Краткая история прошлого и настоящего высоковольтных вакуумных выключателей

Высоковольтные вакуумные выключатели: Обзор

Введение

Высоковольтные вакуумные выключатели (HV VCBs) стали жизнеспособной альтернативой традиционным выключателям, изолированным газом SF6, особенно в применениях, где важны частые переключения и низкие эксплуатационные расходы. С 2014 года HV VCBs все чаще используются как альтернатива высоковольтным газовым выключателям, предлагая более экологичное и устойчивое решение за счет исключения использования SF6, мощного парникового газа.

Вакуумная коммутационная аппаратура широко используется в распределительных системах уже более трех десятилетий, главным образом для создания и разрыва аварийных токов и переключения различных типов нагрузок. Надежность и производительность вакуумной технологии коммутации в среднем напряжении (до 52 кВ) были исключительными, что привело к ее доминированию в распределительных системах. Однако усилия по расширению вакуумной технологии коммутации до уровней передачи напряжения начались еще в 1960-х годах, с достижением значительных этапов примерно в 1980 году, когда были установлены первые высоковольтные вакуумные выключатели в Японии. К 2010 году около 10 000 HV VCBs находились в эксплуатации, преимущественно в промышленных условиях, но также и в сетях электроснабжения. Предпочтение вакуумной технологии над SF6 было обусловлено ее способностью к частым операциям переключения и меньшим требованиям к обслуживанию.

В США вакуумные переключатели конденсаторных батарей используются уже несколько десятилетий при напряжениях до 242 кВ. Примерно в 2008 году интенсивные программы исследований и разработок (R&D) в Китае и Европе были направлены на создание HV VCBs, с акцентом на снижение или полное исключение использования SF6. Это привело к появлению продуктов, способных работать при напряжениях до 145 кВ. В Китае быстрое внедрение HV VCBs в коммерческих применениях ожидается продолжиться, с сотнями единиц уже в эксплуатации при уровнях напряжения до 126 кВ. В Европе проводятся полевые испытания для подтверждения производительности типовых устройств перед их выходом на рынок.

Технология и дизайн

Все продукты HV VCB основаны на хорошо зарекомендовавшей себя технологии вакуумных прерывателей среднего напряжения, которая совершенствовалась годами. Для расширения этой технологии на более высокие уровни напряжения не требовалось принципиально новых технических характеристик. Основная проблема заключается в масштабировании геометрии прерывателя для обеспечения более высоких классов напряжения. Например, диаметр и длина зазора контактов должны быть увеличены для работы с напряжениями выше 52 кВ. В некоторых случаях, для напряжений, превышающих 126 кВ, используются два последовательных вакуумных зазора для обеспечения надежной работы.

Операционные характеристики

• Обработка нормальных токов: Для нормальных токов до 2500 А нет существенных различий между HV VCBs и выключателями SF6. Однако достижение более высоких токовых характеристик (выше 2500 А) в HV VCBs затруднено из-за тепловыделения от контактной структуры и ограниченной теплоотводящей способности прерывателя.

• Мониторинг: В выключателях SF6 легче контролировать качество среды прерывания, так как степень вакуума в HV VCBs практически невозможно мониторить во время эксплуатации.

• Операции переключения: HV VCBs могут выполнять большее количество операций переключения по сравнению с выключателями SF6 благодаря лучшей выносливости вакуумной контактной системы к дуге. Это делает вакуумную технологию особенно привлекательной для применений, требующих частых переключений, таких как ежедневные операции.

• Энергия привода: При типичном классе напряжения 72,5 кВ энергия привода, необходимая для вакуумного выключателя, значительно ниже — примерно 20% от необходимой для эквивалентного выключателя SF6. Физические размеры двух типов устройств сопоставимы.

• Конфигурация прерывателя: Выше 145 кВ HV VCBs могут потребовать более одного прерывателя в последовательности, тогда как технология SF6 успешно реализовала одиночные выключатели до 550 кВ с 1994 года, которые широко используются во многих странах.

• Характеристики дуги: Напряжение дуги в HV VCBs намного ниже, чем в выключателях SF6, обычно составляет десятки вольт по сравнению с сотнями вольт в SF6. Кроме того, продолжительность дуги при переключении аварийного тока короче в вакуумной коммутационной аппаратуре, минимальное время горения дуги составляет 5–7 мс по сравнению с 10–15 мс для выключателей SF6. Это приводит к возможности выполнения большего числа операций переключения для HV VCBs.

• Излучение рентгеновских лучей: HV VCBs с номинальными напряжениями до 145 кВ излучают рентгеновские лучи в пределах стандартизированного лимита 5 µSv/ч при нормальных условиях эксплуатации. Выключатели SF6 не излучают рентгеновские лучи.

Электрические характеристики

• Прерывание аварийных токов: HV VCBs превосходят в прерывании аварийных токов с очень крутыми скоростями нарастания переходного восстановительного напряжения (TRV) благодаря их быстрому диэлектрическому восстановлению, которое происходит быстрее, чем у выключателей SF6.

• Статистика пробоя: Хотя вакуумные зазоры теоретически имеют очень высокие напряжения пробоя, существует небольшая вероятность пробоя при относительно умеренных напряжениях. Вакуумные зазоры также могут испытывать спонтанный поздний пробой, происходящий через несколько сотен миллисекунд после прерывания тока. Однако последствия таких событий ограничены, так как вакуумный зазор немедленно восстанавливает свою изоляцию. Системные последствия позднего пробоя пока полностью не поняты.

• Переключение индуктивных нагрузок: В приложениях, связанных с индуктивными нагрузками, такими как переключение шунтирующих реакторов, HV VCBs склонны к большему количеству повторных возгораний на одной частоте тока. Это связано с возможностью вакуума прерывать высокочастотные токи, следующие за возгоранием. Эффекты этих переходных процессов возгорания на взаимодействующем оборудовании, таком как RC-глушители и металлооксидные ограничители, в настоящее время изучаются.

• Переключение конденсаторных батарей: При переключении конденсаторных батарей важно избегать очень высоких входных токов, так как они могут ухудшить диэлектрические свойства контактной системы через предварительные дуги. Эта проблема применима как к HV VCBs, так и к выключателям SF6. Стратегии смягчения включают использование серийных реакторов или управляемого переключения, хотя опыт применения последнего для HV VCBs ограничен.

Перспективы и восприятие рынка

Проведенный опрос среди пользователей высоковольтного коммутационного оборудования показал, что отсутствие SF6 рассматривается как основное преимущество вакуумного коммутационного оборудования, при условии, что внешняя изоляция также свободна от SF6. Однако недостаток обширного опыта эксплуатации на уровнях передачи напряжения остается значительным препятствием для широкого внедрения HV VCBs. Несмотря на это, экологические преимущества и эксплуатационные преимущества вакуумной технологии стимулируют постоянный интерес и развитие в этой области.

Потенциальные пользователи высоковольтных вакуумных выключателей (HV VCBs) часто выражают опасения по поводу генерации перенапряжений вследствие обрезки тока и возможности излучения рентгеновских лучей при операциях переключения. Эти вопросы критически важны для обеспечения безопасной и надежной работы HV VCBs, особенно поскольку они все чаще рассматриваются для применения на уровнях передачи напряжения.

Излучение рентгеновских лучей

Для одиночных прерывателей излучение рентгеновских лучей от HV VCBs с номинальными напряжениями до 145 кВ остается значительно ниже стандартизированного лимита 5 µSv/ч при нормальных условиях эксплуатации. Устройства с несколькими прерывателями демонстрируют еще более низкий уровень излучения рентгеновских лучей. Это важное соображение для соблюдения нормативных требований и безопасности, так как оно гарантирует, что HV VCBs можно использовать без значительных радиационных рисков для персонала или окружающей среды.

Пилотные проекты

Большинство респондентов выразили сильный интерес к запуску пилотных проектов для получения практического опыта с технологией HV VCB. Такие проекты позволят сетевым компаниям и операторам системы оценить производительность, надежность и эксплуатационные характеристики HV VCBs в реальных условиях. Рекомендуется использовать твердозаземленные сети для этих пилотных проектов, так как условия сети в системах среднего напряжения не всегда сравнимы с условиями в сетях передачи, особенно в отношении заземления. Этот подход поможет обеспечить, чтобы полученный опыт был актуальным и применимым для применения на уровне передачи.

Стандартизация

Текущий стандарт IEC на выключатели, IEC 62271-100, имеет сильный акцент на технологии переключения SF6, который может не полностью охватывать уникальные характеристики и вызовы вакуумного переключения. Например, тестовые задания, которые являются сложными для SF6, такие как тесты на короткую линию, могут не быть такими критическими для вакуумной технологии. Наоборот, применение непрерывного восстановительного напряжения в синтетических испытаниях, которое менее релевантно для SF6, может быть более важным для демонстрации отсутствия позднего пробоя в вакуумных прерывателях. По мере того как HV VCBs набирают популярность, может возникнуть необходимость пересмотра или дополнения существующих стандартов для лучшего учета вакуумной технологии.

Технические последствия дизайна без SF6

Когда SF6 отсутствует как внешнее изолирующее средство, необходимо учитывать другие технические последствия. Например, альтернативные методы изоляции могут требовать более высокого давления, увеличенного веса, большего занимаемого пространства или других конструктивных решений для обеспечения достаточной изоляционной производительности. Производители активно изучают эти альтернативы для разработки жизнеспособных заменителей SF6, но до тех пор, пока не будет найдена новая технология, способная покрыть все классы напряжения, SF6, вероятно, останется необходимым для определенных применений в сетях передачи.

Соблюдение обязательств производителями

Производители привержены разработке и предоставлению промышленно жизнеспособных альтернатив технологии SF6. Хотя SF6 был доминирующим изолирующим газом для высоковольтных применений благодаря своим отличным диэлектрическим свойствам, экологические проблемы, связанные с SF6, особенно его высокий потенциал глобального потепления, стимулировали поиск более экологичных решений. HV VCBs представляют собой одно из таких решений, предлагая устойчивую альтернативу для применений, где требуется частое переключение и низкое обслуживание. Однако переход от SF6 будет постепенным, так как производители продолжают инновации и усовершенствование новых технологий, чтобы удовлетворить разнообразные потребности энергетической отрасли.