تاریخچه مختصر گذشته و حال سیمین‌کننده‌های خلاء ولتاژ بالا

ویژگی‌های کلیدی برشکن‌های خلاء فشار بالا: مروری کلی

مقدمه

برشکن‌های خلاء فشار بالا (HV VCBs) به عنوان جایگزین قابل قبول برای برشکن‌های معمولی با عایق SF6، به ویژه در کاربردهایی که نیاز به تغییرات مکرر و هزینه‌های نگهداری پایین دارند، ظاهر شده‌اند. از سال ۲۰۱۴، HV VCBs به عنوان جایگزین برشکن‌های گازی فشار بالا مورد استقبال بیشتری قرار گرفته‌اند و راه‌حلی سبزتر و پایدارتر ارائه می‌دهند با حذف استفاده از SF6، که یک گاز گرمایش زیست‌محیطی قوی است.

تجهیزات خلاء برای بیش از سه دهه در سیستم‌های توزیع به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته‌اند، عمدتاً برای ایجاد و قطع جریان‌های خرابی و تغییر بارهای مختلف. قابلیت اطمینان و عملکرد تکنولوژی خلاء در محدوده ولتاژ متوسط (تا ۵۲ kV) بسیار قابل توجه بوده است که منجر به حاکمیت آن در سیستم‌های توزیع شده است. با این حال، تلاش‌ها برای گسترش تکنولوژی خلاء به سطح ولتاژ انتقال از دهه ۱۹۶۰ آغاز شده است و نقاط مهمی در حدود سال ۱۹۸۰ که اولین برشکن‌های خلاء فشار بالا در ژاپن نصب شدند، دستیابی شد. تا سال ۲۰۱۰، تقریباً ۱۰,۰۰۰ HV VCBs در عملیات بودند، عمدتاً در محیط‌های صنعتی اما همچنین در کاربردهای خدماتی. ترجیح تکنولوژی خلاء بر SF6 به دلیل توانایی آن در مدیریت عملیات تغییر مکرر و نیازهای نگهداری کمتر بود.

در ایالات متحده، برشکن‌های خزانک خلاء برای چند دهه در ولتاژهای تا ۲۴۲ kV استفاده شده‌اند. در حدود سال ۲۰۰۸، برنامه‌های تحقیق و توسعه (R&D) متمرکز در چین و اروپا با هدف توسعه HV VCBs آغاز شدند، با تمرکز بر کاهش یا حذف استفاده از SF6. این منجر به معرفی محصولاتی شد که قادر به عملکرد در ولتاژهای تا ۱۴۵ kV هستند. در چین، پذیرش سریع HV VCBs در کاربردهای تجاری ادامه خواهد یافت، با صد‌ها واحدی که در سطوح ولتاژ تا ۱۲۶ kV در خدمت هستند. در اروپا، تست‌های میدانی برای تأیید عملکرد دستگاه‌های نوع‌آزمون شده قبل از ورود به بازار انجام می‌شود.

تکنولوژی و طراحی

تمام محصولات HV VCB بر اساس تکنولوژی خلاء متوسط ولتاژ معتبر که در طول سال‌ها تکامل یافته است، بنا شده‌اند. نیازی به ویژگی‌های فنی بنیادی جدید برای گسترش این تکنولوژی به سطوح ولتاژ بالاتر وجود نداشت. چالش اصلی در مقیاس‌گذاری هندسه مسدودکننده برای ادغام سطوح ولتاژ بالاتر است. به عنوان مثال، قطر و طول فاصله تماس باید برای مدیریت ولتاژهای بالاتر از ۵۲ kV افزایش یابد. در برخی موارد، برای ولتاژهای بالاتر از ۱۲۶ kV، دو فاصله خلاء در سری استفاده می‌شود تا عملکرد قابل اعتماد را تضمین کند.

ویژگی‌های عملیاتی

• مدیریت جریان نرمال: برای جریان‌های نرمال تا ۲,۵۰۰ A، تفاوت‌های قابل توجهی بین HV VCBs و برشکن‌های SF6 وجود ندارد. با این حال، دستیابی به سطوح جریان بالاتر (بالاتر از ۲,۵۰۰ A) در HV VCBs چالش‌برانگیز است به دلیل تولید گرما از ساختار تماس و محدودیت تبدیل گرما در مسدودکننده.

• نظارت: نظارت بر کیفیت مedium خلاء در برشکن‌های SF6 آسان‌تر است، زیرا درجه خلاء در HV VCBs در حین خدمت عملاً قابل نظارت نیست.

• عملیات تغییر: HV VCBs می‌توانند تعداد بیشتری از عملیات تغییر را نسبت به برشکن‌های SF6 انجام دهند به دلیل تحمل بیشتر سیستم تماس خلاء نسبت به قوس الکتریکی. این موضوع تکنولوژی خلاء را برای کاربردهایی که نیاز به تغییر مکرر دارند، مانند عملیات روزانه، جذاب می‌کند.

• انرژی محرک: در یک ولتاژ معمولی ۷۲.۵ kV، انرژی محرک مورد نیاز برای یک برشکن خلاء به طور قابل توجهی کمتر است - تقریباً ۲۰٪ از آنچه برای یک برشکن SF6 معادل نیاز است. اندازه‌های فیزیکی دو نوع دستگاه قابل مقایسه هستند.

• پیکربندی مسدودکننده: بالای ۱۴۵ kV، HV VCBs ممکن است نیاز به بیش از یک مسدودکننده در سری داشته باشند، در حالی که تکنولوژی SF6 از سال ۱۹۹۴ برشکن‌های تک نقطه‌ای تا ۵۵۰ kV را با موفقیت پیاده‌سازی کرده است که در بسیاری از کشورها به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است.

• ویژگی‌های قوس الکتریکی: ولتاژ قوس در HV VCBs بسیار کمتر از برشکن‌های SF6 است، معمولاً از چند ده ولت در مقایسه با صد‌ها ولت در SF6. علاوه بر این، مدت زمان قوس در زمان قطع خرابی در تجهیزات خلاء کوتاه‌تر است، با حداقل زمان قوس ۵-۷ میلی‌ثانیه در مقایسه با ۱۰-۱۵ میلی‌ثانیه برای برشکن‌های SF6. این منجر به تعداد بیشتری از عملیات تغییر ممکن برای HV VCBs می‌شود.

• تصادف X-ray: HV VCBs با ولتاژهای اسمی تا ۱۴۵ kV تحت شرایط عملیاتی معمولی X-ray‌هایی را در حد استاندارد ۵ µSv/h تولید می‌کنند. برشکن‌های SF6 X-ray تولید نمی‌کنند.

ویژگی‌های الکتریکی

• قطع جریان خرابی: HV VCBs در قطع جریان‌های خرابی با نرخ‌های بسیار شیب‌دار بازگشت ولتاژ موقت (TRV) به دلیل بازیابی دی الکتریک سریع‌تر که سریع‌تر از برشکن‌های SF6 است، ممتاز هستند.

• آمار شکست: در حالی که فاصله‌های خلاء از نظر نظری ولتاژهای شکست بسیار بالایی دارند، احتمال کوچکی برای شکست در ولتاژهای نسبتاً متوسط وجود دارد. فاصله‌های خلاء می‌توانند همچنین شکست خودبه‌خودی متأخر تجربه کنند که تا چند صد میلی‌ثانیه بعد از قطع جریان رخ می‌دهد. با این حال، پیامدهای چنین رویدادهایی محدود است زیرا فاصله خلاء فوراً عایق خود را بازیابی می‌کند. پیامدهای سیستمی شکست متأخر هنوز به طور کامل درک نشده است.

• تغییر بارهای القایی: در کاربردهایی که شامل بارهای القایی مانند تغییر راکتور شوند، HV VCBs می‌توانند تعداد بیشتری از بازتاب‌های مکرر در یک صفر جریان فرکانس توان تجربه کنند. این به دلیل توانایی خلاء در قطع جریان‌های فرکانس بالا که پس از بازتاب رخ می‌دهند است. اثرات این بازتاب‌های موقت بر دستگاه‌های تعاملی مانند RC snubbers و آرام‌سازهای اکسید فلزی در حال بررسی هستند.

• تغییر بانک‌های خازن: در زمان تغییر بانک‌های خازن، اجتناب از جریان‌های ورودی بسیار بالا حیاتی است، زیرا آنها می‌توانند با قوس‌های پیش‌ضربه خواص دی الکتریک سیستم تماس را تضعیف کنند. این چالش برای هر دو HV VCBs و برشکن‌های SF6 وجود دارد. راه‌حل‌هایی مانند استفاده از راکتورهای سری یا تغییر کنترل‌شده وجود دارد، اگرچه تجربه میدانی محدودی با تغییر کنترل‌شده برای HV VCBs وجود دارد.

آینده و درک بازار

یک پرسش‌نامه انجام شده در میان کاربران تجهیزات فشار بالا نشان داد که عدم وجود SF6 به عنوان مزیت اصلی تجهیزات خلاء در نظر گرفته می‌شود، با این شرط که عایق خارجی نیز بدون SF6 باشد. با این حال، فقدان تجربه خدمت گسترده در سطح ولتاژ انتقال یک مانع قابل توجه برای پذیرش گسترده HV VCBs است. با این حال، مزایای زیست‌محیطی و عملیاتی تکنولوژی خلاء به دنباله‌روی و توسعه در این زمینه می‌انجامد.

کاربران بالقوه برشکن‌های خلاء فشار بالا (HV VCBs) معمولاً نگرانی‌هایی در مورد تولید ولتاژهای بیش از حد به دلیل برش جریان و احتمال تولید X-ray در عملیات تغییر دارند. این مسائل برای تضمین عملکرد ایمن و قابل اعتماد HV VCBs، به ویژه با توجه به اینکه آنها به طور مداوم برای کاربردهای ولتاژ انتقال در نظر گرفته می‌شوند، بسیار مهم هستند.

تصادف X-ray

برای دستگاه‌های تک نقطه‌ای، تصادف X-ray از HV VCBs با ولتاژهای اسمی تا و شامل ۱۴۵ kV تحت شرایط عملیاتی معمولی به طور قابل توجهی زیر حد استاندارد ۵ µSv/h می‌باشد. دستگاه‌های چند نقطه‌ای سطوح حتی کمتری از تصادف X-ray را نشان می‌دهند. این یک مسئله مهم برای رعایت قوانین و ایمنی است، زیرا اطمینان می‌دهد که HV VCBs می‌توانند بدون ایجاد ریسک‌های تشعشعی قابل توجه برای کارکنان یا محیط زیست نصب شوند.

پروژه‌های آزمایشی

بیشتر پاسخ‌دهندگان علاقه قوی به آغاز پروژه‌های آزمایشی برای کسب تجربه عملی با تکنولوژی HV VCBs ابراز کردند. چنین پروژه‌هایی به کاربران و اپراتوران سیستم اجازه می‌دهد تا عملکرد، قابلیت اطمینان و ویژگی‌های عملیاتی HV VCBs را در شرایط واقعی ارزیابی کنند. شبکه‌های به خوبی زمین‌دار برای این پروژه‌های آزمایشی توصیه می‌شوند، زیرا شرایط شبکه در سیستم‌های ولتاژ متوسط همیشه قابل مقایسه با شبکه‌های ولتاژ انتقال نیست، به ویژه در مورد شرایط زمین‌داری. این رویکرد به اطمینان از اینکه تجربیات کسب شده مرتبط و قابل اعمال برای کاربردهای سطح انتقال است، کمک می‌کند.

استانداردسازی

استاندارد فعلی IEC برای برشکن‌ها، IEC 62271-100، تمرکز قوی بر تکنولوژی تغییر SF6 دارد که ممکن است ویژگی‌ها و چالش‌های منحصر به فرد تکنولوژی خلاء را به طور کامل پوشش ندهد. به عنوان مثال، وظایف آزمونی که برای SF6 چالش‌برانگیز هستند، مانند آزمون‌های خرابی خط کوتاه، ممکن است برای تکنولوژی خلاء اهمیت کمتری داشته باشند. بالعکس، استفاده از ولتاژ بازیابی مداوم در آزمون‌های مصنوعی، که برای SF6 کمتر مرتبط است، ممکن است برای نشان دادن عدم وجود شکست متأخر در مسدودکننده‌های خلاء مهم‌تر باشد. با افزایش جذابیت HV VCBs، ممکن است نیاز به بازنگری یا تکمیل استانداردهای موجود برای بهتر پوشش دادن تکنولوژی خلاء وجود داشته باشد.

پیامدهای فنی طراحی بدون SF6

هنگامی که SF6 به عنوان عایق خارجی غایب است، پیامدهای فنی دیگری باید در نظر گرفته شوند. به عنوان مثال، روش‌های عایق‌بندی جایگزین ممکن است نیاز به فشار بالاتر، وزن بیشتر، مساحت بزرگتر یا در نظر گرفتن طرح‌های مختلف برای تضمین عملکرد عایق‌بندی کافی داشته باشند. سازندگان به طور فعال این جایگزین‌ها را برای توسعه جایگزین‌های قابل اعتماد برای SF6 مورد بررسی قرار می‌دهند، اما تا زمانی که یک تکنولوژی جدید که می‌تواند تمام سطوح ولتاژ را پوشش دهد پیدا شود، SF6 ممکن است برای برخی از کاربردهای شبکه انتقال ضروری بماند.

تعهد سازندگان

سازندگان تعهد دارند برای توسعه و ارائه جایگزین‌های صنعتی قابل اعتماد برای تکنولوژی SF6. در حالی که SF6 به دلیل خواص دی الکتریکی بسیار خوب آن برای کاربردهای فشار بالا غالب بوده است، نگرانی‌های زیست‌محیطی مرتبط با SF6، به ویژه پتانسیل گرمایش زیست‌محیطی بالای آن، به دنبال راه‌حل‌های سبزتر می‌باشد. HV VCBs یکی از این راه‌حل‌ها هستند که جایگزین پایداری برای کاربردهایی که نیاز به تغییر مکرر و نگهداری کمتر دارند ارائه می‌دهند. با این حال، انتقال از SF6 تدریجی خواهد بود، زیرا سازندگان به ابتکار و تکامل تکنولوژی‌های جدید برای برآوردن نیازهای متنوع صنعت برق ادامه می‌دهند.