Sejarah Ringkas Lampau dan Kini Penghenti Litar Vakum Tegangan Tinggi
Pengetengah Arus Vakum Voltan Tinggi: Gambaran Umum
Pendahuluan
Pengetengah arus vakum voltan tinggi (HV VCBs) telah muncul sebagai alternatif yang layak untuk pengetengah arus isolasi gas SF6 tradisional, terutama dalam aplikasi di mana penggantian sering dan kos penyelenggaraan yang lebih rendah adalah penting. Sejak 2014, HV VCBs semakin diterima sebagai alternatif untuk pengetengah arus gas voltan tinggi, menawarkan solusi yang lebih hijau dan mampan dengan menghilangkan penggunaan SF6, gas rumah hijau yang kuat.
Peralatan beralih vakum telah digunakan secara meluas dalam sistem pengagihan selama lebih dari tiga dekad, terutama untuk membuat dan memutuskan arus kerosakan dan beban berbagai jenis. Kebolehpercayaan dan prestasi teknologi beralih vakum dalam julat voltan sederhana (hingga 52 kV) telah luar biasa, menjadikannya dominan dalam sistem pengagihan. Walau bagaimanapun, usaha untuk memperluaskan teknologi beralih vakum ke tahap voltan transmisi bermula sejak 1960-an, dengan pencapaian signifikan pada tahun 1980 apabila pengetengah arus vakum voltan tinggi pertama dipasang di Jepun. Pada tahun 2010, kira-kira 10,000 HV VCBs sedang beroperasi, kebanyakannya dalam setelan industri tetapi juga dalam aplikasi utiliti. Keutamaan teknologi vakum daripada SF6 didorong oleh keupayanya untuk menangani operasi beralih sering dan keperluan penyelenggaraan yang lebih rendah.
Di Amerika Syarikat, beralih bank kapasitor vakum telah digunakan selama beberapa dekad pada voltan hingga 242 kV. Sekitar tahun 2008, program riset dan pembangunan (R&D) intensif di China dan Eropah bertujuan untuk mengembangkan HV VCBs, dengan fokus pada mengurangkan atau menghapuskan penggunaan SF6. Ini membawa kepada pengenalan produk yang mampu beroperasi pada voltan hingga 145 kV. Di China, penerimaan pantas HV VCBs dalam aplikasi komersial dijangka akan berterusan, dengan ratusan unit sudah dalam perkhidmatan pada tahap voltan hingga 126 kV. Di Eropah, ujian lapangan sedang berlangsung untuk mengesahkan prestasi peranti yang telah diuji sebelum mereka memasuki pasaran.
Teknologi dan Reka Bentuk
Semua produk HV VCB berdasarkan teknologi pemutus vakum voltan sederhana yang telah mapan, yang telah disempurnakan sepanjang tahun. Tidak ada ciri teknikal asas baru yang diperlukan untuk memperluas teknologi ini ke tahap voltan yang lebih tinggi. Cabaran utama terletak pada penskalaan geometri pemutus untuk menampung penarafan voltan yang lebih tinggi. Sebagai contoh, diameter dan jarak kontak harus ditingkatkan untuk menangani voltan di atas 52 kV. Dalam beberapa kes, untuk voltan melebihi 126 kV, dua jurang vakum dalam siri digunakan untuk memastikan operasi yang boleh dipercayai.
Ciri-ciri Operasi
Penanganan Arus Normal: Untuk arus normal hingga 2,500 A, tidak ada perbezaan signifikan antara HV VCBs dan pengetengah arus SF6. Walau bagaimanapun, mencapai penarafan arus yang lebih tinggi (di atas 2,500 A) dalam HV VCBs adalah sukar kerana penghasilan haba dari struktur kontak dan kemampuan pengaliran haba yang terhad dari pemutus.
Pemantauan: Lebih mudah untuk memantau kualitas medium pemutusan dalam pengetengah arus SF6, kerana darjah vakum dalam HV VCBs tidak dapat dipantau secara praktis semasa perkhidmatan.
Operasi Beralih: HV VCBs boleh melakukan lebih banyak operasi beralih berbanding pengetengah arus SF6 kerana ketahanan sistem kontak vakum yang lebih baik terhadap busur api. Ini menjadikan teknologi vakum sangat menarik untuk aplikasi yang memerlukan beralih sering, seperti operasi harian.
Tenaga Penggerak: Pada penarafan biasa 72.5 kV, tenaga penggerak yang diperlukan untuk pengetengah arus vakum secara signifikan lebih rendah—sekitar 20% daripada yang diperlukan untuk pengetengah arus SF6 yang setara. Saiz fizikal kedua-dua jenis peranti ini adalah setanding.
Konfigurasi Pemutus: Di atas 145 kV, HV VCBs mungkin memerlukan lebih dari satu pemutus dalam siri, manakala teknologi SF6 telah berhasil melaksanakan pengetengah arus single-break hingga 550 kV sejak 1994, yang digunakan secara meluas di banyak negara.
Ciri-ciri Busur Api: Voltan busur api dalam HV VCBs jauh lebih rendah daripada pengetengah arus SF6, biasanya berkisar dari puluhan volt berbanding ratusan volt dalam SF6. Selain itu, tempoh busur api semasa beralih kerosakan lebih pendek dalam peralatan beralih vakum, dengan masa busur minimum 5–7 ms berbanding 10–15 ms untuk pengetengah arus SF6. Ini menghasilkan jumlah operasi beralih yang lebih tinggi untuk HV VCBs.
Emisi X-ray: HV VCBs dengan voltan penarafan hingga 145 kV mengeluarkan X-ray dalam had piawai 5 µSv/h dalam keadaan operasi normal. Pengetengah arus SF6 tidak mengeluarkan X-ray.
Ciri-ciri Elektrik
Pemutusan Arus Kerosakan: HV VCBs unggul dalam memutuskan arus kerosakan dengan kadar peningkatan voltan pemulihan transien (TRV) yang sangat curam kerana pemulihan dielektrik yang cepat, yang lebih pantas daripada pengetengah arus SF6.
Statistik Kebocoran: Walaupun jurang vakum secara teori mempunyai voltan kebocoran yang sangat tinggi, terdapat kebarangkalian kecil kebocoran pada voltan yang relatif sederhana. Jurang vakum juga boleh mengalami kebocoran spontan yang lewat, berlaku hingga beberapa ratus milisekon selepas pemutusan arus. Walau bagaimanapun, akibat peristiwa tersebut terbatas kerana jurang vakum segera memulihkan insulasinya. Implikasi sistem kebocoran yang lewat belum sepenuhnya difahami.
Beralih Beban Induktif: Dalam aplikasi yang melibatkan beban induktif, seperti beralih reaktor shunt, HV VCBs cenderung mengalami lebih banyak penghidupan semula berulang pada satu sifar arus frekuensi kuasa. Ini disebabkan oleh keupayaan vakum untuk memutuskan arus frekuensi tinggi yang mengikut penghidupan semula. Efek transien penghidupan semula ini terhadap peralatan interaksi, seperti snubber RC dan pemutus logam oksida, sedang dikaji.
Beralih Bank Kapasitor: Apabila beralih bank kapasitor, adalah penting untuk mengelakkan arus masuk yang sangat tinggi, kerana ia boleh merosakkan sifat dielektrik sistem kontak melalui busur api pra-hidup. Cabaran ini berlaku untuk kedua-dua HV VCBs dan pengetengah arus SF6. Strategi mitigasi termasuk penggunaan reaktor siri atau beralih terkawal, walaupun pengalaman lapangan dengan yang terakhir untuk HV VCBs masih terbatas.
Prospek Masa Depan dan Persepsi Pasaran
Survei yang dijalankan di kalangan pengguna peralatan beralih voltan tinggi menunjukkan bahawa ketiadaan SF6 dilihat sebagai kelebihan utama peralatan beralih vakum, dengan syarat insulasi luar juga bebas SF6. Walau bagaimanapun, kekurangan pengalaman perkhidmatan yang luas pada tahap voltan transmisi masih menjadi kebimbangan yang signifikan untuk penerimaan meluas HV VCBs. Walaupun begitu, faedah alam sekitar dan kelebihan operasi teknologi vakum mendorong minat dan pembangunan berterusan dalam bidang ini.
Pengguna potensial pengetengah arus vakum voltan tinggi (HV VCBs) sering mengeluarkan kebimbangan tentang generasi overvoltages disebabkan oleh pemotongan arus dan kemungkinan emisi X-ray semasa operasi beralih. Isu-isu ini penting untuk memastikan operasi HV VCBs yang selamat dan boleh dipercayai, terutama apabila mereka semakin dipertimbangkan untuk aplikasi voltan transmisi.
Emisi X-ray
Untuk peranti single-break, emisi X-ray dari HV VCBs dengan voltan penarafan hingga dan termasuk 145 kV tetap jauh di bawah had piawai 5 µSv/h dalam keadaan operasi normal. Peranti multiple-break menunjukkan tahap emisi X-ray yang bahkan lebih rendah. Ini adalah pertimbangan penting untuk patuhan peraturan dan keselamatan, kerana ia memastikan HV VCBs boleh dikerahkan tanpa menimbulkan risiko radiasi yang signifikan kepada pekerja atau alam sekitar.
Projek Uji Coba
Sebahagian besar responden menunjukkan minat yang kuat untuk memulakan projek uji coba untuk mendapatkan pengalaman praktis dengan teknologi HV VCB. Projek-projek ini akan membolehkan utiliti dan operator sistem menilai prestasi, kebolehpercayaan, dan ciri-ciri operasi HV VCBs dalam keadaan sebenar. Rangkaian yang ditanah solid direkomendasikan untuk projek uji coba ini, kerana keadaan rangkaian dalam sistem voltan sederhana tidak selalu setanding dengan keadaan dalam rangkaian voltan transmisi, terutama mengenai keadaan penanahan. Pendekatan ini akan membantu memastikan pengalaman yang diperoleh relevan dan boleh diterapkan pada aplikasi tahap transmisi.
Standardisasi
Standard IEC circuit breaker semasa, IEC 62271-100, mempunyai fokus yang kuat pada teknologi beralih SF6, yang mungkin tidak sepenuhnya menangani ciri-ciri unik dan cabaran teknologi beralih vakum. Sebagai contoh, tugas ujian yang mencabar untuk SF6, seperti ujian kerosakan garis pendek, mungkin tidak setakat itu kritikal untuk teknologi vakum. Sebaliknya, penggunaan voltan pemulihan berterusan dalam ujian sintetik, yang kurang relevan untuk SF6, mungkin lebih penting untuk menunjukkan ketiadaan kebocoran yang lewat dalam pemutus vakum. Seiring dengan peningkatan traksi HV VCBs, mungkin ada keperluan untuk merevisi atau melengkapkan standard sedia ada untuk lebih menampung teknologi vakum.
Implikasi Teknikal Reka Bentuk Bebas SF6
Apabila SF6 tiada sebagai medium insulasi luar, implikasi teknikal lain perlu dipertimbangkan. Sebagai contoh, kaedah insulasi alternatif mungkin memerlukan tekanan yang lebih tinggi, berat yang lebih besar, jejak yang lebih besar, atau pertimbangan reka bentuk yang berbeza untuk memastikan prestasi insulasi yang mencukupi. Pembuat sedang aktif mengeksplorasi alternatif-alternatif ini untuk mengembangkan pengganti yang layak bagi SF6, tetapi sehingga teknologi baru yang dapat menutupi semua penarafan voltan ditemui, SF6 mungkin akan tetap penting untuk beberapa aplikasi rangkaian transmisi.
Komitmen Pembuat
Pembuat berkomitmen untuk mengembangkan dan menyediakan alternatif yang layak secara industri bagi teknologi SF6. Walaupun SF6 telah menjadi gas insulasi dominan untuk aplikasi voltan tinggi disebabkan sifat dielektriknya yang luar biasa, kebimbangan alam sekitar yang berkaitan dengan SF6, terutama potensi pemanasan global yang tinggi, telah mendorong pencarian untuk penyelesaian yang lebih hijau. HV VCBs mewakili salah satu penyelesaian tersebut, menawarkan alternatif yang mampan untuk aplikasi di mana beralih sering dan penyelenggaraan yang lebih rendah diperlukan. Walau bagaimanapun, transisi dari SF6 akan beransur-ansur, kerana pembuat terus berinovasi dan menyempurnakan teknologi baru untuk memenuhi keperluan pelbagai industri tenaga.
