Wyłączniki próżniowe kontra SF6 — zasada gaszenia łuku i dlaczego SF6 jest wycofywany

Przewodnik o MCCB kontra wyłączniku instalacyjnym opisuje technologię wyłączników niskiego napięcia. Ten artykuł dotyczy zagadnienia, które pojawia się głównie na poziomie średniego napięcia, gdzie rynkiem dominują dwa zasadniczo różne media gaszące łuk: próżnia i SF6 (sześciofluorek siarki) — i dlaczego ten drugi jest teraz aktywnie wycofywany.

Jak wyłącznik próżniowy gasi łuk

Wewnątrz wyłącznika próżniowego styki rozwierają się wewnątrz uszczelnionej butli odpompowanej do bardzo niskiego ciśnienia (zwykle poniżej 10⁻⁴ Pa). Rozdzielenie styków pod obciążeniem początkowo nadal wywołuje łuk — podtrzymywany przez parę metalu odparowującą z samych powierzchni styków, a nie przez jakikolwiek gaz — ale ponieważ praktycznie nie ma gazu zdolnego dalej jonizować i podtrzymywać tę kolumnę łuku, para metalu kondensuje się z powrotem na stykach i otaczającej osłonie wyjątkowo szybko, gdy tylko prąd przechodzi przez naturalne przejście przez zero. Specjalne materiały stykowe (zwykle miedź-chrom, CuCr) są stosowane właśnie dlatego, że dają dobrą równowagę między niską erozją styków a szybką, czystą dejonizacją przy zerze prądu. Wyłączniki próżniowe są dominującą technologią dla rozdzielnic średniego napięcia do około 38-40,5 kV i są coraz częściej stosowane powyżej.

Jak wyłącznik SF6 gasi łuk

SF6 to ciężki, chemicznie stabilny, elektrycznie elektroujemny gaz: jego cząsteczki łatwo wychwytują wolne elektrony z plazmy łuku, tworząc większe, znacznie mniej ruchliwe jony ujemne, co gwałtownie zmniejsza przewodność łuku w miarę zbliżania się prądu do zera. W połączeniu z wysoką wytrzymałością dielektryczną (kilkukrotnie wyższą niż powietrza przy tym samym ciśnieniu), daje to wyłącznikom SF6 doskonałe osiągi łączeniowe i kompaktowe wymiary w bardzo szerokim zakresie, od średniego napięcia aż po najwyższe napięcia przesyłowe (w niektórych konstrukcjach powyżej 800 kV), co jest powodem, dla którego SF6 stał się dominującą technologią na wyższych poziomach napięcia, gdzie wyłączniki próżniowe są stosowane rzadziej.

Dlaczego SF6 jest wycofywany mimo swoich osiągów technicznych

Techniczne zalety SF6 nie budzą wątpliwości — problem jest środowiskowy. SF6 ma współczynnik ocieplenia globalnego (GWP) około 23 500 razy wyższy niż CO₂ w horyzoncie 100 lat, oraz czas życia w atmosferze liczony w tysiącach lat, co czyni go jednym z najpotężniejszych gazów cieplarnianych regulowanych prawem UE. Znowelizowane rozporządzenie UE w sprawie F-gazów wprowadza stopniowy zakaz nowych rozdzielnic izolowanych SF6, obejmujący stopniowo najpierw urządzenia średniego napięcia, zanim harmonogram wycofywania obejmie później wyższe klasy napięcia. Dla każdego, kto specyfikuje lub wymienia rozdzielnice, oznacza to, że wybór medium gaszącego/izolacyjnego dla nowego wyposażenia nie jest już wyłącznie decyzją techniczną czy kosztową — jest to również kwestia zgodności regulacyjnej powiązana z datą instalacji.

Praktyczne alternatywy

• Łączenie próżniowe pozostaje nienaruszone przez wycofywanie F-gazów (w ogóle nie używa gazu fluorowanego) i jest już domyślnym wyborem dla nowych rozdzielnic średniego napięcia na większości poziomów napięcia dystrybucyjnego.
• Mieszanki gazowe o niskim/zerowym GWP to alternatywa, która się rozwija tam, gdzie nadal preferowana jest konstrukcja izolowana gazowo (dla zwartości lub dla poziomów napięcia, gdzie próżnia jest mniej ugruntowana): mieszanki takie jak AirPlus (suche powietrze z niewielką domieszką fluoronitrylu) i g³ (mieszanka fluoroketon/CO₂/O₂) są wprowadzane na rynek z GWP poniżej 1, czyli ułamkiem GWP SF6, zachowując przy tym akceptowalne osiągi dielektryczne i łączeniowe dla konstrukcji rozdzielnic zbudowanych wokół nich.
• Konstrukcje na czystym powietrzu lub oparte na CO₂, bez żadnego komponentu fluorowanego, również pojawiają się w niektórych zastosowaniach, jako bezpośrednia odpowiedź na ostateczny kierunek rozporządzenia ku pełnemu zakazowi gazów zawierających fluor na poziomie SN.

Znaczenie praktyczne

Przy specyfikowaniu zastępczych rozdzielnic średniego napięcia, lub przy ocenie istniejącej instalacji izolowanej SF6 pod kątem przyszłej konserwacji i planowania końca eksploatacji, istotne jest, jaka technologia jest instalowana lub zachowywana: istniejące urządzenia SF6 nie są natychmiast zakazane do dalszego użytku, ale nowe instalacje są coraz bardziej ograniczane pod względem daty i klasy napięcia na mocy rozporządzenia w sprawie F-gazów, a obsługa SF6 podczas konserwacji, kontroli szczelności i odzysku gazu na koniec eksploatacji niesie już ze sobą konkretne obowiązki regulacyjne, niezależnie od harmonogramu wycofywania.

Częste błędy

1. Zakładanie, że wyłączniki próżniowe i SF6 są wymiennymi technologiami różniącymi się tylko kosztem — zasada gaszenia łuku, typowy zakres napięć i teraz również status regulacyjny różnią się znacząco.
2. Pomijanie harmonogramu wycofywania rozporządzenia w sprawie F-gazów przy planowaniu nowej instalacji rozdzielnicy średniego napięcia, co skutkuje wyborem projektowym zgodnym dziś, ale nie przez cały okres eksploatacji urządzenia.
3. Traktowanie mieszanki gazowej o niskim GWP (AirPlus, g³) jako funkcjonalnie identycznej z SF6 bez sprawdzenia konkretnej konstrukcji rozdzielnicy, do której jest zakwalifikowana — te mieszanki nie są prostym zamiennikiem gazu dla istniejących urządzeń SF6.
4. Zaniedbywanie procedur obsługi SF6 (kontrola szczelności, sprzęt do odzysku, ewidencja) w istniejących instalacjach przy założeniu, że wycofywanie dotyczy tylko nowego wyposażenia.

Powiązane

• Wyłącznik — MCCB kontra wyłącznik instalacyjny
• Pomiar rezystancji styków (mikroomomierz) wyłączników — konserwacja
• Badanie iniekcją pierwotną/wtórną wyłączników
• Podział na formy 1-4b dla rozdzielnic nn (IEC 61439-2)