جایگزین های گاز SF6 در تابلو برق

حذف گاز SF6 از تابلو برق صنعتی

کربن زدایی از فرآیندهای تولید برق اهرم اصلی برای کاهش انتشار گازهای گلخانه ای (GHG) جهانی و ایجاد یک انتقال موفق انرژی بوده و خواهد ماند. طبق گزارش آژانس بین المللی انرژی (IEA)، جهان در سال 2021 رکورد 295 گیگاوات (GW) ظرفیت تولید انرژی های تجدیدپذیر را ایجاد نموده است. در حالی که افزایش سریع تولید انرژی های تجدیدپذیر برای دستیابی به اهداف میان مدت و بلندمدت اقلیمی کلیدی خواهد بود، هیچ سنگی را نمی توان در تلاش برای رسیدن به صفر خالص رها کرد. برای این منظور، صنعت انرژی باید بر این تمرکز کند که چگونه بخش انتقال و توزیع (T&D) از زنجیره ارزش می تواند به کاهش گازهای گلخانه ای کمک کند. در این مقاله از وبسایت آداک، به بررسی روش های کاهش استفاده از گاز SF6 در تابلو برق می پردازیم. با ما همراه باشید.

از زمان معرفی آن در دهه 1950، هگزا فلوراید گوگرد (SF6) گاز انتخابی برای قطع کننده های مدار و تابلوهای عایق گاز (GIS) در پست های فشار قوی بوده است. SF6 دارای ویژگی های منحصر به فردی است که آن را به ویژه برای عایق الکتریکی، قطع جریان و خاموش کردن قوس مناسب می کند. با این حال، اگر در اتمسفر رها شود، تأثیر زیست محیطی آن قابل توجه است.

مضرات گاز SF6 چیست؟

پتانسیل گرمایش جهانی (GWP) SF6 25200 برابر بیشتر از دی اکسید کربن (CO2) است. در صورت نشت، به مدت 3200 سال در جو زمین باقی می ماند. در حالی که نرخ نشت در فرآیند تولید و در حین بهره برداری از تجهیزات ولتاژ بالا کم است، شرکت های آب و برق و ارگان های حاکم مدت هاست که نیاز به به حداقل رساندن استفاده از SF6 را تشخیص داده اند. چالش اصلی فقدان جایگزین های قابل دوام بوده است.

جایگزین های گاز SF6

اما اکنون این گزاره دیگر صدق نمی‌کند، زیرا فعالیت‌های تحقیق و توسعه گسترده از سوی فروشندگان تجهیزات در سال‌های اخیر منجر به توسعه فناوری تغییردهنده بازی شده است که از مخلوط گاز جدیدی متشکل از فلورونیتریل، CO2 و O2 استفاده می‌کند. GWP مخلوط بیش از 100 برابر کمتر از SF6 است و یک راه حل قابل اعتماد و کارآمد برای کاربردهای کلید ولتاژ بالا از 72.5 کیلو ولت تا ولتاژ فوق العاده بالا 1200 کیلو ولت است.

آشنایی با عملکرد تابلو برق فشار قوی

تابلو برق های فشار قوی یا ولتاژ بالا در حین کار تحت فشار شدید مکانیکی، الکتریکی و حرارتی قرار می گیرند که طراحی آنها را از نظر فنی چالش برانگیز می کند. به عنوان مثال، یک بریکر 420 کیلوولت معمولاً برای قطع جریان های خطا تا 63000 آمپر در کسری از ثانیه مورد نیاز است. انرژی آزاد شده در طول فرآیند وقفه با انرژی برخورد اتومبیل با دیوار در حدود 100 کیلومتر (تقریبا 60 مایل) در ساعت قابل مقایسه است. برای مدت زمان بسیار کوتاهی دمایی که در داخل کلید قطع می شود از سطح خورشید گرمتر است.

چرا از گاز SF6 در تابلو برق استفاده می شود؟

SF6 یک ترکیب مصنوعی فلوئوردار با خواص استثنایی، از جمله قدرت دی الکتریک بالا و ظرفیت وقفه است. این ویژگی ها باعث می شود تجهیزات ولتاژ بالا بسیار فشرده باشند. تابلو برق SF6 مدرن از فناوری GIS استفاده می کنند، به این معنی که یک محیط گازی هم برای سوئیچینگ (از جمله قطع جریان) و هم برای عایق استفاده می شود. فناوری GIS قابل اعتماد و مقیاس پذیر در سطوح ولتاژ از 72.5 کیلوولت تا 1200 کیلو ولت است. یکی از مزایای اصلی آن در مقایسه با فناوری تابلو عایق هوا (AIS) ردپای کوچکتر است. پست های GIS با استفاده از SF6 تا 10 برابر کوچکتر از پست های AIS هستند. اندازه کاهش یافته مهم است، زیرا تاسیسات در نزدیکی مراکز شهری قرار دارند، جایی که زمین و فضا در اولویت هستند.

در این رابطه بخوانید: تابلو برق عایق گاز چیست؟

یافتن جایگزینی برای SF6 که بتواند عملکرد، مقیاس پذیری و اندازه یکسانی را به دست آورد، برای تامین کنندگان تجهیزات یک چالش بوده است. توسعه راه حل های فشرده برای تجهیزات ولتاژ بالا به ویژه دشوار است.

قطع کننده های مدار خلاء همراه با هوای مصنوعی به عنوان گاز عایق یکی از راه حل هایی است که به عنوان جایگزینی برای SF6 در حال بررسی است. اگرچه هوای مصنوعی دارای GWP صفر است، اما این فناوری در صورت بررسی دقیق‌تر تأثیر محیطی غیر قابل چشم پوشی دارد.

هوا دارای خواص دی الکتریک متوسطی است. در نتیجه، تجهیزات عایق هوا باید نسبتاً بزرگتر و سنگین تر از تجهیزاتی باشند که از مخلوط های گاز جایگزین پیشرفته استفاده می کنند. این امر مستلزم استفاده از مواد با کیفیت بالا و ساخت اضافی است که به ردپای کربن بیشتر کمک می کند و در نتیجه مزایای زیست محیطی را جبران می کند.

همچنین بخوانید: تابلو برق عایق هوا و کاربردهای آن

همچنین فضای اضافی برای قرار دادن تجهیزات بزرگتر مورد نیاز است، که با سایر نیازهای کاربری زمین، مانند حفظ طبیعت، کشاورزی و/یا توسعه شهری رقابت می کند. در نهایت، با توجه به گسترش شبکه‌های برق مورد نیاز برای انتقال انرژی، جوامع نمی‌خواهند پست‌های فشار قوی بزرگ‌تر از آنچه در حال حاضر هستند، ببینند.

مهم ترین جایگزین های در دسترس برای SF6

در طول دهه گذشته، چندین فرمول جایگزین SF6 در تجهیزات ولتاژ بالا توسعه یافته و آزمایش شده‌اند که امیدوارکننده‌تر از C4-FN (C3F7CN) نیستند.

گاز C4-FN

C4-FN یک مخلوط گاز مبتنی بر فلورونیتریل است که توسط 3M با نام تجاری Novec™ 4710 توسعه یافته است و به طور خاص برای کاربردهای تجهیزات ولتاژ بالا، از جمله GIS، خطوط عایق گاز، و سایر کاربردهای تابلو برق، مانند Dead Tank Breakers (DTBs) و سوئیچگیر هیبریدی مناسب است.

 

در حالت خالص، C4-FN دو برابر قدرت دی الکتریک SF6 است. مخلوط‌های گازی متشکل از C4-FN، CO2 و O2 را می‌توان برای حداقل دمای عملیاتی 30 درجه سانتی‌گراد انتخاب کرد تا به کاهش معادل CO2 گاز عایق 99+% (که ضریب 100 است) در مقایسه با SF6 دست یابد.

مزایای کلیدی آن عبارتند از:

1-ردپای کربن گاز عایق اساسا حذف می‌شود، در حالی که ردپای مشابه و رتبه‌بندی‌های مشابه محصولات SF6 موجود حفظ می‌شود و آن را برای ساختمان‌های کوچک‌تر، از جمله تاسیسات GIS قدیمی مناسب می‌سازد.

2-شیوه های استاندارد شده حمل و نقل گاز و آموزش برای پرسنل مشتری، مشابه آنچه برای تجهیزات موجود مورد نیاز است

3-صرفه جویی در مقیاس برای تامین کنندگان گاز و تولید کنندگان تجهیزات کمکی

یشرفت قابل توجهی در دو سال گذشته برای تجاری سازی محصولات تابلو برق فشار قوی که از مخلوط گازی مبتنی بر فلورونیتریل با کارایی زیست محیطی استفاده می کنند، حاصل شده است.

نمونه های مورد استفاده از گاز فلورونیتریل

در سال 2021، یکی از رهبران فناوری جهانی خط جدیدی از محصولات تابلو برق فشار قوی را راه‌اندازی کرد که از مخلوط گازی مبتنی بر فلورونیتریل با کارآمدی زیست محیطی استفاده می‌کند و قصد دارد در سال‌های آینده مجموعه‌ای بدون SF6 را در کل محدوده تابلو برق فشار قوی ارائه کند. یک GIS 145 کیلوولت بدون SF6 از اواخر سال 2021 به صورت تجاری در دسترس بوده است.

در آگوست سال جاری، با معرفی مدارشکن بدون مدار SF6 420 کیلوولت (63 کیلو آمپر) پیشرفتی حاصل شد. قطع کننده مدار یکی از فعال کننده های کلیدی چندین برنامه سوئیچ ولتاژ بالا و سازگار با محیط زیست است که برای انتقال برق در مسافت های طولانی مورد نیاز است. مدار شکن تمام تست های مربوطه را که در استانداردهای IEC و IEEE برای 63 kA، 5000 A، 50 و 60 Hz شرح داده شده است، پشت سر گذاشته است. ردپای و ابعاد مشابه مدارشکن های 420 کیلوولتی مبتنی بر SF6 است.

اولین نصب بریکر 420 کیلو ولت در یک DTB برای اواسط سال 2023 برنامه ریزی شده است، جایی که در پست 345 کیلوولت متعلق به ارائه دهنده انرژی مستقر در ایالات متحده، Eversource، استفاده خواهد شد. Eversource تقریباً به چهار میلیون مشتری در منطقه نیوانگلند خدمات ارائه می دهد. این پروژه از اهداف پایداری شرکت، از جمله دستیابی به اهداف برای دستیابی به بی‌طرفی کربن در عملیات آن تا سال 2030 پشتیبانی می‌کند. استفاده از فناوری‌های نوآورانه برای جایگزینی یا کاهش SF6 در سیستم انتقال 345 کیلوولت، بخش کلیدی این تلاش خواهد بود.

کاربردهای بریکر 420 کیلوولت بدون SF6

اولین کاربرد قطع کننده مدار 420 کیلوولت بدون SF6 در GIS در آلمان انجام خواهد شد، جایی که سه جایگاه 420 کیلوولت GIS در یک پست برای TenneT نصب خواهد شد. این پروژه یک ارتقاء عمده اتصال به شبکه را پوشش می دهد که به منظور افزایش عمر عملیاتی زیرساخت های موجود و امکان انتقال کارآمد برق در مسافت های طولانی انجام می شود. استفاده از مخلوط گاز مبتنی بر فلورونیتریل منجر به اجتناب از 2300 کیلوگرم SF6 می شود که معادل انتشار سالانه CO2 از 1150 وسیله نقلیه مسافربری است.

طراحی برای آینده

با توجه به سرمایه گذاری عظیم اولیه مورد نیاز برای توسعه و ساخت زیرساخت های جدید T&D و ارتقاء سیستم های قدیمی، مهم است که هر جایگزینی برای SF6 مقیاس پذیر و مناسب برای صنعتی سازی گسترده جهانی باشد. چندین تولید کننده در اروپا، چین و کره استفاده از مخلوط مبتنی بر فلورونیتریل را در تجهیزات خود آغاز کرده اند، که نشان دهنده اعتماد به پتانسیل بلندمدت آن و تضمین رقابت سالم بین چندین فروشنده است.

استانداردهای موجود IEC

استانداردهای موجود IEC بر درجه بندی ها، روش های آزمایش و الزامات مربوط به هر نوع تابلو برق فشار قوی بدون توجه به فناوری آن حاکم است. استانداردهای IEC که جنبه‌های خاص مخلوط‌های مبتنی بر فلورونیتریل و سایر مخلوط‌های اکو گاز را پوشش می‌دهند، اخیرا تکمیل شده‌اند یا در دست توسعه هستند. یک زنجیره تامین صنعتی پیرامون این فناوری ایجاد شده است که بسیاری از تولیدکنندگان تجهیزات یا خدمات کمکی و گازرسانی را برای مخلوط ارائه می دهند.

علاوه بر این، با سخت‌تر شدن و تکامل قوانین گازهای گلخانه‌ای در سراسر جهان، کل ردپای کربن یک محصول در کل چرخه عمر آن در حال تبدیل شدن به «استاندارد طلایی» مورد توافق برای قضاوت عملکرد زیست‌محیطی است. وقتی صحبت از تجهیزات ساخت تابلو برق به میان می آید، نگاه کردن صرفاً به خود مخلوط گاز ساده سازی بیش از حد است. مقایسه کل ردپای کربن به نفع فناوری گاز مبتنی بر فلورونیتریل است، زیرا اجازه می دهد تا ردپای کوچکتری نسبت به سایر راه حل های بدون SF6، از جمله GIS با استفاده از هوای تحت فشار به عنوان محیط عایق، داشته باشد.

فشردگی مورد نیاز برای تجهیزات ولتاژ بالا و عایق گاز تنها با عملکرد دی الکتریک بالا حاصل از استفاده از مقادیر کمی گاز فلوئوردار در مخلوط حاصل می شود. این یک واقعیت علمی اساسی است که تقریباً توسط همه کارشناسان مستقل صنعت تصدیق شده است.

نتیجه‌گیری: تبدیل شبکه‌های پایدار به واقعیت

افزایش قریب‌الوقوع ظرفیت تولید انرژی‌های تجدیدپذیر در دهه‌های آینده، سازگاری‌های قابل‌توجهی با زیرساخت‌های T&D موجود در سراسر جهان را ضروری خواهد کرد.

با افزایش نفوذ باد و خورشید، شبکه ها باید گسترش یابند. به طور متوسط، برق از یک مزرعه بادی در مقایسه با یک منبع تولید معمولی، حدود پنج برابر فاصله منبع تا کاربر نهایی را طی می کند. فاصله بیشتر نیاز به سیستم های ولتاژ بالاتر و پست های اضافی را ایجاد می کند. این پست ها باید به طور پایدار توسعه یابند، بدون اینکه استانداردهای تعیین شده برای عملکرد، در دسترس بودن و اندازه به خطر بیفتد.

در حالی که SF6 برای مدت طولانی به عنوان عایق و وسیله سوئیچینگ انتخابی برای تابلو برق فشار قوی عمل کرده است، تاثیرات زیست محیطی آن به حدی است که باید در صورت امکان جایگزین شود.

ثابت شده است که فناوری مبتنی بر فلورونیتریل جایگزین قابل اعتماد و کارآمدی برای SF6 است و این پتانسیل را دارد که ردپای کربن پست‌ها را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. از آنجایی که از عایق گاز قابل اعتماد و قابل پیش بینی و فناوری قطع کننده گاز استفاده می کند، می توان آن را به روشی ساده مقیاس بندی کرد. در حال حاضر، این عملی ترین راه حل عایق برای سطوح ولتاژ بالای 52 کیلو ولت است و به طور گسترده توسط متخصصان به عنوان بهترین گزینه موجود برای فعال کردن حذف سریع SF6 – نه تنها در بخش های محدود، بلکه در سطح جهانی برای صنعت ولتاژ بالا – تایید شده است.

ساخت تابلو برق مدرن با طراحی پیشرفته

اگر به دنبال یک شرکت معتبر برای سفارش طراحی و ساخت تابلو برق هستید، هم اکنون با کارشناسان شرکت آداک بهین نیرو تماس حاصل فرمایید. به پیشتوانه سال ها تجربه در زمینه ساخت انواع تابلو برق فشار ضعیف و فشار متوسط و انواع تجهیزات جانبی تابلو برق، این شرکت آماده ارائه راه کارهای حرفه ای به شما عزیزان است. شماره های تماس ما 02634156000 و 02144491255 است.