Stručná historie minulosti a současnosti vysokonapěťových vakuumových vypínačů
Vysokonapěťové vakuové přerušovače: Přehled
Úvod
Vysokonapěťové vakuové přerušovače (HV VCBs) se staly životaschopnou alternativou k tradičním přerušovačům s plynovou izolací SF6, zejména v aplikacích, kde je důležité časté přepínání a nižší náklady na údržbu. Od roku 2014 jsou HV VCBs stále více používány jako alternativa k vysokonapěťovým plynovým přerušovačům, nabízejí ekologičtější a udržitelnější řešení eliminací použití SF6, silného skleníkového plynu.
Vakuové přerušovače se již téměř třicet let široce používají v distribučních systémech, hlavně pro odpojování poruchových proudů a přepínání různých typů zatížení. Spolehlivost a výkon vakuové přepínací technologie v středním napěťovém rozsahu (až do 52 kV) byly vynikající, což vedlo k její dominanci v distribučních systémech. Avšak snahy o rozšíření vakuové přepínací technologie na přenosové napětí začaly již v 60. letech, s významnými milníky dosaženými kolem roku 1980, kdy byly v Japonsku nainstalovány první vysokonapěťové vakuové přerušovače. Do roku 2010 bylo v provozu přibližně 10 000 HV VCBs, především v průmyslových prostředích, ale také v energetických aplikacích. Preferovanost vakuové technologie nad SF6 byla motivována její schopností zvládat časté přepínací operace a nižší nároky na údržbu.
V USA byly využívány vakuové přepínací kapacitní bance po několik desetiletí až do napětí 242 kV. Okolo roku 2008 probíhala intenzivní výzkumná a vývojová programy v Číně a Evropě zaměřené na vývoj HV VCBs, s cílem snížit nebo zcela eliminovat použití SF6. To vedlo k introdukci produktů schopných pracovat v napětí až 145 kV. V Číně se očekává, že rychlá adopce HV VCBs v komerčních aplikacích pokračuje, s tisíci jednotkami již v provozu v napětí až 126 kV. V Evropě probíhají terénní testy pro ověření výkonu typově zkoušených zařízení před jejich uvedením na trh.
Technologie a návrh
Všechny produkty HV VCB jsou založeny na dobře osvědčené středním napěťové vakuové přerušovací technologii, která byla během let zdokonalena. Pro rozšíření této technologie na vyšší napěťové úrovně nebyly potřebné žádné zásadně nové technické prvky. Hlavní výzva spočívá v měřítkování geometrie přerušovače, aby bylo možné zvládnout vyšší napěťové hodnoty. Například průměr a délka mezer mezi kontakty musí být zvětšeny pro zvládnutí napětí nad 52 kV. V některých případech, pro napětí přesahující 126 kV, se používají dva vakuové mezery v sérii, aby bylo zajištěno spolehlivé fungování.
Operační vlastnosti
Zpracování normálního proudu: Pro normální proudy až 2 500 A neexistují zásadní rozdíly mezi HV VCBs a přerušovači s plynem SF6. Nicméně, dosažení vyšších proudivých hodnot (nad 2 500 A) v HV VCBs je obtížné kvůli tepelnému vytváření z kontaktní struktury a omezené schopnosti přenosu tepla přerušovače.
Monitorování: Je snazší monitorovat kvalitu přerušovacího prostředku v přerušovačích s plynem SF6, protože stupeň vakuu v HV VCBs není prakticky možné monitorovat během provozu.
Přepínací operace: HV VCBs mohou provést vyšší počet přepínacích operací ve srovnání s přerušovači s plynem SF6 díky výborné odolnosti vakuového kontaktního systému proti oblouku. To dělá vakuovou technologii zvláště atraktivní pro aplikace vyžadující časté přepínání, jako jsou každodenní operace.
Pohonná energie: U typického nastavení 72,5 kV je pohonná energie potřebná pro vakuový přerušovač výrazně nižší – přibližně 20 % z toho, co je potřeba pro ekvivalentní přerušovač s plynem SF6. Fyzické rozměry obou typů zařízení jsou srovnatelné.
Konfigurace přerušovače: Nad 145 kV mohou HV VCBs vyžadovat více než jeden přerušovač v sérii, zatímco technologie SF6 úspěšně implementovala jednobreakové přerušovače až do 550 kV od roku 1994, které jsou široce používány v mnoha zemích.
Vlastnosti oblouku: Napětí oblouku v HV VCBs je mnohem nižší než v přerušovačích s plynem SF6, obvykle se pohybuje v rozmezí stovek voltů ve srovnání s sety voltů v přerušovačích s plynem SF6. Kromě toho je doba trvání oblouku během přepínání poruch kratsí u vakuového přepínacího zařízení, s minimální dobu oblouku 5–7 ms ve srovnání s 10–15 ms pro přerušovače s plynem SF6. To vede k vyššímu počtu možných přepínacích operací pro HV VCBs.
Rentgenové záření: HV VCBs s nominálními napěťovými hodnotami až 145 kV emitují rentgenové záření v rámci standardizované hranice 5 µSv/h za normálních provozních podmínek. Přerušovače s plynem SF6 rentgenové záření neemitují.
Elektrické vlastnosti
Přerušení poruchového proudu: HV VCBs vynikají v přerušování poruchových proudů s velmi strmými sklonmi dočasného obnovovacího napětí (TRV) díky své rychlé dielektrické obnově, která je rychlejší než u přerušovačů s plynem SF6.
Statistiky prolomení: Zatímco vakuové mezery teoreticky mají velmi vysoké prolomové napětí, existuje malá pravděpodobnost prolomu při relativně mírných napětích. Vakuové mezery mohou také zaznamenat spontánní pozdní prolom, který může nastat až několik set milisekund po přerušení proudu. Avšak důsledky takových událostí jsou omezené, protože vakuová mezera okamžitě obnoví svou izolaci. Systémové implikace pozdního prolomu nejsou dosud plně pochopeny.
Přepínání induktivního zatížení: V aplikacích s induktivním zatížením, jako je přepínání paralelních reaktorů, tendují HV VCBs k vyššímu počtu opakovaných zapalování na jednom nulovém bodě síťové frekvence. Toto je způsobeno schopností vakuu přerušovat vysokofrekvenčné proudy, které následují po zapalování. Důsledky těchto transienčních zapalování na interagující zařízení, jako jsou RC tlumiče a oxid-kovové ochranné prvky, jsou v současné době předmětem výzkumu.
Přepínání kondenzátorových baniček: Při přepínání kondenzátorových baniček je klíčové zabránit velmi vysokým vstupním proudům, protože ty mohou degradovat dielektrické vlastnosti kontaktního systému předchozími oblouky. Tento problém se týká jak HV VCBs, tak přerušovačů s plynem SF6. Mitigační strategie zahrnují použití sériových reaktorů nebo řízeného přepínání, i když je zkušenost s posledním metodou pro HV VCBs omezená.
Budoucí perspektivy a vnímání trhu
Průzkum provedený mezi uživateli vysokonapěťového přepínacího zařízení odhalil, že absencí SF6 je vnímán jako hlavní výhoda vakuového přepínacího zařízení, pokud je externí izolace také bez SF6. Nicméně, nedostatek rozsáhlé servisní zkušenosti na přenosových napěťových úrovních zůstává významným faktorem, který brání širší adopci HV VCBs. Navzdory tomu, environmentální výhody a operační přednosti vakuové technologie podporují pokračující zájem a vývoj v této oblasti.
Potenciální uživatelé vysokonapěťových vakuových přerušovačů (HV VCBs) často vyjadřují obavy ohledně generování přetlaků kvůli přerušování proudu a možnosti emise rentgenového záření během přepínacích operací. Tyto otázky jsou klíčové pro zajištění bezpečného a spolehlivého fungování HV VCBs, zejména s ohledem na jejich stále častější zvažování pro přenosové napěťové aplikace.
Emise rentgenového záření
Pro jednobreaková zařízení zůstávají emise rentgenového záření z HV VCBs s nominálními napěťovými hodnotami až do 145 kV výrazně pod standardizovanou hranicí 5 µSv/h za normálních provozních podmínek. Zařízení s více breaky ukazují ještě nižší úrovně emisí rentgenového záření. Toto je důležitá záležitost pro dodržování předpisů a bezpečnost, protože zajišťuje, že HV VCBs lze nasadit bez významných radiologických rizik pro personál nebo životní prostředí.
Pilotní projekty
Velká většina respondentů vyjádřila silný zájem o zahájení pilotních projektů, aby získali praktickou zkušenost s technologií HV VCB. Takové projekty by umožnily energetickým podnikům a provozovatelům systémů vyhodnotit výkon, spolehlivost a operační charakteristiky HV VCBs v reálných podmínkách. Pevně zazeměné sítě jsou doporučovány pro tyto pilotní projekty, protože síťové podmínky v středním napěťovém systému nejsou vždy srovnatelné s těmi v přenosových napěťových sítích, zejména s ohledem na zemnící podmínky. Tento přístup pomůže zajistit, že získané zkušenosti budou relevantní a použitelné pro aplikace na úrovni přenosu.
Standardizace
Aktuální IEC standard pro přerušovače, IEC 62271-100, má silný důraz na technologii přepínání SF6, která nemusí plně pokrýt unikátní vlastnosti a výzvy vakuového přepínání. Například testovací povinnosti, které jsou pro SF6 náročné, jako jsou testy krátkých linkových poruch, nemusí být pro vakuovou technologii stejně kritické. Naopak, aplikace spojitého obnovovacího napětí v syntetických testech, která je méně relevantní pro SF6, může být důležitější pro prokázání absence pozdního prolomu v vakuových přerušovačích. S tím, jak HV VCBs získávají více zájmu, může být nutné standardy přezkoumat nebo doplnit, aby lépe odpovídaly vakuové technologii.
Technické implikace designu bez SF6
Když je SF6 absent jako externí izolační médium, musí být zváženy jiné technické implikace. Například alternativní metody izolace mohou vyžadovat vyšší tlak, zvýšenou hmotnost, větší rozměry nebo jiné návrhové aspekty, aby byla zajištěna dostatečná výkonnost izolace. Výrobci aktivně zkoumají tyto alternativy, aby vyvinuli vhodné náhrady za SF6, ale dokud není nalezena nová technologie, která bude pokrývat všechny napěťové hodnoty, bude SF6 pravděpodobně stále nezbytný pro určité aplikace v přenosových sítích.
Závazek výrobců
Výrobci jsou odhodláni vyvíjet a poskytovat průmyslově viable alternativy k technologii SF6. Ačkoli SF6 byl dominantní izolační plyn pro vysokonapěťové aplikace díky svým vynikajícím dielektrickým vlastnostem, environmentální obavy spojené s SF6, zejména jeho vysoký globální oteplovací potenciál, vedly k hledání ekologičtějších řešení. HV VCBs představují jedno takové řešení, nabízejí udržitelnou alternativu pro aplikace, kde je vyžadováno časté přepínání a nižší údržba. Nicméně, přechod od SF6 bude postupný, protože výrobci pokračují v inovacích a zdokonalování nových technologií, aby splnili různé potřeby energetického průmyslu.
