Кратка история на миналото и настоящето на високонапрегнатите вакуумни прекъсвачи

Високонапрегови вакуумни прекъсвачи: Общ преглед

Въведение

Високонапреговите вакуумни прекъсвачи (HV VCBs) се явяват реална алтернатива на традиционните прекъсвачи с изолация от SF6 газ, особено в приложения, където честото свързване и по-ниските разходи за поддръжка са критични. От 2014 година HV VCBs все повече се приемат като алтернатива на високонапреговите газови прекъсвачи, предлагайки по-зелена и устойчива решения, като се елиминира използването на SF6, мощен парников газ.

Вакуумната комутационна апаратура е широко използвана в системите за разпределение в продължение на повече от три десетилетия, главно за свързване и разединяване на аварийни токове и свързване на различни видове натоварване. Надеждността и производителността на вакуумната комутационна технология в средното напрежение (до 52 кV) са изключителни, което води до нейното доминиране в системите за разпределение. Поради това усилията за разширяване на вакуумната комутационна технология до напреженията на преноса започват още през 1960-те години, с значителни преходни точки около 1980 година, когато първите високонапрегови вакуумни прекъсвачи се инсталират в Япония. До 2010 година приблизително 10,000 HV VCBs са в употреба, главно в индустриални условия, но и в приложенията на енергийните компании. Преференцията за вакуумната технология над SF6 е мотивирана от способността ѝ да обработва чести операции за свързване и разединяване и по-ниските разходи за поддръжка.

В САЩ вакуумните ключове за кондензаторни банки се използват в продължение на няколко десетилетия при напрежения до 242 кV. Около 2008 година интензивни програми за научноизследователска и изпитателска дейност (R&D) в Китай и Европа се насочват към развитие на HV VCBs, с акцент върху намаляване или елиминиране на използването на SF6. Това води до въвеждането на продукти, способни да работят при напрежения до 145 кV. В Китай бързото приемане на HV VCBs в комерсиални приложения се очаква да продължи, с хиляди устройства вече в употреба при напрежения до 126 кV. В Европа полеви тестове са в процес, за да се потвърди производителността на типово изпитани устройства, преди те да влязат на пазара.

Технология и дизайн

Всички продукти HV VCBs са основани на добре установената вакуумна прекъсвателна технология за средно напрежение, която е била оптимизирана през годините. Не са необходими фундаментално нови технически характеристики, за да се разширят тези технологии до по-високи напрежения. Главната трудност лежи в мащабирането на геометрията на прекъсвателя, за да се поберат по-високите напрежения. Например, диаметърът и дължината на контактния разрез трябва да бъдат увеличени, за да се обработят напрежения над 52 кV. В някои случаи, за напрежения над 126 кV, се използват два последователни вакуумни разреза, за да се осигури надеждна работа.

Експлуатационни характеристики

• Обработка на нормален ток: За нормални токове до 2,500 А, няма значителни разлики между HV VCBs и прекъсвачи с SF6. Обаче, постигането на по-високи токоизразяващи (над 2,500 А) в HV VCBs е трудно поради генерирането на топлина от контактната структура и ограниченията в прехода на топлината на прекъсвателя.

• Мониторинг: По-лесно е да се мониторира качеството на прекъсващата среда в прекъсвачите с SF6, тъй като степента на вакуума в HV VCBs не може практически да се мониторира по време на експлоатация.

• Операции за свързване и разединяване: HV VCBs могат да извършат по-голям брой операции за свързване и разединяване в сравнение с прекъсвачи с SF6, благодарение на по-добрия износ на контактната система на вакуума към дъга. Това прави вакуумната технология особено привлекателна за приложения, изискващи чести операции за свързване, като дневните операции.

• Енергия за управление: При типично напрежение от 72.5 кV, енергията за управление, необходима за вакуумен прекъсвач, е значително по-ниска - приблизително 20% от тази, необходима за равностоен прекъсвач с SF6. Физическите размери на двете типа устройства са съпоставими.

• Конфигурация на прекъсвателя: Над 145 кV, HV VCBs може да изискват повече от един прекъсвател в ред, докато технологията с SF6 успешно е реализирала единични прекъсвачи до 550 кV от 1994 година, които са широко използвани в много страни.

• Характеристики на дъгата: Напрежението на дъгата в HV VCBs е много по-ниско от това в прекъсвачите с SF6, обикновено в интервал от десетки волтове в сравнение с хиляди волтове в SF6. Освен това, продължителността на дъгата по време на аварийно свързване е по-къса в вакуумната комутационна апаратура, с минимално време на дъга от 5-7 мс в сравнение с 10-15 мс за прекъсвачите с SF6. Това води до по-голям брой възможни операции за свързване и разединяване за HV VCBs.

• Излъчване на рентгенови лъчи: HV VCBs с номинални напрежения до 145 кV излъчват рентгенови лъчи в рамките на стандартизираната граница от 5 µSv/h при нормални условия на работа. Прекъсвачите с SF6 не излъчват рентгенови лъчи.

Електрически характеристики

• Прекъсване на аварийни токове: HV VCBs изключително преуспяват в прекъсването на аварийни токове с много стръмни скорости на нарастване на преходното възстановяване на напрежението (TRV), благодарение на бързото им диелектрично възстановяване, което е по-бързо от това на прекъсвачите с SF6.

• Статистика на пробиви: Въпреки че вакуумните разрези теоретично имат много високи напрежения на пробив, има малка вероятност за пробив при относително умерени напрежения. Вакуумните разрези могат също да изпитат спонтанни късни пробиви, които се случват до няколко стотици милисекунди след прекъсването на тока. Но последиците от такива събития са ограничени, тъй като вакуумният разрез веднага възстановява своята изолация. Системните последици от късни пробиви все още не са напълно разбрани.

• Свързване на индуктивни натоварвания: В приложения, включващи индуктивни натоварвания, като свързване на шунтиращи реактори, HV VCBs тенденцията е да изпитват по-голям брой повторни възпламенявания при една нулева честота на тока. Това е поради способността на вакуума да прекъсва високочестотни токове, следващи възпламеняването. Ефектите от тези възпламенявания върху взаимодействащите апарати, като RC демпфери и металоксидни ограничители, в момента се изучават.

• Свързване на кондензаторни банки: При свързване на кондензаторни банки е важно да се избегне много висок входящ ток, тъй като той може да влоши диелектричните свойства на контактната система чрез предварителни дъги. Това предизвикателство се отнася както за HV VCBs, така и за прекъсвачи с SF6. Митигационни стратегии включват използването на сериен реактор или контролирано свързване, въпреки че полевият опит с последното за HV VCBs е ограничен.

Бъдещи перспективи и пазарно възприемане

Проведено проучване сред потребителите на високонапрегова комутационна апаратура показва, че липсата на SF6 се вижда като основна предимство на вакуумната комутационна апаратура, при условие, че външната изолация също е без SF6. Обаче, липсата на обширен експлуатационен опит при напрежения на преноса остава значително колебание за широкото приемане на HV VCBs. Въпреки това, екологичните предимства и експлуатационните предимства на вакуумната технология продължават да задълбочават интереса и развитието в тази област.

Потенциалните потребители на високонапрегови вакуумни прекъсвачи (HV VCBs) често изразяват загриженост относно генерирането на прекомерни напрежения поради пречупване на тока и възможността за излъчване на рентгенови лъчи по време на операциите за свързване. Тези проблеми са критични за осигуряване на безопасна и надеждна работа на HV VCBs, особено като те все повече се разглеждат за приложения с напрежение на преноса.

Излъчване на рентгенови лъчи

За устройствата с единичен прекъсвател, излъчването на рентгенови лъчи от HV VCBs с номинални напрежения до и включително 145 кV остава далеч под стандартизираната граница от 5 µSv/h при нормални условия на работа. Устройствата с многократни прекъсватели показват дори по-ниски нива на излъчване на рентгенови лъчи. Това е важен фактор за регулаторно съответствие и безопасност, тъй като гарантира, че HV VCBs могат да бъдат разположени без да представляват значителен радиационен риск за персонала или околната среда.

Пилотни проекти

Голямо мнозинство от отговорниците изразиха силен интерес към иницииране на пилотни проекти, за да си придобият практически опит с технологията на HV VCB. Такива проекти ще позволят на енергийните компании и оператори на системи да оценят производителността, надеждността и експлуатационните характеристики на HV VCBs в реални условия. Земно свързаните мрежи се препоръчват за тези пилотни проекти, тъй като условията на мрежата в системите за средно напрежение не винаги са съпоставими с тези в мрежите за пренос, особено относно условията на заземяване. Този подход ще помогне да се гарантира, че спечелените опити са релевантни и приложими за приложения на ниво на преноса.

Стандартизиране

Съществуващият стандарт IEC за прекъсвачи, IEC 62271-100, има силен акцент върху технологията за свързване с SF6, която може да не отговаря напълно уникалните характеристики и предизвикателства на вакуумното свързване. Например, изпитателните задачи, които са трудни за SF6, като изпитанията при краткосрочно аварийно свързване, може да не са толкова критични за вакуумната технология. От друга страна, приложение на непрекъснато възстановяване на напрежението при синтетични изпитания, което е по-малко релевантно за SF6, може да бъде по-важно за демонстриране на липсата на късни пробиви в вакуумните прекъсватели. Докато HV VCBs печелят по-голяма популярност, може да се наложи да се преработят или допълнят съществуващите стандарти, за да по-добре отговарят на вакуумната технология.

Технически последици от дизайна без SF6

Когато SF6 липсва като външно изолиращо средство, други технически последици трябва да бъдат взети предвид. Например, алтернативните методи за изолация може да изискват по-високо налягане, по-голяма маса, по-голям размер или различни дизайнерски разчети, за да се гарантира адекватната изолационна производителност. Производителите активно изследват тези алтернативи, за да разработят жизнеспособни заместители на SF6, но докато не се намери нова технология, която да покрива всички напрежения, SF6 вероятно ще остане необходим за определени приложения в мрежите за пренос.

Ангажираност на производителите

Производителите са ангажирани да развиват и предлагат индустриално жизнеспособни алтернативи на технологията с SF6. Въпреки че SF6 е бил доминиращ изолиращ газ за високонапрегови приложения благодарение на отличните му диелектрични свойства, екологичните загрижености, свързани с SF6, особено неговият висок потенциал за глобално затопляне, са подтикнали търсенето на по-зелени решения. HV VCBs представляват едно такова решение, предлагайки устойчив альтернативен вариант за приложения, изискващи чести операции за свързване и по-ниски разходи за поддръжка. Обаче, преходът от SF6 ще бъде постепенен, тъй като производителите продължават да иновират и подобряват нови технологии, за да отговарят на разнообразните нужди на енергийната индустрия.