Lyhyt historia korkean jännitteen tyhjiökatkaisijoiden menneisyydestä ja nykyisyydestä

Korkean jännitteen tyhjiökatkaisimet: Yleiskatsaus

Johdanto

Korkean jännitteen tyhjiökatkaisimet (HV VCBs) ovat nousseet vakuuttavaksi vaihtoehtoksi perinteisille SF6-kaasulla eristettyjen katkaisimien sijasta, erityisesti sovelluksissa, joissa usein kytkentä ja alhaisemmat huoltokustannukset ovat kriittisiä. Vuodesta 2014 lähtien HV VCBs on yhä enemmän omaksuttu korkean jännitteen kaasukatkaisimien vaihtoehdoksi, tarjoten vihreämmän ja kestävämmän ratkaisun poistamalla SF6:n käytön, joka on tehokas kasvihuonekaasu.

Tyhjiökatkaisinteknologiaa on laajasti käytetty jakelujärjestelmissä yli kolmekymmentä vuotta, pääasiassa virran ja eri tyyppisten kuormitusten kytkemiseen ja katkaisemiseen. Tyhjiökatkaisinteknologian luotettavuus ja suorituskyky keskitason jännitteissä (enintään 52 kV) on ollut erinomaista, mikä on johtanut sen dominoivaan asemaan jakelujärjestelmissä. Kuitenkin tyhjiökatkaisinteknologian laajentaminen siirtovirran jännitteisiin alkoi jo 1960-luvulla, kun ensimmäiset korkean jännitteen tyhjiökatkaisimet asennettiin Japaniin noin vuonna 1980. Vuoteen 2010 mennessä noin 10 000 HV VCBs:a oli käytössä, pääasiassa teollisuudessa, mutta myös energiayhtiöiden sovelluksissa. Tyhjiötekniikan suosio SF6:n sijaan johtui sen kyvystä hallita useita kytkentätoimintoja ja alhaisempia huoltovaatimuksia.

Yhdysvalloissa tyhjiökondensaattipankkien kytkimet ovat olleet käytössä useita vuosikymmeniä jännitteillä enintään 242 kV. Noin vuonna 2008 Kiinassa ja Euroopassa aloitettiin intensiivisiä tutkimus- ja kehitysohjelmia (R&D) HV VCBs:n kehittämiseksi, keskittyen SF6:n käytön vähentämiseen tai poistamiseen. Tämä johti tuotteiden julkaisemiseen, jotka pystyvät toimimaan jännitteillä enintään 145 kV. Kiinassa HV VCBs:n nopea omaksuminen kaupallisiin sovelluksiin odotetaan jatkuvan, kun satoja laitteita on jo käytössä jännitteillä enintään 126 kV. Euroopassa kenttätestaukset ovat meneillään varmistaakseen tyypihyväksyttyjen laitteiden suorituskyvyn ennen markkinoille tuomista.

Teknologia ja suunnittelu

Kaikki HV VCB-tuotteet perustuvat hyvin tunnettuihin keskitason jännitteen tyhjiökatkaisinteknologiaan, jota on tarkennettu vuosien varrella. Ei ole tarvittu perustavanlaatuisesti uusia teknisiä ominaisuuksia tämän teknologian laajentamiseksi korkeampiin jännitearvoihin. Päähaaste on skaalata katkaisimen geometria sopimaan korkeampiin jännitearvoihin. Esimerkiksi halkaisija ja yhteyden aukko pitää lisätä jännitteiden yli 52 kV käsittelyyn. Joidenkin tapauksissa, jännitteille, jotka ylittävät 126 kV, käytetään sarjassa kaksi tyhjiökatkaisinta varmistaaksemme luotettavan toiminnan.

Toiminnalliset ominaisuudet

• Normaalin virran käsittely: Normaaleilla virroilla enintään 2 500 A ei ole merkittäviä eroja HV VCBs:n ja SF6-katkaisimien välillä. Kuitenkin korkeamman virran arvojen (yli 2 500 A) saavuttaminen HV VCBs:ssä on haastavaa koska kontaktirakenteen lämpöntuotannon ja katkaisimen rajatun lämpösiirtokyvyn vuoksi.

• Valvonta: On helpompaa valvoa keskeyttävämedian laadun SF6-katkaisimissa, koska tyhjiön aste HV VCBs:ssä ei voida käytännössä valvoa palveluajan aikana.

• Kytkentätoiminnot: HV VCBs voi suorittaa enemmän kytkentätoimintoja verrattuna SF6-katkaisimiin, koska tyhjiökontaktijärjestelmän kestavyys kaarulausekkeelle on parempi. Tämä tekee tyhjiötekniikasta erityisen houkuttelevan sovelluksissa, joissa vaaditaan useita kytkentätoimintoja, kuten päivittäisessä toiminnassa.

• Ajomateriaali: Tyypillisellä 72,5 kV -arvolla tyhjiökatkaisimelle vaadittava ajomateriaali on huomattavasti pienempi – noin 20 prosenttia vastaavan SF6-katkaisimen tarvitsemasta. Kummankin laitetyyppin fysikaaliset koot ovat vertailukelpoisia.

• Katkaisimen konfigurointi: Yli 145 kV HV VCBs voi vaatia useamman katkaisimen sarjassa, kun taas SF6-teknologia on onnistuneesti toteuttanut yhden katkaisimen katkaisimet jopa 550 kV:een vuodesta 1994, jotka ovat laajasti käytössä monissa maissa.

• Kaarulausekkeen ominaisuudet: HV VCBs:n kaarilämpö on paljon alhaisempi kuin SF6-katkaisimissa, yleensä vain kymmeniä voltia verrattuna satoihin volttiin SF6:ssä. Lisäksi kaaran kesto virheen kytkennässä on lyhyempi tyhjiökatkaisimissa, vähintään 5–7 ms verrattuna 10–15 ms SF6-katkaisimissa. Tämä tarkoittaa, että HV VCBs voi suorittaa enemmän kytkentätoimintoja.

• Röntgen-säteily: HV VCBs, joiden nominaalinen jännite on enintään 145 kV, tuottavat röntgensäteilyä standardoidussa rajassa 5 µSv/h normaaleissa toimintaolosissa. SF6-katkaisimet eivät tuota röntgensäteilyä.

Sähköiset ominaisuudet

• Haittavirran keskeyttäminen: HV VCBs erottuu erityisesti haittavirtojen keskeyttämisessä, sillä niiden dielektrinen palautuminen on nopeampaa kuin SF6-katkaisimissa, mikä mahdollistaa hyvin jyrkän tilapäisen palautumisjännitteen (TRV) nousevan nopeuden.

• Purkautumistilastot: Vaikka tyhjiökatkaisimet teoreettisesti voivat kestää hyvin korkeita purkautumisjännitteitä, on pieni todennäköisyys purkautumiselle suhteellisen kohtuullisilla jännitteillä. Tyhjiökatkaisimet voivat myös kohdata spontaania myöhäistä purkautumista, joka voi tapahtua useita satoja millisekunteja virran keskeyttämisen jälkeen. Kuitenkin näiden tapahtumien seuraukset ovat rajallisia, koska tyhjiökatkaisin välittömästi palauttaa eristyksen. Myöhäisen purkautumisen järjestelmävaikutukset eivät vielä ole täysin ymmärrettyjä.

• Kondensaattipankkien kytkeminen: Kondensaattipankkien kytkemisessä on tärkeää välttää hyvin korkeita inrush-virtoja, koska ne voivat heikentää kontaktijärjestelmän dielektrisiä ominaisuuksia ennakkokaarien kautta. Tämä haaste koskee sekä HV VCBs:ia että SF6-katkaisimia. Mitigointistrategioita ovat sarjareaktorien käyttö tai ohjattu kytkeminen, vaikka kenttäkokemusta jälkimmäisestä HV VCBs:ille on rajallista.

Tulevaisuuden näkymät ja markkinakäsitys

Korkean jännitteen kytkentälaitekäyttäjien keskuudessa tehdyn kyselyn mukaan SF6:n puuttuminen nähdään tyhjiökatkaisimien päätavoitteena, jos ulkoinen eristyksessä myös on SF6-free. Kuitenkin rajallinen käyttökokemus siirtovirran jännitteissä on edelleen merkittävä este HV VCBs:n laajalle leviämiselle. Huolimatta tästä, tyhjiötekniikan ympäristöedut ja toiminnalliset etumatkaavat jatkuvaa kiinnostusta ja kehitystyötä tällä alalla.

Korkean jännitteen tyhjiökatkaisimien (HV VCBs) potentiaaliset käyttäjät usein ilmaisevat huolen liiankorkeiden jännitteiden syntyminestä virran katkaisemisen ja röntgensäteilyn mahdollisuuden vuoksi kytkentätoimintojen aikana. Nämä kysymykset ovat kriittisiä HV VCBs:n turvallisen ja luotettavan toiminnan takaamiseksi, erityisesti kun ne otetaan yhä enemmän huomioon siirtovirran jännitteisiin.

Röntgensäteily

Yhden katkaisimen laitteille, HV VCBs, joiden nominaalinen jännite on enintään 145 kV, röntgensäteily pysyy normaaleissa toimintaolosissa huomattavasti alle standardoidun rajan 5 µSv/h. Useamman katkaisimen laitteet tuottavat vielä vähemmän röntgensäteilyä. Tämä on tärkeä huomio sääntelyvalvonnan ja turvallisuuden kannalta, koska se takaa, että HV VCBs voidaan käyttää ilman huomattavia säteilyriskiä henkilöstölle tai ympäristölle.

Pilotprojektit

Suuri enemmistö vastaajista ilmaisi vahvan kiinnostuksen aloittaa pilotprojekteja HV VCB-teknologian käytännön kokemuksen hankkimiseksi. Tällaiset projektit antaisivat sähköverkon operaattoreille mahdollisuuden arvioida HV VCBs:n suorituskykyä, luotettavuutta ja toiminnallisia ominaisuuksia reaalimaailman olosuhteissa. Maanjuureen kytkettyjä verkkoja suositellaan näihin pilotprojekteihin, koska keskitason jännitteiden verkkotilaat eivät aina ole vertailukelpoisia siirtovirran jännitteiden verkkotilojen kanssa, erityisesti maanjuuren osalta. Tämä lähestymistapa auttaa varmistamaan, että saatavat kokemukset ovat relevantteja ja sovellettavissa siirtovirran tasolle.

Standardointi

Nykyinen IEC-katkaisimestandardi, IEC 62271-100, painottaa voimakkaasti SF6-kytkentäteknologiaa, mikä ei ehkä täysin kattaisi tyhjiökytkentäteknologian ainutlaatuisia ominaisuuksia ja haasteita. Esimerkiksi testitehtävät, jotka ovat haastavia SF6:lle, kuten lyhyen linjan virheiden testaus, eivät välttämättä ole yhtä kriittisiä tyhjiötekniikalle. Toisaalta jatkuvan palautumisjännitteen soveltaminen syntetisessä testauksessa, joka on vähemmän merkityksellistä SF6:lle, voisi olla tärkeämpää osoittaakseen tyhjiökatkaisimissa myöhäisen purkautumisen puuttumisen. Kun HV VCBs saavat enemmän kiinnostusta, voi olla tarpeen tarkistaa tai täydentää nykyisiä standardeja paremmin ottamaan huomioon tyhjiötekniikka.

Teolliset seuraukset SF6-free-suunnittelulle

Kun SF6 puuttuu ulkoisena eristysvälineenä, on huomioitava muut tekniset seuraukset. Esimerkiksi vaihtoehtoiset eristysmenetelmät voivat vaatia korkeampaa painetta, suurempaa painoa, suurempaa alueellista jalanjälkeä tai erilaisia suunnitteluharkintoja varmistaakseen riittävän eristyskyvyn. Valmistajat tutkivat aktiivisesti näitä vaihtoehtoja kehittääkseen viisastia SF6:lle, mutta kunnes uusi tekniikka, joka kattaa kaikki jännitearvot, löydetään, SF6 on todennäköisesti edelleen välttämätön tietyissä siirtovirran verkkojen sovelluksissa.

Valmistajien sitoutuminen

Valmistajat ovat sitoutuneet kehittämään ja tarjoamaan teollisesti toimivia vaihtoehtoja SF6-teknologialle. Vaikka SF6 on ollut korkean jännitteen sovelluksissa hallitseva eristyskaasu sen erinomaisen dielektrisen ominaisuuden ansiosta, SF6:n ympäristöongelmat, erityisesti sen korkea ilmastonmuutospotentiaali, ovat ajelettu etsimään vihreämpiä ratkaisuja. HV VCBs edustavat sellaista ratkaisua, tarjoten kestävän vaihtoehdon sovelluksissa, joissa vaaditaan useita kytkentätoimintoja ja alhaisempia huoltokustannuksia. Kuitenkin siirtyminen pois SF6:sta on asteittainen, kun valmistajat jatkavat innovaatiota ja uusien teknologioiden tarkentamista vastaamaan sähköalan monipuolisiin tarpeisiin.