Korte Geschiedenis van het Verleden en Heden van Hoogspanningsvacuümschakelaars
Hoogspanningsvacuümschakelaars: Een overzicht
Inleiding
Hoogspanningsvacuümschakelaars (HV VCBs) zijn opgekomen als een haalbare alternatief voor traditionele SF6-gasgeïsoleerde schakelaars, vooral in toepassingen waar frequente schakeling en lagere onderhoudskosten cruciaal zijn. Sinds 2014 worden HV VCBs steeds vaker gebruikt als alternatief voor hoogspanningsgasschakelaars, met een groener en duurzamer oplossing door het gebruik van SF6, een krachtig broeikasgas, te elimineren.
Vacuümuitrusting wordt al meer dan drie decennia uitgebreid gebruikt in distributiesystemen, voornamelijk voor het maken en verbreken van foutstromen en het schakelen van verschillende soorten belastingen. De betrouwbaarheid en prestaties van vacuüm-schakeltechnologie in de middenspanningsklasse (tot 52 kV) waren uitzonderlijk, wat leidde tot haar dominantie in distributiesystemen. Echter, pogingen om vacuüm-schakeltechnologie uit te breiden naar transmissiespanningsniveaus begonnen al in de jaren zestig, met belangrijke mijlpalen bereikt rond 1980 toen de eerste hoogspanningsvacuümschakelaars in Japan werden geïnstalleerd. Tegen 2010 stonden ongeveer 10.000 HV VCBs in bedrijf, voornamelijk in industriële omgevingen, maar ook in nutsbedrijfsapplicaties. De voorkeur voor vacuümtechnologie boven SF6 werd gedreven door de mogelijkheid om frequent te schakelen en lagere onderhoudseisen.
In de Verenigde Staten zijn vacuümcondensatorbankschakelaars al enkele decennia in gebruik bij spanningen tot 242 kV. Rond 2008 richtten intensieve onderzoeks- en ontwikkelingsprogramma's in China en Europa zich op het ontwikkelen van HV VCBs, met de focus op het verminderen of elimineren van het gebruik van SF6. Dit leidde tot de introductie van producten die kunnen werken bij spanningen tot 145 kV. In China wordt de snelle adoptie van HV VCBs in commerciële toepassingen verwacht voort te zetten, met honderden apparaten al in gebruik bij spanningen tot 126 kV. In Europa zijn veldtests aan de gang om de prestaties van typegeteste apparaten te valideren voordat ze op de markt komen.
Technologie en Ontwerp
Alle HV VCB-producten zijn gebaseerd op de goed gevestigde middenspanningsvacuüm-interruptortechnologie, die in de loop der jaren is verfijnd. Geen fundamenteel nieuwe technische kenmerken waren nodig om deze technologie uit te breiden naar hogere spanningsniveaus. De hoofduitdaging ligt in het schalen van de geometrie van de interruptor om hogere spanningclassificaties te accommoderen. Bijvoorbeeld, de diameter en de contactafstand moeten worden vergroot om spanningen boven 52 kV te hanteren. In sommige gevallen, voor spanningen boven 126 kV, worden twee vacuüm-interruptoren in serie gebruikt om betrouwbare werking te garanderen.
Operationele Kenmerken
Normale Stromen Handhaben: Voor normale stromen tot 2.500 A zijn er geen significante verschillen tussen HV VCBs en SF6-schakelaars. Echter, het behalen van hogere stroomratings (boven 2.500 A) in HV VCBs is uitdagend vanwege warmtegeneratie van de contactstructuur en de beperkte warmteoverdrachtscapaciteit van de interruptor.
Monitoring: Het is eenvoudiger om de kwaliteit van het interruptiemedium in SF6-schakelaars te monitoren, omdat het vacuüm in HV VCBs niet praktisch kan worden gemeten tijdens de dienst.
Schakeloperaties: HV VCBs kunnen een hoger aantal schakeloperaties uitvoeren vergeleken met SF6-schakelaars, vanwege de superieure duurzaamheid van het vacuümcontactstelsel tegenover boogvorming. Dit maakt vacuümtechnologie bijzonder aantrekkelijk voor toepassingen die frequente schakeling vereisen, zoals dagelijkse operaties.
Aandrijfenergie: Bij een typische rating van 72,5 kV is de aandrijfenergie die nodig is voor een vacuümschakelaar aanzienlijk lager—ongeveer 20% van dat wat nodig is voor een gelijkwaardige SF6-schakelaar. De fysieke afmetingen van de twee types apparatuur zijn vergelijkbaar.
Interruptorconfiguratie: Boven 145 kV kunnen HV VCBs meer dan één interruptor in serie nodig hebben, terwijl SF6-technologie sinds 1994 succesvol single-break schakelaars heeft geïmplementeerd tot 550 kV, die wijdverspreid worden gebruikt in veel landen.
Boogkenmerken: De boogspanning in HV VCBs is veel lager dan in SF6-schakelaars, meestal variërend van tientallen volts vergeleken met honderden volts in SF6. Bovendien is de duur van de boog tijdens foutschakeling korter in vacuümuitrusting, met een minimale boogtijd van 5-7 ms vergeleken met 10-15 ms voor SF6-schakelaars. Dit resulteert in een hoger aantal mogelijke schakeloperaties voor HV VCBs.
Röntgenstraling: HV VCBs met nominale spanningen tot 145 kV emittent röntgenstraling binnen de gestandaardiseerde limiet van 5 µSv/h onder normale bedrijfsomstandigheden. SF6-schakelaars emittent geen röntgenstraling.
Elektrische Kenmerken
Foutstroomonderbreking: HV VCBs excelleren in het onderbreken van foutstromen met zeer steile stijgingen van de tijdelijke herstelspanning (TRV) vanwege hun snelle dielectrische herstel, wat sneller is dan dat van SF6-schakelaars.
Doorbraakstatistieken: Hoewel vacuüm-interruptoren theoretisch zeer hoge doorbraakspanningen hebben, is er een kleine kans op doorbraak bij relatief matige spanningen. Vacuüm-interruptoren kunnen ook spontane late doorbraken ervaren, die tot enkele honderden milliseconden na de stroomonderbreking kunnen optreden. Echter, de gevolgen van dergelijke gebeurtenissen zijn beperkt omdat de vacuüm-interruptor onmiddellijk zijn isolatie herstelt. De systeemimplicaties van late doorbraken zijn nog niet volledig begrepen.
Inductieve Belastingschakeling: In toepassingen met inductieve belastingen, zoals schakeling van parallelreactors, ervaren HV VCBs vaak een hoger aantal herhaalde herontbrandingen bij één netfrequentie stroomnulpunt. Dit komt door de mogelijkheid van vacuüm om hoge-frequente stromen die volgen op herontbranding te onderbreken. De effecten van deze herontbrandingtransiënten op interactieve apparatuur, zoals RC-dempers en metaloxide-arresters, worden momenteel onderzocht.
Condensatorbank Schakeling: Bij het schakelen van condensatorbanken is het cruciaal om zeer hoge inrush-stromen te vermijden, omdat deze de dielectrische eigenschappen van het contactstelsel kunnen degraderen door voorafgaande boogvorming. Deze uitdaging geldt zowel voor HV VCBs als voor SF6-schakelaars. Verminderingstrategieën omvatten het gebruik van serie-reactoren of gecontroleerd schakelen, hoewel er beperkte veldervaring is met laatste voor HV VCBs.
Toekomstige Perspectieven en Marktperspectief
Een enquête onder gebruikers van hoogspanningsuitrusting toonde aan dat het ontbreken van SF6 wordt gezien als het belangrijkste voordeel van vacuümuitrusting, mits de externe isolatie ook SF6-vrij is. Echter, het ontbreken van uitgebreide dienstervaring op transmissiespanningsniveaus blijft een significant aarzeling voor de wijdverspreide adoptie van HV VCBs. Ondanks dit, drijven de milieuvoordelen en operationele voordelen van vacuümtechnologie blijvende interesse en ontwikkeling in dit gebied.
Potentiële gebruikers van hoogspanningsvacuümschakelaars (HV VCBs) stellen vaak zorgen over het genereren van overspanningen door stroomverlies en de mogelijkheid van röntgenstraling tijdens schakeloperaties. Deze kwesties zijn cruciaal voor het veilig en betrouwbaar functioneren van HV VCBs, vooral als ze steeds vaker worden beschouwd voor transmissiespanningsapplicaties.
Röntgenstraling
Voor single-break apparaten blijven röntgenemissies van HV VCBs met nominale spanningen tot en met 145 kV aanzienlijk onder de gestandaardiseerde limiet van 5 µSv/h onder normale bedrijfsomstandigheden. Multiple-break apparaten tonen zelfs nog lagere niveaus van röntgenemissies. Dit is een belangrijk aspect voor naleving van regelgeving en veiligheid, aangezien het ervoor zorgt dat HV VCBs kunnen worden ingezet zonder aanzienlijke stralingsrisico's voor personeel of het milieu.
Pilotprojecten
Een groot deel van de respondenten gaf aan sterk geïnteresseerd te zijn in het starten van pilotprojecten om praktijkervaring op te doen met HV VCB-technologie. Dergelijke projecten zouden nutsbedrijven en systeemoperators in staat stellen de prestaties, betrouwbaarheid en operationele kenmerken van HV VCBs in reële omstandigheden te evalueren. Stevig aangederde netwerken worden aanbevolen voor deze pilotprojecten, aangezien de netwerkcondities in middenspanningsystemen niet altijd vergelijkbaar zijn met die in transmissiespanningsnetwerken, vooral met betrekking tot aardingcondities. Deze benadering zal helpen om ervoor te zorgen dat de verkregen ervaringen relevant en toepasbaar zijn voor transmissieniveau-applicaties.
Standardisatie
De huidige IEC-schakelaarstandaard, IEC 62271-100, heeft een sterke focus op SF6-schakeltechnologie, die misschien niet volledig rekening houdt met de unieke kenmerken en uitdagingen van vacuüm-schakeltechnologie. Bijvoorbeeld, testopdrachten die uitdagend zijn voor SF6, zoals kortlijnfouttests, kunnen minder kritisch zijn voor vacuümtechnologie. Omgekeerd, de toepassing van continue herstelspanning in synthetisch testen, die minder relevant is voor SF6, kan belangrijker zijn voor het aantonen van het ontbreken van late doorbraken in vacuüminterruptoren. Naarmate HV VCBs meer grip krijgen, kan er een behoefte bestaan om de bestaande standaarden te herzien of aan te vullen om vacuümtechnologie beter te bevatten.
Technische Implicaties van SF6-Vrije Ontwerpen
Wanneer SF6 ontbreekt als externe isolatiemiddel, moeten andere technische implicaties worden overwogen. Bijvoorbeeld, alternatieve isolatiemethoden kunnen hogere druk, verhoogd gewicht, grotere voetafdruk of andere ontwerpeisen vereisen om adequate isolatieprestaties te garanderen. Fabrikanten onderzoeken actief deze alternatieven om haalbare vervangingen voor SF6 te ontwikkelen, maar totdat een nieuwe technologie wordt gevonden die alle spanningclassificaties kan dekken, zal SF6 waarschijnlijk essentieel blijven voor bepaalde transmissienetwerkapplicaties.
Fabrikantengagement
Fabrikanten zijn toegewijd aan het ontwikkelen en beschikbaar maken van industrieel haalbare alternatieven voor SF6-technologie. Hoewel SF6 de dominante isolerende gas is geweest voor hoogspanningsapplicaties vanwege zijn uitstekende dielectrische eigenschappen, hebben de milieuzorgen die gepaard gaan met SF6, vooral zijn hoge potentieel voor globale opwarming, de zoektocht naar groenere oplossingen aangewakkerd. HV VCBs vertegenwoordigen zo'n oplossing, die een duurzaam alternatief biedt voor toepassingen waar frequente schakeling en lagere onderhoudseisen vereist zijn. Echter, de overgang weg van SF6 zal geleidelijk zijn, aangezien fabrikanten doorgaan met innovatie en verfijning van nieuwe technologieën om aan de diverse behoeften van de energie-industrie te voldoen.
