Kratek pregled preteklosti in sedanosti visokonapetostnih vakuumskih preklopnikov

Visokonapetostni vakuumski preklopniki: Pregled

Uvod

Visokonapetostni vakuumski preklopniki (HV VCBs) so postali učinkovita alternativa tradicionalnim SF6 plinsko izoliranim preklopnikom, zlasti v aplikacijah, kjer je pogosto preklapljanje in nižje stroške vzdrževanja ključnega. Od leta 2014 se HV VCBs čedalje bolj uporabljajo kot alternativa visokonapetostnim plinskim preklopnikom, kar ponuja zeleno in trajnostno rešitev z odstranitvijo uporabe SF6, močnega toplogrednega plina.

Vakuumsko preklopno opremo že več desetletij uporabljajo v distribucijskih sistemih, predvsem za preklop strmih tokov in preklop različnih vrst nalog. Zanesljivost in delovanje vakuumskih preklopne tehnologije v srednjem napetostnem obsegu (do 52 kV) je bila izjemna, kar je vodilo do njenega dominiranja v distribucijskih sistemih. Vendar so poskusi, da bi vakuumsko preklopno tehnologijo razširili na napetosti prenosnih sistemov, začeli že v 60. letih, z bistvenimi dosežki okoli leta 1980, ko so prvi visokonapetostni vakuumski preklopniki nameščeni v Japonskem. Do leta 2010 je bilo v operaciji približno 10.000 HV VCB-jev, predvsem v industrijskih nastavitvah, vendar tudi v upravniških aplikacijah. Prednost vakuumskih tehnologij pred SF6 je bila njihova sposobnost, da obvladujejo pogosta preklopna dejanja in nižje zahteve po vzdrževanju.

V Združenih državah so vakuumski preklopniki kondenzatorskih bank uporabljali že več desetletij pri napetostih do 242 kV. Okoli leta 2008 so intenzivni raziskovalni in razvojni programi v Kitajski in Evropi namenjali razvoj HV VCB-jev, z fokusom na zmanjšanje ali odstranitev uporabe SF6. To je vodilo do uvedbe izdelkov, ki delujejo pri napetostih do 145 kV. V Kitajski se hitro sprejemanje HV VCB-jev v komercialnih aplikacijah nadaljuje, s stotinami enot, ki so že v uporabi pri napetostnih ravnih do 126 kV. V Evropi so poljske testiranje v teku, da bi preverili delovanje tipiziranih naprav pred tem, da stopijo na trg.

Tehnologija in dizajn

Vsi izdelki HV VCB-jev temeljijo na dobro utrjeni tehnologiji vakuumskih preklopov srednje napetosti, ki jo so leta popravljali. Za razširitev te tehnologije na višje napetostne ravni ni bilo potrebno nobenih temeljno novih tehničnih značilnosti. Glavni izziv je v merilu geometrije preklopnika, da bi se prilagodila višjim napetostnim specifikacijam. Na primer, premer in dolžina kontaktne vrzeli morata biti povečana, da bi lahko obvladali napetosti nad 52 kV. V nekaterih primerih, za napetosti, ki presegajo 126 kV, se uporablja dva vakuumna presledka zaporedoma, da bi zagotovili zanesljivo delovanje.

Operativne značilnosti

• Obravnava običajnih tokov: Za običajne toke do 2.500 A ni bistvenih razlik med HV VCB-ji in SF6 preklopniki. Vendar je dosego višjih tokov (nad 2.500 A) v HV VCB-ji težko, zaradi toplotnega ogrevanja kontaktnega sistema in omejene prenose toplote preklopnika.

• Nadzor: Lepše je nadzirati kakovost preklopne snovi v SF6 preklopnikih, ker stopnja vakuma v HV VCB-ji v praksi ne more biti nadzorovana med službo.

• Preklopna dejanja: HV VCB-ji lahko izvedejo več preklopnih dejanj v primerjavi s SF6 preklopniki, zaradi superiornega trpezljudstva vakuumnega kontaktne sistema glede na luknje. To vakuumsko tehnologijo posebno privlačno naredi za aplikacije, ki zahtevajo pogosto preklop, kot so vsakodnevne operacije.

• Gibalna energija: Pri tipični specifikaciji 72,5 kV je gibalna energija, potrebna za vakuumski preklopnik, znatno manjša – približno 20% tiste, ki je potrebna za enakovreden SF6 preklopnik. Fizične velikosti obeh vrst naprav so primerljive.

• Konfiguracija preklopnika: Nad 145 kV, HV VCB-ji morda zahtevajo več kot en preklopnik zaporedoma, medtem ko je SF6 tehnologija uspešno implementirala enojne preklopne preklopnike do 550 kV že od leta 1994, ki so široko uporabljani v mnogih državah.

• Značilnosti luka: Napetost luka v HV VCB-ji je znatno nižja kot v SF6 preklopnikih, običajno v območju desetine voltov v primerjavi s sto voltov v SF6. Dodatno, trajanje luka med preklopom napak je krajše v vakuumskih preklopnih napravah, z minimalnim trajanjem luka 5–7 ms v primerjavi s 10–15 ms za SF6 preklopnike. To vodi do večjega števila možnih preklopnih dejanj za HV VCB-je.

• Izbujanje R-luk: HV VCB-ji s specifikacijami napetosti do 145 kV izbujajo R-luke znotraj standardiziranega limita 5 µSv/h pod normalnimi delovnimi pogoji. SF6 preklopniki ne izbujajo R-luk.

Električne značilnosti

• Preklop strmih tokov: HV VCB-ji se izstopajo v preklopu strmih tokov z zelo strminimi stopnji naraščanja prehodne obnovitvene napetosti (TRV), zaradi svoje hitre dielektrične obnove, ki je hitrejša od SF6 preklopnikov.

• Statistika propada: Čeprav imajo vakuumni presledki teoretično zelo visoke propadne napetosti, obstaja majhna verjetnost propada pri relativno umernih napetostih. Vakuumni presledki lahko tudi doživijo spontane poznejše propade, ki se pojavijo do nekaj stotin milisekund po prekinitvi toka. Vendar so posledice takšnih dogodkov omejene, ker vakuumni presledek takoj obnovi svojo izolacijo. Sistemsko posledice poznejših propadov še niso povsem razumljene.

• Preklop induktivnih nalog: V aplikacijah, ki vključujejo induktivne naloge, kot je preklop shunt reactorjev, HV VCB-ji običajno doživijo večje število ponovnih zapalitev na enem frekvenčnem trenutku toka. To je zaradi sposobnosti vakuma, da prekine visoko-frekvenčne tokove, ki sledijo zapalitvi. Učinki teh zapalitvenih prehodov na interaktivne naprave, kot so RC snubberji in metal-oksidni aresterji, so trenutno v raziskovanju.

• Preklop kondenzatorskih bank: Ob preklopu kondenzatorskih bank je ključno, da se izognejo zelo visokim pretokom, saj lahko ta degradirajo dielektrične lastnosti kontaktnega sistema skozi pred-zapalitvene lukenje. Ta izziv se uporablja za oba HV VCB-je in SF6 preklopnike. Strategije zmanjševanja vključujejo uporabo serijnih reaktorjev ali kontrolirovanega preklopa, vendar je omejeno poljsko izkušnje z zadnjim za HV VCB-je.

Prihodnje perspektive in tržno zavedanje

Anketa, ki je bila izvedena med uporabniki visokonapetostne preklopne opreme, je pokazala, da je odsotnost SF6 videti kot glavna prednost vakuumskih preklopov, če je tudi zunanja izolacija brez SF6. Vendar ostaja pomembna zadržanost za široko sprejemanje HV VCB-jev zaradi pomanjkanja obsežne izkušnje s službo na napetostnih ravnih prenosnih sistemov. V nasprotju s tem, okoljske prednosti in operativne prednosti vakuumne tehnologije spodbujajo nadaljnji interes in razvoj v tej področji.

Potencialni uporabniki visokonapetostnih vakuumskih preklopnikov (HV VCB-jev) pogosto izražajo skrbi glede generiranja previsokih napetosti zaradi prekinitve toka in možnosti izbujanja R-luk med preklopom. Ti problemi so ključni za zagotavljanje varnega in zanesljivega delovanja HV VCB-jev, zlasti, ko se jih čedalje bolj upošteva za aplikacije na napetostnih ravnih prenosnih sistemov.

Izbujanje R-luk

Za enojne preklopne naprave, izbujanje R-luk od HV VCB-jev s specifikacijami napetosti do in vključno 145 kV ostaja daleč pod standardiziranim limitom 5 µSv/h pod normalnimi delovnimi pogoji. Večkratne preklopne naprave kažejo še manjše raven izbujanja R-luk. To je pomembno za regulativno skladnost in varnost, saj zagotavlja, da se HV VCB-ji lahko uporabljajo brez bistvenih radiacijskih tveganj za osebje ali okolje.

Pilot projekti

Velika večina odgovornikov je izrazila močen interes za začetek pilot projektov, da bi pridobili praktične izkušnje s tehnologijo HV VCB-jev. Takšni projekti bi omogočili upravnikom in operatorjem sistemov, da ocenijo delovanje, zanesljivost in operativne značilnosti HV VCB-jev v realnih pogoji. Trdno zemljeni omrežji se priporočajo za te pilot projekte, saj pogoji omrežja v srednjem napetostnem sistemu niso vedno primerljivi z onimi v prenosnih napetostnih omrežjih, zlasti glede zemljenja. Ta pristop bo pomagal, da bi se zagotovilo, da so pridobljene izkušnje relevantne in uporabne za aplikacije na ravni prenosa.

Standardizacija

Trenutni IEC standard za preklopnike, IEC 62271-100, ima močen poudarek na SF6 preklopni tehnologiji, ki morda ne popolnoma obravnava edinstvene značilnosti in izzive vakuumskih preklopov. Na primer, testne naloge, ki so izzivne za SF6, kot so kratki liniji preklop testi, morda niso tako kritične za vakuumsko tehnologijo. Obratno, uporaba zvezne obnovitvene napetosti v sintetičnem testiranju, ki je manj relevantno za SF6, bi morda bila pomembnejša za dokazovanje odsotnosti poznejših propadov v vakuumskih preklopnikih. Ko HV VCB-ji dobijo več priljubljenosti, bi morda bil potreben pregled ali dopolnitev obstoječih standardov, da bi bolje prilagodili vakuumsko tehnologijo.

Tehnične posledice brez SF6 dizajna

Ko SF6 ni prisoten kot zunanja izolacijska sredstva, morajo biti upoštevane druge tehnične posledice. Na primer, alternativne metode izolacije morda zahtevajo višji tlak, večjo težo, večjo prostornino ali drugačne razmislike za zagotovitev zadostne izolacijske zmogljivosti. Proizvajalci aktivno raziskujejo te alternative, da bi razvili ustreznost za zamenjavo SF6, vendar do najdenja nove tehnologije, ki pokrije vse napetostne specifikacije, bo SF6 verjetno ostal ključen za določene aplikacije v prenosnih omrežjih.

Zavezništvo proizvajalcev

Proizvajalci so zavezani razvoju in ponudbi industrijsko ustreznih alternativ SF6 tehnologiji. Čeprav je SF6 bil dominantni izolacijski plin za visokonapetostne aplikacije zaradi njegovih odličnih dielektričnih lastnosti, okoljske skrbi, povezane s SF6, zlasti njegovo visoko globalno segrevanje, so spodbudile iskanje zelenih rešitev. HV VCB-ji predstavljajo eno takšno rešitev, ki ponuja trajnostno alternativo za aplikacije, ki zahtevajo pogosto preklop in nižje vzdrževanje. Vendar bo prehod od SF6 postopen, saj proizvajalci nadaljujejo z inovacijami in izboljšavanjem novih tehnologij, da bi ustrezali raznolikim potrebam elektroenergetske industrije.