Nowe technologie ograniczania stosowania sześciofluorku siarki w elektroenergetycznej aparaturze wysokonapięciowej.

Już od kilku dziesięcioleci gaz SF6, ze względu na swoje właściwości fizyczne, jest powszechnie używany w branży elektroenergetycznej jako czynnik izolujący i gaszący łuk elektryczny w aparaturze wysokonapięciowej. Sprężony gaz SF6 podnosi bezpieczeństwo i niezawodność działania rozdzielnic z izolacją gazową oraz pozwala znacznie zmniejszyć gabaryty takich instalacji. Niestety wadą tej technologii jest to że SF6 jest gazem cieplarnianym, wymagającym szczególnej uwagi, jeśli chodzi o eksploatację przez cały okres użytkowania. Główną wadą SF6 ze względu na środowisko naturalne jest to, że gaz ten zalega niezwykle długo w atmosferze (ponad 3200 lat) i w związku z tym według Protokołu z Kioto (1997r.) potencjał termiczny tego gazu jest oszacowany dla okresu 100 lat na około ponad 24 000 razy większy niż dla CO2 w odniesieniu do jednostki masy. Tak zwany globalny współczynnik ocieplenia (GWP) dla SF6 jest największy w porównaniu do wszystkich innych gazów cieplarnianych.

Gazy cieplarniane – gazowe składniki atmosfery ziemskiej wywołujące efekt cieplarniany, tj. podwyższenie temperatury powierzchni Ziemi. Zalicza się do nich: parę wodną (H2O), ditlenek węgla (CO2), metan (CH4), podtlenek azotu (N2O), ditlenek siarki (SO2), ozon (O2), fluorowęglowodory (HFCs), perfluorokarbony (PFCs), sześciofluorek siarki (SF6). Znaczna część krótkofalowego promieniowania słonecznego dociera przez atmosferę do powierzchni Ziemi i jest przez nią pochłaniane, a niewielka jego część zostaje odbita. Promieniowanie to jest zamieniane na ciepło, a ogrzana powierzchnia Ziemi emituje promieniowanie długofalowe, które w dużym stopniu pochłania atmosfera, tj. głównie cząsteczki pary wodnej i dwutlenku węgla oraz pozostałe cząsteczki wyżej wymienionych gazów cieplarnianych. Znaczna część tej energii jest następnie wypromieniowywana z powrotem w kierunku powierzchni Ziemi, w postaci tzw. promieniowania zwrotnego, wywołując w ten sposób efekt cieplarniany. A zatem gazy cieplarniane zapobiegają wydostawaniu się promieniowania podczerwonego z Ziemi w wyniku czego następuje zwiększenie temperatury powierzchni Ziemi (tzw. efekt cieplarniany).

Aby zminimalizować wpływ SF6 i innych fluorowanych gazów cieplarnianych na nasz klimat, w 2006 Parlament Europejski przyjął rozporządzenie dotyczące tego rodzaju gazów. Od roku 2015 obowiązuje przeredagowane Rozporządzenie (UE) 517/2014 w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych (potocznie zwane rozporządzeniem w sprawie F-gazów). Aby zwiększyć odpowiedzialność podczas pracy z SF6 oraz zredukować emisje wynikające z nieostrożności, Artykuł 10 rozporządzenia w sprawie F-gazów podaje wymagany zakres obowiązkowego szkolenia i certyfikowania osób pracujących przy obsłudze urządzeń wypełnionych gazem SF6.

Uznano jednak, że działania te są niewystarczające do wyeliminowania emisji SF6 do atmosfery i podjęto na świecie badania w celu wynalezienia gazów lub mieszanin gazów o właściwościach elektrycznych zbliżonych do sześciofluorku siarki i pozbawionych wad tego gazu – głownie właściwości cieplarnianych i wysokiego współczynnika GWP. Wiadomo, że gaz taki musi mieć cząsteczkę o silnych wiązania atomowych, aby do jej jonizacji była potrzebna duża energia (cieplna – łuku elektrycznego). Jest to warunek aby gaz był dobrym medium do gaszenia łuku elektrycznego w komorach gaszeniowych wyłączników. Producenci rozdzielnic, przemysłu chemicznego i pracownicy naukowi uniwersytetów od dawna poszukiwali alternatywnych gazów izolacyjnych i gaszeniowych. Nacisk położono na substancje gazowe w pełnym zakresie roboczym od -5°C do 40°C. Drugim warunkiem była wysoka wydajność i unikanie na przykład toksyczności i innych negatywnych czynników. Przyszłymi wyzwaniami będą zastosowania w ultra-niskich temperaturach i projekty dla najwyższych prądów znamionowych.

Zbieranie dalszych doświadczeń w instalacji pilotażowej i kontynuacja projektów rozwoju produktu może wkrótce pozostawić decyzję użytkownikowi końcowemu, jeżeli wybrana zostanie tradycyjna SF6 izolacja lub nowa ekologiczna alternatywa o bardzo niskim GWP.

Efekty tych wysiłków możemy poznać przyglądając się eksperymentom firm, które podjęły ten trud już wiele temu, gdyż w Polsce tych badań jeszcze nie podjęto. Po wielu latach badań czołowe firmy aparatowe na świecie uzyskały zadowalające wyniki i uruchomiły próbne zestawy aparatów elektroenergetycznych napełnione nowymi mediami gazowymi. Podobnie jak było z techniką SF6, że firmy zatajały wiele informacji aby utrudnić dostęp do tej techniki, tak obecnie ukrywane są informacje dotyczące technologii z nowymi gazami – często ukrywanymi pod pewnymi symbolami (np. g3 – firma Alstom).

Oczywiście ze względu na środowisko najkorzystniejszym rozwiązaniem jest zastosowanie w wyłącznikach komór próżniowych. Stosowanie próżni w komorach gaszeniowych zapewnia dobre przerywanie łuku elektrycznego i nie niesie żadnych szkodliwych oddziaływań na środowisko. I są już firmy produkujące takie wyłączniki do rozdzielnic średniego napięcia i napowietrzne wysokich napięć. Ale pozostaje problem izolacji gazowej w rozdzielnicach GIS. Firma Siemens, na przykład, uruchomiła próbną rozdzielnicę GIS 145 kV z próżniowym wyłącznikiem i powietrzną izolacją ogólną torów prądowych. Ale wysiłki skoncentrowała na udoskonaleniu gazu zastępującego SF6 w zaszyfrowanej formule g3.

Nowy gaz przebadano, zgodnie z surowymi specyfikacjami produktów wysokiego napięcia, aby zapewnić, że formuła g3 ma zastosowanie jako izolacja i medium gaszące łuk, bezpieczne w obsłudze i ma wyjątkowo niski współczynnik globalnego ocieplenia. Właściwości mieszanki g3 testowane na urządzeniu kontrolnym można podsumować w następujący sposób: • działanie dielektryczne: 85% do 100% wydajności SF6 w zależności od temperatury roboczej i maksymalnego dopuszczalnego ciśnienia (dodawanie CO2),
• temperatura pracy do -30° C,
• skuteczność wyłączania prądu w wyłączniku podobna do SF6,
• niski potencjał globalnego ocieplenia – 98% redukcji w porównaniu z SF6,
• nietoksyczny – klasyfikacja podobna do SF6,
• mieszanka jest niekorozyjna – kompatybilna ze zwykłymi materiałami sprzętu WN,
• mieszanka gazowa jest niepalna – podobna do SF6.

Na razie nie ma informacji o toksyczności produktów rozpadu tej formuły gazu w łuku elektrycznym i zagrożenia nimi zdrowia obsługi urządzeń i pracowników demontujących aparaty podczas remontów i likwidacji. Firma ABB, wiodący dostawca technologii energetyki i automatyki, dokonała ważnego przełomu w technologii rozdzielnic izolowanych gazem (GIS), oddając do eksploatacji pierwsze na świecie pola średniego i wysokiego napięcia rozdzielnicy GIS, wykorzystującej przyjazną dla środowiska mieszaninę gazów jako alternatywę dla powszechnie stosowanego gazu cieplarnianego SF6. Porównanie ekwiwalentu do CO2 (GWP) badanych przykładowych mieszanek gazowych wygląda następująco: • Sześciofluorek siarki (SF6), GWP = 22.800, • Clean-Air (N2 80% - O2 20%), GWP = 0, • Fluornitrile 4710 [(CF3)2CFCN]. GWP = 2.210, • C5-F lourketone 5115 [(CF3)2CFC(O)CF3], GWP=1

W nowej, przyjaznej dla środowiska rozdzielnicy ABB (w stacji elektroenergetycznej w Zurychu zamontowano rozdzielnie wysokiego i średniego napięcia w ramach pilotażowego projektu) medium izolacyjnym jest mieszanina gazów alternatywna wobec SF6. Wykorzystano ją też jako medium wygaszające łuk elektryczny w rozdzielnicy wysokiego napięcia. Opracowana wspólnie z inną firmą, bazująca na fluoroketonie mieszanina gazów zastępująca SF6, jest przeznaczona do stosowania w aparaturze rozdzielczej. Jej potencjał tworzenia efektu cieplarnianego (GWP) jest niemal o 100 proc. niższy niż GWP SF6, bez uszczerbku dla jakości i niezawodności sprzętu. Obliczono, że efektem tego jest obniżenie o 50 proc. emisji równoważnika CO2 przez GIS w całym okresie eksploatacji tych urządzeń.

W ośrodku badawczym firmy Alstom w Villeurbanne (Francja) przeprowadzono testy sprzętu wysokiego napięcia w celu porównania cech nowego gazu, też w formule g3, z istniejącymi rozwiązaniami SF6 w różnych zastosowaniach. Wykazano właściwości porównywalne z SF6, dzięki czemu technologia ta umożliwia projektowanie ekologicznego sprzętu wysokonapięciowego nowej generacji o napięciu od 72 kV do superwysokich napięć dostępnych dzisiaj na rynku.

Firma Alstom, przy współpracy z koncernem GE, wdrożyła mieszaninę gazów g3, jako zamiennika SF6, co spowodowało duży postęp w technice eliminowania SF6 z praktyki aparatowej. Rozdzielnica izolowana tym gazem, o symbolu F35-145 kV (GIS) jest teraz wolna od SF6 a funkcjonuje jak z tym gazem. Zajmuje taką samą powierzchnię jak poprzednik GIS, oparty na SF6 i może pracować w temperaturze otoczenia nawet do -25°C. Dwa lata temu firma GE ogłosiła przełom w opracowaniu substytutu SF6 w urządzeniach z izolacją gazową. Taki substytut uznała za konieczny, ponieważ SF6, pomimo niezaprzeczalnych właściwości – gaszenia łuku i dielektrycznych – ma potencjał globalnego ocieplenia (GWP) 233,5 razy większy niż CO2, z czasem życia w atmosferze ponad 3200 lat. W przypadku g3, mieszaniny fluoronitrylu i gazu CO2, GE był w stanie opracować odpowiednią alternatywę operacyjną z obniżonym GWP o 98% w porównaniu z SF6.

Rozwiązania nowych technologii, nie zawierające SF6, jest zgodne z rygorystycznymi specyfikacjami rozdzielnic (GIS) w następujących kwestiach:
• odporność na wysokie napięcie,
• przerywanie przepływu prądu (gaszenie łuku elektrycznego),
• wymiana ciepła z otoczeniem,
• zastosowania w niskiej temperaturze,
• zgodność z materiałami stosowanymi w rozdzielnicach,
• stabilność temperaturowa i czasowa,
• łatwość napełniania i uzupełniania,
• podobna zwartość konstrukcji umożliwiająca stosowanie we współczesnym sprzęcie.
• ma bardzo niski potencjał tworzenia efektu cieplarnianego (GWP – niższy o 98%).
• jest bezpieczne w stosowaniu i nie ma wpływu na warstwę ozonową.

Zgodnie z Rozporządzeniem Wykonawczym Komisji (UE) nr 2015/2066 w zakresie materiałów szkoleniowych przed egzaminem na certyfikat SF6 musiał znaleźć się rozdział z tematyką zastępowania SF6 jego substytutem, pozbawionym wad środowiskowych jakie ma gaz dotychczas stosowany. Należy się z tym liczyć, że tak jak technika SF6 weszła do Polski z opóźnieniem, tak technika aparatowa, oparta na substytutach tego gazu, trafi do nas po kilku latach, gdy zostanie w pełni opanowana. Z chwilą pojawienia się w Polsce aparatury elektroenergetycznej napełnianej, przyjaznymi dla środowiska, gazami zastępującym SF6, rozpocznie się specjalistyczne szkolenie personelu do obsługi tych urządzeń. Chodzić będzie o charakterystyczne dla nowych mieszanin gazowych sposoby postępowania ze względu na środowisko naturalne i bezpieczeństwo personelu.

Wszystko wskazuje jednak na to, że urządzenia z sześciofluorkiem siarki będą jeszcze długo bronić się przed nową techniką. Ze względu na długi okres eksploatacji tych aparatów jeszcze długo będzie potrzebny personel zaznajomiony z zagadnieniami obsługi rozdzielnic z sześciofluorkiem siarki, zgodnie z wymaganiami certyfikacji personelu obsługującego aparaturę elektroenergetyczną.

Literatura i materiały publikacyjne:
1. „ALTERNATIVE GAS INSULATION IN MEDIUM-VOLTAGE SWITCHGEAR”, Maik HYRENBACH ABB AG – Germany, Tobias HINTZEN ABB AG – Germany, Pascal MÜLLER EWZ – Switzerland, John OWENS 3M Company – USA, CIRED 23rd International Conference on Electricity Distribution Lyon, 15-18 June 2015,
2. „Rozwiązanie g3 firmy ALSTOM dla zastąpienia SF6. Pakiet informacyjny dotyczący g3” Lyubomyr Melnychuk 17thof September2014 ALSTOM,
3. „An alternative to SFSF6 as an insulation and switching medium in electrical switchgear”, Thomas DIGGELMANN, TEHLAR, Jocelyn CHANG, Sebastian ZACHE – ABB review 2|16,
4. „g3 basics”, Y. Kietel, Imagination at work, maj 2016,
5. „Nev 110kV GIS Substation – Etzel”, Location in Central Switzerland.

E-mail do autora


Główna

  STRONA  

Analiza techniczna