около -5°C и значително по-нисък GWP от SF₆. Когато се използва в малка фракция в CO₂-базирана смес, еквивалентният GWP на цялата среда спада с над 98–99% в сравнение със SF₆, като същевременно се запазват добри диелектрични и дъгогасителни характеристики. Тези смеси са специално разработени за комутационни камери, запълнени с газ, и вече се прилагат в серийни уредби за средно напрежение в Европа.

И при двата подхода решаваща роля има „буферният“ газ, било то въздух, CO₂ или тяхна комбинация. Той определя налягането и температурата на насищане на сместа. CO₂ например има по-висока пропускливост през уплътненията в сравнение със SF₆, което налага по-внимателен подбор на материали, прецизни конструкции на фланци и стриктен мониторинг на налягането. Целта е да се предотврати дифузия и да се запази стабилен състав на сместа през целия жизнен цикъл. Поради тези особености производителите и операторите вече прилагат адаптирани процедури за пълнене, анализ и повторно използване, съгласно последните издания на IEC 62271-4 и свързаните международни ръководства.

Уредби с твърда изолация

Алтернативен път за елиминиране на SF₆ в средното напрежение до 24kV е използването на solid insulation – твърда изолация, която замества традиционните газови среди. При този подход всички тоководещи части са капсулирани в епоксидни или композитни материали с високи диелектрични свойства, а гасенето на дъгата се извършва във вакуумна среда. Така изолацията е напълно независима от газове, а конструкцията е компактна и устойчива на външни влияния. Основното предимство на уредбите с твърда изолация е тяхната екологичност, защото няма риск от изтичане на парникови газове или нужда от поддръжка на газови смеси. В същото време се постига висока надеждност и дълъг експлоатационен живот, тъй като твърдата изолация е фабрично вградена и защитена от влага и прах. Тази технология позволява изграждането на много компактни уредби, особено подходящи за градска среда и индустриални обекти, където пространството и безопасността са критични фактори.

Предизвикателство при тях обаче остава управлението на топлинните процеси, тъй като твърдите изолатори имат по-ниска топлопроводимост от газовете. Освен това при дефект често се налага смяна на цял модул, а не на отделен компонент. Въпреки това твърдата изолация се разглежда като перспективна технология, която вече е успешно внедрена в редица уредби до 24kV в Европа и по света. Предизвикателства пред проектирането и изграждането на подстанции. Внедряването на новите технологии в уредбите за средно напрежение поставя редица въпроси пред проектантите, инженеринга и операторите на подстанции. Изборът на подходящо решение зависи не само от техническите характеристики на оборудването, но и от типа проект. Дали става дума за изграждане на изцяло нови съоръжения, за разширяване на съществуващи подстанции или за ретрофит на вече инсталирано оборудване.

При новоизградените подстанции предимството е, че проектът може да се планира „от нулата“ с всички съвременни изисквания, включващи уредби без SF₆, дигитални системи за управление, мониторинг и интеграция в умните мрежи. Това позволява оптимално разпределение на пространството, максимална енергийна ефективност и избор на най-подходящата комбинация от технологии. Предизвикателство обаче остават по-високите първоначални инвестиции и необходимостта от подготовка на персонала за работа с новите решения.

При разширяването на съществуващи подстанции ситуацията е по-сложна. Новото оборудване трябва да бъде съвместимо със старите инсталации както от гледна точка на изолационни нива и механични размери, така и по отношение на системите за защита и управление. Често възникват ограничения, свързани с наличното пространство, което налага използване на по-компактни конструкции или модулни решения.
Ретрофитът обикновено включва подмяна на отделни компоненти, най-често прекъсвачи или модули, които работят със SF₆. Това е популярен подход, тъй като позволява съществено удължаване на живота на подстанцията без необходимост от цялостна реконструкция. Съвременните решения предлагат възможност за внедряване на вакуумни или други SF₆-free технологии в съществуващи килии, което свежда до минимум времето за прекъсване на работата и инвестиционните разходи. Основното предизвикателство тук е осигуряването на механична и електрическа съвместимост, както и гарантиране на същите нива на безопасност и надеждност.

Във всички тези сценарии успешното проектиране и изграждане изисква внимателна преценка на условията, ясна стратегия за преход към екологични технологии и готовност за интеграция на нови стандарти и процедури за поддръжка.