Naftos dominavimas: kodėl SF₆ dujos nenaudojamos transformatorių apvijų izoliacijai

Aukštos įtampos elektrotechnikos pasaulyje sieros heksafluoridas (SF₆) dažnai vertinamas kaip stebuklinga medžiaga. Nuo pat komercializavimo XX amžiaus viduryje šios bespalvės, bekvapės ir inertinės dujos sukėlė revoliuciją pramonėje. Dėl išskirtinio dielektrinio stiprumo (maždaug 2,5–3 kartus didesnio už oro) ir neprilygstamų lanko gesinimo galimybių jis yra ideali terpė dujomis izoliuotiems skirstomiesiems įrenginiams (GIS) ir dujomis izoliuotoms perdavimo linijoms (GIL). Šie įrenginiai leido statyti kompaktiškas pastotes perpildytuose miestų centruose, o tai anksčiau buvo neįsivaizduojama naudojant įprastą oro izoliacinę įrangą.

Atsižvelgiant į šią sėkmę, kyla logiškas klausimas: jei SF₆ taip efektyviai izoliuoja skirstomųjų įrenginių aukštos įtampos komponentus, kodėl tai nėra dominuojanti terpė svarbiausio elektros tinklo objekto – galios transformatoriaus – viduje? Nors SF₆ izoliuoti transformatoriai (GIT) egzistuoja nišinėms reikmėms, jie tebėra retenybė, palyginti su visur esančiais alyvos transformatoriais, kurie dūzgia pastotėse visame pasaulyje. Atsakymas yra ne vienas SF₆ trūkumas, o esminių fizinių apribojimų, sudėtingų inžinerinių iššūkių ir vis svarbesnių aplinkosaugos problemų derinys, dėl kurio tradicinė mineralinė alyva yra labai pranašesnis pasirinkimas konkrečioje transformatoriaus apvijos aplinkoje.

1. Svarbiausias aušinimo vaidmuo: fizinis neatitikimas

Svarbiausia alyvos pranašumo prieš SF₆ transformatoriuose priežastis yra šilumos valdymas. Galios transformatorius nėra statinis įrenginys; tai dinaminis šilumos šaltinis. Kai elektra teka per apvijas, pasipriešinimas generuoja šilumą (vario nuostoliai), o kintamasis magnetinis laukas geležies šerdyje sukuria papildomą šilumą (geležies nuostolius). Ši šiluma turi būti efektyviai pašalinta, kad izoliacija nepablogėtų ir transformatorius katastrofiškai nesugestų.

Čia yra esminis skirtumas tarp skysčio ir dujų.

Transformatorių alyva kaip aušinimo skystis: alyva yra išskirtinė aušinimo terpė. Jis turi didelę savitąją šilumos talpą ir šilumos laidumą, todėl gali sugerti didelį šilumos kiekį ir greitai ją perduoti. Transformatoriuje alyva tiesiogiai liečiasi su kiekvienu apvijų ir šerdies milimetru. Natūrali konvekcija arba priverstinė cirkuliacija per siurblius karšta alyva teka į išorinius radiatorius arba aušinimo pelekus, kur išskiria šilumą į aplinkinį orą. Šis procesas yra neįtikėtinai efektyvus. Alyva fiziškai sudrėkina paviršius, užtikrindama, kad šiluma būtų atitraukta net iš giliausių, uždariausių vyniojimo konstrukcijos vietų.

SF₆ kaip aušinimo skystis: dujos dėl savo prigimties prastai perduoda šilumą, palyginti su skysčiais. Jų tankis yra daug mažesnis, o šiluminė energija yra daug mažesnė. Nors padidinus SF₆ slėgį galima pagerinti jo tankį, taigi ir aušinimo galimybes, jis vis tiek daugmaž atsilieka nuo naftos. Dujų izoliuotame transformatoriuje (GIT) tai sukuria didelę kliūtį. Siekdami valdyti šilumą, dizaineriai priversti leistis į kompromisus. Jie dažnai turi sumažinti transformatoriaus vertę, o tai reiškia, kad jis negali veikti visu teoriniu pajėgumu be perkaitimo. Arba jie turi suprojektuoti neįtikėtinai sudėtingus ir didelių gabaritų aušinimo kanalus ir kelius apvijose, kad dujos būtų veiksmingai cirkuliuojamos. Šis sudėtingumas padidina išlaidas ir sumažina bendrą transformatoriaus galios tankį, todėl jis yra mažiau konkurencingas nei paprastesnis, alyva užpildytas dizainas, skirtas didelės talpos įrenginiams.

2. Sudėtinga apvijų izoliacijos geometrija

Aplinka transformatoriaus apvijos viduje yra sudėtingas elektrinis košmaras, ryškus kontrastas palyginti paprastai, valdomai GIS geometrijai.

Elektrinio lauko jautrumas: SF₆ dielektrinis stiprumas labai priklauso nuo elektrinio lauko vienodumo. Visiškai vienodame lauke jis puikiai veikia. Tačiau jo izoliacinės savybės smarkiai pablogėja nevienoduose arba labai skirtinguose laukuose. Transformatoriaus apvijos nėra lygūs cilindrai; jie sudaryti iš daugybės ritių, aštrių kampų, briaunų ir išsikišusių laidininkų. Šios savybės iš prigimties sukuria intensyvių, nevienodų elektrinių laukų sritis. Alyva užpildytame transformatoriuje didesnė alyvos dielektrinė konstanta padeda „išlyginti“ kai kurias iš šių lauko koncentracijų. SF₆ tie patys aštrūs kraštai tampa intensyvaus dalinio iškrovimo šaltiniais, kurie laikui bėgant gali ardyti izoliaciją ir sukelti gedimą.

Sąsajos problema: Šiuolaikinė aukštos įtampos izoliacija visada yra sudėtinė sistema, jungianti skystį (skystį arba dujas) su kieta medžiaga. Alyva užpildytame transformatoriuje laidininkams apvynioti naudojamas celiuliozės popierius ir preso kartonas. Aliejus puikiai impregnuoja šį popierių, užpildydamas kiekvieną mikroskopinę tuštumą. Taip sukuriamas vientisas, vienalytis izoliacijos barjeras, pasižymintis puikiomis dielektrinėmis savybėmis. GIT situacija iš esmės skiriasi. Dujos negali impregnuoti aplink laidus apvyniotos kietos izoliacijos. Vietoj to sukuriama atskira sąsaja tarp kietos medžiagos (pvz., Poliesterio plėvelės arba Nomex popieriaus) ir dujinio SF₆. Kadangi šios dvi medžiagos turi labai skirtingus gebėjimus leisti elektrinį lauką (jų laidumą), elektrinio lauko linijos iškraipomos ir susikaupia šioje sąsajoje. Dėl to kyla didelė šliaužiančių iškrovų rizika, kai elektra blyksteli per kietos izoliacijos paviršių. Šio tipo išleidimas yra vienas iš labiausiai paplitusių ir pavojingiausių dujomis izoliuotų sistemų gedimo režimų, todėl jį valdyti reikia ypač kruopštaus ir sudėtingo projektavimo.

3. Teršalų ir skilimo problema

Nors grynas SF₆ yra chemiškai inertiškas, jo elgesys keičiasi veikiant elektros įtampai.

Jautrumas dalelėms: SF₆ yra labai jautrus užteršimui. Mažytė, laisva laidžioji dalelė GIS bako viduje gali smarkiai sumažinti izoliacijos stiprumą. Transformatoriuje tokios dalelės tam tikru mastu yra neišvengiamos. Aliejuje nedidelė metalo dalelė gali nekenksmingai pakibti arba nusėsti ant dugno, o jos poveikis izoliacijai šiek tiek sumažės. Esant aukštam slėgiui SF₆, panaši dalelė gali gauti energijos, pakilti nuo paviršiaus ir judėti link mažesnio potencialo srities, o tai gali sukelti visišką gedimą.

Skilimo produktai: kai SF₆ yra veikiamas lanko, koronos arba didelės energijos kibirkšties, jis suyra. Jis skyla į įvairius šalutinius produktus, įskaitant žemesniuosius sieros fluoridus (pvz., SF4, S2F10) ir, esant drėgmei, labai ėsdinančias ir toksiškas medžiagas, tokias kaip vandenilio fluoridas (HF). Šie šalutiniai produktai gali atakuoti ir sugadinti tiek metalinius komponentus, tiek transformatoriaus viduje esančią kietą izoliaciją. Tai reiškia, kad jei GIT gedimas įvyksta, pasekmės nėra tik paprastas gedimas; įranga gali būti užteršta iš vidaus, todėl reikia atlikti išsamų ir brangų valymą arba netgi sukelti greitesnį gedimą. Alyva užpildytame transformatoriuje, o lankas taip pat sukuria dujas ir dumblą, pati alyva veikia kaip terpė šiems šalutiniams produktams ištirpinti ir praskiesti, ir dažnai ją galima apdoroti arba pakeisti.

4. Aplinkos ir ekonominis spaudimas: GWP faktorius

XXI amžiuje bene svarbiausias veiksnys, veikiantis prieš SF₆, yra jo poveikis aplinkai. Šis klausimas iš paprasto inžinerinio iššūkio pavertė politiniu ir reguliavimo iššūkiu.

Stiprios šiltnamio efektą sukeliančios dujos: SF₆ yra stipriausios mokslui žinomos šiltnamio efektą sukeliančios dujos. Jo pasaulinio atšilimo potencialas (GWP) yra maždaug 23 500 kartų didesnis nei CO₂ per 100 metų laikotarpį. Paprasčiau tariant, vos vieno kilogramo SF₆ išmetimas į atmosferą turi tokį patį ilgalaikį šildantį poveikį, kaip ir važiuojant automobiliu dešimtis tūkstančių mylių. Be to, jis yra neįtikėtinai stabilus ir atmosferoje išlieka tūkstančius metų. Nors elektros pramonė stengiasi užkirsti kelią nuotėkiams, kai kurie nepastoviai išmetami teršalai yra neišvengiami per dešimtmečius trunkantį transformatoriaus eksploatavimo laiką, ypač gamybos, priežiūros ir eksploatavimo nutraukimo metu.

Alternatyvų paieška: Pagal tarptautinius susitarimus, tokius kaip Kioto protokolas, ir griežtus reglamentus, ypač Europos Sąjungoje, patiriamas didžiulis spaudimas palaipsniui sumažinti F-dujų, tokių kaip SF₆, naudojimą. Tai paskatino pasaulines lenktynes ​​ieškant aplinkai nekenksmingų alternatyvų. Gamintojai dabar kuria ir parduoda „žaliųjų“ dujų izoliuotą įrangą, naudodami naujus dujų mišinius, kurių pagrindą sudaro fluoronitrilai (pvz., C4-FN) arba fluorketonai (pvz., C5-FK), sumaišyti su CO₂. Nors tai vis dar yra fluorinti junginiai, jų GWP yra nedidelė dalis SF₆, o jų tarnavimo laikas atmosferoje yra daug trumpesnis. Šiame naujame aplinkos kraštovaizdyje didelės investicijos į naujos kartos didelio masto SF₆ transformatorius, skirtus bendram naudojimui, atrodo kaip žingsnis neteisinga kryptimi.