Maong ang mga Pasadyaan sa Kasinatian ug Karon sa High Voltage Vacuum Circuit Breakers

High Voltage Vacuum Circuit Breakers: An Overview

Pagpapakilala

Ang high voltage vacuum circuit breakers (HV VCBs) ay naging isang maaaring alternatibo sa mga tradisyonal na SF6 gas-insulated circuit breakers, lalo na sa mga aplikasyon kung saan ang madalas na pag-switch at mas mababang gastos sa pagmamanubo ay mahalaga. Simula noong 2014, ang HV VCBs ay lalong tinanggap bilang isang alternatibo sa high-voltage gas circuit breakers, nagbibigay ng isang mas berdeng at sustainable na solusyon sa pamamagitan ng pag-alis ng paggamit ng SF6, isang malakas na greenhouse gas.

Ang vacuum switchgear ay malawakang ginagamit sa mga distribution systems sa loob ng higit sa tatlong dekada, pangunahin para sa paggawa at paghiwalay ng fault currents at pag-switch ng iba't ibang uri ng loads. Ang reliabilidad at performance ng vacuum switching technology sa medium voltage range (hanggang 52 kV) ay napakaganda, nag-udyok sa kanyang dominasyon sa mga distribution systems. Gayunpaman, ang mga pagsikap upang i-extend ang vacuum switching technology sa transmission voltage levels ay nagsimula pa noong 1960s, may mga significant milestones na nakuha noong 1980 nang ang unang high-voltage vacuum circuit breakers ay in-install sa Japan. Noong 2010, ang halos 10,000 HV VCBs ay nasa operasyon, pangunahin sa mga industrial settings pero may ilang sa utility applications. Ang preference para sa vacuum technology sa halip na SF6 ay dala ng kanyang kakayahan na handurin ang madalas na pag-switch operations at mas mababang maintenance requirements.

Sa Estados Unidos, ang vacuum capacitor bank switches ay ginagamit na sa loob ng ilang dekada sa voltages hanggang 242 kV. Sa paligid ng 2008, ang intensive research and development (R&D) programs sa China at Europa ay nagsikap na lumikha ng HV VCBs, na may layunin na bawasan o alisin ang paggamit ng SF6. Ito ay nagresulta sa pag-introduce ng mga produkto na kayang gumana sa voltages hanggang 145 kV. Sa China, ang mabilis na pag-adopt ng HV VCBs sa commercial applications ay inaasahang magpapatuloy, may daan-daang units na nasa serbisyo sa voltage levels hanggang 126 kV. Sa Europa, ang field tests ay patuloy na isinasagawa upang i-validate ang performance ng type-tested devices bago sila pumasok sa mercado.

Teknolohiya at disenyo

Ang lahat ng HV VCB products ay batay sa well-established na medium voltage vacuum interrupter technology, na pinuno na sa loob ng mga taon. Walang fundamentally new technical features ang kinailangan upang i-extend ang teknolohiyang ito sa mas mataas na voltage levels. Ang pangunahing hamon ay nasa pag-scale ng geometry ng interrupter upang ma-accommodate ang mas mataas na voltage ratings. Halimbawa, ang diameter at contact gap length ay kailangang itaas upang makontrol ang voltages na higit sa 52 kV. Sa ilang kaso, para sa voltages na higit sa 126 kV, ang dalawang vacuum gaps in series ay ginagamit upang tiyakin ang reliable operation.

Operational Features

• Normal Current Handling: Para sa normal currents hanggang 2,500 A, walang significant differences sa pagitan ng HV VCBs at SF6 circuit breakers. Gayunpaman, ang pagkamit ng mas mataas na current ratings (higit sa 2,500 A) sa HV VCBs ay challenging dahil sa heat generation mula sa contact structure at limited heat transfer capability ng interrupter.

• Monitoring: Mas madali ang monitoring ng kalidad ng interruption medium sa SF6 circuit breakers, dahil ang degree of vacuum sa HV VCBs ay hindi praktikal na ma-monitor habang nasa serbisyo.

• Switching Operations: Ang HV VCBs ay kayang gumawa ng mas maraming switching operations kumpara sa SF6 circuit breakers dahil sa superior endurance ng vacuum contact system sa arcing. Ito ay nagbibigay ng vacuum technology na partikular na attractive para sa mga aplikasyon na nangangailangan ng madalas na pag-switch, tulad ng daily operations.

• Drive Energy: Sa typical 72.5 kV rating, ang drive energy na kailangan para sa vacuum circuit breaker ay significantly lower—approximately 20% ng kailangan para sa equivalent SF6 circuit breaker. Ang physical sizes ng dalawang types ng devices ay comparable.

• Interrupter Configuration: Sa itaas ng 145 kV, ang HV VCBs ay maaaring mag-require ng higit sa isang interrupter in series, samantalang ang SF6 technology ay matagumpay na nag-implement ng single-break circuit breakers hanggang 550 kV simula noong 1994, na malawakang ginagamit sa maraming bansa.

• Arc Characteristics: Ang arc voltage sa HV VCBs ay mas mababa kumpara sa SF6 circuit breakers, karaniwang nasa tens of volts kumpara sa hundreds of volts sa SF6. Bukod dito, ang duration ng arc sa panahon ng fault switching ay mas maikli sa vacuum switchgear, may minimum arcing time na 5–7 ms kumpara sa 10–15 ms para sa SF6 circuit breakers. Ito ay nagresulta sa mas maraming possible switching operations para sa HV VCBs.

• X-ray Emissions: Ang HV VCBs na may rated voltages hanggang 145 kV ay nag-emit ng X-rays sa loob ng standardized limit ng 5 µSv/h sa normal operating conditions. Ang SF6 circuit breakers ay hindi nag-emit ng X-rays.

Electrical Features

• Fault Current Interruption: Ang HV VCBs ay excel sa pag-interrupt ng fault currents na may very steep rates of rise of transient recovery voltage (TRV) dahil sa kanilang rapid dielectric recovery, na mas mabilis kaysa sa SF6 circuit breakers.

• Breakdown Statistics: Habang ang vacuum gaps ay teoretikal na may napakataas na breakdown voltages, may small probability of breakdown sa relatively moderate voltages. Ang vacuum gaps ay maaari ring makaranas ng spontaneous late breakdown, na nangyayari hanggang sa ilang hundred milliseconds matapos ang current interruption. Gayunpaman, ang consequences ng mga ganitong events ay limitado dahil ang vacuum gap ay agad na nire-restore ang kanyang insulation. Ang system implications ng late breakdown ay hindi pa lubusan na naiintindihan.

• Inductive Load Switching: Sa mga aplikasyon na may inductive loads, tulad ng shunt reactor switching, ang HV VCBs ay may tendency na makaranas ng mas maraming repeated re-ignitions sa isang power frequency current zero. Ito ay dahil sa kakayahan ng vacuum na interruptin ang high-frequency currents na sumusunod sa re-ignition. Ang epekto ng mga re-ignition transients sa interacting apparatus, tulad ng RC snubbers at metal-oxide arresters, ay kasalukuyang under investigation.

• Capacitor Bank Switching: Sa panahon ng pag-switch ng capacitor banks, mahalaga na iwasan ang very high inrush currents, dahil ito ay maaaring degrade ang dielectric properties ng contact system sa pamamagitan ng pre-strike arcs. Ang challenge na ito ay applicable sa parehong HV VCBs at SF6 circuit breakers. Ang mitigation strategies ay kasama ang paggamit ng series reactors o controlled switching, bagaman may limitadong field experience sa huli para sa HV VCBs.

Mga Prospects sa Hinaharap at Market Perception

Ang isang survey na isinagawa sa mga users ng high-voltage switchgear ay nagpakita na ang absence ng SF6 ay itinuturing bilang primary advantage ng vacuum switchgear, basta ang external insulation ay din SF6-free. Gayunpaman, ang lack ng extensive service experience sa transmission voltage levels ay nananatiling significant hesitation para sa widespread adoption ng HV VCBs. Bagaman, ang environmental benefits at operational advantages ng vacuum technology ay nagpapatuloy na humikayat ng interes at pag-unlad sa area na ito.

Ang potential users ng high voltage vacuum circuit breakers (HV VCBs) ay madalas na nag-raise ng concerns tungkol sa generation ng overvoltages dahil sa current chopping at possibility ng X-ray emissions sa panahon ng switching operations. Ang mga issues na ito ay critical para siguruhin ang safe at reliable operation ng HV VCBs, lalo na habang lalong ito ay ini-consider para sa transmission voltage applications.

X-ray Emission

Para sa single-break devices, ang X-ray emissions mula sa HV VCBs na may rated voltages hanggang at kasama ang 145 kV ay naiwan sa ilalim ng standardized limit ng 5 µSv/h sa normal operating conditions. Ang multiple-break devices ay nagpapakita ng even lower levels ng X-ray emissions. Ito ay isang important consideration para sa regulatory compliance at safety, dahil ito ay nag-aassure na ang HV VCBs ay maaaring i-deploy nang hindi nagpapahamak sa personnel o environment sa pamamagitan ng radiation risks.

Pilot Projects

Ang malaking bahagi ng respondents ay ipinahayag ang strong interest sa pag-initiate ng pilot projects upang makakuha ng practical experience sa HV VCB technology. Ang mga proyektong ito ay magbibigay-daan sa utilities at system operators na i-evaluate ang performance, reliability, at operational characteristics ng HV VCBs sa real-world conditions. Inirerekomenda ang solidly earthed networks para sa mga pilot projects, dahil ang network conditions sa medium voltage systems ay hindi lagi comparable sa mga transmission voltage networks, lalo na sa earthing conditions. Ang approach na ito ay tutulong upang siguruhin na ang experiences na nakamit ay relevant at applicable sa transmission-level applications.

Standardization

Ang kasalukuyang IEC circuit breaker standard, IEC 62271-100, ay may strong focus sa SF6 switching technology, na maaaring hindi fully address ang unique characteristics at challenges ng vacuum switching. Halimbawa, ang test duties na challenging para sa SF6, tulad ng short-line fault tests, ay maaaring hindi kritikal para sa vacuum technology. Kabaligtaran, ang application ng continuous recovery voltage sa synthetic testing, na less relevant para sa SF6, ay maaaring mas importante para ipakita ang absence ng late breakdown sa vacuum interrupters. Habang ang HV VCBs ay nagkakaroon ng mas maraming traction, maaaring mayroong pangangailangan na i-revise o supplement ang existing standards upang mas ma-accommodate ang vacuum technology.

Technical Implications of SF6-Free Design

Kapag ang SF6 ay absent bilang external insulating medium, ang iba pang technical implications ay kailangang i-consider. Halimbawa, ang alternative insulation methods ay maaaring mag-require ng mas mataas na pressure, mas mabigat, mas malaki footprint, o iba pang design considerations upang tiyakin ang adequate insulation performance. Ang mga manufacturers ay aktibong nag-e-explore ng mga alternatives upang lumikha ng viable replacements para sa SF6, ngunit hanggang makuha ang bagong teknolohiya na makakapag-cover ng lahat ng voltage ratings, ang SF6 ay maaaring mananatili bilang essential para sa ilang transmission network applications.

Manufacturer Commitment

Ang mga manufacturers ay committed sa pag-develop at pag-make available ng industrially viable alternatives sa SF6 technology. Habang ang SF6 ay naging dominant insulating gas para sa high-voltage applications dahil sa kanyang excellent dielectric properties, ang environmental concerns na kaugnay ng SF6, lalo na ang kanyang high global warming potential, ay nag-udyok sa search para sa greener solutions. Ang HV VCBs ay represent ng isang ganitong solusyon, nagbibigay ng sustainable alternative para sa mga aplikasyon kung saan ang madalas na pag-switch at mas mababang maintenance ay kinakailangan. Gayunpaman, ang transition away from SF6 ay gradual, bilang ang manufacturers ay patuloy na innovating at refining new technologies upang tugunan ang diverse needs ng power industry.