!】

วงจรตัดไฟแรงดันสูงแบบว่าง: ภาพรวม

บทนำ

วงจรตัดไฟแรงดันสูงแบบว่าง (HV VCBs) ได้กลายเป็นทางเลือกที่มีความเป็นไปได้สำหรับวงจรตัดไฟแบบใช้แก๊ส SF6 ซึ่งเป็นมาตรฐาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแอปพลิเคชันที่ต้องการการสลับสวิตช์บ่อยครั้งและค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาต่ำ ในปี 2014 เป็นต้นมา HV VCBs ได้ถูกนำมาใช้แทนวงจรตัดไฟแรงดันสูงแบบใช้แก๊ส SF6 มากขึ้น โดยนำเสนอทางออกที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและยั่งยืนมากขึ้นผ่านการกำจัดการใช้ SF6 ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจกที่มีประสิทธิภาพสูง

อุปกรณ์สวิตช์แบบว่างได้ถูกใช้งานอย่างกว้างขวางในระบบกระจายไฟฟ้ามายาวนานกว่าสามทศวรรษ หลักๆ สำหรับการทำและตัดกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากความผิดปกติและการสลับโหลดประเภทต่างๆ ความเชื่อถือได้และความสามารถในการทำงานของเทคโนโลยีสวิตช์แบบว่างในระดับแรงดันกลาง (ไม่เกิน 52 kV) ได้แสดงให้เห็นถึงความเหนือกว่า ทำให้ได้รับความนิยมในระบบกระจายไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม การพยายามขยายเทคโนโลยีสวิตช์แบบว่างไปยังระดับแรงดันส่งเริ่มต้นตั้งแต่ยุค 1960 ด้วยการบรรลุเป้าหมายสำคัญประมาณปี 1980 เมื่อมีการติดตั้งวงจรตัดไฟแรงดันสูงแบบว่างเป็นครั้งแรกในญี่ปุ่น จนถึงปี 2010 มีประมาณ 10,000 เครื่อง HV VCBs ที่ใช้งานอยู่ ส่วนใหญ่ในภาคอุตสาหกรรม แต่ก็มีการใช้งานในภาคสาธารณูปโภคด้วย ความนิยมในเทคโนโลยีแบบว่างเหนือกว่า SF6 มาจากการที่สามารถจัดการการสลับสวิตช์บ่อยครั้งและมีความต้องการในการบำรุงรักษาต่ำ

ในสหรัฐอเมริกา สวิตช์แบงค์คอนเดนเซอร์แบบว่างได้ถูกใช้งานมายาวนานหลายทศวรรษที่แรงดันสูงถึง 242 kV ราวปี 2008 โครงการวิจัยและพัฒนา (R&D) ที่เข้มข้นในจีนและยุโรปมุ่งเน้นในการพัฒนา HV VCBs โดยมีเป้าหมายในการลดหรือกำจัดการใช้ SF6 นำไปสู่การแนะนำผลิตภัณฑ์ที่สามารถทำงานที่แรงดันสูงถึง 145 kV ในประเทศจีน การยอมรับ HV VCBs ในภาคธุรกิจคาดว่าจะดำเนินต่อไป ด้วยการมีหน่วยงานหลายร้อยแห่งที่ใช้งานที่ระดับแรงดันสูงถึง 126 kV ในยุโรป การทดสอบภาคสนามกำลังดำเนินอยู่เพื่อยืนยันสมรรถนะของอุปกรณ์ที่ผ่านการทดสอบชนิดแล้วก่อนที่จะเข้าสู่ตลาด

เทคโนโลยีและการออกแบบ

ผลิตภัณฑ์ HV VCB ทั้งหมดมีพื้นฐานมาจากเทคโนโลยีวงจรตัดไฟแรงดันกลางแบบว่างที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง ซึ่งได้รับการปรับปรุงตลอดหลายปี ไม่มีคุณสมบัติทางเทคนิคใหม่ที่จำเป็นต้องใช้ในการขยายเทคโนโลยีนี้ไปยังระดับแรงดันที่สูงขึ้น ความท้าทายหลักอยู่ที่การปรับขนาดเรขาคณิตของวงจรตัดไฟเพื่อรองรับระดับแรงดันที่สูงขึ้น ตัวอย่างเช่น ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวช่องว่างระหว่างตัวต่อต้องเพิ่มขึ้นเพื่อจัดการกับแรงดันที่สูงกว่า 52 kV ในบางกรณี สำหรับแรงดันที่สูงกว่า 126 kV จะใช้วงจรตัดไฟแบบว่างสองชุดต่อกันเพื่อให้การทำงานมีความเชื่อถือได้

คุณสมบัติการใช้งาน

• การจัดการกระแสไฟฟ้าปกติ: สำหรับกระแสไฟฟ้าปกติไม่เกิน 2,500 A ไม่มีความแตกต่างที่สำคัญระหว่าง HV VCBs และวงจรตัดไฟแบบใช้แก๊ส SF6 อย่างไรก็ตาม การทำให้ได้กระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้น (เกิน 2,500 A) ใน HV VCBs อาจเป็นเรื่องที่ยากเนื่องจากความร้อนที่เกิดจากโครงสร้างตัวต่อและความสามารถในการถ่ายเทความร้อนที่จำกัดของวงจรตัดไฟ

• การตรวจสอบ: การตรวจสอบคุณภาพของสารตัดไฟฟ้าในวงจรตัดไฟแบบใช้แก๊ส SF6 ทำได้ง่ายกว่า เนื่องจากระดับความว่างใน HV VCBs ไม่สามารถตรวจสอบได้จริงในระหว่างการใช้งาน

• การสลับสวิตช์: HV VCBs สามารถทำการสลับสวิตช์ได้มากกว่าวงจรตัดไฟแบบใช้แก๊ส SF6 เนื่องจากความทนทานของระบบตัวต่อแบบว่างต่อการอาร์ก ทำให้เทคโนโลยีแบบว่างน่าสนใจสำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการการสลับสวิตช์บ่อยครั้ง เช่น การทำงานประจำวัน

• พลังงานขับเคลื่อน: ที่ระดับแรงดัน 72.5 kV ทั่วไป พลังงานขับเคลื่อนที่ต้องการสำหรับวงจรตัดไฟแบบว่างน้อยลงอย่างมาก ประมาณ 20% ของพลังงานที่ต้องการสำหรับวงจรตัดไฟแบบใช้แก๊ส SF6 ขนาดทางกายภาพของอุปกรณ์ทั้งสองประเภทนั้นเทียบเคียงกัน

• การกำหนดวงจรตัดไฟ: ที่แรงดันสูงกว่า 145 kV HV VCBs อาจต้องการวงจรตัดไฟมากกว่าหนึ่งชุดต่อกัน ในขณะที่เทคโนโลยี SF6 ได้ทำการติดตั้งวงจรตัดไฟแบบเดียวที่แรงดันสูงถึง 550 kV ตั้งแต่ปี 1994 ซึ่งได้รับการใช้งานอย่างกว้างขวางในหลายประเทศ

• คุณสมบัติของอาร์ก: แรงดันอาร์กใน HV VCBs น้อยกว่าในวงจรตัดไฟแบบใช้แก๊ส SF6 มาก ทั่วไปอยู่ที่สิบโวลต์เทียบกับร้อยโวลต์ในวงจรตัดไฟแบบใช้แก๊ส SF6 นอกจากนี้ ระยะเวลาของอาร์กในระหว่างการสลับสวิตช์ที่เกิดจากความผิดปกติในวงจรตัดไฟแบบว่างนั้นสั้นกว่า ด้วยระยะเวลาอาร์กขั้นต่ำ 5-7 มิลลิวินาทีเทียบกับ 10-15 มิลลิวินาทีในวงจรตัดไฟแบบใช้แก๊ส SF6 ทำให้ HV VCBs สามารถทำการสลับสวิตช์ได้มากกว่า

• การปล่อยรังสีเอ็กซ์: HV VCBs ที่มีแรงดันกำหนดไม่เกิน 145 kV ปล่อยรังสีเอ็กซ์ภายในขีดจำกัดมาตรฐาน 5 µSv/h ภายใต้สภาพการใช้งานปกติ วงจรตัดไฟแบบใช้แก๊ส SF6 ไม่ปล่อยรังสีเอ็กซ์

คุณสมบัติทางไฟฟ้า

• การตัดกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากความผิดปกติ: HV VCBs มีความสามารถในการตัดกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากความผิดปกติที่มีอัตราการเพิ่มขึ้นของแรงดันฟื้นตัวชั่วขณะ (TRV) ที่สูงมาก เนื่องจากมีการฟื้นตัวของฉนวนที่รวดเร็วกว่าวงจรตัดไฟแบบใช้แก๊ส SF6

• สถิติการแตกของแรงดัน: แม้ว่าช่องว่างแบบว่างจะมีแรงดันที่ทำให้เกิดการแตกที่สูงมากในทฤษฎี แต่ก็มีความเป็นไปได้เล็กน้อยที่จะเกิดการแตกที่แรงดันที่ค่อนข้างต่ำ ช่องว่างแบบว่างยังสามารถเกิดการแตกที่เกิดขึ้นเองหลังจากการตัดกระแสไฟฟ้าได้ ซึ่งเกิดขึ้นหลังจากหลายร้อยมิลลิวินาที อย่างไรก็ตาม ผลกระทบของเหตุการณ์เหล่านี้จำกัด เนื่องจากช่องว่างแบบว่างจะฟื้นฟูฉนวนทันที ผลกระทบที่เกิดจากการแตกที่เกิดขึ้นเองยังไม่ได้รับการเข้าใจอย่างครบถ้วน

• การสลับสวิตช์โหลดเหนี่ยวนำ: ในแอปพลิเคชันที่มีโหลดเหนี่ยวนำ เช่น การสลับสวิตช์เครื่องปฏิบัติการขนาน HV VCBs มักจะประสบกับการจุดอาร์กซ้ำหลายครั้งที่ศูนย์กระแสไฟฟ้าความถี่เดียว นี่เป็นเพราะความสามารถของว่างในการตัดกระแสไฟฟ้าความถี่สูงที่ตามมาหลังจากการจุดอาร์ก ผลกระทบของกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากการจุดอาร์กซ้ำบนอุปกรณ์ที่สัมพันธ์กัน เช่น RC snubbers และตัวป้องกันโอโซนโลหะกำลังอยู่ในการตรวจสอบ

• การสลับสวิตช์แบงค์คอนเดนเซอร์: เมื่อสลับสวิตช์แบงค์คอนเดนเซอร์ จำเป็นต้องหลีกเลี่ยงกระแสไฟฟ้าที่ไหลเข้าสูงมาก เนื่องจากสามารถทำให้คุณสมบัติของฉนวนของระบบตัวต่อเสื่อมลงผ่านอาร์กที่เกิดขึ้นก่อนเวลา ปัญหานี้มีผลทั้งสำหรับ HV VCBs และวงจรตัดไฟแบบใช้แก๊ส SF6 วิธีการลดผลกระทบที่ใช้ได้แก่ การใช้เครื่องปฏิบัติการขนานหรือการสลับสวิตช์ควบคุม แม้ว่าจะมีประสบการณ์ภาคสนามที่จำกัดสำหรับ HV VCBs

อนาคตและความรู้สึกของตลาด

การสำรวจที่ดำเนินการกับผู้ใช้อุปกรณ์สวิตช์แรงดันสูงพบว่า การขาด SF6 ถือเป็นข้อดีหลักของวงจรตัดไฟแบบว่าง ตราบใดที่ฉนวนภายนอกไม่มี SF6 อย่างไรก็ตาม การขาดประสบการณ์การบริการที่ครอบคลุมในระดับแรงดันส่งยังคงเป็นข้อกังวลที่สำคัญสำหรับการยอมรับ HV VCBs อย่างกว้างขวาง อย่างไรก็ตาม ประโยชน์ทางสิ่งแวดล้อมและความสามารถในการทำงานของเทคโนโลยีแบบว่างกำลังขับเคลื่อนความสนใจและการพัฒนาในด้านนี้ต่อไป

ผู้ใช้ที่มีศักยภาพของวงจรตัดไฟแรงดันสูงแบบว่าง (HV VCBs) มักจะมีความกังวลเกี่ยวกับการสร้างแรงดันสูงเกินเนื่องจากการตัดกระแสไฟฟ้าและโอกาสในการปล่อยรังสีเอ็กซ์ในระหว่างการสลับสวิตช์ ประเด็นเหล่านี้เป็นสิ่งสำคัญในการรับประกันการใช้งานที่ปลอดภัยและเชื่อถือได้ของ HV VCBs โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพวกมันได้รับการพิจารณาให้ใช้งานในระดับแรงดันส่ง

การปล่อยรังสีเอ็กซ์

สำหรับอุปกรณ์แบบเดียว การปล่อยรังสีเอ็กซ์จาก HV VCBs ที่มีแรงดันกำหนดไม่เกินและรวมถึง 145 kV ยังคงอยู่ต่ำกว่าขีดจำกัดมาตรฐาน 5 µSv/h ภายใต้สภาพการใช้งานปกติ อุปกรณ์แบบหลายชุดมีการปล่อยรังสีเอ็กซ์ที่ต่ำกว่ามาก นี่เป็นสิ่งที่ควรพิจารณาสำหรับการปฏิบัติตามกฎระเบียบและความปลอดภัย เพื่อรับประกันว่า HV VCBs สามารถนำมาใช้งานได้โดยไม่ก่อให้เกิดความเสี่ยงทางรังสีที่สำคัญต่อเจ้าหน้าที่หรือสิ่งแวดล้อม

โครงการนำร่อง

ผู้ตอบแบบสอบถามส่วนใหญ่แสดงความสนใจอย่างมากในการเริ่มต้นโครงการนำร่องเพื่อสะสมประสบการณ์การใช้งานกับเทคโนโลยี HV VCB โครงการเหล่านี้จะช่วยให้ผู้ประกอบการและผู้ดำเนินการระบบประเมินสมรรถนะ ความเชื่อถือได้ และคุณสมบัติการใช้งานของ HV VCBs ในสภาพแวดล้อมจริง ระบบที่มีการต่อพื้นดินอย่างมั่นคงถูกแนะนำสำหรับโครงการนำร่องเหล่านี้ เนื่องจากสภาพแวดล้อมในระบบแรงดันกลางไม่เสมอไปที่จะเทียบเคียงกับสภาพแวดล้อมในระบบแรงดันส่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเรื่องของการต่อพื้นดิน แนวทางนี้จะช่วยให้ประสบการณ์ที่ได้มีความเกี่ยวข้องและเหมาะสมกับการใช้งานในระดับแรงดันส่ง

การมาตรฐาน

มาตรฐานวงจรตัดไฟ IEC ปัจจุบัน IEC 62271-100 มีความสำคัญที่มุ่งเน้นที่เทคโนโลยีการสลับสวิตช์แบบใช้แก๊ส SF6 ซึ่งอาจไม่ครอบคลุมคุณสมบัติและปัญหาที่เป็นเอกลักษณ์ของเทคโนโลยีการสลับสวิตช์แบบว่าง เช่น การทดสอบที่ท้าทายสำหรับ SF6 เช่น การทดสอบความผิดปกติในสายสั้น อาจไม่จำเป็นมากสำหรับเทคโนโลยีแบบว่าง ในทางกลับกัน การใช้แรงดันฟื้นตัวต่อเนื่องในการทดสอบสังเคราะห์ ซึ่งไม่สำคัญสำหรับ SF6 อาจมีความสำคัญมากขึ้นในการแสดงให้เห็นว่าไม่มีการแตกที่เกิดขึ้นเองในวงจรตัดไฟแบบว่าง เมื่อ HV VCBs ได้รับความสนใจมากขึ้น อาจมีความจำเป็นในการทบทวนหรือเสริมมาตรฐานที่มีอยู่เพื่อให้เหมาะสมกับเทคโนโลยีแบบว่างมากขึ้น

ผลกระทบทางเทคนิคของการออกแบบที่ไม่มี SF6

เมื่อไม่มี SF6 เป็นฉนวนภายนอก ผลกระทบที่เกี่ยวข้องอื่นๆ ต้องพิจารณา ตัวอย่างเช่น วิธีการฉนวนทดแทนอาจต้องการความดันที่สูงขึ้น น้ำหนักที่เพิ่มขึ้น พื้นที่ที่ใหญ่ขึ้น หรือการพิจารณาการออกแบบที่แตกต่างเพื่อรับประกันประสิทธิภาพของฉนวน ผู้ผลิตกำลังสำรวจวิธีการทดแทนเหล่านี้อย่างแข็งขันเพื่อพัฒนาทางเลือกที่เป็นไปได้สำหรับ SF6 แต่จนกว่าจะพบเทคโนโลยีใหม่ที่สามารถครอบคลุมทุกระดับแรงดัน SF6 ยังคงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับแอปพลิเคชันบางอย่างในระบบส่งไฟฟ้า

ความมุ่งมั่นของผู้ผลิต

ผู้ผลิตมุ่งมั่นในการพัฒนาและทำให้ได้ทางเลือกที่เป็นไปได้ในทางอุตสาหกรรมสำหรับเทคโนโลยี SF6 แม้ว่า SF6 จะเป็นแก๊สฉนวนที่มีความโดดเด่นในแอปพลิเคชันแรงดันสูงเนื่องจากคุณสมบัติฉนวนที่ยอดเยี่ยม แต่ความกังวลทางสิ่งแวดล้อมที่เกี่ยวข้องกับ SF6 โดยเฉพาะอย่างยิ่งศักยภาพในการทำให้เกิดภาวะโลกร้อนสูง ได้ขับเคลื่อนการค้นหาทางเลือกที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม HV VCBs คือหนึ่งในทางเลือกที่เสนอ นำเสนอทางเลือกที่ยั่งยืนสำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการการสลับสวิตช์บ่อยครั้งและค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาต่ำ อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงจาก SF6 จะเป็นกระบวนการที่ค่อยเป็นค่อยไป เนื่องจากผู้ผลิตยังคงสร้างสรรค์และปรับปรุงเทคโนโลยีใหม่ๆ เพื่อตอบสนองความต้องการที่หลากหลายของอุตสาหกรรมไฟฟ้า