Элегаз — это сокращение от словосочетания «электротехнический газ». В течение многих десятилетий он использовался в качестве основного изолятора в ячейках распределительных устройств. Однако сегодня производители оборудования стараются отказываться от его использования, так как электротехнический газ — сильнейший парниковый газ. Чем его можно заменить? Ответим на этот вопрос вместе с Максимом Москалевым, руководителем по развитию бизнеса «Распределение электроэнергии среднего напряжения» компании Eaton.
Почему элегаз?
Химически элегаз представляет собой шестифтористую серу, или гексафторид серы (SF6). Благодаря способности захватывать электроны он является прекрасным диэлектриком. А это, в свою очередь, позволяет сократить изоляционные расстояния и уменьшить размеры электроустановок, например, распределительных ячеек, что с прагматичной точки зрения — экономия места и денег. Помимо этого, элегаз хорошо гасит электрическую дугу, что увеличивает отключающие функции решений на его основе. Его способность быстро охлаждаться уменьшает нагрев токоведущих элементов. Наконец, при температурах ниже 225 °C он химически пассивен относительно металлов, используемых в ячейках.
На практике применения элегаза даёт увеличение токовой нагрузки на 25 %, а допустимой температуры медных контактов — до 90 °C. Этим и обусловлена его популярность. В частности, примерно половина электротехнических решений для среднего напряжения использует элегаз в качестве изоляционной среды или дугогасительной среды, в компактных устройствах высокого напряжения этот показатель достигает 80 %.
Почему разработчики отказываются от электротехнического газа?
Несмотря на все достоинства элегаза, безэлегазовые технологии набирают обороты. Безусловно, элегаз — хороший изолятор. Но его вред для окружающей среды в десятки тысяч раз выше, чем от диоксида углерода или метана. Если у последнего показатель ПГП («потенциал глобального потепления», или GWP, — введён Киотским протоколом в 1997 году) на отрезке в 20 лет равен 72, то ПГП гексафторида серы — уже 16 300, притом время его существования в окружающей среде достигает 3200 лет (в сравнении с 12 годами у метана). И это ещё не всё.
Помимо этого, в случае возникновения внутреннего дугового замыкания, при котором неизбежно происходит разгерметизация бака с элегазом, продукты горения и разложения элегаза крайне опасны для человека, так как являются ядовитыми веществами.
Использующие элегаз устройства требуют особой тщательности исполнения. Даже незначительные шероховатости на стенках камеры приводят к образованию очагов перенапряжённости электрического поля, вызывающих коронные разряды. Под их воздействием элегаз разлагается на низшие фториды, химически агрессивные к материалам, из которых сделана ячейка.
Также обстоят дела и с утилизацией элегазовых устройств — серьёзная техническая проблема, требующая дорогих технических решений. Например, в Австралии работает целый завод, единственная задача которого — восстановление гексафлорида серы для повторного использования.
Таким образом, полный цикл эксплуатации элегазовых устройств связан с серьёзными расходами. Они особенно велики при выводе подстанций из эксплуатации. Цена утилизации элегазового оборудования может достигать 50 % от остаточной стоимости устройств. Просто выбросить их нельзя, причём не только по морально-этическим соображениям, — в ряде стран закон относит гексафторид серы к ядовитым газам, требующим особой процедуры утилизации.
Есть ли решения проблемы?
Да, это использование сочетания вакуумной и твёрдой изоляций: в дугогасительных камерах применяется вакуум, а основная изоляция выполняется из твёрдых материалов.
Помимо высоких изоляционных свойств и экологической безопасности такие решения отличаются практически нулевой чувствительностью к внешним факторам и работают при любой температуре (элегазовые установки требуют прогрева до −25 °C). Твёрдая изоляция также даёт механическую защиту основного оборудования. Безусловно, подобные устройства обладают большей массой, но это придаёт им дополнительную жёсткость.
В роли твёрдого изолятора выступает формальдегидная смола, что позволяет придавать внутренним частям ячейки любую форму, в том числе для минимизации внутренних перенапряжений электрического поля или оптимизации охлаждения токоведущих частей. Сама же вакуумная камера позволяет срабатывать на большее количество токов короткого замыкания без потери работоспособности.
Однако проблемы тут тоже имеются. Самая главная — трудность разработки производителями таких решений: на это могут уйти годы труда очень квалифицированных специалистов. Поскольку конкуренты находятся в точно таких же условиях, преимущество всегда будет у тех, кто раньше начал. Отстающим так или иначе придётся наращивать собственную компетентность в данной области.
По экономическим показателям элегазовое оборудование уже не является абсолютным и безоговорочным лидером. Устройства с вакуумной и твёрдой изоляцией значительно дешевле в эксплуатации, поскольку не требуют дозаправки элегазом и его утилизацией- трудоёмкой и небезопасной процедуры. Они обладают значительно более высокой ремонтопригодностью, возможностью замены кабельных конусов, могут работать при практически любой температуре и т. д. Выигрыш в совокупной стоимости владения уже сегодня достигает 30% на всем сроке службы ячейки.
Когда уйдёт элегаз?
Технологии, позволяющие использовать вакуумную и твёрдую изоляцию, появились ещё в 50-е годы прошлого века. Но любые инновационные разработки, как правило, стоят достаточно дорого. К тому же, для значительной части компаний защита окружающий среды не являлась приоритетным элементом корпоративной миссии.
В течение длительного периода безэлегазовые устройства дешевели, и сегодня их цена практически сравнялась со стоимостью элегазовых изделий. В то же время экологическая повестка стала частью не только корпоративных стратегий компаний, но и государственных политик ряда стран. В Европе использование элегаза уже запрещено во многих отраслях, и хотя электротехническая промышленность не входит в их число, ещё в 2018 году был принят ряд нормативных актов, достаточно жёстко регламентирующих его применение.
По этим причинам, вероятнее всего, отказ от использования элегаза в электротехнических устройствах — уже среднесрочная перспектива. Именно сейчас потребителю пора планировать замену морально устаревшего и экологически небезопасного оборудования на современное, использующее в качестве изоляционной среды вакуум и твёрдые материалы.
Что предлагает компания Eaton?
Компания Eaton приступила к разработке безэлегазовых устройств ещё в середине прошлого века — безопасность и экологическая чистота всегда были приоритетными в её корпоративной системе ценностей. На сегодняшний день она обладает одной из самых высоких компетентностей в данной области.
Свою стотысячную безэлегазовую ячейку Eaton выпустили ещё в 2018 году. В настоящее время Eaton производит комплектные распределительные устройства (КРУ) Xiria с номинальным током сборных шин 630 А для сетей с напряжением до 24 кВ. Они не только не содержат элегаза, но и не нуждаются в использовании смазки для механических элементов. Благодаря этим свойствам ячейки практически не требуют специального обслуживания, что заметно снижает совокупную стоимость владения.
Утилизация ячеек Eaton Xiria также не влечёт дополнительных затрат, поскольку устройство состоит только из материалов, подлежащих переработке. В качестве твёрдого изолятора используется эпоксидная смола, которая может быть разрушена в конце срока службы. Остальные компоненты выполнены из меди, алюминия и других металлов, пригодных для повторного использования.
