Analiza rozwiązań rozdzielnic SN z izolacją gazową SF6 w kontekście nowych regulacji unijnych dotyczących fluorowanych gazów cieplarnianych

Rozdzielnice SN są jednymi z najważniejszych elementów instalacji elektroenergetycznych w obiektach: energetyki zawodowej, przemysłowych, handlowych, usługowych, biurowych i użyteczności publicznej. Buduje się je na napięcia znamionowe o wartościach: 7,2, 12, 17,5, 24 i 36 kV do wykorzystania w sieciach średniego napięcia: 6, 10, 15, 20 i 30kV oraz na prądy znamionowe ciągłe szyn zbiorczych i pól zasilających od 400 do 4000 A [8]. Prądy znamionowe krótkotrwałe (n-sekundowe) tych rozdzielnic osiągają wartości: 10, 12,5, 16, 20, 25, 31,5, 40 i 50 kA, a prądy dynamiczne wynoszą odpowiednio 25, 40, 50, 63, 80, 100 i 125 kA [2].

Z racji kluczowej funkcji w instalacji elektroenergetycznej rozdzielnice SN powinny stanowić optymalne rozwiązanie dostosowane do parametrów instalacji, warunków, w których urządzenia te są zamontowane i eksploatowane oraz oczekiwań użytkownika (inwestora) [3]. Takie rozdzielnice powinny charakteryzować się wysokim poziomem technicznym, niezawodnością działania, prostotą i funkcjonalnością, bezpieczeństwem i komfortem obsługi, odpornością na czynniki zewnętrzne i łatwością wprowadzania różnorodnych modyfikacji. Ponadto muszą to być rozwiązania nowoczesne, dostosowane do istniejących przepisów i zgodne z obowiązującymi trendami w technice i technologii stosowanej w elektroenergetyce.

Sześciofluorek siarki (SF₆)

Sześciofluorek siarki (SF₆) jest jednym z ważniejszych mediów używanych w urządzeniach elektroenergetycznych użytkowanych w elektroenergetyce. Posiada doskonałe właściwości izolacyjne, znacznie lepsze niż powietrze o ciśnieniu atmosferycznym, co wykorzystuje się w izolacji międzybiegunowej i doziemnej urządzeń elektroenergetycznych. Ponadto sześciofluorek siarki pod względem zdolności do gaszenia łuku elektrycznego jest gazem o znacznie lepszych parametrach od powietrza. Wynika to z jego silnie elektroujemnych właściwości, objawiających się przyciąganiem elektronów w strefie łuku i tworzeniem jonów ujemnych o dużej bezwładności, które z kolei łatwo łączą się z jonami dodatnimi, tworząc dwie cząstki elektrycznie obojętne. Dzięki temu sześciofluorek siarki skutecznie gasi łuk elektryczny w łącznikach (wyłącznikach, rozłącznikach) wykorzystujących to medium.

Sześciofluorek siarki w stanie pierwotnym jest bezbarwny, bezwonny, niepalny, nietoksyczny i bardzo stabilny chemicznie [4]. Spośród znanych powszechnie gazów najtrudniej wchodzi w reakcje chemiczne. Pozwala się sprężać do stanu ciekłego w temperaturze 20°C, co umożliwia transport i przechowywanie gazu w butlach.

Sześciofluorek siarki odznacza się dużą wytrzymałością elektryczną przy ciśnieniu atmosferycznym, która jest 2–3 razy większa niż powietrza. Na rysunku 1. przedstawiono zależność wytrzymałości elektrycznej od środowiska i odległości między elektrodami.

Rozwiązania rozdzielnic SN z izolacją gazową SF₆

Rozdzielnice SN ze względu na zastosowane rozwiązania konstrukcyjne można podzielić na:

• rozdzielnice w izolacji powietrznej – otwarte, częściowo osłonięte;
• rozdzielnice w izolacji powietrznej – prefabrykowane, osłonięte, z podziałem na przedziały;
• rozdzielnice w izolacji gazowej SF₆ – prefabrykowane, osłonięte, z podziałem na przedziały, całkowicie lub częściowo w izolacji gazowej SF₆.

Rozdzielnice SN są realizowane w izolacji powietrznej lub izolacji gazowej SF₆. Przeważnie są to konstrukcje jedno- lub dwuczłonowe wykonane w wersji jednoprzedziałowej lub wieloprzedziałowej, realizowane w układzie z pojedynczym niesekcjonowanym lub sekcjonowanym systemem szyn zbiorczych [2].

Rozdzielnice SN realizowane w izolacji gazowej SF₆ stanowią obecnie najbardziej zaawansowane technologicznie rozwiązania rozdzielnic SN. Można je podzielić na dwie grupy. Pierwsza grupa to rozdzielnice wykorzystujące izolację gazu w głównych urządzeniach łącznikowych poprzez umieszczenie ich w szczelnie zaspawanych zbiornikach. Druga grupa to rozdzielnice, w których aparatura łączeniowa i szyny zbiorcze rozdzielnicy umieszczone są w szczelnym zbiorniku ze stali nierdzewnej, wypełnionym gazem SF₆. Główną aparaturę łączeniową powyższych rozdzielnic stanowią wyłączniki próżniowe lub z sześciofluorkiem siarki.

Zastosowanie w rozdzielnicy izolacji aparatury łączeniowej gazem SF₆ pozwala z jednej strony na zachowanie doskonałego stanu technicznego rozdzielnicy przez długi okres, a z drugiej – ułatwia i ogranicza do niezbędnego minimum wymagane czynności eksploatacyjne [2].

Rozdzielnice z izolacją gazową SF₆ mogą być wykonywane według gotowych już konfiguracji lub w postaci pojedynczych pól o zróżnicowanym zastosowaniu. W rozdzielnicy wszystkie aparaty łączeniowe oraz szyny zbiorcze są zamknięte w szczelnym zbiorniku wypełnionym gazem SF₆. Ze względu na szczelność zbiornika, połączenia szyn zbiorczych pomiędzy polami rozdzielczymi odbywają się za pomocą specjalnego zestawu złączy, dzięki którym otrzymuje się przepływ prądu przy równoczesnej pełnej izolacji pola elektrycznego.

Rozdzielnice z izolacją gazową SF₆ charakteryzuje: bardzo duże bezpieczeństwo obsługi, bardzo duża trwałość mechaniczna i łączeniowa zastosowanych łączników, duża odporność na wpływ środowiska, blokady napędów łączników uniemożliwiające wykonanie błędnych połączeń, bardzo małe wymagania dotyczące obsługi i konserwacji. W rozdzielnicach z izolacją gazową SF₆ pierwszy przegląd powinien być wykonany dopiero po 10 latach eksploatacji [2].

Rozdzielnice SN w izolacji gazowej SF₆ cechują się tym, że mają dużo mniejsze wymiary i masę, przez co znajdują szerokie zastosowanie np. w pomieszczeniach o małej powierzchni. Ich budowa jest bardziej skomplikowana, posiadają dużą liczbę przedziałów funkcjonalnych, co bardzo poprawia bezpieczeństwo obsługi dla personelu oraz ogranicza negatywne oddziaływanie w przypadku wystąpienia zwarć wewnętrznych. Rozdzielnice te wykorzystują nowszą technologię gaszenia łuku w łącznikach i wykonane są z bardzo wysokiej klasy materiałów. Są bardziej niezawodne niż rozdzielnice w izolacji powietrznej, gdyż główna idea konstrukcji została oparta na zapobieganiu wystąpieniu awarii. Dzięki takiemu rozwiązaniu przez pierwsze 10 lat ich użytkowania zbędne są zabiegi konserwacyjne, a gwarancja bezawaryjnej pracy takich rozdzielnic obejmuje często okres 30 lat [3]. Jednak w rzadkich przypadkach, gdy awaria już wystąpi, nie ma możliwości dostępu do urządzeń lub elementów umieszczonych w szczelnym zbiorniku wypełnionym gazem, dlatego usunięcie jej trwa dłużej i jest bardziej kłopotliwe niż w przypadku rozdzielnic z izolacją powietrzną. Dodatkowo koszt tego typu rozdzielnicy jest znacznie większy, co może mieć znaczący wpływ na rezygnację z jej zakupu i wybór tańszej rozdzielnicy w izolacji powietrznej.

Prefabrykowane rozdzielnice SN w izolacji gazowej SF₆ są w kraju wytwarzane przez różne specjalistyczne przedsiębiorstwa. Należą do nich m.in.: ABB, Elektrobudowa, ZPUE, SPIE Elektromontaż, Siemens i Schneider Electric [2, 6].

Aktualnie produkowane w kraju rozwiązania rozdzielnic prefabrykowanych SN w izolacji gazowej SF₆ przedstawione są w katalogach zamieszczonych na stronach internetowych producentów [7–12]. Rozdzielnice te składają się z typowych pól o różnych szerokościach. Pola stanowią odrębne moduły o zróżnicowanym zastosowaniu i występują w wersji jednoczłonowej lub dwuczłonowej. Rozdzielnice mogą być ustawione jako przyścienne lub wolno stojące. Przykładowe rozwiązania niektórych z tych rozdzielnic przedstawiono w tabeli 1., natomiast przykładowy widok przedni takiej rozdzielnicy zamieszczono na rysunku 2.

Obecne i przyszłe uwarunkowania wykorzystania sześciofluorku siarki 

Sześciofluorek siarki (SF₆) należy do bardzo silnych gazów cieplarnianych, jest bowiem zaliczany do grupy fluorowanych gazów (F-gazów) cieplarnianych, charakteryzujących się szczególnie wysokim współczynnikiem globalnego ocieplenia GWP (ang. Global Warming Potential), który określa zdolność do tworzenia efektu cieplarnianego. Dla SF₆ wartość tego współczynnika wynosi 23 000 jednostek, co oznacza, że emisja jednego kilograma tego gazu do atmosfery odpowiada emisji równej 23 000 kg CO₂ [5]. Dodatkowo problemem jest jego utylizacja, bowiem jego czas rozkładu w atmosferze wynosi 3200 lat.

Unia Europejska podejmuje działania dotyczące fluorowanych gazów cieplarnianych, które mają na celu przede wszystkim ograniczenie ich stosowania w obszarach, w których dostępne są technologie alternatywne, przyjazne dla środowiska naturalnego, a także ograniczenie przedostawania się F-gazów do atmosfery poprzez bardziej restrykcyjne wymagania dotyczące przechowywania, odzyskiwania gazu z urządzeń i kwalifikacji personelu, który je obsługuje.

Ostatnie rozporządzenie w tym zakresie – Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2024/573 z dnia 7 lutego 2024 r. w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych [1] – wprowadza istotne zmiany w stosunku do wcześniej obowiązujących przepisów. Jednym z podstawowych i najbardziej istotnych jego postanowień jest wprowadzenie dat granicznych dotyczących zakazu wprowadzania do użytku rozdzielnic elektrycznych wykorzystujących fluorowane gazy cieplarniane o współczynniku GWP ≥ 1, co praktycznie oznacza eliminację możliwości stosowania nowych urządzeń wykorzystujących sześciofluorek siarki.

Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2024/573 z dnia 7 lutego 2024 r. w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych określa następujące daty rozpoczęcia obowiązywania zakazów:

• dla rozdzielnic elektrycznych o napięciu znamionowym do 24 kV włącznie – od 1.01.2026 r.;
• dla rozdzielnic elektrycznych o napięciu znamionowym powyżej 24 kV do 52 kV włącznie – od 1.01.2030 r.;
• dla rozdzielnic elektrycznych o napięciu znamionowym od 52 kV do 145 kV włącznie i o prądzie zwarciowym do 50 kA włącznie – od 1.01.2028 r.,
• dla rozdzielnic elektrycznych o napięciu znamionowym powyżej 145 kV lub o prądzie zwarciowym powyżej 50 kA – od 1.01.2032 r.

Ponadto w tym rozporządzeniu znajduje się postanowienie dotyczące zakazu stosowania od 1 stycznia 2035 r. gazu SF₆ do konserwacji lub serwisowania rozdzielnic, o ile nie jest to gaz regenerowany lub poddany recyklingowi. Rozporządzenie co prawda dopuszcza odstępstwa – w przypadkach, gdy użycie takiego gazu nie mogło nastąpić z przyczyn technicznych lub nie jest on dostępny w razie potrzeby wykonania pilnej naprawy urządzenia – ale wymaga to przedstawienia organowi uprawnionemu dowodów uzasadniających takie odstępstwo. W praktyce oznacza to utrudnienie dla użytkowników urządzeń wykorzystujących SF6, które będzie skutkowało eliminacją tych urządzeń.

Rozwiązania alternatywne dla sześciofluorku siarki 

Uregulowania unijne w obszarze ochrony środowiska i ograniczenia emisji gazów cieplarnianych wymusiły na producentach urządzeń elektroenergetycznych dążenie do ograniczenia ich negatywnego wpływu na środowisko naturalne. W przypadku rozdzielnic SN wiąże się to ze stosowaniem różnych zaawansowanych technologii, które pozwalają na zastąpienie gazu SF₆, takich jak zastosowanie izolacji stałej zamiast gazowej czy wykorzystanie gazów alternatywnych do SF₆, które spełniają wymagania zawarte we wspomnianym wcześniej rozporządzeniu.

Idealny gaz alternatywny powinien cechować się: niskim (najlepiej zerowym) współczynnikiem GWP, niską toksycznością i niepalnością, wysoką wytrzymałością dielektryczną, wysokim współczynnikiem przewodzenia ciepła, zdolnością do gaszenia łuku elektrycznego, a także stabilnością chemiczną i brakiem negatywnego oddziaływania na elementy konstrukcyjne rozdzielnicy [5].

Wytrzymałość dielektryczna gazów w znacznym stopniu zależy od ich składu oraz ciśnienia. Ze względu na fakt, że wartość napięcia przebicia przerwy izolacyjnej w gazie zazwyczaj rośnie liniowo i proporcjonalnie do wielkości tej przerwy i ciśnienia gazu, wyższe ciśnienia i większe odległości izolacyjne pozwalają na zwiększenie wytrzymałości dielektrycznej układu.

W przypadku niektórych gazów syntetycznych i ich mieszanin górne wartości użytecznych ciśnień są znacznie ograniczone przez zjawisko skraplania. Powoduje to konieczność stosowania mieszanin gazów, dzięki którym możliwe jest przesunięcie wartości temperatury skraplania (tzw. temperatury punktu rosy). Istotnym czynnikiem jest również zdolność gazu do odprowadzania ciepła. W przypadku rozdzielnic w izolacji gazowej dominującym mechanizmem chłodzenia jest konwekcja. Oddawanie ciepła przez zjawisko przewodnictwa cieplnego w gazach jest zdecydowanie mniejsze niż w cieczach czy ciałach stałych.

Szerokie spektrum wymagań powoduje, że bardzo trudno jest znaleźć idealną alternatywę dla gazu SF₆. Dlatego istnieje wiele różniących się od siebie rozwiązań, opartych na odmiennych technologiach uwzględniających: poziom napięcia i specyfikę zastosowania danej rozdzielnicy, koszty jej produkcji i eksploatacji oraz szacowaną długość życia [5].

W obszarze rozdzielnic SN rozwija się głównie technologie związane z zastosowaniem gazów alternatywnych do SF₆. Wynika to z faktu, że w rozdzielnicach SN sześciofluorek siarki jest wykorzystywany przede wszystkim jako medium izolacyjne. Operacje łączeniowe związane z załączaniem i wyłączaniem prądów roboczych oraz zakłóceniowych są realizowane najczęściej z wykorzystaniem wyłączników próżniowych. Dlatego właściwości związane ze zdolnością gazów alternatywnych do gaszenia łuku elektrycznego, takie jak np. zdolność do szybkiej rekombinacji, zdolność do wychwytywania wolnych elektronów (elektroujemność) nie są tak istotne jak dla rozwiązań dla napięć 110 kV i wyższych. Natomiast cechy, które mają znaczenie, obejmują: możliwie jak najwyższą wytrzymałość dielektryczną, dobrą przewodność cieplną, stabilność chemiczną oraz brak negatywnego oddziaływania na materiały użyte w konstrukcji rozdzielnicy [5].

W przypadku rozdzielnic SN stosunkowo łatwo można przejść z użycia gazu SF₆ do technologii gazów alternatywnych, a podstawowym kryterium dla rozwiązania konstrukcyjnego jest uzyskanie odpowiedniej wytrzymałości dielektrycznej.

Jedną z podstawowych technologii gazów będących alternatywą dla SF₆ jest wykorzystanie suchego powietrza. Stanowi ją mieszanina tlenu i azotu w proporcji 80% N₂ i 20% O₂ [5]. Taka mieszanina musi dodatkowo odznaczać się znikomą zawartością cząsteczek wody i bardzo małą ilością zanieczyszczeń stałych. Dzięki tym właściwościom możliwe jest uzyskanie o wiele lepszych właściwości izolacyjnych w porównaniu do powietrza atmosferycznego, a także niskiej temperatury punktu rosy, co umożliwia zastosowanie izolacji suchego powietrza w bardzo szerokim zakresie temperatur.

Suche powietrze wykorzystuje gazy naturalne tlen i azot, co przekłada się na łatwą dostępność i relatywnie tani proces wytwarzania. Ponadto jest ono stabilne chemicznie w długim okresie czasu, nie ma właściwości toksycznych, jego współczynnik globalnego ocieplenia GWP wynosi 0. Niestety, obok tych ważnych zalet, suche powietrze cechuje słaba zdolność do gaszenia łuku elektrycznego.

Innym typem gazów stanowiących alternatywę dla sześciofluorku siarki są gazy syntetyczne z grupy fluoroketonów i fluoronitryli.

Do pierwszej grupy jest zaliczany gaz występujący pod nazwą handlową Novec 5110. Posiada wytrzymałość dielektryczną ok. 1,4 razy większą w stosunku do SF6. Charakteryzuje się współczynnikiem globalnego ocieplenia GWP <1 i czasem rozkładu w atmosferze na poziomie 15 dni (0,04 roku). Cechą charakterystyczną tego gazu jest wysoka temperatura wrzenia, co powoduje, że niemożliwe jest zastosowanie czystego gazu w rozdzielnicy. Stosuje się jego różne mieszaniny, np. z suchym powietrzem (ok. 7–14% gazu Novec 5110 w mieszaninie dla rozdzielnic SN) [5].

Do drugiej grupy jest zaliczany gaz występujący pod nazwą handlową Novec 4710. Jego właściwości izolacyjne są ok. 2 razy lepsze od sześciofluorku siarki. Gaz ten ma stosunkowo wysoką temperaturę wrzenia. Charakteryzuje się niestety relatywnie wysokim współczynnikiem globalnego ocieplenia GWP wynoszącym 2100 jednostek i czasem rozkładu w atmosferze na poziomie 30 lat. Dlatego nie stosuje się go w czystej postaci, lecz w mieszaninach z innymi gazami, np. z dwutlenkiem węgla i azotem (maks. 4% gazu Novec 4710 w mieszaninie dla rozdzielnic SN) [5]. Dzięki temu uzyskuje się dla takiej mieszaniny znacznie mniejszą wartość współczynnika GWP w porównaniu z czystym gazem.

Gaz Novec 4710 zastosowany w mieszaninach wykorzystuje się jako medium izolacyjne i gaszeniowe w rozdzielnicach SN.

Wyzwania dla producentów i użytkowników

Rozwój technologii rozdzielnic SN wykorzystujących gazy alternatywne do SF₆ stawia przed producentami i użytkownikami tych urządzeń wiele nowych wyzwań.

Jednym z podstawowych wyzwań są koszty związane z wprowadzaniem tych technologii na rynek. Producenci ponoszą znaczne nakłady finansowe na realizację procesów projektowania, badań i rozwoju rozwiązań alternatywnych w stosunku do SF₆, co znajduje swoje odzwierciedlenie w kosztach zakupu nowych urządzeń przez użytkowników, które są znacznie wyższe w porównaniu do istniejącej technologii SF₆ [5]. Wprawdzie te koszty będą w perspektywie czasu spadały, ale proces ten nie będzie postępował szybko.

Drugim z podstawowych wyzwań jest konieczność przeszkolenia personelu i zastosowanie nowego, niejednokrotnie bardziej zaawansowanego wyposażenia technicznego. Dotychczas stosowane urządzenia do serwisowania i obsługi rozdzielnic, szczególnie w obszarze dotyczącym gospodarki gazem SF₆, nie znajdują zastosowania w przypadku gazów alternatywnych [8]. Producenci rozdzielnic stosują bowiem indywidualne gazy i mieszanki gazowe, przeznaczony do konkretnych typów rozdzielnic, co powoduje konieczność stosowania różnych typów urządzeń do odzysku gazu i napełniania rozdzielnic.

Wnioski

W kraju spotyka się wiele rozwiązań rozdzielnic SN, w których wykorzystuje się sześciofluorek siarki. Należą do nich rozdzielnice SN z izolacją gazową SF₆.

Sześciofluorek siarki należy do bardzo silnych gazów cieplarnianych, jest bowiem zaliczany do grupy fluorowanych gazów cieplarnianych, charakteryzujących się szczególnie wysokim współczynnikiem globalnego ocieplenia GWP. Dla SF₆ wartość tego współczynnika wynosi 23 000 jednostek, co oznacza, że emisja jednego kilograma tego gazu do atmosfery odpowiada emisji równej 23 000 kg CO₂. Ponadto ogromnym problemem jest jego utylizacja, bowiem jego czas rozkładu w atmosferze wynosi 3200 lat.

Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2024/573 z dnia 7 lutego 2024 r. w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych wprowadziło zakaz stosowania SF6 w nowych urządzeniach i instalacjach elektroenergetycznych od: 2026 r. dla rozwiązań na napięcie do 24 kV; 2028 r. dla rozwiązań na napięcie do 145 kV i od 2032 r. dla rozwiązań na napięcie równe lub większe niż 145 kV.

Uregulowania unijne w obszarze ograniczenia emisji fluorowanych gazów cieplarnianych wymusiły na producentach urządzeń elektroenergetycznych (rozdzielnic) stosowanie różnych zaawansowanych technologii, które pozwalają na zastąpienie gazu SF₆. Należą do nich: zastosowanie izolacji stałej zamiast gazowej oraz wykorzystanie gazów alternatywnych do SF₆ [suche powietrze, gazy syntetyczne z grupy fluoroketonów (np. Novec 5110) i fluoronitryli (np. Novec 4710)].

Nowe regulacje dotyczące gazów fluorowanych stawiają przed producentami urządzeń elektroenergetycznych (rozdzielnic) ogromne wyzwania techniczne, technologiczne i finansowe związane z ograniczeniem używania SF₆ w urządzeniach oraz koniecznością adaptacji nowych innowacyjnych technologii.

Literatura

1. 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 (Dz.U. L, 2024/573, 20.2.2024).
2. W. Dołęga, Rozdzielnice prefabrykowane SN. Elektroinstalator, 5/2015, s. 6-12.
3. W. Dołęga, Stacje elektroenergetyczne, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2007.
4. H. Markiewicz, Urządzenia elektroenergetyczne, Wydanie 4, WNT, Warszawa 2016.
5. Ł. Nowak, Rozdzielnice w izolacji gazowej. Wyzwania i szanse w kontekście nowych regulacji dotyczących F-gazów. XIX Sympozjum „Nowoczesne rozwiązania w budownictwie sieciowym”, Licheń 15-17.01.2025, Materiały Konferencyjne, Oddział Kaliski SEP, Kalisz 2025, s. 36-42.
6. Karty katalogowe rozdzielnic SN firm: ABB, ZPUE S.A., Siemens, Schneider Electric.
7. new.abb.com
8. www.elektrobudowa.com.pl
9. www.rozdzielnice.com
10. www.se.pl
11. www.siemens.com
12. e-zpue.com