Maikling Kasaysayan ng mga Nakaraan at Kasalukuyang Mataas na Voltaheng Vacuum Circuit Breakers

Mataas na Voltaheng Vacuum Circuit Breakers: Isang Buod

Pamimilohin

Ang mataas na voltaheng vacuum circuit breakers (HV VCBs) ay lumitaw bilang isang maaring pagpipilian sa mga tradisyonal na SF6 gas-insulated circuit breakers, lalo na sa mga aplikasyon kung saan ang madalas na pag-switch at mas mababang gastos sa pangkalahatang pag-aalamin ay mahalaga. Simula noong 2014, ang HV VCBs ay naging mas malaganap bilang isang alternatibo sa mga mataas na voltaheng gas circuit breakers, nagbibigay ng isang mas berdeng at sustainable na solusyon sa pamamagitan ng pag-alis ng paggamit ng SF6, isang malakas na greenhouse gas.

Ang vacuum switchgear ay malawak na ginamit sa mga sistema ng distribusyon para sa higit sa tatlong dekada, pangunahin para sa paggawa at pag-break ng fault currents at switching ng iba't ibang uri ng load. Ang reliabilidad at performance ng teknolohiya ng vacuum switching sa medium voltage range (hanggang 52 kV) ay napakaganda, nagresulta sa kanyang dominasyon sa mga sistema ng distribusyon. Gayunpaman, ang mga pagsikap na i-extend ang teknolohiya ng vacuum switching sa transmission voltage levels ay nagsimula pa noong 1960s, may mahalagang milestones na nakuha noong 1980 nang ang unang high-voltage vacuum circuit breakers ay inilapat sa Japan. Noong 2010, humigit-kumulang 10,000 HV VCBs ang nasa operasyon, pangunahin sa mga industriyal na setting ngunit pati na rin sa mga aplikasyon ng utility. Ang paborito para sa teknolohiya ng vacuum sa halip na SF6 ay dulot ng kanyang kakayahan na handlin ang madalas na pag-switching operations at mas mababang pangangailangan sa maintenance.

Sa Estados Unidos, ang mga vacuum capacitor bank switches ay ginagamit na para sa ilang dekada sa mga voltages hanggang 242 kV. Noong 2008, ang matinding research and development (R&D) programs sa Tsina at Europa ay naka-aim sa pag-develop ng HV VCBs, may focus sa pagbawas o pag-alis ng paggamit ng SF6. Ito ay nagresulta sa pag-introduce ng mga produkto na kayang mag-operate sa mga voltages hanggang 145 kV. Sa Tsina, ang mabilis na pag-adopt ng HV VCBs sa mga komersyal na aplikasyon ay inaasahan na magpapatuloy, may daan-daang mga unit na nasa serbisyo na sa mga voltage levels hanggang 126 kV. Sa Europa, ang mga field tests ay ongoing upang ivalidate ang performance ng mga type-tested devices bago sila pumasok sa merkado.

Teknolohiya at Disenyo

Ang lahat ng HV VCB produkto ay batay sa ma-establish na medium voltage vacuum interrupter teknolohiya, na pinaglabanan na sa loob ng mga taon. Walang pundamental na bagong teknikal na features ang kinakailangan upang i-extend ang teknolohiya na ito sa mas mataas na voltage levels. Ang pangunahing hamon ay nasa pag-scale ng geometry ng interrupter upang makatampok ang mas mataas na voltage ratings. Halimbawa, ang diameter at contact gap length ay kailangang palakihin upang makontrol ang mga voltages na higit sa 52 kV. Sa ilang kaso, para sa mga voltages na higit sa 126 kV, dalawang vacuum gaps in series ang ginagamit upang tiyakin ang reliable na operasyon.

Operasyonal na Features

• Normal na Current Handling: Para sa normal na currents hanggang 2,500 A, walang significant differences sa pagitan ng HV VCBs at SF6 circuit breakers. Gayunpaman, ang pagkamit ng mas mataas na current ratings (higit sa 2,500 A) sa HV VCBs ay challenging dahil sa heat generation mula sa contact structure at limited heat transfer capability ng interrupter.

• Monitoring: Mas madali ang monitoring ng kalidad ng interruption medium sa SF6 circuit breakers, dahil ang degree of vacuum sa HV VCBs hindi praktikal na ma-monitor sa panahon ng serbisyo.

• Switching Operations: Ang HV VCBs ay kayang gumawa ng mas maraming switching operations kumpara sa SF6 circuit breakers dahil sa superior endurance ng vacuum contact system sa arcing. Ito ang nagbibigay ng vacuum technology na partikular na attractive para sa mga aplikasyon na nangangailangan ng madalas na switching, tulad ng daily operations.

• Drive Energy: Sa typical 72.5 kV rating, ang drive energy na kailangan para sa isang vacuum circuit breaker ay significantly lower—humigit-kumulang 20% ng kailangan para sa isang equivalent SF6 circuit breaker. Ang physical sizes ng dalawang types ng devices ay comparable.

• Interrupter Configuration: Sa itaas ng 145 kV, ang HV VCBs ay maaaring mag-require ng higit sa isang interrupter in series, habang ang SF6 technology ay matagumpay na in-implement ang single-break circuit breakers hanggang 550 kV simula noong 1994, na malawak na ginagamit sa maraming bansa.

• Arc Characteristics: Ang arc voltage sa HV VCBs ay mas mababa kaysa sa SF6 circuit breakers, karaniwang nasa tens of volts kumpara sa hundreds of volts sa SF6. Bukod dito, ang duration ng arc sa panahon ng fault switching ay mas maikli sa vacuum switchgear, may minimum arcing time na 5–7 ms kumpara sa 10–15 ms para sa SF6 circuit breakers. Ito ang nagresulta sa mas maraming possible na switching operations para sa HV VCBs.

• X-ray Emissions: Ang HV VCBs na may rated voltages hanggang 145 kV ay nag-e-emit ng X-rays sa loob ng standardized limit ng 5 µSv/h sa normal operating conditions. Ang SF6 circuit breakers hindi nag-e-emit ng X-rays.

Electrical Features

• Fault Current Interruption: Ang HV VCBs ay excel sa pag-interrupt ng fault currents na may very steep rates of rise of transient recovery voltage (TRV) dahil sa kanilang rapid dielectric recovery, na mas mabilis kaysa sa SF6 circuit breakers.

• Breakdown Statistics: Habang ang vacuum gaps theoretical na may napakataas na breakdown voltages, may small probability ng breakdown sa relatively moderate voltages. Ang vacuum gaps ay maaari ring maranasan ang spontaneous late breakdown, nangyayari hanggang sa ilang hundred milliseconds pagkatapos ng current interruption. Gayunpaman, ang mga consequence ng mga event na ito ay limitado dahil ang vacuum gap immediate na restore ang kanyang insulation. Ang mga system implications ng late breakdown ay hindi pa ganap na naunawaan.

• Inductive Load Switching: Sa mga aplikasyon na may inductive loads, tulad ng shunt reactor switching, ang HV VCBs ay may tendency na maranasan ang mas maraming repeated re-ignitions sa isang power frequency current zero. Ito ay dahil sa kakayahan ng vacuum na interruptin ang high-frequency currents na sumusunod sa re-ignition. Ang mga epekto ng mga re-ignition transients sa interacting apparatus, tulad ng RC snubbers at metal-oxide arresters, ay kasalukuyang under investigation.

• Capacitor Bank Switching: Kapag nag-switch ng capacitor banks, mahalaga na iwasan ang napakataas na inrush currents, dahil ito ay maaaring degrade ang dielectric properties ng contact system sa pamamagitan ng pre-strike arcs. Ang challenge na ito ay applicable sa parehong HV VCBs at SF6 circuit breakers. Ang mitigation strategies ay kinabibilangan ng paggamit ng series reactors o controlled switching, bagaman may limitadong field experience sa huli para sa HV VCBs.

Kasalukuyang Pag-asa at Market Perception

Ang isang survey na ginawa sa mga user ng high-voltage switchgear ay nagpakita na ang absence ng SF6 ay itinuturing na primary advantage ng vacuum switchgear, basta't ang external insulation ay din SF6-free. Gayunpaman, ang lack ng extensive service experience sa transmission voltage levels ay nananatiling mahalagang hesitation para sa widespread adoption ng HV VCBs. Bagama't ito, ang environmental benefits at operational advantages ng vacuum technology ay nagpapadala ng continued interest at development sa area na ito.

Ang potential users ng high voltage vacuum circuit breakers (HV VCBs) ay madalas na nag-raise ng concerns tungkol sa pag-generate ng overvoltages dahil sa current chopping at ang possibility ng X-ray emissions sa panahon ng switching operations. Ang mga isyu na ito ay critical para sa pag-ensure ng safe at reliable operation ng HV VCBs, lalo na habang sila ay mas lalong ina-consider para sa transmission voltage applications.

X-ray Emission

Para sa single-break devices, ang X-ray emissions mula sa HV VCBs na may rated voltages hanggang at kasama ang 145 kV ay naiwan sa ilalim ng standardized limit ng 5 µSv/h sa normal operating conditions. Ang multiple-break devices ay nagpapakita ng mas mababang levels ng X-ray emissions. Ito ay isang mahalagang consideration para sa regulatory compliance at safety, dahil ito ay nag-aalamin na ang HV VCBs ay maaaring ipatupad nang hindi nagpapahamak ng significant radiation risks sa personnel o environment.

Pilot Projects

Ang malaking bahagi ng respondents ay nag-express ng malakas na interest sa pag-initiate ng pilot projects upang makakuha ng practical experience sa HV VCB technology. Ang mga proyektong ito ay magbibigay-daan sa utilities at system operators na i-evaluate ang performance, reliability, at operational characteristics ng HV VCBs sa real-world conditions. Inirerekomenda ang solidly earthed networks para sa mga pilot projects na ito, dahil ang network conditions sa medium voltage systems ay hindi palaging comparable sa mga transmission voltage networks, lalo na sa earthing conditions. Ang approach na ito ay tulong upang siguruhin na ang experiences na nakamit ay relevant at applicable sa transmission-level applications.

Standardization

Ang kasalukuyang IEC circuit breaker standard, IEC 62271-100, ay may strong focus sa SF6 switching technology, na maaaring hindi ganap na address ang unique characteristics at challenges ng vacuum switching. Halimbawa, ang mga test duties na challenging para sa SF6, tulad ng short-line fault tests, ay maaaring hindi ganoon kadaming critical para sa vacuum technology. Sa kabaligtaran, ang application ng continuous recovery voltage sa synthetic testing, na less relevant para sa SF6, maaaring mas mahalaga para sa pag-demonstrate ng absence ng late breakdown sa vacuum interrupters. Habang ang HV VCBs ay nakuha ang mas maraming traction, maaaring may kailangan na i-revise o i-supplement ang existing standards upang mas mabuti na accommodate ang vacuum technology.

Technical Implications ng SF6-Free Design

Kapag ang SF6 ay absent bilang isang external insulating medium, iba pang technical implications ang kailangang i-consider. Halimbawa, ang alternative insulation methods maaaring mag-require ng mas mataas na pressure, mas mabigat, mas malaking footprint, o iba pang design considerations upang tiyakin ang adequate insulation performance. Ang mga manufacturers ay aktibong nag-e-explore ng mga alternatives upang i-develop ang viable replacements para sa SF6, ngunit hanggang sa makuha ang isang bagong teknolohiya na maaaring cover ang lahat ng voltage ratings, ang SF6 ay maaaring mananatili bilang essential para sa ilang transmission network applications.

Manufacturer Commitment

Ang mga manufacturers ay committed sa pag-develop at pag-make available ng industrially viable alternatives sa SF6 technology. Habang ang SF6 ay ang dominant insulating gas para sa high-voltage applications dahil sa kanyang excellent dielectric properties, ang environmental concerns na kaugnay sa SF6, lalo na ang kanyang mataas na global warming potential, ay nag-drive sa search para sa greener solutions. Ang HV VCBs ay represent one such solution, nagbibigay ng isang sustainable na alternative para sa mga aplikasyon kung saan ang madalas na switching at mas mababang maintenance ay kinakailangan. Gayunpaman, ang transition away from SF6 ay gradual, dahil ang mga manufacturers ay patuloy na nag-innovate at refine ng mga bagong teknolohiya upang matugunan ang diverse needs ng power industry.