Lühike ajalugu kõrgete pingete vaakumkatkuri minevikust ja tänapäevast

Kõrgepinge vakuumpõhised lülitid: Ülevaade

Sissejuhatus

Kõrgepinge vakuumpõhised lülitid (HV VCBs) on tõusnud viisilikuks alternatiiviks traditsioonilistele SF6 gaasipõhistele lülititele, eriti rakendustes, kus sagedane lülitamine ja madalam hoolduskulu on kriitilised. Alates 2014. aastast on HV VCBsid üha rohkem kasutatud kõrgepinge gaasilülitite asendamiseks, pakkudes rohelisemat ja jätkusuutlikumat lahendust, väljaarvatud SF6, mis on võimas soojenemiskiirgusega gaas.

Vakuumpõhine lülitusseadme tehnikat on laialdaselt kasutatud jaotussüsteemides juba üle kolm kümmet aastat, peamiselt veapingside ja mitmetüübiliste koormuste lülitamiseks. Vakuumpõhise lülitusseadme usaldusväärsus ja toimetus keskpinge valdkonnas (kuni 52 kV) on olnud erakordne, mis on viinud selle domineerimiseni jaotussüsteemides. Kuid püüdlused lülitusseadme tehnoloogia laiendamiseks edasiandmise pingete tasandile algasid juba 1960. aastatel, olulisi saavutusi saavutati umbes 1980. aastal, kui esimesed kõrgepinge vakuumpõhised lülitid paigaldati Jaapanis. Aastaks 2010 oli töös umbes 10 000 HV VCBd, peamiselt tööstuslikel, kuid ka energiasüsteemide rakendustes. Eelistus vakuumpõhisele tehnoloogiale SF6 suhtes tulenes selle võimekusest hooltelda sagedaste lülitamiste ja madalamate hoolduse nõuetega.

Ameerikas on vakuumpõhiseid kondensaatoripanga lülitjuhtumeid kasutatud juba mõnda aega kuni 242 kV. Umbes 2008. aastal käivitas Hiina ja Euroopa intensiivsed uurimis- ja arendusprogrammid (R&D), et arendada HV VCBsid, keskendudes SF6 kasutamise vähendamisele või täielikule kaotamisele. See viis seadmete tutvustamiseni, mis suudavad töötada kuni 145 kV. Hiinas jätkub HV VCBside kiiret kasutuselevõttu kaubanduslikutes rakendustes, kus on juba töös sadu ühikuid kuni 126 kV. Euroopas jätkuvad väljakatsetused, et kinnitada tüübiproovitud seadmete toimivust enne turule tuvimist.

Tehnoloogia ja disain

Kõik HV VCB tooted põhinevad hästi kinnitatud keskpinge vakuumpõhise lülitusseadme tehnoloogial, mis on aastate jooksul täiustatud. Mingeid fundamentaalselt uusi tehnilisi omadusi ei ole vaja, et laiendada seda tehnoloogiat kõrgematele pingetele. Peamisel raskusel on lülitusseadme geomeetria skaala, et sobida kõrgemate pingete nõudedeks. Näiteks tuleb suurendada diameetrit ja kontaktivahe pikkust, et hoida kätte üle 52 kV. Mõnel juhul, kui pinge ületab 126 kV, kasutatakse kahte vakuumpõhist vahekorrapära, et tagada usaldusväärne toimimine.

Toimimise omadused

• Tavaline voolide haldamine: Tavaliste voolide (kuni 2 500 A) puhul ei ole HV VCBside ja SF6 lülitite vahel olulisi erinevusi. Kuid HV VCBside korral on raske saavutada kõrgemaid voolide (üle 2 500 A) tingimusi, kuna kontaktstruktuurist tekib soojus ja lülitusseadme soojusvahenduse võime on piiratud.

• Jälgimine: On lihtsam jälgida katkestamise keskkonna kvaliteeti SF6 lülitites, kuna HV VCBside vakuumi tase ei saa praktikas jälgida teeninduse ajal.

• Lülitamisoperatsioonid: HV VCBsid suudavad teha rohkem lülitamisoperatsioone SF6 lülitite suhtes, kuna vakuumpõhise kontaktisüsteemi kestlikkus on parem arku vastu. See muudab vakuumpõhise tehnoloogia eriti atraktiivseks rakendustele, kus on vaja sagedast lülitamist, näiteks igapäevastel operatsioonidel.

• Triivenergia: Tavalisel 72,5 kV mõõtmetabelil on vakuumpõhise lülitite triivenergia vajadus oluliselt väiksem - umbes 20% sellest, mis on vajalik SF6 lülitite jaoks. Kaks tüüpi seadmete füüsiline suurus on võrreldav.

• Lülitusseadme konfiguratsioon: Üle 145 kV võivad HV VCBsid nõuda rohkem kui ühte lülitusseadet sarjas, samas kui SF6 tehnoloogia on edukalt rakendanud ühepunktsete lülitite kuni 550 kV alates 1994. aastast, mis on laialdaselt kasutuses paljudes riikides.

• Pingekarakteristikud: HV VCBside pinge on palju madalam kui SF6 lülitite, tavaliselt kümned voltid võrreldes SF6 lülitite sada voltiga. Lisaks on vea lülitamise aeg vakuumpõhises lülitusseadmest lühem, minimaalne arkumisaeg on 5-7 ms võrreldes SF6 lülitite 10-15 ms. See tähendab, et HV VCBsid suudavad teha rohkem lülitamisoperatsioone.

• Röntgenkiirgused: HV VCBsid, mille mõõtmetabeli pinge on kuni 145 kV, tekitavad normaalsete töötingimustega röntgenkiirgust standardeeritud limiidi 5 µSv/h piires. SF6 lülitited ei tekita röntgenkiirgust.

Elektrilised omadused

• Vea voolide katkestamine: HV VCBsid sobivad väga hea võtmesüsteemi taastumise kiirusega (TRV) tõusva vea voolide katkestamiseks, kuna nende dielektrilise taastumise kiirus on kiirem kui SF6 lülitite.

• Murdmisstatistika: Kuigi vakuumpõhised vahekorrapärad teoreetiliselt omavad väga kõrget murdmispinget, on olemas väike tõenäosus murdmiseks suhteliselt mõõdukates pingetes. Vakuumpõhised vahekorrapärad võivad kogeda ka spontaanne hiljast murdmist, mis võib toimuda kuni mitu sajandit millisekundit pärast voolu katkestamist. Kuid selliste sündmuste tagajärjed on piiratud, kuna vakuumpõhine vahekorrapära taastab kohe oma isolatsiooni. Hiljast murdmise süsteemilised mõjud pole veel täielikult mõistetud.

• Induktiivsete koormuste lülitamine: Induktiivsete koormuste, näiteks paralleelsed reaktorite lülitamine, puhul kogevad HV VCBsid sagedamat korduvat uuesti lülitamist ühe võimsusfrekventsi voolu nulli. See on seotud vakuumi võimega katkestada kõrgefrekventsed voolud, mis järgnevad uuesti lülitamisele. Nende uuesti lülitamise transiente mõju koostööd teostavatele seadmetele, nagu RC dempferid ja metalloksihidrattidega varjundid, uuritakse praegu.

• Kondensaatoripanga lülitamine: Kondensaatoripanga lülitamisel on oluline vältida väga kõrgeid sissemõõtmisvoolu, kuna need võivad halvendada kontaktisüsteemi dielektrilisi omadusi eelneva arkumise kaudu. See väljakutse kehtib nii HV VCBside kui ka SF6 lülitite puhul. Mittekannameid strateegiaid on sarireaktori kasutamine või kontrollitud lülitamine, kuid viimase osas on piiratud praktilist kogemust HV VCBside puhul.

Tulevikuväljavaated ja turuennetlus

Loodetud kasutajate seas kõrgepinge lülitusseadmete poolt selgus, et SF6 puudumine on peamiselt vakuumpõhise lülitusseadme eelis, kui välisinsulatsioon on ka SF6-vaba. Kuid piiratud teeninduskogemus edasiandmise pingete tasandil on endiselt oluline takistus HV VCBside laialdasema kasutuselevõtmiseks. Hoolimata sellest, vakuumpõhise tehnoloogia keskkonnasõbralikkus ja toimimise eelised viivad jätkuvalt huvi ja arendust selles valdkonnas.

Kõrgepinge vakuumpõhiste lülitite (HV VCB) potentsiaalsete kasutajate poolt tõstatatakse sageli küsimusi ülepingingute tekkimise kohta, mis on tingitud voolu lõikamisest, ja röntgenkiirguste võimaliku tekke kohta lülitamisoperatsioonide käigus. Need küsimused on kriitilised HV VCBside ohutu ja usaldusväärse toimimise tagamiseks, eriti kui neid üha rohkem kaalutakse edasiandmise pingete rakendusteks.

Röntgenkiirgused

Ühepunktsete seadmete puhul jäävad HV VCBside röntgenkiirgused, mille mõõtmetabeli pinge on kuni 145 kV, normaalsete töötingimustega standardiseeritud limiidi 5 µSv/h alla. Mitme punktiga seadmed näitavad isegi madalamat röntgenkiirgust. See on oluline reguleerivate nõuete ja ohutuse seisukohalt, kuna see tagab, et HV VCBsid saavad rakendada ilma, et nad tekkitaksid olulist kiirgusriski inimestele või keskkonnale.

Pilootprojektid

Suur enamus vastuse andjaid väljendas tugevat huvi pilootprojektide käivitamises, et saada praktilist kogemust HV VCB tehnoloogia kasutamisega. Sellised projektid võimaldaksid elektrivõrkudele ja süsteemihaldajatele hindada HV VCBside toimivust, usaldusväärsust ja toimimisomadusi tegelikes tingimustes. Soliidse maandusega võrkud on soovitatavad nende pilootprojektide jaoks, kuna keskpinge süsteemide võrkutingimused ei ole alati võrreldavad edasiandmise võrkudega, eriti maanduse tingimustes. See lähenemine aitaks tagada, et saadud kogemused on asjakohased ja rakendatavad edasiandmise tasandil.

Standardiseerimine

Praegune IEC lülitite standard, IEC 62271-100, keskendub tugevalt SF6 lülitusseadmele, mis võib mitte täielikult katta vakuumpõhise lülitusseadme unikaalseid omadusi ja väljakutseid. Näiteks proovitööd, mis on rasked SF6 jaoks, nagu lühike joone vea proovid, võivad olla HV VCBside jaoks nii kriitilised. Teisiti, pideva taastumispingu rakendamine sünteetilistes testides, mis on SF6 jaoks vähemoluline, võib olla olulisem HV VCBside puhul, et näidata, et vakuumpõhiste lülitusseadmete lõplik murdmispuudub. Kui HV VCBsid saavad rohkem populaarseks, võidakse olla vaja olemasolevaid standardeid muuta või täiustada, et paremini katta vakuumpõhise tehnoloogia.

Teisendus SF6-vabale disainile

Kui SF6 puudub välisinsulatsioonina, tuleb kaaluda teisi tehnilisi tagajärgi. Näiteks võivad alternatiivsed insulatsioonimeetodid nõuda kõrgemat rõhku, suuremat kaalu, suuremat jalajälge või erinevaid disainieeldusi, et tagada piisav insulatsioon. Tootjad uurivad aktiivselt nende alternatiive, et arendada SF6 viisilisi asendusi, kuid kuni leitakse uus tehnoloogia, mis katab kõik pingetasemed, jääb SF6 tõenäoliselt oluliseks mõnel edasiandmise võrgu rakendusalal.

Tootja panus

Tootjad on pühendunud SF6-tehnoloogia industrialselt viisiliste alternatiividena arendamisele ja tarbimisvalmis kujul väljaannetamisele. Kuigi SF6 on olnud kõrgepinge rakendustes domineeriv insuleeriv gaas, selle imeliste dielektriliste omaduste tõttu, on SF6-i seotud keskkonnaküsimused, eriti selle kõrge soojenemiskiirgusepotentsiaal, viinud otsingutele rohelisemate lahenduste poole. HV VCBsid esindavad üht sellist lahendust, pakkudes jätkusuutlikku alternatiivi rakendustele, kus on vaja sagedast lülitamist ja madalamat hoolduskulua. Siiski on üleminek SF6-st järkjärguline, kuna tootjad jätkavad innovatsioone ja uute tehnoloogiate täpsustamist, et rahuldada energiaettevõtte mitmekesist nõudlust.