Sulfur hexafluoride (SF6) is an odorless, transparent, non-toxic and non-flammable gas. The excellent dielectric properties that characterize it have made it an ideal solution over time for several high voltage applications such as HV switches, Gas Insulated Switchgears (GIS), Gas Insulated Lines (GIL), and for the medium, such as voltage instrument transformers (VTs). The SF6 has a dielectric strength equal to 9 kV/mm, about three times that of air, and it is characterized by a high electronegativity that allows it to capture and bind free electrons very easily thus avoiding possible discharges. However, its greenhouse gas nature places it in a category of extremely harmful artificial products for the environment which, since the drafting of the Kyoto Protocol, have been subject to severe restrictions: sulfur hexafluoride is in fact characterized by a Global Warming Potential (GWP) value of about 23000 times that of carbon dioxide (CO2) and has an atmospheric lifetime of more than 3000 years. The series of limitations that is affecting the entire electricity market that has been using this gas as a dielectric for years has led many companies to start looking for an alternative that could be characterized by the same incredible dielectric capabilities. Although over time some possible substitutes have been found for applications such as GIS or GIL, in the field of voltage transformers for measurement and protection it is still necessary to find a replacement and the literature itself seems to lack practical and field studies. In this paper, a type of VT having a mixture of paper and sulfur hexafluoride as insulation of the primary winding has been examined with the aim of finding a possible substitute for the gas or a solution that would allow to reduce the used quantity. Since this thesis was carried out in collaboration with an anonymous company in the market, the search for such a solution or alternative was structured also by paying attention from the economic point of view: this resulted in a study that did not excessively modify the original project in order to reduce investments of time and money and avoiding risks that could have led to problems related not only to the insulation, but also to the volumes of space occupied and other requirements that the VTs are obliged to follow. Among the examined options, changes in the type of insulation from gaseous to solid were considered by trying to use pre-impregnated papers or resins for the impregnation of the primary. Of course some alternative gases have also been considered as their nature completely avoids changes to the original design and construction process. Some products were also tested with the aim of decreasing the quantity of SF6 through small design changes. Finally, through the joint use of SF6 and nitrogen (N2), a mixture that would allow the construction, and possible future marketing, of a new type of VT was obtained: this solution would limit the amount of greenhouse gas used while ensuring performances in accordance with the IEC standards in force.

L’esafluoruro di zolfo (SF6) è un gas privo di odore, trasparente, non tossico e non infiammabile. Le eccellenti proprietà dielettriche che lo caratterizzano lo hanno reso nel tempo una soluzione ideale per diverse applicazioni per l’alta tensione come gli interruttori, i gas insulated switchgears (GIS), le gas insulated lines (GIL), e per la media, come i trasformatori di tensione per la misura e protezione (TV). L’SF6 è dotato di una rigidità dielettrica pari a 9 kV/mm, circa tre volte quella dell’aria, e come se non bastasse è caratterizzato da un’elevata elettronegatività che gli permette di catturare e legare molto facilmente elettroni liberi evitando così che questi possano dare origine a scariche. Tuttavia la sua natura di gas serra lo pone in una categoria di prodotti artificiali estremamente nocivi e dannosi per l’ambiente che, sin dalla stesura del Protocollo di Kyoto, sono stati soggetti a forti restrizioni: l’esafluoruro di zolfo è infatti caratterizzato da un valore di Global Warming Potential (GWP) di circa 23000 volte quello dell’anidride carbonica e presenta un tempo di vita atmosferico di più di 3000 anni. L’ormai assestata onda di limitazioni che sta investendo l’intero mercato elettrico che da anni utilizza tale gas come dielettrico ha portato numerose aziende a ricercare un’alternativa che fosse caratterizzata dalle stesse incredibili capacità dielettriche. Sebbene col tempo siano stati trovati alcuni possibili sostituti per applicazioni come i GIS o le GIL, nel campo dei trasformatori di tensione di misura e protezione è ancora necessario trovare un sostituto e la stessa letteratura sembra mancare di studi pratici ed effettuati sul campo. Nel presente elaborato è stata presa in esame una tipologia di TV avente come isolamento dell’avvolgimento primario un misto di carta ed esafluoruro di zolfo con lo scopo di trovare un possibile sostituto al gas o una soluzione che permettesse di ridurne il quantitativo utilizzato. Poiché questa tesi è stata effettuata in collaborazione con un’anonima azienda del settore, la ricerca di una suddetta soluzione o alternativa è stata strutturata mantenendo anche una certa attenzione dal punto di vista economico: ciò si è tradotto in uno studio che non andasse a modificare eccessivamente il progetto originale per evitare ingenti investimenti di tempo e denaro rischiando anche di incappare in problematiche legate non solo all’isolamento, ma anche ai volumi di spazio occupati e ad altri requisiti che i TV sono tenuti ed obbligati a soddisfare. Tra le opzioni vagliate sono stati presi in considerazione cambiamenti del tipo di isolamento da gassoso a solido provando ad utilizzare carte preimpregnate o resine per l’impregnazione del primario. Ovviamente sono stati tenuti in considerazione anche alcuni gas alternativi poiché la loro natura evita del tutto modifiche al progetto originale e al processo di costruzione. Sono stati inoltre testati alcuni prodotti aventi lo scopo di diminuire il quantitativo di SF6 mediante piccole modifiche progettuali. Infine, mediante un l’utilizzo congiunto di SF6 e azoto (N2), si è ottenuta una miscela che permetterebbe la costruzione, e possibile futura messa in commercio, di una nuova tipologia di TV: tale soluzione limiterebbe il quantitativo di gas serra utilizzato pur garantendo prestazioni in accordo con gli standard IEC vigenti.

Ricerca di soluzioni per la sostituzione o riduzione del gas esafluoruro di zolfo nel sistema di isolamento dei TV

BRIANO, LUCA
2022-05-30

Abstract

L’esafluoruro di zolfo (SF6) è un gas privo di odore, trasparente, non tossico e non infiammabile. Le eccellenti proprietà dielettriche che lo caratterizzano lo hanno reso nel tempo una soluzione ideale per diverse applicazioni per l’alta tensione come gli interruttori, i gas insulated switchgears (GIS), le gas insulated lines (GIL), e per la media, come i trasformatori di tensione per la misura e protezione (TV). L’SF6 è dotato di una rigidità dielettrica pari a 9 kV/mm, circa tre volte quella dell’aria, e come se non bastasse è caratterizzato da un’elevata elettronegatività che gli permette di catturare e legare molto facilmente elettroni liberi evitando così che questi possano dare origine a scariche. Tuttavia la sua natura di gas serra lo pone in una categoria di prodotti artificiali estremamente nocivi e dannosi per l’ambiente che, sin dalla stesura del Protocollo di Kyoto, sono stati soggetti a forti restrizioni: l’esafluoruro di zolfo è infatti caratterizzato da un valore di Global Warming Potential (GWP) di circa 23000 volte quello dell’anidride carbonica e presenta un tempo di vita atmosferico di più di 3000 anni. L’ormai assestata onda di limitazioni che sta investendo l’intero mercato elettrico che da anni utilizza tale gas come dielettrico ha portato numerose aziende a ricercare un’alternativa che fosse caratterizzata dalle stesse incredibili capacità dielettriche. Sebbene col tempo siano stati trovati alcuni possibili sostituti per applicazioni come i GIS o le GIL, nel campo dei trasformatori di tensione di misura e protezione è ancora necessario trovare un sostituto e la stessa letteratura sembra mancare di studi pratici ed effettuati sul campo. Nel presente elaborato è stata presa in esame una tipologia di TV avente come isolamento dell’avvolgimento primario un misto di carta ed esafluoruro di zolfo con lo scopo di trovare un possibile sostituto al gas o una soluzione che permettesse di ridurne il quantitativo utilizzato. Poiché questa tesi è stata effettuata in collaborazione con un’anonima azienda del settore, la ricerca di una suddetta soluzione o alternativa è stata strutturata mantenendo anche una certa attenzione dal punto di vista economico: ciò si è tradotto in uno studio che non andasse a modificare eccessivamente il progetto originale per evitare ingenti investimenti di tempo e denaro rischiando anche di incappare in problematiche legate non solo all’isolamento, ma anche ai volumi di spazio occupati e ad altri requisiti che i TV sono tenuti ed obbligati a soddisfare. Tra le opzioni vagliate sono stati presi in considerazione cambiamenti del tipo di isolamento da gassoso a solido provando ad utilizzare carte preimpregnate o resine per l’impregnazione del primario. Ovviamente sono stati tenuti in considerazione anche alcuni gas alternativi poiché la loro natura evita del tutto modifiche al progetto originale e al processo di costruzione. Sono stati inoltre testati alcuni prodotti aventi lo scopo di diminuire il quantitativo di SF6 mediante piccole modifiche progettuali. Infine, mediante un l’utilizzo congiunto di SF6 e azoto (N2), si è ottenuta una miscela che permetterebbe la costruzione, e possibile futura messa in commercio, di una nuova tipologia di TV: tale soluzione limiterebbe il quantitativo di gas serra utilizzato pur garantendo prestazioni in accordo con gli standard IEC vigenti.
Sulfur hexafluoride (SF6) is an odorless, transparent, non-toxic and non-flammable gas. The excellent dielectric properties that characterize it have made it an ideal solution over time for several high voltage applications such as HV switches, Gas Insulated Switchgears (GIS), Gas Insulated Lines (GIL), and for the medium, such as voltage instrument transformers (VTs). The SF6 has a dielectric strength equal to 9 kV/mm, about three times that of air, and it is characterized by a high electronegativity that allows it to capture and bind free electrons very easily thus avoiding possible discharges. However, its greenhouse gas nature places it in a category of extremely harmful artificial products for the environment which, since the drafting of the Kyoto Protocol, have been subject to severe restrictions: sulfur hexafluoride is in fact characterized by a Global Warming Potential (GWP) value of about 23000 times that of carbon dioxide (CO2) and has an atmospheric lifetime of more than 3000 years. The series of limitations that is affecting the entire electricity market that has been using this gas as a dielectric for years has led many companies to start looking for an alternative that could be characterized by the same incredible dielectric capabilities. Although over time some possible substitutes have been found for applications such as GIS or GIL, in the field of voltage transformers for measurement and protection it is still necessary to find a replacement and the literature itself seems to lack practical and field studies. In this paper, a type of VT having a mixture of paper and sulfur hexafluoride as insulation of the primary winding has been examined with the aim of finding a possible substitute for the gas or a solution that would allow to reduce the used quantity. Since this thesis was carried out in collaboration with an anonymous company in the market, the search for such a solution or alternative was structured also by paying attention from the economic point of view: this resulted in a study that did not excessively modify the original project in order to reduce investments of time and money and avoiding risks that could have led to problems related not only to the insulation, but also to the volumes of space occupied and other requirements that the VTs are obliged to follow. Among the examined options, changes in the type of insulation from gaseous to solid were considered by trying to use pre-impregnated papers or resins for the impregnation of the primary. Of course some alternative gases have also been considered as their nature completely avoids changes to the original design and construction process. Some products were also tested with the aim of decreasing the quantity of SF6 through small design changes. Finally, through the joint use of SF6 and nitrogen (N2), a mixture that would allow the construction, and possible future marketing, of a new type of VT was obtained: this solution would limit the amount of greenhouse gas used while ensuring performances in accordance with the IEC standards in force.
Instrument transformers; VT; SF6; Sulfur hexafluoride; Partial discharges; Nitrogen; Medium voltage; Greenhouse effect; Kyoto Protocol
Trasformatori di misura; Trasformatori di protezione; TV; SF6; Esafluoruro di zolfo; Scariche parziali; Azoto; Media tensione; Effetto serra; Protocollo di Kyoto
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: http://hdl.handle.net/11567/1082340
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