Kort historie om fortiden og nutiden for høyspenningvakuumkretsbruddere

Høyspenningsvakuumkretsutslagere: En oversikt

Introduksjon

Høyspenningsvakuumkretsutslagere (HV VCBs) har vist seg å være en realistisk alternativ til tradisjonelle SF6-gasisolerte kretsutslagere, spesielt i applikasjoner der ofte skiftende og lavere vedlikeholdsutgifter er avgjørende. Siden 2014 har HV VCBs blitt stadig mer anvendt som et alternativ til høyspenningsgaskretsutslagere, og de tilbyr en grønnere og mer bærekraftig løsning ved å eliminere bruk av SF6, en kraftig drivhusgass.

Vakuumstyring har vært omfattende brukt i distribusjonssystemer i over tre tiår, hovedsakelig for å lage og bryte feilstrømmer og skifte laster av ulike typer. Påliteligheten og ytelsen til vakuumstyringsteknologi i mellomspenningsområdet (opp til 52 kV) har vært fremragende, noe som har ført til dens dominans i distribusjonssystemer. Imidlertid begynte forsøk på å utvide vakuumstyringsteknologi til overføringsvoltage nivåer tidlig som i 1960-årene, med betydelige milepæl oppnådd rundt 1980 da de første høyspenningsvakuumkretsutslagerene ble installert i Japan. Omkring 2010 var ca. 10.000 HV VCBs i drift, hovedsakelig i industrielle miljøer, men også i energiapplikasjoner. Fortrinnet for vakuumteknologi over SF6 ble drevet av dens evne til å håndtere ofte skiftende operasjoner og lavere vedlikeholdsbehov.

I USA har vakuumkapasitivbænkskifter blitt brukt i flere tiår ved spenninger opp til 242 kV. Omkring 2008 ble intensiv forskning og utvikling (R&D) program i Kina og Europa rettet mot å utvikle HV VCBs, med fokus på å redusere eller eliminere bruk av SF6. Dette førte til innføringen av produkter som kan operere ved spenninger opp til 145 kV. I Kina forventes den raske overgangen til HV VCBs i kommersielle applikasjoner å fortsette, med hundrevis av enheter allerede i tjeneste ved voltage nivåer opp til 126 kV. I Europa pågår felttester for å validere ytelsen til typeprøvede enheter før de kommer på markedet.

Teknologi og design

Alle HV VCB-produkter er basert på den godt etablerte mellomspenningsvakuumavbryterteknologien, som har blitt forbedret gjennom årene. Ingen grunnleggende nye tekniske funksjoner var nødvendige for å utvide denne teknologien til høyere voltage nivåer. Den primære utfordringen ligger i å skala geometrien til avbryteren for å akkommodere høyere voltage-ranger. For eksempel må diameter og kontaktavstand økes for å håndtere spenninger over 52 kV. I noen tilfeller, for spenninger over 126 kV, brukes to vakuumavstander i serie for å sikre pålitelig drift.

Operasjonelle egenskaper

• Vanlig strømbehandling: For vanlige strømer opp til 2.500 A, er det ingen signifikante forskjeller mellom HV VCBs og SF6-kretsutslagere. Imidlertid er det utfordrende å oppnå høyere strømranger (over 2.500 A) i HV VCBs på grunn av varmegenerering fra kontaktstrukturen og den begrensete varmeoverføringskapasiteten til avbryteren.

• Overvåking: Det er lettere å overvåke kvaliteten på avbrytningsmediumet i SF6-kretsutslagere, da graden av vakuum i HV VCBs ikke praktisk kan overvåkes under drift.

• Skifteoperasjoner: HV VCBs kan utføre et høyere antall skifteoperasjoner sammenlignet med SF6-kretsutslagere på grunn av den superiore holdbarheten til vakuumkontakt systemet mot buedannelse. Dette gjør vakuumteknologi spesielt attraktiv for applikasjoner som krever ofte skifte, som daglige operasjoner.

• Dreiveenergi: Ved et typisk 72,5 kV-rating, er dreiveenergien som kreves for en vakuumkretsutslager betydelig lavere - omtrent 20% av det som kreves for en tilsvarende SF6-kretsutslager. De fysiske størrelsene til de to typene enheter er sammenlignbare.

• Avbryterkonfigurasjon: Over 145 kV, kan HV VCBs kreve mer enn én avbryter i serie, mens SF6-teknologi har implementert single-break kretsutslagere opp til 550 kV siden 1994, som er vidt anvendt i mange land.

• Buedannelsesegenskaper: Buespenningen i HV VCBs er mye lavere enn i SF6-kretsutslagere, typisk i tiervintalls volt sammenlignet med hundrevis av volt i SF6. I tillegg er varigheten av buen under feilsifte kortere i vakuumstyringsutstyr, med en minimumsbuevarighet på 5-7 ms sammenlignet med 10-15 ms for SF6-kretsutslagere. Dette resulterer i et høyere antall mulige skifteoperasjoner for HV VCBs.

• Røntgenstråling: HV VCBs med rated spenninger opp til 145 kV utsteder røntgenstråling innenfor standardisert grense på 5 µSv/h under normale driftsforhold. SF6-kretsutslagere utsteder ikke røntgenstråling.

Elektriske egenskaper

• Feilstrømsavbryting: HV VCBs er flinke til å avbryte feilstrømmer med meget bratte stigninger i midlertidig gjenopprettingsvoltage (TRV) på grunn av deres hurtige dielektriske gjenoppretting, som er raskere enn for SF6-kretsutslagere.

• Nedbrytningsstatistikk: Mens vakuumavstander teoretisk har veldig høye nedbrytningsvoltager, er det en liten sjanse for nedbrytning ved relativt moderate spenninger. Vakuumavstander kan også oppleve spontan sen nedbrytning, som forekommer opp til flere hundre millisekunder etter strømavbryting. Imidlertid er konsekvensene av slike hendelser begrenset fordi vakuumavstanden umiddelbart gjenoppretter sin isolasjon. Systemimplikasjonene av sen nedbrytning er ikke helt forstått enda.

• Induktiv lastskifting: I applikasjoner som involverer induktive laster, som parallellreaktor skifting, neiger HV VCBs til å oppleve et høyere antall repeterende genopplysninger ved ett nettfrekvensstrømnullpunkt. Dette skyldes vakuumets evne til å avbryte høyfrekvensstrømmer som følger genopplysning. Effektene av disse genopplysningstransientene på interagerende apparater, som RC-dempere og metalloksidarrester, undersøkes for tiden.

• Kapasitivbænkskifting: Når man skifter kapasitivbænker, er det viktig å unngå svært høye inrush-strømer, da de kan forverre dielektriske egenskaper av kontakt systemet gjennom forhåndsark. Denne utfordringen gjelder både HV VCBs og SF6-kretsutslagere. Minskende strategier inkluderer bruk av serie reaktorer eller kontrollert skifting, selv om det er begrenset felt erfaring med det siste for HV VCBs.

Fremtidige perspektiver og markedsoppfatning

En undersøkelse blant brukere av høyspenningsstyringsutstyr avdekket at fraværet av SF6 ses som den primære fordel av vakuumstyring, forutsatt at den eksterne isolasjonen også er SF6-fri. Imidlertid er mangel på omfattende service erfaring ved overføringsvoltage nivåer fortsatt en betydelig tøven for bred anvendelse av HV VCBs. Til tross for dette, driver miljømessige fordeler og driftsmessige fortrinn av vakuumteknologi fortsatt interesse og utvikling i dette området.

Potensielle brukere av høyspenningsvakuumkretsutslagere (HV VCBs) hefter ofte bekymringer om generering av overvoltage på grunn av strømbryting og muligheten for røntgenstråling under skifteoperasjoner. Disse problemene er kritiske for å sikre trygg og pålitelig drift av HV VCBs, spesielt som de blir mer og mer betraktet for overføringsvoltage applikasjoner.

Røntgenstråling

For enkeltslagenheter, er røntgenstrålingen fra HV VCBs med rated spenninger opp til og inkludert 145 kV langt under standardisert grense på 5 µSv/h under normale driftsforhold. Flerslagenheter viser enda lavere nivåer av røntgenstråling. Dette er en viktig overveielse for regulær overholdelse og sikkerhet, da det sikrer at HV VCBs kan settes i drift uten å representere betydelige strålingsrisikoer for personell eller miljøet.

Pilotprosjekter

Et stort flertall av respondenter uttrykte et sterkt interesse for å starte pilotprosjekter for å få praktisk erfaring med HV VCB-teknologi. Slike prosjekter vil tillate nettverksdriftsorganer og systemoperatører å evaluere ytelsen, påliteligheten og driftsegenskapene til HV VCBs i virkelige forhold. Fast jordede nettverk anbefales for disse pilotprosjektene, da nettverksforholdene i mellomspenningsystemer ikke alltid er sammenlignbare med de i overføringsvoltage-nettverk, spesielt angående jordingsforhold. Denne tilnærmingen vil bidra til å sikre at erfaringene som oppnås, er relevante og anvendelige for overføringsnivå-applikasjoner.

Standardisering

Den nåværende IEC-kretsutslagerstandarden, IEC 62271-100, har et sterk fokus på SF6-skyvingsteknologi, som kanskje ikke fullt ut dekker de unike egenskapene og utfordringene ved vakuumskyving. For eksempel, prøvetak som er utfordrende for SF6, som kortlinje feilprøver, kan ikke være like kritiske for vakuumteknologi. Omvendt, anvendelsen av kontinuerlig gjenopprettingsvoltage i syntetisk testing, som er mindre relevant for SF6, kan være mer viktig for å demonstrere fraværet av sen nedbrytning i vakuumavbrytere. Som HV VCBs får mer fotfeste, kan det være nødvendig å revurdere eller supplere de eksisterende standardene for å bedre akkommodere vakuumteknologi.

Tekniske implikasjoner av SF6-fritt design

Når SF6 mangler som eksternt isolasjonsmedium, må andre tekniske implikasjoner tas i betraktning. For eksempel, alternative isolasjonsmetoder kan kreve høyere trykk, økt vekt, større fotavtrykk, eller ulike designoverveielser for å sikre adekvat isolasjonsytelse. Produsenter utforsker aktivt disse alternativene for å utvikle gjennomførbare erstatter for SF6, men til en ny teknologi som kan dekke alle voltage-ranger er funnet, vil SF6 sannsynligvis forbli nødvendig for visse overføringsnettverksapplikasjoner.

Produsentengasjement

Produsenter er engasjert i å utvikle og tilby industrielt gjennomførbare alternativer til SF6-teknologi. Mens SF6 har vært den dominerende isoleringsgassen for høyspenningsapplikasjoner på grunn av sine fremragende dielektriske egenskaper, har miljømessige bekymringer knyttet til SF6, spesielt dets høye potensial for global oppvarming, drevet søket etter grønnere løsninger. HV VCBs representerer et slikt løsning, som tilbyr en bærekraftig alternativ for applikasjoner der ofte skiftende og lavere vedlikeholdsbehov er nødvendig. Imidlertid vil overgangen bort fra SF6 være gradvis, da produsenter fortsetter å innovere og forfines nye teknologier for å møte de diverse behovene i energibransjen.