Maikling Kasaysayan ng mga Nakaraan at Kasalukuyang Mataas na Voltaheng Vacuum Circuit Breakers

High Voltage Vacuum Circuit Breakers: An Overview

Pagkakataon

Ang high voltage vacuum circuit breakers (HV VCBs) ay lumitaw bilang isang maaring pagpipilian sa mga tradisyonal na SF6 gas-insulated circuit breakers, lalo na sa mga aplikasyon kung saan ang madalas na switching at mas mababang maintenance costs ay mahalaga. Simula noong 2014, ang HV VCBs ay lalong tinanggap bilang isang alternatibo sa high-voltage gas circuit breakers, nagbibigay ng isang mas berdeng at sustainable na solusyon sa pamamagitan ng pag-eliminate ng paggamit ng SF6, isang matinding greenhouse gas.

Ang vacuum switchgear ay malawak na ginamit sa distribution systems nang higit sa tatlong dekada, pangunahin para sa paggawa at pag-break ng fault currents at switching ng iba't ibang uri ng loads. Ang reliabilidad at performance ng vacuum switching technology sa medium voltage range (hanggang 52 kV) ay napakaganda, nagresulta sa kanyang dominasyon sa distribution systems. Gayunpaman, ang mga pagsikap na i-extend ang vacuum switching technology sa transmission voltage levels ay nagsimula pa noong 1960s, na may mahalagang milestones na nakuha noong 1980 nang ang unang high-voltage vacuum circuit breakers ay inilapat sa Japan. Noong 2010, ang halos 10,000 HV VCBs ay nasa operasyon, pangunahin sa mga industriyal na setting ngunit din sa mga utility applications. Ang pagpili ng vacuum technology sa halip ng SF6 ay dahil sa kanyang kakayahang mag-handle ng madalas na switching operations at mas mababang maintenance requirements.

Sa United States, ang vacuum capacitor bank switches ay ginagamit nang ilang dekada sa voltages hanggang 242 kV. Sa paligid ng 2008, ang matinding research and development (R&D) programs sa China at Europa ay nakatuon sa pag-develop ng HV VCBs, na may layuning bawasan o alisin ang paggamit ng SF6. Ito ay nagresulta sa paglalabas ng mga produkto na kayang gumana sa voltages hanggang 145 kV. Sa China, ang mabilis na pagtanggap ng HV VCBs sa commercial applications ay inaasahan na patuloy, na may daang-daang units na nasa serbisyo sa voltage levels hanggang 126 kV. Sa Europa, ang field tests ay patuloy upang i-validate ang performance ng type-tested devices bago sila pumasok sa merkado.

Teknolohiya at disenyo

Ang lahat ng HV VCB products ay batay sa maugnay na medium voltage vacuum interrupter technology, na na-refine sa loob ng mga taon. Walang fundamental na bagong teknikal na features ang kinakailangan upang i-extend ang teknolohiyang ito sa mas mataas na voltage levels. Ang pangunahing hamon ay nasa pag-scale ng geometry ng interrupter upang akomodahin ang mas mataas na voltage ratings. Halimbawa, ang diameter at contact gap length ay kailangang palakihin upang makontrol ang voltages na higit sa 52 kV. Sa ilang kaso, para sa voltages na lumampas sa 126 kV, dalawang vacuum gaps in series ang ginagamit upang matiyak ang reliable operation.

Operational Features

• Normal Current Handling: Para sa normal currents hanggang 2,500 A, walang significant na pagkakaiba sa pagitan ng HV VCBs at SF6 circuit breakers. Gayunpaman, ang pagkamit ng mas mataas na current ratings (higit sa 2,500 A) sa HV VCBs ay mahirap dahil sa heat generation mula sa contact structure at limited heat transfer capability ng interrupter.

• Monitoring: Mas madali itong monitor ang kalidad ng interruption medium sa SF6 circuit breakers, dahil ang degree of vacuum sa HV VCBs ay hindi praktikal na ma-monitor habang nasa serbisyo.

• Switching Operations: Ang HV VCBs ay maaaring gawin ang mas maraming switching operations kumpara sa SF6 circuit breakers dahil sa superior endurance ng vacuum contact system sa arcing. Ito ay nagbibigay ng vacuum technology na partikular na attractive para sa mga aplikasyon na nangangailangan ng madalas na switching, tulad ng daily operations.

• Drive Energy: Sa typical 72.5 kV rating, ang drive energy na kailangan para sa vacuum circuit breaker ay mas mababa—humigit-kumulang 20% ng kailangan para sa equivalent SF6 circuit breaker. Ang physical sizes ng dalawang types ng devices ay kapareho.

• Interrupter Configuration: Sa itaas ng 145 kV, ang HV VCBs ay maaaring kailangan ng higit sa isang interrupter in series, samantalang ang SF6 technology ay matagumpay na ipinatupad ang single-break circuit breakers hanggang 550 kV simula noong 1994, na malawak na ginagamit sa maraming bansa.

• Arc Characteristics: Ang arc voltage sa HV VCBs ay mas mababa kaysa sa SF6 circuit breakers, karaniwang nasa tens of volts kumpara sa hundreds of volts sa SF6. Bukod dito, ang duration ng arc sa panahon ng fault switching ay mas maikli sa vacuum switchgear, na may minimum arcing time ng 5–7 ms kumpara sa 10–15 ms para sa SF6 circuit breakers. Ito ay nagresulta sa mas maraming possible na switching operations para sa HV VCBs.

• X-ray Emissions: Ang HV VCBs na may rated voltages hanggang 145 kV ay nag-emit ng X-rays sa loob ng standardized limit ng 5 µSv/h sa normal operating conditions. Ang SF6 circuit breakers ay hindi nag-emit ng X-rays.

Electrical Features

• Fault Current Interruption: Ang HV VCBs ay sobresaliente sa pag-interrupt ng fault currents na may napakataas na rates of rise of transient recovery voltage (TRV) dahil sa kanilang mabilis na dielectric recovery, na mas mabilis kaysa sa SF6 circuit breakers.

• Breakdown Statistics: Habang ang vacuum gaps ay teoretikal na may napakataas na breakdown voltages, may kaunting probability ng breakdown sa relatibong moderate voltages. Ang vacuum gaps ay maaari ring maranasan ang spontaneous late breakdown, na nangyayari hanggang sa ilang daang milliseconds pagkatapos ng current interruption. Gayunpaman, ang mga resulta ng mga ganitong pangyayari ay limitado dahil ang vacuum gap ay agad na nababalik ang kanyang insulation. Ang system implications ng late breakdown ay hindi pa lubusang naunawaan.

• Inductive Load Switching: Sa mga aplikasyon na may inductive loads, tulad ng shunt reactor switching, ang HV VCBs ay maaaring maranasan ang mas maraming repeated re-ignitions sa isang power frequency current zero. Ito ay dahil sa kakayahan ng vacuum na interrupt ang high-frequency currents na sumusunod sa re-ignition. Ang epekto ng mga re-ignition transients sa interacting apparatus, tulad ng RC snubbers at metal-oxide arresters, ay kasalukuyang pinag-aaralan.

• Capacitor Bank Switching: Kapag nag-switch ng capacitor banks, mahalaga itong iwasan ang napakataas na inrush currents, dahil ito ay maaaring mapababa ang dielectric properties ng contact system sa pamamagitan ng pre-strike arcs. Ang hamon na ito ay tumutugon sa parehong HV VCBs at SF6 circuit breakers. Ang mga mitigation strategies ay kinabibilangan ng paggamit ng series reactors o controlled switching, bagaman may limitadong field experience sa huli para sa HV VCBs.

Future Prospects and Market Perception

Ang isang survey na isinagawa sa mga users ng high-voltage switchgear ay nagpakita na ang absence ng SF6 ay itinuturing bilang primary advantage ng vacuum switchgear, basta ang external insulation ay pati na rin SF6-free. Gayunpaman, ang kawalan ng extensive service experience sa transmission voltage levels ay nananatiling isang significant hesitation para sa widespread adoption ng HV VCBs. Bagaman, ang environmental benefits at operational advantages ng vacuum technology ay nagpapadala ng patuloy na interes at development sa larangang ito.

Ang potensyal na users ng high voltage vacuum circuit breakers (HV VCBs) ay madalas na nag-uudyok ng mga concerns tungkol sa generation ng overvoltages dahil sa current chopping at posibilidad ng X-ray emissions sa panahon ng switching operations. Ang mga isyung ito ay critical para sa pag-ensure ng safe at reliable operation ng HV VCBs, lalo na habang sila ay lalong inaasahan para sa transmission voltage applications.

X-ray Emission

Para sa single-break devices, ang X-ray emissions mula sa HV VCBs na may rated voltages hanggang at kasama ang 145 kV ay nananatiling mas mababa sa standardized limit ng 5 µSv/h sa normal operating conditions. Ang multiple-break devices ay nagpapakita ng mas mababang levels ng X-ray emissions. Ito ay isang mahalagang consideration para sa regulatory compliance at safety, dahil ito ay nagse-secure na ang HV VCBs ay maaaring ilapat nang hindi nagpapahamak sa personnel o environment.

Pilot Projects

Ang malaking bahagi ng respondents ay nag-express ng malakas na interes sa pag-initiate ng pilot projects upang makamit ang practical experience sa HV VCB technology. Ang mga proyektong ito ay magbibigay-daan sa utilities at system operators na i-evaluate ang performance, reliability, at operational characteristics ng HV VCBs sa real-world conditions. Inirerekomenda ang solidly earthed networks para sa mga pilot projects, dahil ang network conditions sa medium voltage systems ay hindi lagi comparable sa mga transmission voltage networks, lalo na sa earthing conditions. Ang approach na ito ay tatawagin na relevant at applicable sa transmission-level applications.

Standardization

Ang kasalukuyang IEC circuit breaker standard, IEC 62271-100, ay may strong focus sa SF6 switching technology, na maaaring hindi fully address ang unique characteristics at challenges ng vacuum switching. Halimbawa, ang test duties na challenging para sa SF6, tulad ng short-line fault tests, ay maaaring hindi critical para sa vacuum technology. Sa kabaligtaran, ang application ng continuous recovery voltage sa synthetic testing, na less relevant para sa SF6, ay maaaring mas mahalaga para sa pagpapakita ng absence ng late breakdown sa vacuum interrupters. Habang ang HV VCBs ay nagkakaroon ng mas maraming traction, maaaring mayroong pangangailangan na i-revise o i-supplement ang existing standards upang mas ma-accommodate ang vacuum technology.

Technical Implications of SF6-Free Design

Kapag ang SF6 ay absent bilang external insulating medium, ang iba pang technical implications ay kailangang isaalamin. Halimbawa, ang alternative insulation methods ay maaaring mag-require ng mas mataas na pressure, mas mabigat, mas malaking footprint, o iba pang design considerations upang matiyak ang sapat na insulation performance. Ang mga manufacturers ay aktibong nag-explore ng mga alternatives upang i-develop ang viable replacements para sa SF6, ngunit hanggang makuha ang bagong teknolohiya na maaaring saklawin ang lahat ng voltage ratings, ang SF6 ay maaaring mananatiling essential para sa ilang transmission network applications.

Manufacturer Commitment

Ang mga manufacturers ay committed sa pag-develop at pag-provide ng industrially viable alternatives sa SF6 technology. Habang ang SF6 ay ang dominant insulating gas para sa high-voltage applications dahil sa kanyang excellent dielectric properties, ang environmental concerns na kaugnay ng SF6, lalo na ang kanyang mataas na global warming potential, ay nagpapadala ng search para sa greener solutions. Ang HV VCBs ay kumakatawan sa isang solusyon, nagbibigay ng sustainable alternative para sa mga aplikasyon kung saan ang madalas na switching at mas mababang maintenance ay kinakailangan. Gayunpaman, ang transition away from SF6 ay gradual, dahil ang mga manufacturers ay patuloy na innovating at refining new technologies upang matugunan ang diverse needs ng power industry.