Łączniki w Eksploatacji 2018

Możliwości eliminacji SF6 z wyłączników wysokiego napięcia, ze szczególnym uwzględnieniem próżniowych układów gaszeniowych

W XXI w. trudno byłoby znaleźć stację elektroenergetyczną na której nie byłoby żadnego aparatu zawierającego SF6. Od dziesięcioleci gaz ten używany jest w wyłącznikach, przekładnikach, rozdzielnicach okapturzonych oraz szynoprzewodach, a także w wyjątkowych przypadkach w transformatorach.

Jednakże ze względu na wysoki potencjał tworzenia efektu cieplarnianego (GWP), gaz ten jest stałym celem ataków środowisk ekologicznych, co skłania do poszukiwania innych substancji, mogących zastąpić SF6. W tym kontekście szczególnie ważnym i interesującym aparatem jest wyłącznik. Znajdujący się w jego wnętrzu gaz pełni różne funkcje, zależnie od konstrukcji aparatu, które w dodatku zmieniają się w zależnościod jego aktualnego stanu (położenia styków).

Rola sześciofluorku siarki w wyłączniku

W wyłączniku o rozwiązaniu konstrukcyjnym live-tank, tzn. takim, w którym komora gaszeniowa umieszczona jest wewnątrz izolowanej obudowy (izolator porcelanowy lub kompozytowy),

SF6 pełni następujące funkcje:

  • w stanie ZAŁ – czynnika chłodzącego, odprowadzającego ciepło, które wydziela się w wyniku długotrwałego przepływu prądu obciążeniowego przez główny tor prądowy i przez układ stykowy. Skuteczność tego procesu decyduje o prądzie znamionowym ciągłym wyłącznika i jego obciążalności prądowej.
  • w stanie WYŁ – czynnika izolacyjnego otwartej przerwy między stykowej, zapewniającego jej wytrzymałość izolacyjną. Skuteczność tego procesu decyduje o napięciach znamionowych i wytrzymywanych otwartej przerwy wyłącznika i jego obciążalności napięciowej.
  • podczas procesu wyłączania – czynnika gaszeniowego, przy tym odprowadzającego ciepło z kolumny łukowej i z kanału połukowego oraz izolacyjnego odbudowującego wytrzymałość dielektryczną przestrzeni między stykowej. Skuteczność tego procesu decyduje o zespole wielu parametrów składających się na zdolności łączeniowe wyłącznika.

Jeżeli wyłącznik ma rozwiązanie konstrukcyjne dead-tank, tzn. takie, w którym komora gaszeniowa umieszczona jest wewnątrz metalowej, uziemionej obudowy, we wszystkich trzech podanych wyżej stanach SF6 spełnia dodatkowe funkcje czynnika zapewniającego izolację:

  • doziemną głównego toru prądowego, co decyduje o napięciach znamionowych i wytrzymywanych względem ziemi;
  • międzyfazową głównego toru prądowego, ale tylko w przypadku trójbiegunowo okapturzonych rozdzielnic w izolacji gazowej,
    co decyduje o napięciach znamionowych i wytrzymywanych między biegunami.

Jak więc widać wyeliminowanie SF6 z wyłączników nie jest zadaniem łatwym, ze względu na szereg różnych cech tego gazu, czyniących go niemal idealnym czynnikiem roboczym w aparatach łączeniowych WN.

Kierunki poszukiwań nowych rozwiązań

Zadanie stojące obecnie przed producentami nie jest nowe i do złudzenia przypomina dylematy z okresu międzywojennego. Wówczas poszukiwano alternatywy dla wyłączników pełnoolejowych, których wadą była bardzo duża masa oleju, stanowiącego z jednej strony zagrożenie pożarowe, z drugiej zaś ekologiczne. Z jednej strony prowadzono prace nad całkowitym wyeliminowaniem oleju, co doprowadziło przede wszystkim do opracowania wyłączników ekspansyjnych wodnych i pneumatycznych powietrznych. Z drugiej strony próbowano ograniczyć masę oleju, co zaowocowało powstaniem wyłączników małoolejowych. Dziś producenci aparatury łączeniowej WN idą tymi samymi drogami. Dla ograniczenia potencjalnej emisji SF6 do atmosfery unowocześnia się istniejące wyłączniki tak, aby uzyskać dwa efekty redukcji:

  • masy SF6, gdzie jako przykład może posłużyć porównanie dwóch wariantów wyłącznika 3AP1FG-145 kV firmy Siemens, w których producent uzyskał jej zmniejszenie z 8 do 6 kg, czyli o 25%, przy zachowaniu tych samych głównych danych technicznych;
  • wartości granicznej dopuszczalnego ubytku gazu w skali roku, gdzie we wspomnianym wyłączniku 3AP1FG-145 kV uzyskano wartość 0,1% w stosunku do poprzedniej 0,5%, (należy tu zauważyć, że w eksploatacji ciągle znajdują się urządzenia o znamionowym rocznym ubytku gazu 1%!).

Równolegle do tych działań prowadzone były i są prace badawczo-rozwojowe, mające na celu wyeliminowanie SF6 z urządzeń elektrycznych. Przedmiotem poszukiwań są gazy lub ich mieszaniny, które przy własnościach elektrycznych i cieplnych nawet nieco gorszych od SF6, były by bardziej akceptowalne ze względu na ekologię. Dla porównań bierze się pod uwagę głównie współczynniki GWP i ODP, które zdefiniowane są następująco:

GWP (Global Warming Potential) potencjał tworzenia efektu cieplarnianego jest wskaźnikiem służącym do ilościowej oceny wpływu danej substancji na efekt cieplarniany. Porównuje ilość ciepła zatrzymanego przez określoną masę gazu do ilości ciepła zatrzymanego przez podobną masę CO2, dla którego z definicji GWP=1.

ODP (Ozone Depletion Potential) potencjał niszczenia warstwy ozonowej jest wskaźnikiem służącym do ilościowej oceny wpływu danej substancji na warstwę ozonową. Został odniesiony do należącego do grupy freonów trichlorofluorometanu, uznanego za wartość jednostkową (ODP=1).

Zarówno koncerny chemiczne produkujące gazy jak i producenci aparatury WN eksperymentują z dziesiątkami różnych mieszanin zawierających różne gazy. Przedstawienie ich wszystkich wykracza poza ramy niniejszego referatu. Dlatego w dalszej części wspomniane zostaną jedynie te rozwiązania, które znalazły już zastosowanie w projektach pilotażowych w Europie.

Dwa rozwiązania konstrukcyjne wyłączników 123 kV: live-tank (z lewej) i dead-tank (z prawej) Konferencja Naukowo Techniczna „Łączniki w eksploatacji” Kraków 2018

Wyłączniki gazowe

Wśród gazów mających zastąpić SF6 należy rozróżnić dwie grupy: substancje syntetyczne oraz naturalne. Spośród gazów syntetycznych na uwagę zasługują dwa produkty opracowane i produkowane przez koncern chemiczny 3M, a oferowane pod ogólną nazwą handlową Novec™. Z porównania głównych własności obu gazów i SF6 zestawionych w poniższej tabeli wynika, że mają znacznie lepsze wartości GWP. Jednakże wysokie wartości temperatur wrzenia praktycznie uniemożliwiają wykorzystanie ich w aparaturze napowietrznej przeznaczonej do pracy w wymaganych w Polsce temperaturach min. od -30°C do -40°C.

Obie substancje z grupy Novec zostały opracowane przez koncern 3M jako gazy izolacyjne i w czystej postaci nie nadają się do zastosowania w charakterze czynnika gaszeniowego. W rezultacie oba gazy zostały zastosowane z domieszkami w rozdzielnicach wnętrzowych w izolacji gazowej przez dwa europejskie koncerny.

Novec™ 4710 w mieszaninie z CO2, pod nazwą g3 stosuje firma GE. W realizacji znajduje się projekt pilotażowy Axpo w Zurichu w Szwajcarii, w którym GE dostarcza rozdzielnicę okapturzoną F35-145 kV z g3 w charakterze czynnika izolacyjnego i gaszeniowego. Wcześniej GE dostarczył dla stacji Kilmarnock South w Szkocji rozdzielnicę
420 kV w izolacji SF6 z szynoprzewodem (GIL) w izolacji g3.

Novec™ 5110 stosuje firma ABB, jako składnik mieszanin z CO2 i O2.dla urządzeń WN oraz z CO2 i N2 dla SN. Choć mieszaniny nie mają wiele wspólnego z powietrzem, ABB określa je nazwą AirPlus. W tej technologii w 2015 r. uruchomiono na stacji Oerlikon w Zurychu w Szwajcarii dwie rodzielnice jedną dla 24 kV oraz drugą dla 170 kV. Drugą grupę stanowią gazy naturalne, spośród których na szczególną uwagę zasługują dwa: N2 i CO2. Azot stosowany jest w wyłącznikach od kilkudziesięciu lat, choć nie nadaje się do zastosowania jako czynnik gaszeniowy. Natomiast wykorzystywany jest przez wiele firm jako domieszka do SF6 w wyłącznikach live-tank przeznaczonych do pracy w temperaturach otoczenia poniżej -40°C. W ostatnim dwudziestoleciu pojawiły się udane próby użycia N2 jako czynnika izolującego w rozdzielnicach SN. Do pionierów tej technologii należy niemiecka firma DECOM, która od 2005 r. rozpoczęła dostarczanie rozdzielnic 12 i 24 kV w izolacji azotowej oraz
40,5 kV w których izolację stanowi N2 z 5% domieszką SF6. Podobnie firma GE opracowała rozdzielnicę SN SecoCube dla 36 kV w izolacji SF6 z domieszką N2,

zaś ABB eksperymentowało z rozdzielnicą ZX w izolacji azotowej. Wg danych ABB napełnienie azotem rozdzielnicy 36 kV w izolacji SF6 redukuje jej napięcie znamionowe do 12 kV. Ale w stosunku do SF6 nie tylko własności izolacyjne azotu są gorsze. Również gorsza jest zdolność odprowadzania ciepła, która determinuje wartość znamionowego prądu ciągłego. Choć zdolność przewodzenia ciepła jest nieco lepsza (współczynnik 1,3), to konwekcja jest znacznie gorsza (współczynnik 0,4), co pogarsza ogólną charakterystykę cieplną gazu.

Innym gazem naturalnym, który stosowany jest w wyłącznika WN jest dwutlenek wegla. Pierwsze próby z zastosowaniem tego gazu w wyłączniku podjęła japońska firma Toshiba, która eksperymentowała z czystym CO2 i komorą wyposażoną w elementy z polimeru wydzielającego pod wpływem wysokiej temperatury łuku wodór i tlen. Prowadzono także próby z mieszaninami CO2 i O2. Jednakże pierwszy komercyjny wyłącznik z CO2 pod oznaczeniem typu LTA oferuje firma ABB. Ponieważ charakterystyki tego gazu są wyraźnie gorszeod SF6, to aparat ten cechuje się większymi gabarytami, aby można było uzyskać odpowiednie wartości izolacyjne i ograniczonymi prądami znamionowymi ciągłym do 2750 A i wyłączalnym do 31,5 kA. Od 2010 r. takie wyłączniki
145 kV pracują na jednej ze stacji Vattenfalla w Szwecji.

Wyłączniki próżniowe

Wspomniane powyżej różne rozwiązania wyłączników wykorzystują różne gazy jako alternatywę dla SF6. Jednakże przy wszystkich ekologicznych zaletach takich rozwiązań jeden problem pozostaje wspólny dla wszystkich gazów, a mianowicie produkty rozpadu. W każdym wyłączniku podczas procesu wyłączania, zwłaszcza prądów zwarciowych, powstają produkty rozpadu czynnika gaszeniowego. Są to substancje stałe i gazowe, które najlepiej poznano i opisano dla aparatów napełnionych SF6. Brak jest dostatecznej wiedzy na temat produktów rozpadu innych substancji gazowych. Tego problemu można uniknąć stosując wyłączniki bez czynnika gaszeniowego płynnego lub gazowego czyli wyłączniki próżniowe. Ta technologia nie jest nowa, gdyż pierwsze cztery wyłączniki próżniowe wysokiego napięcia zostały wyprodukowane przez firmę AEI i wprowadzone do eksploatacji w Wielkiej Brytanii już w 1968 r. VGL8-AC był wyłącznikiem osmioprzerwowym o napięciu znamionowym 132 kV, znamionowych prądzie ciągłym 1200 A i wyłączalnym 15,3 kA.  Do niewątpliwych zalet tej technologii należą:

  • brak produktów rozpadu
  • duża trwałość łączeniowa w zakresie prądów zwarciowych w całym okresie użytkowania
  • możliwość pracy w niskich i bardzo niskich temperaturach
  • zerowy potencjał tworzenia efektu cieplarnianego GWP i brak emisji CO2

W ostatnich latach rozwój wyłączników próżniowych WN koncentrował się na opracowaniu jednoprzerwowych aparatów dla napięć znamioniowych do 145 kV. Pierwszy taki wyłącznik dla
145 kV, 2000 A, 31,5 kA w początku XXI w. opracowało konsorcjum japońskich firm Hitachi, Fuji Electric i Meidensha. Wśród europejskich producentów trzy firmy dostarczyły aparaty jednoprzerwowe WN dla pierwszych instalacji, a dwie z nich rozpoczęły ich produkuję.

Jako pierwszy w 2010 r. Siemens rozpoczął trzy projekty pilotażowe w Danii, Francji i Luksemburgu z wyłącznikami 3AV1FG o parametrach 72,5 kV, 2500 A oraz 31,5 kA. Rok później rosyjska firma Vyskovoltnyj Sojuz dostarczyła pierwszy wyłącznik VRS-110 dla Lenenergo w Sankt Petersburgu. W tym aparacie o parametrach znamionowych 126 kV, 2500 A i 31,5 kA wykorzystano komory próżniowe jednego z chińskich producentów. Z kolei Alstom uruchomił dwa projekty w 2012 we Francji i rok później w Nowej Zelandii z wyłącznikiami VL109 dla 72,5 kV,
2000 A oraz 31,5 kA. W końcu 2017 r. Siemens dostarczył dla niemieckiej firmy energetycznej EnBW dwa wyłączniki próżniowe 3AV1FG 123 kV, 3150 A i 40 kA, w których wykorzystano komory próżniowe własnej produkcji. Spośród wspomnianych trzech europejskich producentów, dwóch obecnie oferuje i sprzedaje jednoprzerwowe wyłączniki próżniowe dla napięć znamionowych do 145 kV. Są to niemiecki Siemens AG z fabryką w Berlinie oraz rosyjski Vysokovoltnyj Sojuz z fabryką w Jekatierynburgu. Przy tym należy zauważyć, że rosyjska firma oferuje swoje wyłączniki dla klientów z terenu Unii Europejskiej poprzez swoją ukraińską spółkę Rowneński Zavod Vysokovoltnej Aparatury. Produkcja tych aparatów odbywa się w fabryce w Równem na Ukrainie, przy wykorzystaniu sprowadzanych z Chin komór próżniowych. RZVA w 2015 r. dostarczył do Polski pierwszy wyłącznik próżniowy 123 kV dla Polskich Sieci Elektroenergetycznych.

Wyłącznik próżniowy 3AV1FG-145 kV, 3150 A, 40 kA w izolacji kompozytowej firmy Siemens AG.

Specyfiką wyłącznika próżniowego WN jest to, że próżnia pełni w nim rolę czynnika gaszeniowego i tylko częściowo izolacji międzystykowej. Aby zapewnić odpowiedni poziom napięć znamionowych wytrzymywanych otwartej przerwy nie wystarczy oprzeć się jedyniena próżni, stanowiącej bezpośrednią izolację przestrzeni miedzystykowej. Ze względu na nieduże gabaryty komór próżniowych krytyczna jest długość drogi przeskoku na zewnętrznej powierzchni obudowy komory. Z tego względu w wyłączniku próżniowym live-tank występują trzy różne izolacje otwartej przerwy stykowej:

  1. wewnętrzna – próżniowa w przestrzeni międzystykowej w komorze próżniowej,
  2. zewnętrzna – powietrzna na zewnątrz izolatora porcelanowego lub kompozytowego, stanowiącego zewnętrzną obudowę, w której umieszczona jest komora próżniowa,
  3. środkowa – izolacja na zewnątrz komory próżniowej, ale wewnątrz izolatora porcelanowego lub kompozytowego.

Elementy składowe izolacji międzystykowej w wyłączniku próżniowym 3AV1FG-72,5 kV

Szczególnie interesująca jest właśnie izolacja środkowa, która jest również elementem odróżniającym wyłączniki różnych producentów. Stanowi ją materiał obudowy komory próżniowej w postaci porcelany, lub rzadziej szkła oraz substancja, którą wypełniona jest przestrzeń wewnątrz izolatora, stanowiącego zewnętrzną izolację. W pierwszych wyłącznikach próżniowych stosowano do tego celu SF6, który bardzo szybko zastąpiono czystym, suchym azotem pod niewielkim ciśnieniem. W wyłączniku rosyjskim VRS-110 producent w charakterze izolacji środkowej stosuje silikon, którym zalewa przestrzeń pomiędzy komorą próżniową a izolatorem. Ponieważ w dolnym izolatorze wsporczym znajduje się ruchome cięgno, to jego wnętrze napełnione jest azotem pod ciśnieniem 0,115 MPa abs. Natomiast w niemieckim wyłączniku 3AP1FG-145 kV izolację środkową stanowi sztuczne powietrze CleanAir, będące mieszaniną 80% azotu z 20% tlenu. Zarówno czysty azot, jak i CleanAir charakteryzują:

  • Zerowy potencjał tworzenia efektu cieplarnianego: GWP = 0
  • Zerowy potencjał niszczenia warstwy ozonowej: ODP = 0
  • Nietoksyczność
  • Niepalność
  • Stabilność chemiczna
  • Niska temperatura wrzenia i brak skraplania czynnika izolacyjnego
  • Brak w składzie fluoru.
  • Brak w składzie węgla.
  • Brak konieczności recyclingu.

Nie bez znaczenia jest także fakt, że nie ma obowiązku prowadzenia dokumentacji i raportowania o posiadanych ilościach, jak ma to miejsce w przypadku SF6. Nie ma także ryzyka, że mogłyby być wprowadzone cła czy opłaty związane z użytkowaniem tych gazów. Jednakże zastosowanie komór próżniowych w wyłącznikach WN nie jest całkowicie pozbawione problemów. Ponieważ takie komory stanowią źródło promieniowania rentgenowskiego, to muszą spełniać dodatkowe wymagania DYREKTYWY RADY 96/29/EURATOM z dnia 13 maja 1996 r. ustanawiającej podstawowe normy bezpieczeństwa w zakresie ochrony zdrowia pracowników i ogółu społeczeństwa przed zagrożeniami wynikającymi z promieniowania jonizującego. Zgodnie z nią komory próżniowe muszą posiadać zatwierdzenie typu. Nie stanowi to problemu, gdy producent wyłącznika i komory próżniowej znajduje się na terenie Unii Europejskiej, natomiast może być problemem np. w przypadku zastosowania komór próżniowych pochodzących z Azji.

Zakończenie

Wyłączniki próżniowe dead-tank typu VBO dla 204 kV, 2000 A i 40 kA firmy Meiden pracujące od 2012 r. na stacji w Japonii.

Toczące się obecnie poszukiwania różnych substacji, które mogłyby zastąpić SF6 w wyłącznikach WN są w toku i z pewnością będą kontynuowane. W ciągu najbliższych lat będziemy dysponowali bogatszym doświadczeniem eksploatacyjnym, pochodzącym z projektów pilotażowych, które pozwoli zweryfikować słuszność wybranych rozwiązań. Należy oczekiwać dalszego rozwoju aparatów gazowych i w tym kontekście szczególnie ciekawe będą doświadczenia z wyłączników LTA pracujących z CO2. Z drugiej strony bardzo obiecująca jest technologia próżniowa. Już dziś pracują w Japonii wyłączniki próżniowe dla napięcia znamionowego 204 kV. Firma Meiden oferuje te aparaty w wykonaniu dead-tank dla napięć znamionowych 120/168/204 kV, zgodnie z japońską normą JEC-2300. Trzeba tu jednak odnotować fakt, że izolację wewnątrz zbiorników stanowi SF6, więc kolejnym etapem rozwoju tego wyłącznika będzie zastosowanie innego gazu izolacyjnego.

Dr inż. Paweł Budziński, Siemens AG, Berlin

Click to comment

Leave a Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

To Top