Krótka historia przeszłości i teraźniejszości wysokonapięciowych wypłaszczalników próżniowych

Wysokoenergetyczne wypłynowe wyłączniki obwodowe: Przegląd

Wstęp

Wysokoenergetyczne wypłynowe wyłączniki obwodowe (HV VCBs) stały się realistyczną alternatywą dla tradycyjnych wyłączników obwodowych z gazem izolacyjnym SF6, szczególnie w zastosowaniach wymagających częstego przełączania i niższych kosztów konserwacji. Od 2014 roku HV VCBs są coraz częściej stosowane jako alternatywa dla wysokonapiętowych wyłączników obwodowych z gazem, oferując ekologiczniejsze i bardziej zrównoważone rozwiązanie poprzez eliminację użycia SF6, potężnego gazu cieplarnianego.

Aparatura wypłynowa jest szeroko stosowana w systemach dystrybucji od ponad trzech dekad, głównie do rozłączania prądów uszkodzeniowych i przełączania różnych typów obciążeń. Niezawodność i wydajność technologii wypłynowej w zakresie średniego napięcia (do 52 kV) były wyjątkowe, co doprowadziło do jej dominacji w systemach dystrybucji. Jednak próby rozszerzenia technologii wypłynowej na poziom napięć przesyłowych rozpoczęły się już w latach 60., a znaczące osiągnięcia zostały uzyskane około 1980 roku, gdy pierwsze wysokoenergetyczne wypłynowe wyłączniki obwodowe zostały zainstalowane w Japonii. Do 2010 roku w eksploatacji znajdowało się około 10 000 HV VCBs, głównie w przemyśle, ale także w zastosowaniach energetycznych. Preferencja dla technologii wypłynowej nad SF6 była wynikiem jej zdolności do obsługi częstych operacji przełączania i niższych wymagań konserwacyjnych.

W Stanach Zjednoczonych przełączniki banków kondensatorów wypłynowych są używane od kilku dekad przy napięciach do 242 kV. Wokół 2008 roku intensywne programy badań i rozwoju (R&D) w Chinach i Europie miały na celu opracowanie HV VCBs, ze szczególnym naciskiem na redukcję lub eliminację użycia SF6. To doprowadziło do wprowadzenia produktów zdolnych do pracy przy napięciach do 145 kV. W Chinach szybkie wdrożenie HV VCBs w zastosowaniach komercyjnych ma się kontynuować, z setkami jednostek już w eksploatacji przy napięciach do 126 kV. W Europie trwają testy terenowe, aby zweryfikować wydajność typowo testowanych urządzeń przed ich wejściem na rynek.

Technologia i projekt

Wszystkie produkty HV VCB oparte są na dobrze udokumentowanej technologii wypłynowych przerzutników średniego napięcia, która została doskonalona przez lata. Nie było potrzeby wprowadzania podstawowych nowych funkcji technicznych, aby rozszerzyć tę technologię na wyższe poziomy napięć. Głównym wyzwaniem jest skalowanie geometrii przerzutnika, aby umożliwić pracę przy wyższych napięciach. Na przykład średnica i długość przerwy kontaktowej muszą być zwiększone, aby obsłużyć napięcia powyżej 52 kV. W niektórych przypadkach, dla napięć przekraczających 126 kV, stosuje się dwa szeregowo połączone przerzutniki wypłynowe, aby zapewnić niezawodną pracę.

Cechy eksploatacyjne

• Obsługa normalnych prądów: Dla normalnych prądów do 2 500 A nie ma istotnych różnic między HV VCBs a wyłącznikami obwodowymi z gazem SF6. Jednak osiągnięcie wyższych wartości prądów (powyżej 2 500 A) w HV VCBs jest trudne ze względu na generowanie ciepła przez strukturę kontaktową i ograniczoną zdolność przenoszenia ciepła przez przerzutnik.

• Monitorowanie: Łatwiej monitorować jakość środka przerzutowego w wyłącznikach obwodowych z gazem SF6, ponieważ stopień próżni w HV VCBs nie może być praktycznie monitorowany podczas eksploatacji.

• Operacje przełączania: HV VCBs mogą wykonać większą liczbę operacji przełączania w porównaniu z wyłącznikami obwodowymi z gazem SF6 dzięki lepszej wytrzymałości systemu kontaktowego wypłynowego na łuki elektryczne. To czyni technologię wypłynową szczególnie atrakcyjną dla zastosowań wymagających częstego przełączania, takich jak codzienne operacje.

• Energia napędowa: Przy typowym napięciu 72,5 kV energia napędowa wymagana dla wypłynowego wyłącznika obwodowego jest znacznie mniejsza - około 20% energii wymaganej dla równoważnego wyłącznika obwodowego z gazem SF6. Fizyczne rozmiary obu typów urządzeń są porównywalne.

• Konfiguracja przerzutnika: Powyżej 145 kV, HV VCBs mogą wymagać więcej niż jednego przerzutnika szeregowo, podczas gdy technologia SF6 pomyślnie zaimplementowała wyłączniki jednoprzestankowe do 550 kV od 1994 roku, które są szeroko stosowane w wielu krajach.

• Charakterystyka łuku: Napięcie łuku w HV VCBs jest znacznie niższe niż w wyłącznikach obwodowych z gazem SF6, zwykle w zakresie dziesiątek woltów w porównaniu z setkami woltów w SF6. Ponadto czas trwania łuku podczas przełączania uszkodzeń jest krótszy w aparaturze wypłynowej, z minimalnym czasem łukowania 5-7 ms w porównaniu z 10-15 ms dla wyłączników obwodowych z gazem SF6. To prowadzi do większej liczby możliwych operacji przełączania dla HV VCBs.

• Promieniowanie rentgenowskie: HV VCBs z nominalnymi napięciami do 145 kV emitują promieniowanie rentgenowskie w granicach standaryzowanego limitu 5 µSv/h w normalnych warunkach pracy. Wyłączniki obwodowe z gazem SF6 nie emitują promieniowania rentgenowskiego.

Właściwości elektryczne

• Przerzucanie prądów uszkodzeniowych: HV VCBs wyróżniają się w przerzucaniu prądów uszkodzeniowych o bardzo stromym tempie wzrostu przejściowego napięcia odzyskującego (TRV) ze względu na szybką dielektryczną regenerację, która jest szybsza niż w wyłącznikach obwodowych z gazem SF6.

• Statystyki przepięć: Choć teoretycznie przerzutniki wypłynowe mają bardzo wysokie napięcia przepięć, istnieje małe prawdopodobieństwo przepięcia przy stosunkowo umiarkowanych napięciach. Przerzutniki wypłynowe mogą również doświadczyć spontanicznego późnego przepięcia, występującego nawet kilka setek milisekund po przerwaniu prądu. Jednak skutki takich zdarzeń są ograniczone, ponieważ przerzutnik wypłynowy natychmiast przywraca izolację. Systemowe implikacje późnych przepięć nie są jeszcze w pełni zrozumiane.

• Przełączanie obciążeń indukcyjnych: W zastosowaniach dotyczących obciążeń indukcyjnych, takich jak przełączanie reaktorów szeregowych, HV VCBs mają tendencję do doświadczenia większej liczby powtarzających się ponownych zapłonów w jednej częstotliwości sieciowej prądu zero. Jest to spowodowane możliwością przerzucania prądów wysokiej częstotliwości następujących po ponownym zapłonie. Efekty tych transientów ponownego zapłonu na sprzęty interaktywne, takie jak tłumiki RC i arrestry metalooxydowe, są obecnie badane.

• Przełączanie banków kondensatorów: Przy przełączaniu banków kondensatorów kluczowe jest uniknięcie bardzo wysokich prądów wlotowych, ponieważ mogą one degradować właściwości dielektryczne systemu kontaktowego przez łuki pre-zapłonowe. To wyzwanie dotyczy zarówno HV VCBs, jak i wyłączników obwodowych z gazem SF6. Strategie zmniejszania obejmują użycie reaktorów szeregowych lub sterowanego przełączania, choć doświadczenie terenowe z tym ostatnim dla HV VCBs jest ograniczone.

Przyszłe perspektywy i percepcja rynku

Ankieta przeprowadzona wśród użytkowników aparatury wysokonapiętowej wykazała, że brak SF6 jest uważany za główne zalety aparatury wypłynowej, pod warunkiem, że izolacja zewnętrzna jest również wolna od SF6. Niemniej jednak, brak rozległego doświadczenia eksploatacyjnego na poziomie napięć przesyłowych pozostaje istotnym wahaniem dla szerokiego wdrażania HV VCBs. Mimo to, korzyści środowiskowe i operacyjne technologii wypłynowej są silnym bodźcem do kontynuacji zainteresowania i rozwoju w tej dziedzinie.

Potencjalni użytkownicy wysokoenergetycznych wypłynowych wyłączników obwodowych (HV VCBs) często podnoszą obawy dotyczące generowania przepięć ze względu na cięcie prądu i możliwość emisji promieniowania rentgenowskiego podczas operacji przełączania. Te problemy są kluczowe dla zapewnienia bezpiecznej i niezawodnej pracy HV VCBs, zwłaszcza w miarę jak są one coraz częściej rozważane do zastosowań na poziomie napięć przesyłowych.

Emisja promieniowania rentgenowskiego

Dla urządzeń jednoprzestankowych, emisja promieniowania rentgenowskiego z HV VCBs o nominalnych napięciach do 145 kV pozostaje znacznie poniżej standardowego limitu 5 µSv/h w normalnych warunkach pracy. Urządzenia wieloprzestankowe pokazują jeszcze niższe poziomy emisji promieniowania rentgenowskiego. Jest to ważne zagadnienie dla zgodności regulacyjnej i bezpieczeństwa, ponieważ zapewnia, że HV VCBs mogą być wdrożone bez narażania personelu lub środowiska na istotne ryzyko promieniowania.

Projekty pilotażowe

Większość respondentów wyraziła silne zainteresowanie rozpoczęciem projektów pilotażowych, aby zdobyć praktyczne doświadczenie z technologią HV VCB. Takie projekty pozwoliłyby operatorom sieci i systemów na ocenę wydajności, niezawodności i charakterystyk operacyjnych HV VCB w rzeczywistych warunkach. Sieci solidnie ziemskowane są zalecane dla tych projektów pilotażowych, ponieważ warunki sieciowe w systemach średniego napięcia nie są zawsze porównywalne z warunkami w sieciach przesyłowych, szczególnie w kwestii warunków ziemskowania. Ten podejście pomoże zapewnić, że zdobyte doświadczenia będą odpowiednie i stosowne do zastosowań na poziomie przesyłowych.

Standardyzacja

Obecny standard IEC dla wyłączników obwodowych, IEC 62271-100, ma silny nacisk na technologię przełączania z gazem SF6, która może nie w pełni uwzględniać unikalnych cech i wyzwań technologii wypłynowej. Na przykład obowiązki testowe, które są trudne dla SF6, takie jak testy krótkiego linii, mogą nie być tak krytyczne dla technologii wypłynowej. Z drugiej strony, zastosowanie ciągłego napięcia odzyskującego w syntetycznych testach, które są mniej istotne dla SF6, może być ważniejsze dla pokazania braku późnych przepięć w przerzutnikach wypłynowych. W miarę jak HV VCBs zyskują na popularności, może być konieczne przejrzenie lub uzupełnienie istniejących standardów, aby lepiej uwzględnić technologię wypłynową.

Techniczne implikacje projektu bez SF6

Gdy SF6 jest obecny jako medium izolacyjne zewnętrzne, należy rozważyć inne techniczne implikacje. Na przykład alternatywne metody izolacji mogą wymagać wyższego ciśnienia, większej wagi, większego zasięgu lub innych rozwiązań projektowych, aby zapewnić odpowiednią wydajność izolacji. Producenci aktywnie eksplorują te alternatywy, aby opracować realne zamienniki dla SF6, ale dopóki nie zostanie znalezione nowe technologie, które mogą obejmować wszystkie klasy napięć, SF6 będzie prawdopodobnie nadal niezbędny dla niektórych zastosowań w sieciach przesyłowych.

Zaangażowanie producentów

Producenci są zaangażowani w rozwój i dostarczanie przemysłowo wykonalnych alternatyw dla technologii SF6. Chociaż SF6 był dominującym gazem izolacyjnym dla zastosowań wysokonapiętnych ze względu na jego doskonałe właściwości dielektryczne, obawy środowiskowe związane z SF6, szczególnie jego wysoki potencjał globalnego ocieplenia, skłoniły do poszukiwania bardziej ekologicznych rozwiązań. HV VCBs stanowią jedno z takich rozwiązań, oferując zrównoważoną alternatywę dla zastosowań, gdzie wymagane jest częste przełączanie i niższe koszty konserwacji. Jednak przejście od SF6 będzie stopniowe, ponieważ producenci kontynuują innowacje i udoskonalanie nowych technologii, aby spełnić różnorodne potrzeby branży energetycznej.