SF6, czyli sześciofluorek siarki jest gazem zaliczanym w elektroenergetyce do materiałów (gazów) izolacyjnych, a jego stosowanie należy powiązać z rozwojem techniki wysokonapięciowej zapoczątkowany w ubiegłym wieku, a trwający do chwili obecnej. Rozwój ten jest z kolei powiązany ze wzrastającym zapotrzebowaniem na energię elektryczną, które spowodowało potrzebę skonstruowania urządzeń elektrycznych (wytwarzających, przesyłających i rozdzielających energię elektryczną) pracujących przy coraz wyższym napięciu (mocy).
Gaz SF6 i inne materiały izolacyjne w elektroenergetyce
Z punktu zdolności przewodzenia elektrycznego, materiały stosowane w elektroenergetyce można podzielić na trzy zasadnicze grupy – przewodzące (materiały, z których wykonane są tory prądowe, np. aluminium, miedź), półprzewodzące (materiały, które dopiero w specyficznych warunkach wykazują zdolności przewodzące, np. krzem w ogniwach fotowoltaicznych) i izolacyjne (materiały, które stanowią „barierę” dla ładunków elektrycznych, np. powietrze, polietylen usieciowany czy sześciofluorek siarki SF6). Uzupełnieniem wspomnianego podziału są materiały magnetyczne, wykorzystywane w torach magnetycznych urządzeń elektroenergetycznych, np. w transformatorach czy silnikach.
Układy izolacyjne stosowane w elektroenergetyce
Jednym z elementów konstrukcyjnych urządzeń elektrycznych jest układ izolacyjny, który zgodnie z [1] może być zdefiniowany jako struktura przestrzenna złożona z materiałów konstrukcyjnych (izolacyjnych i przewodzących) zapewniająca odpowiednią wytrzymałość elektryczną oraz funkcjonalność urządzenia elektrycznego. Ze względu na rodzaj materiału izolacyjnego, układy te można podzielić na cztery zasadnicze grupy [6]:
- układy izolacyjne warstwowe niejednorodne – składają się z kilku rodzajów materiałów izolacyjnych, np. izolacja papierowo-olejowa stosowana w kablach elektroenergetycznych, transformatorach czy przekładnikach,
- układy izolacyjne jednorodne – oparte o materiał izolacyjny jednego rodzaju, np. polimery syntetyczne (polietylen usieciowany stosowany głównie w kablach elektroenergetycznych),
- układy izolacyjne kompozytowe – np. izolatory linii napowietrznych wykonane z materiałów kompozytowych,
- układy izolacyjne powietrzne – powietrze pod odpowiednim ciśnieniem (normalnym, obniżonym lub podwyższonym, stosowanym odpowiednio w układach izolacyjnych linii napowietrznych, aparatury łączeniowej i kondensatorach wysokonapięciowych) oraz gaz (wszelkiego rodzaju gazy elektroizolacyjne typu SF6 czy mieszaniny gazów, takich jak N2 z SF6 oraz O2, N2, CO2 z C5, stosowane w rozdzielniach średnich i wysokich napięć oraz gazowych liniach przesyłowych).
Czym jest gaz SF6? Zastosowanie SF6 w elektroenergetyce
SF6, czyli sześciofluorek siarki jest gazem zaliczanym w elektroenergetyce do materiałów (gazów) izolacyjnych, a jego stosowanie należy powiązać z rozwojem techniki wysokonapięciowej zapoczątkowany w ubiegłym wieku, a trwający do chwili obecnej. Rozwój ten jest z kolei powiązany ze wzrastającym zapotrzebowaniem na energię elektryczną, które spowodowało potrzebę skonstruowania urządzeń elektrycznych (wytwarzających, przesyłających i rozdzielających energię elektryczną) pracujących przy coraz wyższym napięciu (mocy).
Pierwsze zastosowania SF6 w elektroenergetyce były powiązane z dobrymi właściwościami tego gazu z punktu widzenia zdolności gaszenia łuku elektrycznego, który może pojawić się podczas przerywania (otwierania) obwodu elektrycznego. Już od połowy lat pięćdziesiątych XX wieku w elektroenergetyce spotyka się rozwiązania aparatury łączeniowej, w której jako czynnik gaszący łuk elektryczny stosuje się właśnie SF6 [8]. Należy tutaj zaznaczyć, że w zależności od zastosowanego rozwiązania technicznego przez danego producenta oraz poziomu napięcia aparatury łączeniowej, SF6 znajduje się przynajmniej w tzw. komorze gaszeniowej, w której następuje fizyczne rozchodzenie się elementów ruchomych (zestyków).
Dobre właściwości gaszeniowe łuku elektrycznego w powiązaniu z właściwościami izolacyjnymi wykorzystano przy budowie rozdzielnic najpierw WN a później SN, dzięki czemu w znaczący sposób można było zmniejszyć gabaryty infrastruktury stacji elektroenergetycznych średnich i wysokich napięć. Rozwiązania rozdzielnic w hermetycznych obudowach wypełnionych SF6, pojawiły się w latach sześćdziesiątych XX wieku. Do głównych zalet takich rozwiązań można zaliczyć niezależność od czynników środowiskowych (w szczególności zanieczyszczeń), stosunkowo małe gabaryty czy dłuższą niezawodną pracę (mała awaryjność) [8].
SF6 znalazł zastosowanie również w konstrukcjach aparatury elektroenergetycznej, takiej jak przekładniki prądowe, przekładniki napięciowe, szynoprzewody czy przepusty, będącej wyposażeniem konwencjonalnych rozwiązań stacji/rozdzielni elektroenergetycznych (opartych, np. na powietrzu jako materiale izolacyjnym).
Najważniejsze cechy SF6
Do najważniejszych cech SF6 można zaliczyć [2, 5, 6] m.in. skłonność do wychwytywania elektronów przez cząsteczki obojętne i tworzenie mało ruchliwych jonów ujemnych (tzw. gaz elektroujemny) oraz znacznie wyższą wytrzymałość elektryczną w stosunku do powietrza. Z pierwszą wymieniona cechą SF6 można powiązać jego zaletę polegającą na utrudnianiu zainicjowania wyładowania w przestrzeni, w której znajduje się ten gaz. Z kolei druga cecha powiązana jest w dużej mierze z aspektem techniczno-ekonomicznym projektowania układu izolacyjnego – przy takim samym poziomie napięcia, względem powietrza, wymagane są znacznie mniejsze minimalne odległości izolacyjne, a to z kolei może się przyczynić do zmniejszenia gabarytów struktur elektroenergetycznych (rozdzielni, aparatury elektroenergetycznej, transformatorów czy kabli).
Parametry SF6
Wybrane parametry elektryczne SF6 na tle innych gazów elektroizolacyjnych zestawiono w tabeli poniżej [5, 6].
Przepisy UE a wycofywanie SF6
SF6, mimo bardzo dobrych właściwości elektrycznych (omówionych powyżej) i fizycznych (czysty gaz SF6 jest bezwonny, bez smaku, nietoksyczny, niekorozyjny, niepalny, chemicznie obojętny w temperaturze otoczenia, ok. 5 razy cięższy od powietrza), stanowi zagrożenie z punktu widzenia oddziaływania na środowisko. Co prawda sam gaz SF6 nie szkodzi ekosystemowi (nie występuje biologiczna akumulacja w łańcuchu pokarmowym, jest obojętny i charakteryzuje się bardzo niską rozpuszczalnością w wodzie, dzięki czemu nie stanowi zagrożenia dla wód powierzchniowych, gruntowych ani gleby), jak i nie ma wpływu na stratosferyczną warstwę ozonową (jego potencjał niszczenia warstwy ozonowej wynosi 0), lecz należy do bardzo silnych gazów cieplarnianych (jego współczynnik ocieplenia globalnego jest ok. 24 tys. razy wyższy niż CO2, zaś czas życia w atmosferze jest liczony w setkach, a nawet tysiącach lat) [7].
Rozważania dotyczące zastosowania SF6 w elektroenergetyce pozwalają na wysunięcie sugestii, że gaz ten jest powszechnie i chętnie stosowany, jednak aspekt jego negatywnego wpływu budzi wielkie obawy. Wiele prac naukowo-badawczych, przeprowadzonych w ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci wykazywały, że m.in. energetyka zawodowa jest odpowiedzialna w 80% za emisję SF6 do środowiska, a do uwalniania dochodzi przede wszystkim w wyniku błędów popełnianych podczas obsługi urządzeń lub na skutek ich nieszczelności [3, 4].
Rosnąca świadomość szkodliwości gazów fluorowanych, w tym SF6, stała się podstawą do wprowadzenie przez Unię Europejską przepisów ograniczających ich stosowanie w elektroenergetyce. Zgodnie z Rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2024/573 z dnia 7 lutego 2024 r. w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych [9], branża energetyczna będzie musiała dostosować się do zakazów stosowania gazu SF6 w nowych rozdzielnicach, a mianowicie:
- od 2026 roku w rozwiązaniach o napięciu znamionowym UN ≤ 24 kV,
- od 2030 roku w rozwiązaniach o napięciu znamionowym UN ≤ 52 kV,
- od 2028 roku w rozwiązaniach o napięciu znamionowym z zakresu 52<UN<145 kV i prądzie zwarcia 50 kA,
- od 2032 roku w rozwiązaniach o napięciu znamionowym UN≥145 kV i prądzie zwarcia powyżej 50 kA.
Alternatywy dla gazu SF6
Wspominane ograniczenia mogą spowodować pewne trudności (przyzwyczajenia w stosowaniu kompaktowych, małogabarytowych rozwiązań opartych na gazie SF6), szczególnie w projektowaniu nowej infrastruktury elektroenergetycznej sieci przesyłowych i dystrybucyjnych przez projektantów. Jednak, w elektroenergetyce istnieją równolegle stosowane również inne grupy materiałów izolacyjnych, które z punktu widzenia parametrów elektrycznych nie odbiegają od rozwiązań bazujących na SF6.
Dodatkowo należy nadmienić, że aktualne przepisy nie pojawiły się z dnia na dzień i branża elektroenergetyczna ma szansę do tej sytuacji się wcześniej przygotować – poszczególni producenci odpowiednio wcześniej mogą wdrożyć „ekologiczne” rozwiązania, co niektórzy z nich już zrobili.
Literatura
1. Norma PN-EN IEC 60071-1:2020-04 „Koordynacja izolacji – Część 1: Definicje, zasady i reguły”.
2. Z. Celiński, „Materiałoznawstwo elektrotechniczne”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2018.
3. Cigre Technical Brochure 914, „Guidelines for SF6 end-of-life treatment of T&D equipment (>1 kV) in substations”, Working Group B3/A3.59 2023.
4. Z. Ciok, „Utylizacja sześciofluorku siarki (SF6)”, Przegląd Elektrotechniczny, 2005.
5. B. Florkowska, R. Włodek, M. Florkowski, M. Kuniewski, „Wysokie napięcia w elektroenergetyce. Wybrane zagadnienia i obliczenia”, Wydawnictwa AGH, Kraków 2020.
6. B. Florkowska, J. Furgał, M. Szczerbiński, R. Włodek, P. Zydroń „Materiały elektrotechniczne. Podstawy teoretyczne i zastosowania”, Wydawnictwa AGH, Kraków 2010.
7. IEEE Standard C37.122.3-2011, „IEEE Guide for Sulphur Hexafluoride (SF6) Gas Handling for High-Voltage (over 1000 Vac) Equipment”, IEEE Power & Energy Society, New York 2012.
8. W. Poniecki, „Metoda symulacji działania podczas procesu wyłączania prądu wysokonapięciowego wyłącznika z sześciofluorkiem siarki na przykładzie wyłącznika trzeciej generacji”, Prace Instytutu Elektrotechniki, Tom Z.213, Warszawa 2002.
9. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (uE) 2024/573 z dnia 7 lutego 2024 r. w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych, zmieniające dyrektywę (UE) 2019/1937 i uchylające rozporządzenie (UE) nr 517/2014.
Publikacja artykułu: lipiec 2024 r.
