Kort historik över förflutna och nuvarande högspänningsvakuumkretsarbetare
Högspänningsvakuumkretsutslagare: En översikt
Introduktion
Högspänningsvakuumkretsutslagare (HV VCBs) har blivit en rimlig alternativ till traditionella SF6-gasisolerede kretsutslagare, särskilt i applikationer där ofta växling och lägre underhållskostnader är viktiga. Sedan 2014 har HV VCBs alltmer använts som ett alternativ till högspänningsgasbrytare, vilket erbjuder en grönare och hållbarare lösning genom att eliminera användningen av SF6, en kraftfull växthusgas.
Vakuumutrustning har använts omfattande i distributionsystem under mer än tre decennier, främst för att slå på och av felströmmar och växla laster av olika typer. Tillförlitligheten och prestandan hos vakuumväxlings teknologi inom medelspänningsområdet (upp till 52 kV) har varit exceptionell, vilket lett till dess dominans i distributionsystem. Dock började ansträngningar att utvidga vakuumväxlingstekniken till överföringsspänningsnivåer redan på 1960-talet, med betydande milstolpar uppnådda runt 1980 när de första högspänningsvakuumkretsutslagarna installerades i Japan. Vid 2010 var cirka 10 000 HV VCBs i drift, främst i industriella miljöer men också i energiförsörjningsapplikationer. Föredragandet för vakuumteknik över SF6 drivs av dess förmåga att hantera frekventa växlingar och lägre underhållskrav.
I USA har vakuumkapacitansbanksväxlar använts i flera decennier vid spänningar upp till 242 kV. Cirka 2008 riktade intensiva forsknings- och utvecklingsprogram (R&D) i Kina och Europa sig mot att utveckla HV VCBs, med fokus på att minska eller eliminera användningen av SF6. Detta ledde till introduktionen av produkter som kan fungera vid spänningar upp till 145 kV. I Kina förväntas den snabba adoptionen av HV VCBs i kommersiella applikationer fortsätta, med hundratals enheter redan i drift vid spänningsnivåer upp till 126 kV. I Europa pågår fälttester för att validera prestandan hos typprovade enheter innan de når marknaden.
Teknik och design
Alla HV VCB-produkter bygger på den väl etablerade medelspänningsvakuumavbrytar tekniken, som har förfinats under åren. Inga grundläggande nya tekniska funktioner krävdes för att utöka denna teknik till högre spänningsnivåer. Den primära utmaningen ligger i att skala geometrin på avbrytaren för att hantera högre spänningsklasser. Till exempel måste diametern och kontaktgapets längd ökas för att hantera spänningar över 52 kV. I vissa fall, för spänningar över 126 kV, används två vakuumgap i serie för att säkerställa tillförlitlig drift.
Driftfunktioner
Normal strömhantering: För normala strömar upp till 2 500 A finns det inga betydande skillnader mellan HV VCBs och SF6-kretsutslagare. Men att uppnå högre strömnivåer (över 2 500 A) i HV VCBs är utmanande på grund av värmeuppkomst från kontaktstrukturen och den begränsade värmeöverföringsförmågan hos avbrytaren.
Övervakning: Det är enklare att övervaka kvaliteten på avbrytningsmediet i SF6-kretsutslagare, eftersom graden av vakuum i HV VCBs inte praktiskt kan övervakas under drift.
Växlingar: HV VCBs kan utföra ett större antal växlingar jämfört med SF6-kretsutslagare tack vare det superiöra uthålligheten hos vakuumkontaktens system mot bågar. Detta gör vakuumteknik särskilt attraktiv för applikationer som kräver frekventa växlingar, såsom dagliga operationer.
Drivenergi: Vid en typisk 72,5 kV-spänningsklass är den drivenergi som krävs för en vakuumkretsutslagare betydligt lägre—cirka 20 % av den som krävs för en motsvarande SF6-kretsutslagare. De fysiska storlekarna på de två typerna av enheter är jämförbara.
Avbrytar konfiguration: Över 145 kV kan HV VCBs kräva mer än en avbrytare i serie, medan SF6-teknik har framgångsrikt implementerat enkelbrytkretsutslagare upp till 550 kV sedan 1994, vilka är bredt använda i många länder.
Bågegenskaper: Bågspänningen i HV VCBs är mycket lägre än i SF6-kretsutslagare, vanligtvis mellan tiotal volt jämfört med hundratals volt i SF6. Dessutom är bågtiden under felväxling kortare i vakuumutrustning, med en minimal bågtid på 5–7 ms jämfört med 10–15 ms för SF6-kretsutslagare. Detta resulterar i ett större antal möjliga växlingar för HV VCBs.
Röntgenstrålning: HV VCBs med spänningsklasser upp till 145 kV emitterar röntgenstrålning inom standardiserad gräns på 5 μSv/h under normal drift. SF6-kretsutslagare emitterar ingen röntgenstrålning.
Elektriska egenskaper
Felströmavbrott: HV VCBs utmärker sig i att avbryta felströmmar med mycket branta stigningstakt för transitoriell återhämtningsspanning (TRV) på grund av deras snabba dielektriska återhämtning, vilket är snabbare än för SF6-kretsutslagare.
Genombrytningsstatistik: Medan vakuumgap teoretiskt har mycket höga genombrytningsvoltager, finns det en liten sannolikhet för genombrytning vid relativt måttliga spänningar. Vakuumgap kan också uppleva spontan sen genombrytning, som inträffar upp till flera hundra millisekunder efter strömavbrott. Konsekvenserna av sådana händelser är dock begränsade eftersom vakuumgap omedelbart återställer sin isolering. Systemkonsekvenserna av sen genombrytning är ännu inte fullständigt förstådda.
Induktiv lastväxling: I applikationer som involverar induktiva laster, som shuntreaktorväxling, tenderar HV VCBs att uppleva ett större antal upprepade återeldningar vid en nollpunkt för nätspänningen. Detta beror på vakuumförmågan att avbryta högfrekventa strömmar som följer återeldning. Effekterna av dessa återeldningsövergångar på interagerande apparatur, som RC-dämpare och metalloxidbegränsare, undersöks för närvarande.
Kapacitansbankväxling: När kapacitansbanker växlas är det viktigt att undvika mycket höga inruschströmmar, eftersom de kan förvärra dielektriska egenskaperna i kontakt systemet genom förbrandarcar. Denna utmaning gäller både för HV VCBs och SF6-kretsutslagare. Åtgärder för att mildra inkluderar användning av seriereaktorer eller kontrollerad växling, även om det finns begränsad fälterfarenhet med senare för HV VCBs.
Framtidsperspektiv och marknadsperception
En undersökning bland användare av högspänningsutrustning visade att frånvaron av SF6 ses som den primära fördelen med vakuumutrustning, förutsatt att den externa isoleringen också är fri från SF6. Dock är bristen på omfattande serviceerfarenhet vid överföringsspänningsnivåer fortfarande en betydande tvekan för den breda adoptionen av HV VCBs. Trots detta driver miljöfördelarna och driftsfördelarna med vakuumteknik fortsatt intresse och utveckling inom detta område.
Potentiella användare av högspänningsvakuumkretsutslagare (HV VCBs) ger ofta ifrån sig bekymmer om överspänningstillkomst på grund av strömskärning och möjligheten till röntgenemissioner under växlingsoperationer. Dessa frågor är kritiska för att säkerställa säker och tillförlitlig drift av HV VCBs, särskilt eftersom de alltmer övervägs för överföringsspänningsapplikationer.
Röntgenemission
För enkelbryt-enheter är röntgenemissionerna från HV VCBs med spänningsklasser upp till och inklusive 145 kV långt under den standardiserade gränsen på 5 μSv/h under normal drift. Flerbryt-enheter visar ännu lägre nivåer av röntgenemissioner. Detta är en viktig övervägning för regleringsenhet och säkerhet, eftersom det säkerställer att HV VCBs kan distribueras utan att utsätta personal eller miljö för betydande strålningssrisker.
Pilotprojekt
En stor majoritet av respondenterna uttryckte starkt intresse för att initiera pilotprojekt för att få praktisk erfarenhet av HV VCB-teknik. Sådana projekt skulle tillåta energiföretag och systemoperatörer att utvärdera prestanda, tillförlitlighet och driftsegenskaper hos HV VCBs i verklighetsbaserade villkor. Solid jordade nät rekommenderas för dessa pilotprojekt, eftersom nätvillkoren i medelspänningsystem inte alltid är jämförbara med de i överföringsspänningsnät, särskilt angående jordningsvillkor. Denna metod kommer att hjälpa till att säkerställa att de erfarenheter som vunnits är relevanta och tillämpbara för överföringsnivåapplikationer.
Standardisering
Den nuvarande IEC-standarden för kretsutslagare, IEC 62271-100, har en stark fokusering på SF6-växlingsteknik, vilket kanske inte fullt ut täcker de unika egenskaperna och utmaningarna med vakuumväxling. Till exempel kan testuppgifter som är utmanande för SF6, som kortlinje feltest, inte vara lika kritiska för vakuumteknik. Å andra sidan kan tillämpningen av kontinuerlig återhämtningsspänning i syntetiska tester, vilket är mindre relevant för SF6, vara mer viktigt för att visa frånvaron av sen genombrytning i vakuumavbrytare. Som HV VCBs får mer fotfäste kan det finnas behov av att revidera eller komplettera de existerande standarderna för att bättre passa vakuumteknik.
Tekniska implikationer av SF6-fri design
När SF6 saknas som extern isoleringsmedel måste andra tekniska implikationer beaktas. Till exempel kan alternativa isoleringsmetoder kräva högre tryck, ökad vikt, större fotavtryck eller olika designöverväganden för att säkerställa adekvat isoleringsprestanda. Tillverkare utforskar aktivt dessa alternativ för att utveckla genomförbara ersättningar för SF6, men tills en ny teknik som kan täcka alla spänningsklasser hittas, kommer SF6 troligen att förbli nödvändig för vissa överföringsnätapplikationer.
Tillverkarsengagemang
Tillverkare är engagerade i att utveckla och göra tillgängliga industriellt genomförbara alternativ till SF6-teknik. Medan SF6 har varit den dominerande isoleringsgassen för högspänningsapplikationer på grund av dess utmärkta dielektriska egenskaper, har miljöbekymmer kopplade till SF6, särskilt dess höga globala uppvärmningspotential, drivit sökandet efter grönare lösningar. HV VCBs representerar ett sådant alternativ, vilket erbjuder en hållbar lösning för applikationer där frekventa växlingar och lägre underhåll krävs. Men övergången bort från SF6 kommer att ske gradvis, eftersom tillverkare fortsätter att innovera och förbättra nya teknologier för att möta den diversifierade energibranschens behov.
