Готови ли са алтернативните екологични газове да заменят старите системи?

Въведение

Регулаторният натиск по отношение на SF6 в разпределителните устройства за високо напрежение се превърна от далечна политическа дискусия в активен ограничител на обществените поръчки - Графикът за поетапно намаляване на емисиите на флуорирани парникови газове в Европейския съюз постепенно ограничава флуорираните парникови газове, включително SF6, в новите електрически разпределителни устройства¹, еквивалентната рамка на Обединеното кралство и постепенното затягане на изискванията за работа с SF6 в Китай, Япония и Южна Корея принуждават всяко решение за закупуване на разпределителни устройства GIS през 2025 г. и след това да отговори на въпрос, който не съществуваше в предишното поколение проекти за подстанции: дали алтернативната технология за екологичен газ, която производителят на GIS предлага, е готова да осигури изолационните характеристики, надеждността на превключване и 30-годишния експлоатационен живот, които GIS с изолация SF6 е демонстрирала през десетилетията на експлоатация на преносните и разпределителните подстанции? Въпросът е особено актуален при проектите за свързване към мрежата за възобновяема енергия - подстанции за морски вятърни колектори, подстанции за евакуация на слънчева енергия и проекти за модернизация на мрежата, които свързват ново производство на енергия от възобновяеми източници към старата преносна инфраструктура - където комбинацията от тежки условия на околната среда, високи изисквания за надеждност и дълъг експлоатационен живот на активите прави избора на изолационен газ решение с последици, които се простират далеч отвъд датата на пускане в експлоатация. Алтернативните екологични газове - смеси на базата на флуоронитрил (g³), смеси на базата на флуорокетон (g²), чист въздух и сух въздух - са готови да заменят SF6 в определени класове напрежение и условия на приложение на ГИС и все още не са готови в други, а инженерната грешка, която води до неправилен избор, е третирането на готовността за екологични газове като двоичен въпрос "да" или "не", а не като специфична за класа напрежение, специфично приложение и проверена по стандарт оценка, която съответства на нивото на технологична зрялост на изискванията на проекта. За разработчиците на проекти за възобновяеми енергийни източници, инженерите по модернизация на мрежата и мениджърите по снабдяване с ГИС, които се ориентират в прехода към SF6, това ръководство предоставя честна, препратена към стандартите на IEC оценка на готовността, каквато няма в маркетинговите материали за технологиите.

Съдържание

• Какви са алтернативните технологии за екологични газове и как техните изолационни свойства се сравняват с тези на SF6 в разпределителните устройства на ГИС?
• Какво е текущото ниво на технологична готовност на всяка опция за екогаз в класовете на напрежение на GIS и условията на приложение?
• Как да оценим и специфицираме Eco-Gas GIS за проекти за възобновяема енергия и модернизация на мрежата?
• Какви са разликите в инсталацията, поддръжката и края на експлоатационния период между Eco-Gas и SF6 GIS в експлоатация?

Какви са алтернативните технологии за екологични газове и как техните изолационни свойства се сравняват с тези на SF6 в разпределителните устройства на ГИС?

SF6 доминира в изолацията на ГИС в продължение на пет десетилетия, тъй като неговата комбинация от диелектрична якост, способност за гасене на дъга, термична стабилност и химическа инертност никога не е била сравнявана с нито един алтернативен газ. Всеки от алтернативните екологични газове, които са достигнали търговско приложение, жертва едно или повече от тези свойства в замяна на драстично намален потенциал за глобално затопляне, измерен спрямо CO2 за период от 100 години.² - и разбирането на това кои точно свойства са пожертвани и с колко, е в основата на оценката на готовността.

Базовата линия на изолационните характеристики SF6

SF6 при стандартно работно налягане (0,4-0,5 MPa абсолютно) осигурява:

• Диелектрична якост от приблизително 89 kV/mm при 0,1 MPa, приблизително 2,5 пъти по-голяма от тази на въздуха при същото налягане³
• Възможност за гасене на дъгата: Топлопроводимост 0,013 W/m-K при 20°C; способността за прекъсване на дъгата варира в зависимост от налягането
• Потенциал за глобално затопляне (ПГЗ): 23 500× CO₂ за 100 години (AR5) - регулаторният фактор за подмяна
• Температура на втечняване: -64°C при 0,5 MPa - няма риск от втечняване в стандартни условия на подстанцията

Четирите фамилии технологии Eco-Gas

Технология 1 - Смеси на базата на флуоритрил (g³: C4F7N + CO2 или C4F7N + CO2 + O2):
Разработен от ABB/Hitachi Energy под марката g³; предлага се и от други производители като флуоронитрилни смеси:

• Диелектрична якост: 95-100% на SF6 при еквивалентно налягане - най-близкото съответствие на характеристиките
• ПГЗ: < 1 (ПГЗ на компонента C4F7N = 2,100; разреден в CO2 до < 1 ПГЗ на сместа)
• Дъгово гасене: Сравнимо с SF6 при средно напрежение; намалена способност при преносно напрежение
• Температура на втечняване: -25°C до -15°C в зависимост от съотношението на сместа - риск от втечняване при студен климат
• Продукти на разпадане: C4F7N се разлага под въздействието на енергията на дъгата до перфлуороизобутилен (PFIB), който е остро токсичен при концентрации под ppm.⁴; изисква същия протокол за управление на продуктите за разлагане като SF6

Технология 2 - смеси на базата на флуорокетон (g²: C5F10O + въздух или C5F10O + N2):
Разработен от 3M/ABB под марката g²; флуорокетон (Novec 4710), смесен със сух въздух или азот:

• Диелектрична якост: 70-80% на SF6 при еквивалентно налягане - изисква по-високо работно налягане или по-голям корпус
• GWP: < 1 (GWP на C5F10O = 1; GWP на сместа < 1)
• Гасене на дъгата: Ограничено - подходящо предимно за превключване на прекъсване на товара, а не за прекъсване на високотокови повреди при преносно напрежение
• Температура на втечняване: -10°C до 0°C при стандартно работно налягане - значителен риск от втечняване при умерен и студен климат

Технология 3 - чист въздух (сгъстен сух въздух, CDA):
Сгъстен сух въздух при абсолютна стойност 0,5-0,8 МРа:

• Диелектрична якост: 35-40% на SF6 при еквивалентно налягане - изисква значително по-голям корпус или по-високо налягане
• GWP: нула
• Гасене на дъгата: Ограничено до превключване на прекъсване на товара при средно напрежение; не е подходящо за прекъсване на повреда на прекъсвач при висок ток.
• Температура на втечняване: Не е приложимо - няма риск от втечняване при каквато и да е работна температура

Технология 4 - Смеси от сух въздух и N2:
Смеси от азот и кислород или чист азот при повишено налягане:

• Диелектрична якост: 30-38% на SF6 - най-голям размер на корпуса
• GWP: нула
• Заглушаване на дъгата: Подходящо само за приложения с разединители и заземители - не за прекъсване на прекъсвачи.

Сравнителна таблица за ефективността на Eco-Gas

Имоти	SF6	g³ (флуоронитрил)	g² (флуорокетон)	Чист въздух	Сух N2
Диелектрична якост спрямо SF6	100%	95-100%	70-80%	35-40%	30-38%
ПГЗ (100-годишен)	23,500	< 1	< 1	0	0
Прекъсване при повреда на CB	Пълен	Пълна (СН) / частична (НН)	Ограничен	Не	Не
Риск от втечняване	Няма	Умерена (< -15°C)	Висока (< 0°C)	Няма	Няма
Токсични продукти на разпадане	Да	Да (PFIB)	Минимален	Няма	Няма
Размер на корпуса спрямо SF6	1.0×	1.0-1.1×	1.2-1.4×	1.8-2.2×	2.0-2.5×
Търговска наличност	Зрял	MV: зрял; HV: ограничен	MV: ограничен	MV: на разположение	MV: на разположение

Какво е текущото ниво на технологична готовност на всяка опция за екогаз в класовете на напрежение на GIS и условията на приложение?

Технологичната готовност не е еднаква за цялата фамилия еко-газове - тя варира в зависимост от класа на напрежението, вида на приложението и статуса на сертификация по стандартите IEC на конкретния продукт, който се оценява. Оценката на готовността по-долу отразява състоянието на търговското внедряване и сертифицирането по IEC към 2025-2026 г.

Готовност по клас на напрежението

ГИС за средно напрежение 12 kV и 24 kV:
Това е класът напрежение, в който ГИС с екологичен газ са достигнали истинска търговска зрялост - множество производители предлагат ГИС с g³ и чист въздух при 12 kV и 24 kV с пълна Сертифициране за изпитване на типа по IEC 62271-200, обхващащо комутационна апаратура и апаратура за управление с метална обвивка за номинални напрежения над 1 kV до 52 kV включително⁵, брой на инсталираните на място устройства надхвърля 5 000 единици, а историята на експлоатация е от 5 до 10 години в европейски и азиатски комунални приложения:

• g³ флуоронитрил GIS при напрежение 12-24 kV: Готов - пълно IEC сертифициране, зряла верига за доставки, доказани експлоатационни характеристики
• GIS за чист въздух при 12-24 kV: 80-120% с по-големи размери от SF6 GIS; приемлива за новопостроени подстанции с възможност за пространство; проблематична за преоборудване в съществуващи SF6 GIS помещения
• g² флуорокетон GIS при 12-24 kV: Условно готов - ограничен до климатични условия, където температурата на околната среда не пада под -5°C; рискът от втечняване изисква отопление на корпуса при умерен климат

40,5 kV GIS:
Търговското внедряване при 40,5 kV не е толкова развито - продуктите g³ се предлагат от основните производители със сертификат IEC 62271-200, но броят на полевите инсталации е по-малък, а експлоатационните периоди са по-кратки, отколкото при 12-24 kV:

• g³ флуоронитрил GIS при 40,5 kV: Условно готов - сертифициран по IEC; ограничен брой жители на полето; да се посочи с удължена гаранция и гаранция за експлоатационни характеристики от производителя
• GIS за чист въздух при 40,5 kV: Ограничена готовност - санкцията за размера на корпуса (2× SF6) прави приложенията за ново строителство трудни; приложенията за модернизация обикновено са неприложими.

110 kV и повече:
При напрежението на преносната мрежа готовността на екогазовите ГИС спада значително - изискванията за гасене на дъгата при прекъсване на тока на повреда при 110 kV и повече надхвърлят сегашните възможности на флуорокетона и технологиите за чист въздух, а флуоронитрилът g³ при напрежението на преносната мрежа е по-скоро във фаза на полеви изпитания, отколкото на търговско внедряване:

• g³ при 110 kV+: Все още не е готов за стандартна спецификация - в момента се провеждат полеви изпитания; към 2025 г. няма сертификат за изпитване на типа по IEC 62271-1 за пълно прекъсване на повреда при 110 kV
• Всички останали екологични газове при 110 kV+: Не са готови - основно ограничение за гасене на дъгата

Готовност по състояние на приложението

Случай на клиент: Разработчикът на проект за свързване на офшорна вятърна мрежа във Фуджиан, Китай, се свърза с Бепто, за да направи оценка на ГИС за екогаз за колекторната подстанция 35 kV, обслужваща офшорен вятърен парк с мощност 300 MW. Спецификацията на проекта изискваше изолационен газ GIS с GWP < 10, за да се изпълнят ангажиментите на проекта за ESG към финансовия консорциум. Инженерният екип на Bepto направи оценка на условията на обекта - температурен диапазон на околната среда от -5°C до +38°C, среда на солена мъгла, изискване за пълно сертифициране на типови изпитвания по IEC 62271-200 - и препоръча флуоронитрилна GIS g³ при 35 kV с отопление против кондензация на корпуса, определено за условието за минимална температура -5°C. Температурата на втечняване на посочената g³ смес (-18°C при работно налягане) осигурява достатъчен резерв над минималната температура на обекта. Проектът беше специфициран и поръчан с g³ GIS; въвеждането в експлоатация завърши без проблеми, свързани с газа. Съответствието с GWP беше документирано за финансовия доклад на ESG.

Приложение	g³ Готовност	g² Готовност	Готовност за чист въздух
Закрита градска подстанция (12-24 kV)	Готов	Условен	Готови (при наличие на място)
Подстанция на открито, умерен климат	Условно (изисква се отопление)	Не се препоръчва	Готов
Офшорни / крайбрежни (солена мъгла)	Готов с херметизиран корпус	Не се препоръчва	Готов
Студен климат (< -20°C околна среда)	Не се препоръчва	Не се препоръчва	Готов
Колектор за възобновяема енергия (35 kV)	Условен	Не се препоръчва	Ограничен
Преносна подстанция (110 kV+)	Не е готов	Не е готов	Не е готов

Как да оценим и специфицираме Eco-Gas GIS за проекти за възобновяема енергия и модернизация на мрежата?

Стъпка 1: Определяне на регулаторното и ESG изискване

• Потвърждаване на приложимата нормативна уредба за SF6 в юрисдикцията на проекта - график за поетапно намаляване на емисиите на F-газ в ЕС, национален еквивалент или специфично за проекта изискване на ESG
• Определяне на максималния допустим GWP - Регламентът на ЕС за F-газовете забранява от 2030 г. нови ГИС с SF6 за класове напрежение, за които има алтернативи; изискванията за финансиране на ESG обикновено определят GWP < 10 или GWP < 1
• Документиране на регулаторното изискване в спецификацията на проекта - това е задължителното ограничение, което определя избора на екологичен газ.

Стъпка 2: Оценка на климатичните условия на обекта спрямо риска от втечняване

• Определяне на минималната температура на околната среда на мястото на инсталиране от метеорологични данни - използвайте минималната температура за 1 на 50 години, а не средната минимална температура през зимата.
• Сравняване на минималната температура на обекта с температурата на втечняване на всеки кандидатстващ екогаз при определено работно налягане.
• За g³ флуоронитрил: изискайте от производителя да потвърди температурата на втечняване на конкретното съотношение на сместа при определеното работно налягане - съотношението на сместа влияе на температурата на втечняване с ±8°C.

Стъпка 3: Проверка на сертификацията по стандартите IEC

Изисквайте следните сертификати за всеки продукт на GIS за екологични газове, представен за оценка:

• Сертификат за изпитване на типа IEC 62271-200 - потвърждава ефективността на целия комплект разпределителни устройства, включително изолационната система с екологичен газ
• IEC 62271-1 тест за диелектрична устойчивост при посочения клас на напрежение с екологичен газ при минимално работно налягане - потвърждава диелектричните характеристики при най-лошото състояние на газа
• IEC 62271-100 Изпитване за прекъсване на тока на късо съединение за отделенията на прекъсвачите установява процедура за проверка на номиналния ток на късо съединение⁶ - потвърждава възможността за прекъсване на повредата с eco-gas

Стъпка 4: Оценяване на населението на полето на производителя и историята на сервизното обслужване

Втори случай на клиент: Ръководител на обществена поръчка на изпълнител на EPC за модернизация на мрежата в Джъдзян, Китай, се свърза с Bepto, за да оцени три конкурентни предложения за ГИС с екологичен газ за модернизация на градска разпределителна подстанция 10 kV. Две предложения предлагат ГИС с флуоронитрил g³; едно предлага ГИС с чист въздух. Оценката на Bepto установи, че в едно от предложенията за g³ липсва сертификат за изпитване на типа по IEC 62271-200 за конкретното посочено съотношение на сместа - производителят е сертифицирал друго съотношение на сместа и е екстраполирал сертификата към предложения продукт. Предложението за чист въздух изискваше 95% по-голямо разпределително помещение от съществуващото помещение за SF6 GIS - физически несъвместимо с ограниченията на проекта за модернизация. Второто предложение за g³ носеше пълна сертификация по IEC 62271-200, полева популация от над 800 единици в китайски комунални услуги и 5-годишна гаранция за работа. Bepto препоръча и достави сертифицираната g³ GIS; проектът беше пуснат в експлоатация по график.

Какви са разликите в инсталацията, поддръжката и края на експлоатационния период между Eco-Gas и SF6 GIS в експлоатация?

Разлики при инсталирането

• Процедура за пълнене с газ: смесите от еко-газ g³ и g² изискват специално оборудване за обработка на газ - устройствата за регенериране на SF6 не могат да се използват за еко-газ; посочете оборудване за пълнене, съвместимо с еко-газ, в монтажния план на проекта.
• Проверка на съотношението на сместа: g³ и g² са газови смеси - проверете съотношението на сместа след пълнене с помощта на посочения от производителя газов анализатор; неправилното съотношение на сместа влияе както на диелектричните характеристики, така и на температурата на втечняване.
• Отопление на корпуса: инсталациите g³ и g² в климатични условия с минимална температура на околната среда в рамките на 15°C от температурата на втечняване изискват нагреватели против кондензация - посочете капацитета на нагревателя, зададената стойност на термостата и захранването в проекта на инсталацията.

Разлики в поддръжката

Дейност по поддръжка	SF6 GIS	g³ Eco-Gas GIS	ГИС "Чист въздух
Годишна проверка на плътността на газа	Реле за плътност - стандартно	Реле за плътност - калибрирано с екологичен газ	Манометър - стандартен
Възстановяване на газ преди поддръжка	Единица за възстановяване на SF6	Специален модул за рекуперация на екологични газове	Изпускане в атмосферата (нулев GWP)
Управление на продукти с декомпозиция	Пълен протокол IEC 62271-303	Подобно на SF6 - опасност от PFIB	Не се изисква
Анализ на качеството на газа	IEC 60480	Специфичен за производителя протокол	Не се изисква
Регулаторно отчитане	Годишен одит на SF6	Намален - GWP < 1	Не се изисква

Често срещани грешки в спецификацията, които трябва да се отстранят

• Грешка 1 - Определяне на ГИС за екологично чист газ без оценка на климата: рискът от втечняване на g³ и g² при студен климат е начин за прекратяване на обслужването - никога не определяйте, без да потвърдите температурния марж на втечняване спрямо минималната температура на обекта
• Грешка 2 - Приемане на сертификат за екологичен газ, екстраполиран от различно съотношение на сместа: Сертификатът за изпитване на типа IEC е специфичен за съотношението на сместа - изисквайте сертификат за точното съотношение на сместа, която се доставя
• Грешка 3 - Предполага се, че екогазът елиминира всички опасности, свързани с продуктите на разпадане: флуоронитрилът g³ се разпада до PFIB под въздействието на електродъга - за g³ се прилага същият протокол за управление на токсичните продукти на разпадане, който се изисква за SF6; чистият въздух е единственият екогаз, който елиминира напълно тази опасност.
• Грешка 4 - Определяне на GIS с екологичен газ при 110 kV без потвърдено изпитване за тип прекъсване при повреда: Към 2025 г. нито един екогаз не е постигнал пълно сертифициране по IEC 62271-100 за изпитване на типа прекъсване при повреда при 110 kV - специфицирането на екогаз при преносно напрежение без това сертифициране създава договорен и технически риск, който проектът не може да поеме

Заключение

Алтернативните екологични газове са готови да заменят SF6 в разпределителните устройства на ГИС при 12 kV и 24 kV в повечето условия на приложение, условно готови са при 35-40,5 kV при умерен климат с подходяща спецификационна дисциплина и все още не са готови при 110 kV и повече за пълно прекъсване на повредата. Проектите за възобновяеми енергийни източници и модернизация на мрежата, които ще въведат в експлоатация най-много разпределителни устройства на ГИС през следващото десетилетие, се намират предимно в диапазона на напреженията 12-40,5 kV, където готовността за използване на екологичен газ е реална - но само когато спецификацията налага сертифициране на типови изпитвания по IEC 62271-200 за точното съотношение на сместа, проверен от климатичните условия температурен марж на втечняване и доказателства от практиката на производителя, които разграничават действително готовата технология от амбициозно предлаганата на пазара технология. Специфицирайте еко-газ ГИС в клас на напрежение, в който е потвърдена сертификацията по IEC, проверете температурния марж на втечняване спрямо минималната температура на вашия обект 1 на 50 години, изисквайте протоколи за управление на продуктите за разлагане за инсталации g³ и изисквайте доказателства за популация от поне 500 единици в сравними условия на експлоатация - защото преходът към еко-газ, който обслужва вашия проект за възобновяема енергия, е този, който е изграден на базата на проверени характеристики, а не на регулаторната спешност, която прави непроверените твърдения търговски привлекателни.

Често задавани въпроси относно алтернативните разпределителни устройства GIS с екологичен газ

1. “Флуорирани парникови газове”, https://climate.ec.europa.eu/eu-action/fluorinated-greenhouse-gases/eu-rules_en. Официален ресурс на Европейската комисия, съдържащ подробна информация за рамката на Регламента за F-газовете и графика за поетапно намаляване на емисиите, приложим към обществените поръчки за разпределителни устройства за високо напрежение. Evidence role: general_support; Source type: government. Подкрепя: Потвърждава регулаторния график за поетапно намаляване, който ограничава спецификацията на ГИС с изолация SF6 в юрисдикциите на ЕС. ↩

2. “IPCC AR6 Working Group I, Chapter 7: The Earth's Energy Budget, Climate Feedbacks and Climate Sensitivity”, https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/chapter/chapter-7/. Авторитетна оценка на IPCC, установяваща 100-годишни стойности на потенциала за глобално затопляне за парникови газове, включително SF6 и флуорирани алтернативи. Роля на доказателството: статистическо; Тип на източника: изследване. Подкрепя: Утвърждава базовата линия за сравнение на ПГЗ, използвана за оценка на екологичните показатели на екогазовете спрямо SF6. ↩

3. “Серен хексафлуорид”, https://en.wikipedia.org/wiki/Sulfur_hexafluoride. Справка за физичните, диелектричните и топлинните свойства на SF6, използван в приложения за високоволтова електрическа изолация. Роля на доказателството: статистическо; Тип на източника: изследване. Подкрепа: Осигурява базовата диелектрична якост, спрямо която се измерват алтернативите на екологичните газове. ↩

4. “Перфлуороизобутилен”, https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Perfluoroisobutylene. Вписване в базата данни за химикали на NIH PubChem, предоставящо данни за токсикологичните и физичните свойства на съединението за разлагане на PFIB. Роля на доказателството: механизъм; Тип на източника: държавен. Подкрепя: Потвърждава, че PFIB е остро токсичен при концентрации под ppm, което обосновава протоколите за управление на продуктите от разлагането за g³ GIS. ↩

5. “IEC 62271-200:2021 - Комутационна апаратура за високо напрежение - Част 200: Комутационна апаратура за променлив ток с метално покритие и контролна апаратура за номинални напрежения над 1 kV и до 52 kV включително”, https://webstore.iec.ch/publication/62994. Официален запис на публикация на IEC за стандарт за изпитване на типа, регулиращ сглобки на комутационни апарати с метално покритие за средно напрежение. Evidence role: general_support; Source type: standard. Поддържа: Определя рамката за сертифициране, която определя готовността на ГИС за екологични газове при класове на напрежение 12-24 kV и 40,5 kV. ↩

6. “IEC 62271-100 - Комутационна и управляваща апаратура за високо напрежение - Част 100: Прекъсвачи за променлив ток”, https://webstore.iec.ch/publication/62166. Официален запис на публикацията на IEC за стандарта, определящ процедурите за изпитване на типа прекъсване на тока на късо съединение за прекъсвачи за високо напрежение. Evidence role: general_support; Source type: standard. Поддържа: Установява еталон за сертифициране на прекъсването при повреда, който все още не е изпълнен от еко-газ ГИС при 110 kV и повече. ↩