Σύντομη Ιστορία του Παρελθόντος και του Παρόντος των Υψηλής Τάσης Θερμικών Διαχωριστών σε Κενό

Υψηλής Τάσης Βραχυκύκλωματοστόπες Υπό Κενό: Μια Επισκόπηση

Εισαγωγή

Οι βραχυκύκλωματοστόπες υψηλής τάσης υπό κενό (HV VCBs) έχουν εμφανιστεί ως προοδευτική εναλλακτική λύση σε σύγχρονους αποδομητές με αποδομητικό φυσικό αέριο SF6, ειδικά σε εφαρμογές όπου είναι σημαντικές η συχνή αλλαγή και οι χαμηλότερες δαπάνες συντήρησης. Από το 2014, οι HV VCBs έχουν εισαχθεί όλο και περισσότερο ως εναλλακτική λύση για αποδομητές υψηλής τάσης με αέριο, προσφέροντας μια πιο φιλική προς το περιβάλλον και βιώσιμη λύση, εξουδετερώνοντας τη χρήση του SF6, έναν ισχυρό αιθαλογόνο.

Η τεχνολογία των εγκαταστάσεων υπό κενό χρησιμοποιείται εκτεταμένα σε συστήματα κατανομής για πάνω από τρεις δεκαετίες, κυρίως για την διακοπή καταστροφικών ρευμάτων και την αλλαγή φορτίων διάφορων τύπων. Η αξιοπιστία και η απόδοση της τεχνολογίας των εγκαταστάσεων υπό κενό στη μεσαία τάση (μέχρι 52 kV) ήταν εξαιρετική, οδηγώντας στην κυριαρχία της σε συστήματα κατανομής. Ωστόσο, οι προσπάθειες για την επέκταση της τεχνολογίας των εγκαταστάσεων υπό κενό σε επίπεδα μεταφοράς τάσης ξεκίνησαν από τη δεκαετία του 1960, με σημαντικά μειλίκια να επιτευχθούν γύρω στο 1980, όταν οι πρώτοι αποδομητές υψηλής τάσης υπό κενό εγκαταστάθηκαν στην Ιαπωνία. Μέχρι το 2010, περίπου 10.000 HV VCBs ήταν σε λειτουργία, κυρίως σε βιομηχανικές εφαρμογές, αλλά και σε εφαρμογές δημόσιας υπηρεσίας. Η προτίμηση για την τεχνολογία υπό κενό σε σχέση με το SF6 οφείλεται στην ικανότητά της να αντιμετωπίζει συχνές επιχειρήσεις αλλαγής και χαμηλότερες απαιτήσεις συντήρησης.

Στις ΗΠΑ, οι αλλαγητές τροχιών υπό κενό χρησιμοποιούνται εδώ και δεκαετίες σε τάσεις μέχρι 242 kV. Γύρω στο 2008, εντατικά προγράμματα έρευνας και ανάπτυξης (R&D) στην Κίνα και την Ευρώπη στόχευαν στην ανάπτυξη HV VCBs, με επίκεντρο τη μείωση ή την εξάλειψη της χρήσης του SF6. Αυτό οδήγησε στην εισαγωγή προϊόντων που μπορούν να λειτουργούν σε τάσεις μέχρι 145 kV. Στην Κίνα, η γρήγορη αποδοχή των HV VCBs σε εμπορικές εφαρμογές είναι αναμενόμενη να συνεχιστεί, με εκατοντάδες μονάδες ήδη σε λειτουργία σε επίπεδα τάσης μέχρι 126 kV. Στην Ευρώπη, οι πεδιακές δοκιμές συνεχίζονται για την επιβεβαίωση της απόδοσης των τύπων που έχουν υποστεί δοκιμές πριν εισέλθουν στην αγορά.

Τεχνολογία και Σχεδίαση

Όλα τα προϊόντα HV VCB βασίζονται στην καταστημένη τεχνολογία αποδομητών μεσαίας τάσης υπό κενό, η οποία έχει βελτιωθεί με τα χρόνια. Δεν απαιτούνται θεμελιώδη νέα τεχνικά χαρακτηριστικά για την επέκταση αυτής της τεχνολογίας σε υψηλότερα επίπεδα τάσης. Η κύρια πρόκληση είναι η επικέντρωση της γεωμετρίας του αποδομητή για να εξυπηρετήσει τα υψηλότερα επίπεδα τάσης. Για παράδειγμα, ο διάμετρος και η μήκος της επαφής πρέπει να αυξηθούν για να αντιμετωπίσουν τάσεις πάνω από 52 kV. Σε κάποιες περιπτώσεις, για τάσεις πάνω από 126 kV, χρησιμοποιούνται δύο εναλλακτικές υπό κενό σε σειρά για να εξασφαλίσουν την αξιόπιστη λειτουργία.

Χαρακτηριστικά Λειτουργίας

• Χειρισμός Κανονικών Ρευμάτων: Για κανονικά ρεύματα μέχρι 2.500 A, δεν υπάρχουν σημαντικές διαφορές μεταξύ HV VCBs και αποδομητών SF6. Ωστόσο, η επίτευξη υψηλότερων επιπέδων ρεύματος (πάνω από 2.500 A) σε HV VCBs είναι πρόκληση λόγω της θερμότητας που παράγεται από τον κατασκευαστικό καταστροφικό μηχανισμό και την περιορισμένη ικανότητα μεταφοράς θερμότητας του αποδομητή.

• Επίβλεψη: Είναι ευκολότερο να ελέγχεται η ποιότητα του αποδομητικού μέσου σε αποδομητές SF6, καθώς η βαθμίδα κενού σε HV VCBs δεν μπορεί να ελεγχθεί πρακτικά κατά τη διάρκεια λειτουργίας.

• Επιχειρήσεις Αλλαγής: Οι HV VCBs μπορούν να εκτελέσουν περισσότερες επιχειρήσεις αλλαγής σε σχέση με τους αποδομητές SF6, λόγω της καλύτερης αντοχής του συστήματος επαφής υπό κενό στην άνθρακα. Αυτό καθιστά την τεχνολογία υπό κενό ιδιαίτερα ελκυστική για εφαρμογές που απαιτούν συχνή αλλαγή, όπως οι καθημερινές επιχειρήσεις.

• Ενέργεια Προώθησης: Σε μια τυπική βαθμίδα 72.5 kV, η ενέργεια προώθησης που απαιτείται για έναν αποδομητή υπό κενό είναι σημαντικά χαμηλότερη - περίπου 20% αυτής που απαιτείται για έναν ισοδύναμο αποδομητή SF6. Τα φυσικά μεγέθη των δύο τύπων συσκευών είναι συγκρίσιμα.

• Διάταξη Αποδομητή: Πάνω από 145 kV, οι HV VCBs μπορεί να απαιτούν περισσότερους από ένα αποδομητές σε σειρά, ενώ η τεχνολογία SF6 έχει εφαρμοστεί επιτυχώς σε μονοκατάκοπτες αποδομητές μέχρι 550 kV από το 1994, οι οποίοι είναι ευρέως χρησιμοποιούμενοι σε πολλές χώρες.

• Χαρακτηριστικά Άνθρακα: Η τάση της άνθρακα σε HV VCBs είναι πολύ χαμηλότερη από τους αποδομητές SF6, συνήθως εκτείνεται από δεκάδες βόλτ σε σύγκριση με εκατοντάδες βόλτ στους αποδομητές SF6. Επιπλέον, η διάρκεια της άνθρακα κατά την διακοπή καταστροφικών ρευμάτων είναι μικρότερη στις εγκαταστάσεις υπό κενό, με ελάχιστη χρονική διάρκεια άνθρακα 5-7 ms σε σύγκριση με 10-15 ms για τους αποδομητές SF6. Αυτό οδηγεί σε μεγαλύτερο αριθμό δυνατών επιχειρήσεων αλλαγής για τους HV VCBs.

• Εκπομπή Χ-Ακτίνων: Οι HV VCBs με βαθμίδες τάσης μέχρι 145 kV εκπέμπουν Χ-άκτινες μέσα στο τυποποιημένο όριο 5 µSv/h κατά την κανονική λειτουργία. Οι αποδομητές SF6 δεν εκπέμπουν Χ-άκτινες.

Ηλεκτρικά Χαρακτηριστικά

• Διακοπή Καταστροφικών Ρευμάτων: Οι HV VCBs εξαίρεται στη διακοπή καταστροφικών ρευμάτων με πολύ αιφνίδιες τάσεις ανάκτησης (TRV) λόγω της γρήγορης ανάκτησης της ηλεκτρικής αποδοσιμότητας, η οποία είναι γρηγορότερη από αυτή των αποδομητών SF6.

• Στατιστικά Στοιχεία Κατάρρευσης: Ενώ οι εναλλακτικές υπό κενό θεωρητικά έχουν πολύ υψηλές τάσεις κατάρρευσης, υπάρχει μικρή πιθανότητα κατάρρευσης σε σχετικά μέτριες τάσεις. Οι εναλλακτικές υπό κενό μπορούν επίσης να εμφανίσουν αυτόνομη μεταγενή κατάρρευση, που συμβαίνει μέχρι και αρκετές εκατοντάδες χιλιοστοσεκόντες μετά τη διακοπή του ρεύματος. Ωστόσο, οι επιπτώσεις τέτοιων γεγονότων είναι περιορισμένες, καθώς η εναλλακτική υπό κενό αποκαθιστά άμεσα την αποδοσιμότητά της. Οι συστημικές επιπτώσεις της μεταγενούς κατάρρευσης δεν έχουν ακόμη πλήρως κατανοηθεί.

• Αλλαγή Φορτίων Ενδεικτικών: Σε εφαρμογές που περιλαμβάνουν ενδεικτικά φορτία, όπως η αλλαγή των παράλληλων αντιστατών, οι HV VCBs τείνουν να εμφανίζουν μεγαλύτερο αριθμό επαναφωτισμών σε ένα μηδενικό ρεύμα πλάτους τάσης. Αυτό οφείλεται στην ικανότητα του κενού να διακόπτει υψηλοσυχνότητα ρεύματα που ακολουθούν τον επαναφωτισμό. Οι επιπτώσεις αυτών των επαναφωτισμών σε συνδρομικές συσκευές, όπως οι RC σνάμπερς και οι μεταλλικοί οξειδικοί αρρηκτοί, είναι τώρα υπό έρευνα.

• Αλλαγή Τροχιών Καταναλωτών: Κατά την αλλαγή τροχιών καταναλωτών, είναι σημαντικό να αποφεύγονται πολύ υψηλά εισερχόμενα ρεύματα, καθώς μπορούν να επηρεάσουν τις ηλεκτρικές ιδιότητες του συστήματος επαφής μέσω προηγούμενων αντιστατών. Αυτή η πρόκληση εφαρμόζεται σε HV VCBs και αποδομητές SF6. Οι στρατηγικές ελαχιστοποίησης περιλαμβάνουν τη χρήση σειριακών αντιστατών ή ελεγχόμενης αλλαγής, αν και η πείρα στο πεδίο με την τελευταία για HV VCBs είναι περιορισμένη.

Μέλλον και Αντίληψη της Αγοράς

Ένας έρευνας που διεξήχθη μεταξύ χρηστών συσκευών υψηλής τάσης αποκάλυψε ότι η απουσία του SF6 θεωρείται ως η κύρια προστιθέμενη αξία των εγκαταστάσεων υπό κενό, με την προϋπόθεση ότι η εξωτερική αποδοσιμότητα είναι επίσης χωρίς SF6. Ωστόσο, η έλλειψη εκτεταμένης εμπειρίας σε επίπεδα μεταφοράς τάσης παραμένει ένα σημαντικό εμπόδιο για την ευρεία αποδοχή των HV VCBs. Παρ' όλα αυτά, οι περιβαλλοντικές και λειτουργικές πλεονεκτήσεις της τεχνολογίας υπό κενό είναι οι κινητήριες δυνάμεις της συνεχούς ενδιαφέροντος και ανάπτυξης σε αυτόν τον τομέα.

Οι πιθανοί χρήστες αποδομητών υψηλής τάσης υπό κενό (HV VCBs) συχνά θέτουν ερωτήματα σχετικά με τη γενική παραγωγή υπερτάσεων λόγω της κοπής ρεύματος και την πιθανότητα εκπομπής Χ-άκτινων κατά την αλλαγή. Αυτά τα ζητήματα είναι κρίσιμα για την εξασφάλιση της ασφάλειας και της αξιοπιστίας των HV VCBs, ειδικά καθώς θεωρούνται όλο και περισσότερο για εφαρμογές μεταφοράς τάσης.

Εκπομπή Χ-Ακτίνων

Για μονοκατάκοπτες συσκευές, οι εκπομπές Χ-άκτινων από HV VCBs με βαθμίδες τάσης μέχρι και 145 kV παραμένουν σημαντικά κάτω από το τυποποιημένο όριο 5 µSv/h κατά την κανονική λειτουργία. Οι πολυκατάκοπτες συσκευές εκπέμπουν ακόμη χαμηλότερα επίπεδα Χ-άκτινων. Αυτό είναι ένα σημαντικό στοιχείο για την συμμόρφωση με την νομοθεσία και την ασφάλεια, καθώς εξασφαλίζει ότι οι HV VCBs μπορούν να εγκατασταθούν χωρίς να παρουσιάζουν σημαντικά ραδιολογικά προβλήματα για το προσωπικό ή το περιβάλλον.

Πρωτοποριακ