Kratka istorija prošlosti i sadašnjosti visokonaponskih vakuumskih prekidnika struje

Visokonaponski vakumski prekidači: Pregled

Uvod

Visokonaponski vakumski prekidači (HV VCBs) su se pojavili kao moguća alternativa tradicionalnim prekidačima s izolacijom SF6 gasa, posebno u primenama gde su česti preključevi i niži troškovi održavanja ključni. Od 2014. godine, HV VCBs su sve više prihvaćeni kao alternativa visokonaponskim gasnim prekidačima, nudeći zelenije i održivije rešenje eliminacijom korišćenja SF6, moćnog stakleničnog gasa.

Vakumsko prekidačno oprema je široko korišćena u distribucijskim sistemima već preko tri decenije, uglavnom za prekidavanje strujnih grešaka i preključevanje različitih vrsta opterećenja. Pouzdanost i performanse vakumske prekidačne tehnologije u srednjem naponu (do 52 kV) bile su izuzetne, što je dovelo do njenog dominiranja u distribucijskim sistemima. Međutim, pokušaji da se vakumska prekidačna tehnologija proširi na nivo prenosnog naponskog nivoa počeli su još 1960-ih, sa značajnim postignućima oko 1980. godine kada su prvi visokonaponski vakumski prekidači bili instalirani u Japanu. Do 2010. godine, približno 10.000 HV VCB-a bilo je u upotrebi, uglavnom u industrijskim okruženjima, ali i u komunalnim primenama. Preferencija za vakumsku tehnologiju u odnosu na SF6 bila je motivisana njihovom sposobnošću da rukuje čestim preključevanjima i nižim zahtevima za održavanje.

U Sjedinjenim Američkim Državama, vakumski prekidači kondenzatorskih banka koristili su se već nekoliko desetljeća na naponima do 242 kV. Oko 2008. godine, intenzivni programi istraživanja i razvoja (R&D) u Kini i Evropi ciljali su da razviju HV VCB-e, sa fokusom na smanjenje ili eliminaciju korišćenja SF6. To je dovelo do uvođenja proizvoda koji mogu raditi na naponima do 145 kV. U Kini, brzo usvajanje HV VCB-a u komercijalnim primenama očekuje se da nastavi, sa stotinama jedinica već u upotrebi na naponskim nivoima do 126 kV. U Evropi, poligon testiranja je u tijeku kako bi se potvrdio performansi tip-proverenih uređaja pre nego što stupe na tržište.

Tehnologija i dizajn

Svi HV VCB proizvodi temeljene su na dobro utvrđenoj vakumskoj prekidačnoj tehnologiji srednjeg naponskog nivoa, koja je tokom godina poboljšana. Nisu bili potrebni fundamentalno novi tehnički elementi da bi se ova tehnologija proširila na više naponske nivoe. Glavni izazov leži u skaliranju geometrije prekidača kako bi se prilagodio višim naponskim nivoima. Na primer, promjer i dužina kontaktnog rastojanja moraju biti povećani kako bi se obuhvatili naponi iznad 52 kV. U nekim slučajevima, za napone iznad 126 kV, koriste se dva vakumskog rastojanja u seriji kako bi se osiguralo pouzdano funkcionisanje.

Eksplotacioni karakteristici

• Prekidač normalne struje: Za normalne struje do 2.500 A, nema značajnih razlika između HV VCB-a i SF6 prekidača. Međutim, dostizanje viših kapaciteta struje (iznad 2.500 A) u HV VCB-ima je izazov zbog toplinskog generisanja od strane kontaktnog sistema i ograničene sposobnosti prenosa toplote prekidača.

• Nadgledanje: Laksi je nadgledati kvalitet prekidnog medija u SF6 prekidačima, jer se stepen vakuma u HV VCB-ima praktično ne može nadgledati tokom rada.

• Preključevanje: HV VCB-i mogu obaviti veći broj preključevanja u odnosu na SF6 prekidače zbog superiornog izdržljivosti vakumskog kontaktnog sistema na luk. Ovo čini vakumsku tehnologiju posebno privlačnom za primene koje zahtevaju česta preključevanja, poput svakodnevnih operacija.

• Energija pogona: Na tipičnom naponu od 72,5 kV, energija pogona potrebna za vakumski prekidač je znatno manja – približno 20% onoga što je potrebno za ekvivalentni SF6 prekidač. Fizičke veličine ta dva tipa uređaja su slične.

• Konfiguracija prekidača: Iznad 145 kV, HV VCB-i mogu zahtevati više od jednog prekidača u seriji, dok je SF6 tehnologija uspešno implementirala jednobreak prekidače do 550 kV od 1994. godine, koji su široko korišćeni u mnogim zemljama.

• Karakteristike luka: Napon luka u HV VCB-ima je mnogo manji nego u SF6 prekidačima, obično u rasponu od desetina volta u poređenju sa stotinama volti u SF6. Takođe, trajanje luka tokom preključevanja grešaka je kraće u vakumskoj opremi, sa minimalnim vremenom luka od 5–7 ms u poređenju sa 10–15 ms za SF6 prekidače. To rezultira većim brojem mogućih preključevanja za HV VCB-e.

• Izbaci X-zraka: HV VCB-i sa nominalnim naponima do 145 kV emituju X-zrake unutar standardizovanog limita od 5 µSv/h pod normalnim radnim uslovima. SF6 prekidači ne emituju X-zrake.

Električke karakteristike

• Prekidavanje struja greške: HV VCB-i su izvanredni u prekidanju struja greške sa veoma strmim stopama porasta privremene oporavljajuće napona (TRV) zbog njihove brze dielektrične regeneracije, koja je brža od one SF6 prekidača.

• Statistika prekidanja: Iako vakumski rastojanja teoretski imaju veoma visoke prekidne napone, postoji mala verovatnoća prekidanja na relativno umjerenim naponima. Vakumski rastojanja takođe mogu doživeti spontani kasni prekid, koji se može dogoditi do nekoliko stotina milisekundi nakon prekidanja struje. Međutim, posledice takvih događaja su ograničene jer vakumski rastojanj odmah obnavlja svoju izolaciju. Sistematske implikacije kasnog prekidanja još uvek nisu u potpunosti razumljene.

• Preključevanje induktivnih opterećenja: U primenama koje uključuju induktivna opterećenja, kao što je preključevanje paralelnih reaktora, HV VCB-i tiho iskuse veći broj ponovljenih re-lukovanja na jednoj frekvenci struje. Ovo je posljedica sposobnosti vakuma da prekida visokofrekventne struje koje slijede re-lukovanje. Efekti ovih transijentnih re-lukovanja na interaktivnu opremu, kao što su RC snubberi i metal-oksidne aresteri, trenutno su predmet istraživanja.

• Preključevanje kondenzatorskih banaka: Pri preključevanju kondenzatorskih banaka, važno je izbegavati veoma visoke ulazne struje, jer one mogu degradirati dielektričke osobine kontaktnog sistema preko pre-lukova. Ovaj izazov se odnosi na HV VCB-e i SF6 prekidače. Mitigacione strategije uključuju korišćenje serijskih reaktora ili kontrolisanog preključevanja, iako je poligon iskustva sa posljedičnim za HV VCB-e ograničen.

Buduća perspektive i percepcija tržišta

Anketa provedena među korisnicima visokonaponske prekidačne opreme pokazala je da odsustvo SF6 vidimo kao glavnu prednost vakumskih prekidača, uz uslov da je i spoljnja izolacija beznaponska. Međutim, nedostatak obimanog iskustva u uslužbi na nivoima prenosnog naponskog nivoa ostaje značajan smirenik za široku upotrebu HV VCB-a. Unatoč tome, ekološke prednosti i eksplotacione prednosti vakumskih tehnologija dovode do nastavka interesovanja i razvoja u ovoj oblasti.

Potencijalni korisnici visokonaponskih vakumskih prekidača (HV VCB-a) često izražavaju zabrinutost zbog generisanja prekomernih napona zbog presecanja struje i mogućnosti emitovanja X-zraka tokom preključevanja. Ovi problemi su ključni za osiguranje sigurnog i pouzdanog funkcionisanja HV VCB-a, posebno kako se sve više razmatraju za primene na nivoima prenosnog naponskog nivoa.

Emitovanje X-zraka

Za jednobreak uređaje, emitovanje X-zraka od HV VCB-a sa nominalnim naponima do i uključujući 145 kV ostaje daleko ispod standardizovanog limita od 5 µSv/h pod normalnim radnim uslovima. Višebreak uređaji pokazuju još niže nivoe emitovanja X-zraka. Ovo je važna posmatranja za regulativno ispunjavanje i sigurnost, jer osigurava da HV VCB-i mogu biti implementirani bez značajnog radijacionog rizika za osoblje ili okoliš.

Pilot projekti

Veliki deo odgovarajućih izrazio je jak interes za inicijalizaciju pilot projekata kako bi stečeno praktično iskustvo sa HV VCB tehnologijom. Takvi projekti bi omogućili elektrane i operatorima sistema da procene performanse, pouzdanost i eksplotacione karakteristike HV VCB-a u realnim uslovima. Solidno zemljanje mreža preporučuje se za ove pilot projekte, jer uslovi mreže u srednjem naponskom sistemu nisu uvek srodniji onima u prenosnim naponskim mrežama, posebno u pogledu uslova zemljanja. Ovaj pristup će pomoći da se osigura da su stvorena iskustva relevantna i primenljiva na nivo primena prenosnog naponskog nivoa.

Standardizacija

Trenutni IEC standard za prekidače, IEC 62271-100, ima snažan fokus na SF6 prekidačnu tehnologiju, što možda ne u potpunosti pokriva jedinstvene karakteristike i izazove vakumskog prekidača. Na primer, testne obaveze koje su izazovne za SF6, kao što su kratkosmjerne greške, možda nisu toliko kritične za vakumsku tehnologiju. Suprotno, primjena kontinuiranog oporavljajućeg napona u sintetskom testiranju, što je manje relevantno za SF6, može biti važnije za pokazivanje odsustva kasnog prekidanja u vakumskim prekidačima. Kako HV VCB-i dobivaju više prihvatanja, može biti potrebno revizirati ili dopuniti postojeće standarde kako bi bolje prilagođili vakumsku tehnologiju.

Tehničke implikacije dizajna bez SF6

Kada SF6 odsutstvuje kao spoljna izolaciona sredstva, moraju se razmotriti i druge tehničke implikacije. Na primer, alternative metode izolacije mogu zahtevati veći pritisak, povećanu težinu, veći prostorni otisak ili različite dizajnerske posmatranja kako bi se osigurala adekvatna performansa izolacije. Proizvođači aktivno istražuju ove alternative kako bi razvili viable zamene za SF6, ali dok se ne pronade nova tehnologija koja može pokriti sve naponske nivoe, SF6 verovatno će ostati neophodan za određene primene u prenosnim mrežama.

Zaduženje proizvođača

Proizvođači su angažovani na razvoju i dostavljanju industrijski viable alterative SF6 tehnologiji. Dok je SF6 bio dominantni izolacioni gas za visokonaponske primene zbog svojih izvanrednih dielektričkih osobina, ekološke zabrinutosti vezane za SF6, posebno njegov visok globalni zagrijavanje potencijal, dovele su do pretraživanja zelenijih rešenja. HV VCB-i predstavljaju jedno takvo rešenje, nuditi održivu alternativu za primene gde su potrebni česti preključevi i niži održavanje. Međutim, prelazak sa SF6 biće postepen, kako proizvođači nastavljaju inovirati i poboljšavati nove tehnologije kako bi zadovoljili raznovrsne potrebe energetskog sektora.