Kratka povijest prošlosti i sadašnjosti visokonaponskih vakuumskih prekidača

Visoki napon vakuumski prekidači: Pregled

Uvod

Vakuumski prekidači visokog napona (HV VCBs) postali su moguća alternativa tradicionalnim prekidačima s izolacijom SF6 plinom, posebno u primjenama gdje je često preključivanje i niže troškove održavanja ključni faktori. Od 2014. godine, HV VCBs sve više se koriste kao alternativa prekidačima visokog napona s plinom, pružajući zeljeniju i održiviju rješenja eliminirajući upotrebu SF6, moćnog stakleničnog plina.

Vakuumsko prekidačno oprema široko se koristi u distribucijskim sustavima već više od tri desetljeća, uglavnom za prekid strujnih kriva i preključivanje različitih vrsta opterećenja. Pouzdanost i performanse vakuumskih prekidača u srednjem naponskom rasponu (do 52 kV) bile su izvrsne, što je dovelo do njihovog dominantnog položaja u distribucijskim sustavima. Međutim, pokušaji proširiti vakuumsku tehnologiju na naponske razine prijenosnih mreža započeli su još u 1960-ima, s značajnim postignućima oko 1980. godine kada su prvi vakuumski prekidači visokog napona instalirani u Japanu. Do 2010. godine, otprilike 10.000 HV VCB-a bilo je u operaciji, uglavnom u industrijskim okruženjima, ali i u javnim uslugama. Preferencija za vakuumsku tehnologiju nad SF6 dovodila je zbog sposobnosti rukovanja čestim preključivanjima i nižim zahtjevima za održavanjem.

U Sjedinjenim Američkim Državama, vakuumski prekidači kondenzatorskih banka koristili su se nekoliko desetljeća na naponima do 242 kV. Oko 2008. godine, intenzivni programi istraživanja i razvoja (R&D) u Kini i Europi ciljali su razvoj HV VCB-a, fokusirajući se na smanjenje ili eliminiranje upotrebe SF6. To je dovelo do uvođenja proizvoda sposobnih raditi na naponima do 145 kV. U Kini, brza adopcija HV VCB-a u komercijalnim primjenama očekuje se da će se nastaviti, s stotinama jedinica već u službi na naponskim razonama do 126 kV. U Europi, poligon testiranja je u tijeku kako bi se potvrdile performanse tip-pregledanih uređaja prije ulaska na tržište.

Tehnologija i dizajn

Svi HV VCB proizvodi temelje se na dobro utvrđenoj tehnologiji vakuumskog prekidača srednjeg napona, koja je godinama poboljšana. Nisu bili potrebni fundamentalno novi tehnički značajki za proširenje ove tehnologije na više naponske razine. Glavni izazov leži u skaliranju geometrije prekidača kako bi se prilagodio višim naponskim ocjenama. Na primjer, promjer i duljina kontaktnog presjeka moraju se povećati kako bi se obradili naponi iznad 52 kV. U nekim slučajevima, za napon ispod 126 kV, koriste se dva vakuumskog presjeka u seriji kako bi se osigurala pouzdana operacija.

Funkcionalne karakteristike

• Rukovanje normalnim strujama: Za normalne struje do 2.500 A, nema značajnih razlika između HV VCB-a i prekidača s SF6. Međutim, postizanje viših strujnih ocjena (iznad 2.500 A) u HV VCB-ima je izazov zbog toplinskog generiranja od strukture kontakta i ograničene sposobnosti prenosa topline prekidača.

• Monitoriranje: Lakoje monitorirati kvalitetu sredstva prekida u prekidačima s SF6, jer se stupanj vakua u HV VCB-ima praktično ne može monitorirati tijekom rada.

• Operacije preključivanja: HV VCB-i mogu obavljati veći broj operacija preključivanja u usporedbi s prekidačima s SF6 zbog superiornog otpora vakuumskog kontaktnog sustava arkiranju. To čini vakuumsku tehnologiju posebno privlačnom za primjene koje zahtijevaju često preključivanje, poput svakodnevnih operacija.

• Energijski pogon: Na tipičnoj ocjeni od 72,5 kV, energija pogona potrebna za vakuumski prekidač značajno je manja – otprilike 20% onoga što je potrebno za ekvivalentni prekidač s SF6. Fizičke veličine ova dva tipa uređaja su slične.

• Konfiguracija prekidača: Iznad 145 kV, HV VCB-i mogu zahtijevati više od jednog prekidača u seriji, dok je SF6 tehnologija uspješno implementirala jednosmjerne prekidače do 550 kV od 1994. godine, koji su široko korišteni u mnogim zemljama.

• Karakteristike luka: Napon luka u HV VCB-ima značajno je niži od u prekidačima s SF6, obično u rasponu od desetina volti usporedno s stotinama volti u SF6. Također, trajanje luka tijekom preključivanja grešaka kraće je u vakuumskoj opremi, s minimalnim vremenom arkiranja od 5–7 ms usporedno s 10–15 ms za prekidače s SF6. To rezultira većim brojem mogućih operacija preključivanja za HV VCB-e.

• Izlučivanje X-zraka: HV VCB-i s nominalnim naponima do 145 kV emitiraju X-zrake unutar standardiziranog ograničenja od 5 µSv/h tijekom normalnih uvjeta rada. Prekidači s SF6 ne emitiraju X-zrake.

Električne karakteristike

• Prekid strujnih kriva: HV VCB-i su izvanredni u prekidu strujnih kriva s vrlo strmim stopama porasta privremene oporavljive napona (TRV) zbog svoje brze dielektrične oporavljivosti, koja je brža od one prekidača s SF6.

• Statistika rušenja: Iako vakuumski presjeci teoretski imaju vrlo visoke naponske ocjene rušenja, postoji mala vjerojatnost rušenja na relativno umjerene naponima. Vakuumski presjeci također mogu doživjeti spontano kasno rušenje, koje se događa do nekoliko stotina milisekundi nakon prekida struje. Međutim, posljedice takvih događaja su ograničene jer vakuumski presjek odmah obnavlja svoju izolaciju. Sistematske implikacije kasnog rušenja još nisu u potpunosti razumijevane.

• Preključivanje induktivnih opterećenja: U primjenama s induktivnim opterećenjima, poput preključivanja shunt reaktora, HV VCB-i češće doživljavaju ponavljanje ponovnog arkiranja na jednoj nuli struje frekvencije mreže. To je posljedica sposobnosti vakua da prekida visokofrekventne struje koje slijede ponovno arkiranje. Efekti ovih transijentnih stanja na interaktivnu opremu, poput RC snubbera i metal-oksidi arresteri, trenutno se istražuju.

• Preključivanje kondenzatorskih banaka: Pri preključivanju kondenzatorskih banaka, ključno je izbjegavati vrlo visoke inrush struje, jer one mogu degradirati dielektrične osobine kontaktnog sustava preko pre-strike lukova. Ovaj izazov se odnosi na HV VCB-e i prekidače s SF6. Strategije mitigacije uključuju upotrebu serijalnih reaktora ili kontroliranog preključivanja, iako je poligon iskustva s ovim posljednjim za HV VCB-e ograničen.

Budućnost i percepcija tržišta

Anketa provedena među korisnicima opreme visokog napona pokazala je da odsutnost SF6 smatra se glavnim prednostima vakuumskih prekidača, uz uvjet da je i vanjska izolacija bez SF6. Međutim, nedostatak obilnog iskustva u usluzi na naponskim razonama prijenosa ostaje značajan hladan zaštitni element za široku upotrebu HV VCB-a. Unatoč tome, ekološki prednosti i operativne prednosti vakuumskih tehnologija pokreću nastavak interesovanja i razvoja u ovoj oblasti.

Potencijalni korisnici vakuumskih prekidača visokog napona (HV VCB) često izražavaju zabrinutost zbog generiranja prenapona zbog prekidanja struje i mogućnosti izlučivanja X-zraka tijekom operacija preključivanja. Ovi problemi su ključni za osiguranje sigurne i pouzdane operacije HV VCB-a, posebno kako se sve više razmatraju za primjene na naponskim razonama prijenosa.

Izlučivanje X-zraka

Za jednosmjerne uređaje, izlučivanje X-zraka od HV VCB-a s nominalnim naponima do i uključujući 145 kV ostaje značajno ispod standardiziranog ograničenja od 5 µSv/h tijekom normalnih uvjeta rada. Višesmjerne uređaje pokazuju još niže razine izlučivanja X-zraka. To je važno za regulativnu u skladnost i sigurnost, jer osigurava da HV VCB-i mogu biti implementirani bez značajnog radiacijskog rizika za osoblje ili okoliš.

Pilot projekti

Veliki dio odgovarajućih izrazio je jak interes za pokretanje pilot projekata kako bi ste nabavili praktično iskustvo s HV VCB tehnologijom. Takvi projekti omogućili bi javne električne države i operatore sustava da procijene performanse, pouzdanost i operativne karakteristike HV VCB-a u stvarnim uvjetima. Zasnovani na pečuri mreže preporučuju se za ove pilot projekte, jer uvjeti mreže u srednjem naponskom sustavu nisu uvijek usporedivi s onima u mrežama prijenosa, posebno s obzirom na uvjete pečure. Ovaj pristup pomoći će osigurati da su iskustva dobivena relevantna i primjenjiva na primjene na naponskim razonama prijenosa.

Standardizacija

Trenutni IEC standard za prekidače, IEC 62271-100, ima snažan fokus na tehnologiju prekidača s SF6, što možda ne u potpunosti pokriva jedinstvene karakteristike i izazove vakuumskog prekidača. Na primjer, testne dužnosti koje su izazovne za SF6, poput testova kratkih linija, možda nisu toliko kritične za vakuumsku tehnologiju. S druge strane, primjena kontinuiranog oporavljivog napona u sintetičkom testiranju, što je manje relevantno za SF6, može biti važnija za pokazivanje odsutnosti kasnog rušenja u vakuumskim prekidačima. Kako HV VCB-i dobivaju više podrške, može biti potrebno revizirati ili dopuniti postojeće standarde kako bi bolje prilagodili vakuumsku tehnologiju.

Tehničke implikacije dizajna bez SF6

Kada SF6 nedostaje kao vanjsko izolacijsko sredstvo, moraju se razmotriti i druge tehničke implikacije. Na primjer, alternative metode izolacije mogu zahtijevati veći tlak, veću težinu, veću površinu ili različite dizajnerske razmatranja kako bi se osigurala adekvatna izolacijska performansa. Proizvođači aktivno istražuju ove alternative kako bi razvili vidljive zamjene za SF6, ali dok se ne pronađe nova tehnologija koja može pokriti sve naponske ocjene, SF6 vjerojatno će ostati ključan za određene primjene u mrežama prijenosa.

Zavezanost proizvođača

Proizvođači su zavezani razvoju i dostupnosti industrijskih vidljivih alternativa SF6 tehnologiji. Dok je SF6 bio dominantan izolacijski plin za primjene visokog napona zbog svojih izvrsnih dielektričkih osobina, ekološki problemi povezani s SF6, posebno njegov visok globalni potencijal zagrijavanja, pokrenuli su potragu za zelenijim rješenjima. HV VCB-i predstavljaju jedno takvo rješenje, nuditi održivu alternativu za primjene gdje su potrebni česti preključivanje i niži troškovi održavanja. Međutim, prelaz s SF6 bit će postepan, kako proizvođači nastavljaju inovirati i unapređivati nove tehnologije kako bi zadovoljili raznolike potrebe električne industrije.