تاریخچه مختصر گذشته و حال شیرکننده‌های خلاء ولتاژ بالا

برق‌کش‌های خلاء با ولتاژ بالا: مروری بر مباحث

مقدمه

برق‌کش‌های خلاء با ولتاژ بالا (HV VCBs) به عنوان جایگزین مناسب برای برق‌کش‌های عایق‌بندی شده با گاز SF6، به ویژه در کاربردهایی که نیاز به تغییرات مکرر و هزینه‌های نگهداری پایین است، ظاهر شده‌اند. از سال ۲۰۱۴، HV VCBs به عنوان جایگزین برق‌کش‌های گازی با ولتاژ بالا مورد استفاده فزاینده قرار گرفته‌اند و راه‌حلی سبزتر و پایدارتر ارائه می‌دهند با حذف استفاده از گاز SF6، که یک گاز گلخانه‌ای قدرتمند است.

تجهیزات برق‌کش خلاء بیش از سه دهه است که در سیستم‌های توزیع به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته‌اند، عمدتاً برای ایجاد و قطع جریان‌های خطای مختلف و تغییر بارها. عملکرد و قابلیت اطمینان تکنولوژی برق‌کش خلاء در محدوده ولتاژ متوسط (تا ۵۲ کیلوولت) بسیار عالی بوده و این باعث شده که در سیستم‌های توزیع غالب شود. با این حال، تلاش‌هایی برای گسترش تکنولوژی برق‌کش خلاء به سطح ولتاژ انتقال از دهه ۱۹۶۰ آغاز شده و نقاط مهمی در حدود سال ۱۹۸۰ به دست آمده که اولین برق‌کش‌های خلاء با ولتاژ بالا در ژاپن نصب شدند. تا سال ۲۰۱۰، حدود ۱۰,۰۰۰ HV VCBs در حال 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، برق‌کش‌های بانک خازنه خلاء بیش از دهه‌ها در ولتاژ تا ۲۴۲ کیلوولت مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در حدود سال ۲۰۰۸، برنامه‌های تحقیق و توسعه (R&D) متمرکز در چین و اروپا برای توسعه HV VCBs با هدف کاهش یا حذف استفاده از گاز SF6 انجام شد. این باعث شد تا محصولاتی معرفی شوند که قادر به عملکرد در ولتاژ تا ۱۴۵ کیلوولت هستند. در چین، تصور می‌شود که پذیرش سریع HV VCBs در کاربردهای تجاری ادامه خواهد یافت، با صد‌ها واحد در حال خدمت در سطوح ولتاژ تا ۱۲۶ کیلوولت. در اروپا، آزمایش‌های میدانی در حال انجام است تا عملکرد دستگاه‌های تست شده قبل از ورود به بازار تأیید شود.

تکنولوژی و طراحی

تمام محصولات HV VCB بر اساس تکنولوژی خلاء متوسط ولتاژ مستقر شده که طی سال‌ها تکامل یافته‌است. نیازی به ویژگی‌های فنی بنیادی جدید برای گسترش این تکنولوژی به سطوح ولتاژ بالاتر وجود نداشت. چالش اصلی در مقیاس‌دهی هندسه برق‌کش برای اتصال به سطوح ولتاژ بالاتر است. به عنوان مثال، قطر و طول فاصله تماس باید برای مدیریت ولتاژ بالاتر از ۵۲ کیلوولت افزایش یابد. در برخی موارد، برای ولتاژهای بالاتر از ۱۲۶ کیلوولت، دو خلاء در سری استفاده می‌شود تا عملکرد مطمئن تضمین شود.

ویژگی‌های عملیاتی

• مدیریت جریان معمولی: برای جریان‌های معمولی تا ۲,۵۰۰ آمپر، تفاوت‌های قابل توجهی بین HV VCBs و برق‌کش‌های SF6 وجود ندارد. با این حال، دستیابی به رتبه‌های جریان بالاتر (بالاتر از ۲,۵۰۰ آمپر) در HV VCBs به دلیل تولید حرارت از ساختار تماس و توانایی محدود انتقال حرارت برق‌کش مشکل است.

• نظارت: نظارت بر کیفیت ماده مختل کننده در برق‌کش‌های SF6 آسان‌تر است، زیرا درجه خلاء در HV VCBs در طول خدمت عملیاً نمی‌تواند مورد نظارت قرار گیرد.

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

• انرژی گرانی: در رتبه معمولی ۷۲.۵ کیلوولت، انرژی گرانی مورد نیاز برای یک برق‌کش خلاء قابل توجه کمتر است - حدود ۲۰٪ از آنچه برای یک برق‌کش SF6 معادل مورد نیاز است. اندازه‌های فیزیکی دو نوع دستگاه قابل مقایسه هستند.

• پیکربندی برق‌کش: بالای ۱۴۵ کیلوولت، HV VCBs ممکن است نیاز به بیش از یک برق‌کش در سری داشته باشند، در حالی که تکنولوژی SF6 با موفقیت برق‌کش‌های یک‌قطعه تا ۵۵۰ کیلوولت را از سال ۱۹۹۴ پیاده‌سازی کرده که به طور گسترده در بسیاری از کشورها استفاده می‌شود.

• ویژگی‌های آتش‌سوزی: ولتاژ آتش‌سوزی در HV VCBs به مراتب کمتر از برق‌کش‌های SF6 است، معمولاً از ده‌ها ولت در مقایسه با صد‌ها ولت در SF6. علاوه بر این، مدت زمان آتش‌سوزی در طی تغییر خطای برق‌کش‌های خلاء کوتاه‌تر است، با حداقل زمان آتش‌سوزی ۵-۷ میلی‌ثانیه در مقایسه با ۱۰-۱۵ میلی‌ثانیه برای برق‌کش‌های SF6. این امر به تعداد بیشتری از عملیات تغییر ممکن برای HV VCBs منجر می‌شود.

• انتشار اشعه ایکس: HV VCBs با ولتاژ اسمی تا ۱۴۵ کیلوولت اشعه ایکس را در حد مجاز استاندارد ۵ میکرو Sv/h تحت شرایط عملیاتی معمولی منتشر می‌کنند. برق‌کش‌های SF6 اشعه ایکس منتشر نمی‌کنند.

ویژگی‌های الکتریکی

• قطع جریان خطایی: HV VCBs در قطع جریان‌های خطا با نرخ‌های بالا از بازیابی ولتاژ موقت (TRV) به دلیل بازیابی سریع دی‌الکتریک، که سریع‌تر از برق‌کش‌های SF6 است، ممتاز عمل می‌کنند.

• آمار شکست: در حالی که خلاء‌ها به نظر می‌رسد ولتاژ شکست بسیار بالایی داشته باشند، احتمال کوچکی برای شکست در ولتاژهای نسبتاً متوسط وجود دارد. خلاء‌ها ممکن است شکست خودسرانه تأخیری را تجربه کنند که تا چند صد میلی‌ثانیه پس از قطع جریان رخ می‌دهد. با این حال، عواقب این حوادث محدود است زیرا خلاء فوراً عایق‌بندی خود را بازیابی می‌کند. پیامدهای سیستمی شکست تأخیری هنوز کاملاً درک نشده است.

• تغییر بارهای القایی: در کاربردهای شامل بارهای القایی، مانند تغییر بانک‌های واکنش‌دهنده موازی، HV VCBs معمولاً تعداد بیشتری از روشن‌شدن‌های مکرر در یک صفر جریان فرکانس توان را تجربه می‌کنند. این به دلیل توانایی خلاء در قطع جریان‌های فرکانس بالا که پس از روشن‌شدن رخ می‌دهند است. تأثیرات این ترانزیتان‌های روشن‌شدن بر تجهیزات متقابل، مانند ساپرهای RC و آبسوربرهای اکسید فلزی، در حال بررسی است.

• تغییر بانک‌های خازنه: در هنگام تغییر بانک‌های خازنه، اجتناب از جریان‌های ورودی بسیار بالا ضروری است، زیرا می‌توانند باعث تخریب ویژگی‌های دی‌الکتریک سیستم تماس از طریق آتش‌سوزی پیش‌ضربه شوند. این چالش برای هر دو HV VCBs و برق‌کش‌های SF6 وجود دارد. راه‌حل‌هایی مانند استفاده از واکنش‌دهنده‌های سری یا تغییر کنترل شده وجود دارد، اگرچه تجربه میدانی محدودی با تغییر کنترل شده برای HV VCBs وجود دارد.

آینده و درک بازار

یک پرسش‌نامه انجام شده در میان کاربران تجهیزات برق با ولتاژ بالا نشان داد که غیاب گاز SF6 به عنوان مزیت اصلی تجهیزات برق خلاء در نظر گرفته می‌شود، به شرطی که عایق‌بندی خارجی نیز بدون SF6 باشد. با این حال، عدم تجربه خدمت گسترده در سطح ولتاژ انتقال همچنان موجب تردید برای پذیرش گسترده HV VCBs است. با این حال، مزایای زیست‌محیطی و عملیاتی تکنولوژی خلاء ادامه علاقه و توسعه در این زمینه را تشویق می‌کند.

کاربران بالقوه برق‌کش‌های خلاء با ولتاژ بالا (HV VCBs) معمولاً نگرانی‌هایی درباره تولید ولتاژ‌های بالاتر به دلیل قطع جریان و احتمال تولید اشعه ایکس در طی عملیات تغییر دارند. این مسائل برای تضمین عملکرد ایمن و مطمئن HV VCBs بسیار مهم هستند، به ویژه با توجه به اینکه این دستگاه‌ها به طور مداوم برای کاربردهای ولتاژ انتقال در نظر گرفته می‌شوند.

انتشار اشعه ایکس

برای دستگاه‌های یک‌قطعه، اشعه ایکس منتشر شده از HV VCBs با ولتاژ اسمی تا و شامل ۱۴۵ کیلوولت به طور قابل توجهی زیر حد استاندارد ۵ میکرو Sv/h در شرایط عملیاتی معمولی قرار می‌گیرد. دستگاه‌های چند‌قطعه سطح حتی کمتری از اشعه ایکس منتشر می‌کنند. این مسئله برای رعایت مقررات و ایمنی مهم است، زیرا تضمین می‌کند که HV VCBs می‌توانند بدون ایجاد خطرات قابل توجه اشعه 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 شرکت‌های توزیع و اپراتوران سیستم اجازه می‌دهد تا عملکرد، قابلیت اطمینان و ویژگی‌های عملیاتی HV VCBs را در شرایط واقعی ارزیابی کنند. شبکه‌های به طور محکم زمین‌دار برای این پروژه‌های آزمایشی توصیه می‌شوند، زیرا شرایط شبکه در سیستم‌های متوسط ولتاژ همیشه قابل مقایسه با شرایط شبکه‌های ولتاژ انتقال، به ویژه در مورد شرایط زمین‌داری، نیست. این رویکرد به اطمینان از آنکه تجربیات کسب شده مرتبط و قابل اعمال در کاربردهای ولتاژ انتقال باشد کمک می‌کند.

استانداردسازی

استاندارد فعلی IEC برای برق‌کش‌ها، IEC 62271-100، تمرکز قوی بر تکنولوژی برق‌کش SF6 دارد که ممکن است ویژگی‌ها و چالش‌های منحصر به فرد برق‌کش خلاء را به طور کامل پوشش ندهد. به عنوان مثال، آزمون‌هایی که برای SF6 چالش‌برانگیز هستند، مانند آزمون‌های خطای خط کوتاه، ممکن است برای تکنولوژی خلاء به اندازه کافی حیاتی نباشند. از طرف دیگر، استفاده از ولتاژ بازیابی مداوم در آزمون‌های مصنوعی که برای SF6 کمتر مرتبط است، ممکن است برای نشان دادن عدم وجود شکست تأخیری در برق‌کش‌های خلاء مهم‌تر باشد. با افزایش جذب HV VCBs، ممکن است نیاز به بازنگری یا تکمیل استانداردهای موجود برای بهتر پوشش دادن تکنولوژی خلاء باشد.

پیامدهای فنی طراحی بدون SF6

هنگامی که SF6 به عنوان یک ماده عایق‌بندی خارجی غایب است، باید پیامدهای فنی دیگری در نظر گرفته شود. 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 بررسی می‌کنند تا جایگزین‌های صنعتی قابل قبول برای SF6 توسعه دهند، اما تا زمانی که یک تکنولوژی جدید که بتواند تمام سطوح ولتاژ را پوشش دهد پیدا شود، SF6 ممکن است برای برخی کاربردهای شبکه انتقال لازم باقی بماند.

تعهد سازندگان

سازندگان تعهد دارند تا جایگزین‌های صنعتی قابل قبول برای تکنولوژی SF6 را توسعه دهند و در دسترس قرار دهند. در حالی که SF6 به دلیل ویژگی‌های دی‌الکتریک عالی‌اش برای کاربردهای ولتاژ بالا غالب بوده، نگرانی‌های زیست‌محیطی مرتبط با SF6، به ویژه پتانسیل گرمایش جهانی بالا آن، به دنبال راه‌حل‌های سبزتر را تحریک کرده‌است. HV VCBs یکی از این راه‌حل‌ها هستند که یک جایگزین پایدار برای کاربردهایی که نیاز به تغییر مکرر و نگهداری کمتر دارند ارائه می‌دهند. با این حال، تغییر از SF6 به طور تدریجی خواهد بود، زیرا سازندگان ادامه می‌دهند به ابداع و تکامل تکنولوژی‌های جدید برای برآورده کردن نیازهای متنوع صنعت برق می‌پردازند.