Magasfeszültségű Vakuumban Kikapcsolók Múltjának és Jelenjának Rövid Története

Nyomáscsökkentő vákuum átmeneti kapcsolók: Áttekintés

Bevezetés

A magasfeszültségű vákuum átmeneti kapcsolók (HV VCB-ek) egyre inkább a hagyományos SF6 gázra alapuló átmeneti kapcsolók alternatívájaként jelennek meg, különösen olyan alkalmazásokban, ahol gyakori kapcsolási műveletek és alacsonyabb karbantartási költségek kritikus szerepet játszanak. 2014 óta a HV VCB-ek egyre nagyobb mértékben terjednek, mint a magasfeszültségű gáz átmeneti kapcsolók alternatívája, zöldebb és fenntarthatóbb megoldást nyújtva az SF6, egy erős üdei hatású gáz használatának megszüntetésével.

A vákuum technológia már több évtizede széles körben használatban van elosztási rendszerekben, elsősorban hibajárási áramok kapcsolására és különböző típusú terhelések váltására. A vákuum kapcsolási technológia megbízhatósága és teljesítménye a középfeszültségű tartományban (legfeljebb 52 kV-ig) kiváló volt, ami vezetett annak dominanciájához az elosztási rendszerekben. Azonban a vákuum kapcsolási technológia kiterjesztése a továbbítási feszültség szintjére már a 1960-as években kezdődött, jelentős előrehaladást elért 1980 körül, amikor Japánban telepítették az első magasfeszültségű vákuum átmeneti kapcsolókat. 2010-ben körülbelül 10 000 HV VCB volt működésben, főleg ipari környezetben, de utilitási alkalmazásokban is. A vákuum technológia előnye az SF6 felett a gyakori kapcsolási műveletek és alacsonyabb karbantartási igények kezelésének képessége.

Az Egyesült Államokban a vákuum kondenzátorbankszállítók már évtizedek óta használatban vannak legfeljebb 242 kV-os feszültségen. Körülbelül 2008-ban Kínában és Európában intenzív kutatás-fejlesztési (R&D) programok indultak a HV VCB-ek fejlesztésére, a cél a SF6 használatának csökkentése vagy megszüntetése. Ez vezetett termékek bevezetéséhez, amelyek 145 kV-ig működhetnek. Kínában a HV VCB-ek gyors elterjedése a kereskedelmi alkalmazásokban folytatódni fog, már számos egység működik legfeljebb 126 kV-os feszültségen. Európában a mezői tesztek folyamatban vannak a tipustestolt eszközök teljesítményének ellenőrzésére, mielőtt a piacra kerülnek.

Technológia és tervezés

Minden HV VCB termék a jól bevált középfeszültségű vákuum átmeneti kapcsoló technológián alapszik, amely éveken át finomult. Nincs szükség alapvetően új technikai jellemzőkre, hogy ezt a technológiát magasabb feszültségi szintekre kiterjesszük. A fő kihívás a kapcsoló geometriájának skálázása, hogy kompatibilis legyen a magasabb feszültségi osztályokkal. Például a körzet és a kontaktkapcsolat hosszát növelni kell 52 kV-nél magasabb feszültségek kezeléséhez. Néhány esetben, 126 kV-nél magasabb feszültségeknél, két sorozatos vákuumkapcsolót használnak a megbízható működés biztosítására.

Működési jellemzők

• Normális áramkezelés: Normális áramokra, akár 2 500 A-ig, nincs jelentős különbség a HV VCB-ek és az SF6 átmeneti kapcsolók között. Azonban a magasabb áramos besorolás (2 500 A fölött) elérése a HV VCB-ekben kihívást jelent a kontaktkészletből eredő hőtermelés és a korlátozott hőátadási képesség miatt.

• Figyelés: Az SF6 átmeneti kapcsolókban könnyebb figyelni a töréspont minőségét, mert a HV VCB-ekben a vákuum szint nem praktikus figyelhető a szolgáltatás során.

• Kapcsolási műveletek: A HV VCB-ek képesek több kapcsolási műveletet végrehajtani, mint az SF6 átmeneti kapcsolók, mivel a vákuum kontaktkészlet jobb kitartással bír a töréspontokra. Ez a vákuum technológia különösen vonzóvá teszi a gyakori kapcsolási műveleteket igénylő alkalmazásokban, például napról napra végzett műveletekben.

• Meghajtási energia: Tipikusan 72,5 kV-os besorolásnál a vákuum átmeneti kapcsolóhoz szükséges meghajtási energia jelentősen alacsonyabb, körülbelül 20%-a az SF6 átmeneti kapcsolókhoz szükséges energiának. A két típusú eszköz fizikai méretei összehasonlíthatók.

• Töréspont konfiguráció: 145 kV felett a HV VCB-ek több töréspontot igényelhetnek sorban, míg az SF6 technológia sikeresen implementálta az egyes töréspontú átmeneti kapcsolókat 1994 óta, akár 550 kV-ig, amelyek széles körben használatban vannak számos országban.

• Izziv jellemzők: A HV VCB-ekben az izziv feszültsége sokkal alacsonyabb, mint az SF6 átmeneti kapcsolókban, általában tíz és száz volt között, ellentétben az SF6 átmeneti kapcsolókban, ahol ez a feszültség száz és néhány száz volt között. Továbbá a hibajáráskapcsolás során a töréspont időtartama rövidebb a vákuum technológiában, minimálisan 5-7 ms, ellentétben az SF6 átmeneti kapcsolókkal, ahol 10-15 ms. Ez eredményez egy magasabb számú lehetséges kapcsolási műveletet a HV VCB-ek esetében.

• Röntgen-sugárzás: A 145 kV-ig besorolt HV VCB-ek normális működési feltételek mellett 5 µSv/h standardizált határérték alatti röntgensugárzást bocsátanak ki. Az SF6 átmeneti kapcsolók nem bocsátanak ki röntgensugárzást.

Elektromos jellemzők

• Hibajárási áram megszakítása: A HV VCB-ek kiválóan alkalmasak a hibajárási áramok megszakítására, különösen a tranzienstávolsági feszültség (TRV) nagyon meredek emelkedésével, mivel gyors dielektrikus helyreállításuk gyorsabb, mint az SF6 átmeneti kapcsolóknál.

• Összeomlás statisztika: Bár a vákuumkapcsolók elméletileg nagyon magas összeomlásfeszültséggel rendelkeznek, relatíve mérsékelt feszültségeknél is kis valószínűséggel fordulhat elő összeomlás. A vákuumkapcsolókban spontán késői összeomlás is bekövetkezhet, a hozzá tartozó események után több száz milliszekundum múlva. Azonban az ilyen események következményei korlátozottak, mivel a vákuumkapcsoló azonnal visszaállítja izolációját. A késői összeomlás rendszerbeli következményei még nem teljesen megértettedek.

• Induktív terhelés váltása: Induktív terhelések, például párhuzamos reaktorok váltásában a HV VCB-ek gyakran tapasztalnak több ismétlődő újraszántatást egy hőmérsékleti frekvenciájú áramnulla során. Ez a vákuum képessége a magasfrekvenciás áramok megszakítására következik. Ezek az újraszántatási transzientek hatásai a működő berendezések, például RC dämperek és fémes-oxid arresterrel interakcióban álló eszközökre nézve jelenleg vizsgálat alatt állak.

• Kondenzátorbankszállító váltása: A kondenzátorbankszállítók váltásakor létfontosságú, hogy elkerüljük a nagyon magas beáramló áramokat, mivel ezek rosszhatásosan befolyásolhatják a kontaktkészlet dielektrikus tulajdonságait előzetes töréspontok révén. Ez a kihívás vonatkozik mind a HV VCB-ekre, mind az SF6 átmeneti kapcsolókra. A csökkentési stratégiák során soros reaktorok vagy irányított váltás használata, bár a HV VCB-ek esetében a gyakorlati tapasztalat korlátozott.

Jövőkép és piaci látalom

Egy felmérés szerint a magasfeszültségű kapcsolók felhasználói között az SF6 hiánya a vákuum technológia fő előnye, feltéve, hogy a külső izoláció is SF6-mentes. Azonban a továbbítási feszültség szintjén a korlátozott szolgáltatási tapasztalat jelentős gyanút vet a HV VCB-ek széles körű elfogadására. Ennek ellenére a vákuum technológia környezeti előnyei és működési előnyei folyamatos érdeklődést és fejlesztést biztosítanak ezen a területen.

A magasfeszültségű vákuum átmeneti kapcsolók (HV VCB-ek) potenciális felhasználói gyakran aggodalommal töltődnek a túlfeszültségekkel kapcsolatban, melyeket az áramvágás és a váltási műveletek során létrejövő röntgensugárzás okoz. Ezek a problémák létfontosságúak a HV VCB-ek biztonságos és megbízható működésének biztosításához, különösen, mivel egyre inkább a továbbítási feszültség szintjére gondolnak.

Röntgensugárzás

Egyes töréspontú eszközök esetén a 145 kV-ig besorolt HV VCB-ek röntgensugárzása normális működési feltételek mellett jelentősen alacsonyabb, mint a 5 µSv/h standardizált határérték. Több töréspontú eszközök még alacsonyabb szintű röntgensugárzást produkálnak. Ez fontos szempont a szabályozási megfelelés és a biztonság szempontjából, hiszen garantálja, hogy a HV VCB-ek telepíthetők anélkül, hogy jelentős sugárzási kockázatot jelentene a személyzetnek vagy a környezetnek.

Pilotprojekt

A válaszadók nagy többsége erős érdeklődést fejezett ki pilotprojekt indítására, hogy gyakorlati tapasztalatot szerezzenek a HV VCB technológiáról. Ilyen projektek lehetővé tennék a villamosenergia-szolgáltatók és a rendszerüzemművesek számára, hogy a HV VCB-ek teljesítményét, megbízhatóságát és működési jellemzőit valós feltételek között értékeljék. Erkölcsi földelő hálózatok ajánlottak ezekhez a pilotprojektjeink, mivel a középfeszültségű rendszerek hálózati feltételei nem mindig összehasonlíthatók a továbbítási feszültségű hálózatokkal, különösen a földelő feltételek tekintetében. Ez a megközelítés segíti, hogy a szerezhető tapasztalatok relevánsak és alkalmazhatók legyenek a továbbítási szintű alkalmazásokhoz.

Standardizáció

A jelenlegi IEC átmeneti kapcsoló szabvány, IEC 62271-100, nagy hangsúlyt fektet az SF6 kapcsolási technológiára, ami nem teljesen tükrözi a vákuum kapcsolási technológia egyedi jellemzőit és kihívásait. Például azok a próbaigények, amelyek kihívást jelentenek az SF6 számára, mint a rövidvonali hibajárási próbak, nem feltétlenül kritikusak a vákuum technológiában. Ugyanakkor a folyamatos helyreállító feszültség alkalmazása a szintetikus próba során, ami kevésbé releváns az SF6 esetében, fontosabb lehet a vákuum töréspontokban a késői összeomlás hiányának bizonyításához. Ahogy a HV VCB-ek egyre nagyobb terjedelmet nyernek, lehet, hogy a meglévő szabványokat felül kell vizsgálni vagy kiegészíteni, hogy jobban illeszkedjenek a vákuum technológiához.

Az SF6-mentes tervezés technikai következményei

Ha az SF6 hiányzik külső izoláló médiumként, más technikai következményeket is figyelembe kell venni. Például a helyettesítő izolációs módszerek magasabb nyomást, nagyobb súlyt, nagyobb lábatlanot vagy más tervezési megfontolásokat igényelhetnek, hogy megfelelő izolációs teljesítményt biztosítsanak. A gyártók aktívan kutatják ezeket a helyettesítő megoldásokat, hogy megfelelő helyettesítőket fejlesszenek az SF6 számára, de amíg egy új technológia, amely minden feszültségi besorolást lefed, található, addig az SF6 valószínűleg továbbra is szükséges lesz bizonyos továbbítási hálózati alkalmazásokhoz.

Gyártói elkötelezettség

A gyártók elkötelezettek a SF6 technológia ipari megfelelő alternatívainak fejlesztésére és elérhetővé tételére. Bár az SF6 a magasfészültségű alkalmazásokban domináns izoláló gázként szolgált, kiváló dielektrikus tulajdonságai miatt, az SF6-hez kapcsolódó környezeti aggályok, különösen a magas globális felmelegedési potenciálja, a zöldebb megoldások kutatását és fejlesztését indították. A HV VCB-ek egy ilyen megoldást jelentenek, kiegyensúlyozott alternatívát kínálva olyan alkalmazásokban, ahol gyakori kapcsolási műveletek és alacsonyabb karbantartási igények szükségesek. Azonban az SF6-től való átmenet lassan zajlik, mivel a gyártók folyamatosan innoválják és finomítják az új technológiákat, hogy a villamosenergia-ipar diverzifikált igényeit kielégítsék.