Історія минулих та сучасності вакуумних автоматичних вимикачів History of the Past and Present of Vacuum Circuit Breakers

Високовольтні вакуумні вимикачі: Огляд

Вступ

Високовольтні вакуумні вимикачі (HV VCBs) стали реальним альтернативним рішенням до традиційних вимикачів, ізольованих газом SF6, особливо в застосуваннях, де важливі часті комутації та нижчі витрати на обслуговування. З 2014 року HV VCBs все більше приймаються як альтернатива високовольтовим газовим вимикачам, пропонуючи більш екологічне та стабільне рішення, усунення використання SF6, потужного парникового гazu.

Вакуумна комутаційна апаратура широко використовується в системах розподілу протягом понад трьох десятиліть, переважно для здійснення та розриву аварійних струмів та переключення навантажень різних типів. Надійність та продуктивність технології вакуумного переключення в середньому діапазоні напруг (до 52 кВ) були винятковими, що призвело до її домінування в системах розподілу. Однак спроби поширити технологію вакуумного переключення на рівень передачі напруги почалися ще в 1960-х роках, з значними досягненнями, досягнутими близько 1980 року, коли були встановлені перші високовольтні вакуумні вимикачі в Японії. До 2010 року близько 10 000 HV VCBs були в експлуатації, переважно в промислових умовах, але також в утилітарних застосуваннях. Перевага вакуумної технології над SF6 була обумовлена її здатністю обробляти часті операції переключення та менші вимоги до обслуговування.

У США вакуумні вимикачі конденсаторних банок використовуються протягом декількох десятиліть при напругах до 242 кВ. Близько 2008 року інтенсивні програми досліджень та розробок (R&D) в Китаї та Європі були спрямовані на розробку HV VCBs, з акцентом на зменшення або повну ліквідацію використання SF6. Це призвело до появи продуктів, здатних працювати при напругах до 145 кВ. У Китаї швидке прийняття HV VCBs в комерційних застосуваннях очікується, що продовжиться, з сотнями одиниць, що вже в експлуатації при напругах до 126 кВ. У Європі проводяться полігонні випробування для підтвердження продуктивності типово випробованих пристроїв перед їх введенням на ринок.

Технологія та конструкція

Всі продукти HV VCBs базуються на добре встановленій технології вакуумного переривача середньої напруги, яка була вдосконалена за роки. Фундаментально нові технічні характеристики не були необхідні для поширення цієї технології на більш високі рівні напруг. Основна проблема полягає у масштабуванні геометрії переривача для забезпечення більших класів напруг. Наприклад, діаметр та довжина зазору контакту мають бути збільшені для обробки напруг, більших за 52 кВ. В деяких випадках, для напруг, що перевищують 126 кВ, використовуються два вакуумні зазори в ряд, щоб забезпечити надійну роботу.

Операційні характеристики

• Обробка нормальних струмів: Для нормальних струмів до 2,500 А немає значних відмінностей між HV VCBs та вимикачами SF6. Однак досягнення більших класів струмів (понад 2,500 А) в HV VCBs є складним через тепло, що генерується контактною системою, та обмежену теплопередачу переривача.

• Моніторинг: Легше контролювати якість середовища переривання у вимикачах SF6, оскільки рівень вакууму в HV VCBs практично неможливо контролювати під час експлуатації.

• Операції переключення: HV VCBs можуть виконувати більшу кількість операцій переключення порівняно з вимикачами SF6 завдяки вищій витривалості вакуумної контактної системи до дуг. Це робить вакуумну технологію особливо привабливою для застосувань, які потребують частих переключень, таких як щоденні операції.

• Енергія приводу: При типовому класі напруги 72,5 кВ, енергія приводу, необхідна для вакуумного вимикача, значно нижча — приблизно 20% від тієї, що потрібна для еквівалентного вимикача SF6. Фізичні розміри двох типів пристроїв схожі.

• Конфігурація переривача: Понад 145 кВ, HV VCBs можуть вимагати більше одного переривача в ряд, тоді як технологія SF6 успішно реалізувала односекційні вимикачі до 550 кВ з 1994 року, які широко використовуються у багатьох країнах.

• Характеристики дуги: Напруга дуги в HV VCBs набагато нижча, ніж у вимикачах SF6, зазвичай вона становить десятки вольт порівняно з сотнями вольт у вимикачах SF6. Крім того, тривалість дуги під час переключення аварійних струмів коротша в вакуумній комутаційній апаратурі, з мінімальною тривалістю дуги 5–7 мс порівняно з 10–15 мс для вимикачів SF6. Це призводить до більшої кількості можливих операцій переключення для HV VCBs.

• Випромінювання рентгенівських променів: HV VCBs з номінальними напругами до 145 кВ випромінюють рентгенівські промені в рамках стандартизованого ліміту 5 мкЗв/год під час нормальної експлуатації. Вимикачі SF6 не випромінюють рентгенівські промені.

Електричні характеристики

• Переривання аварійних струмів: HV VCBs відмінно переривають аварійні струми з дуже стрімким зростанням напруги відновлення (TRV) завдяки своєму швидкому відновленню диелектричних властивостей, яке швидше, ніж у вимикачів SF6.

• Статистика пробою: Хоча вакуумні зазори теоретично мають дуже високі напруги пробою, існує невелика ймовірність пробою при відносно помірних напругах. Вакуумні зазори також можуть досіяти самовільного пізнішого пробою, що відбувається через кілька сотень мілісекунд після переривання струму. Однак наслідки таких подій обмежені, оскільки вакуумний зазор негайно відновлює свою ізоляцію. Системні наслідки пізнішого пробою ще повністю не зрозумілі.

• Переключення індуктивних навантажень: У застосуваннях, що включають індуктивні навантаження, такі як переключення паралельних реакторів, HV VCBs мають тенденцію до більшої кількості повторних запалювань на одному нульовому струмі промислової частоти. Це обумовлено здатністю вакууму переривати високочастотні струми, що наступають після запалювання. Ефекти цих транзиторних процесів на взаємодіючі пристрої, такі як RC загасники та металооксидні арештери, наразі досліджуються.

• Переключення конденсаторних банок: При переключенні конденсаторних банок важливо уникати дуже високих впливних струмів, оскільки вони можуть погіршити диелектричні властивості контактної системи через дуги передзапалювання. Ця проблема стосується як HV VCBs, так і вимикачів SF6. Стратегії зниження включають використання серійних реакторів або контролюваного переключення, хоча досвіду з останнім для HV VCBs дуже обмежено.

Перспективи майбутнього та ринкова сприйнятність

Опитування серед користувачів високовольтної комутаційної апаратури показало, що відсутність SF6 вважається основною перевагою вакуумної комутаційної апаратури, якщо зовнішня ізоляція також без SF6. Однак відсутність широкого досвіду експлуатації на рівні передачі напруги залишається значною заміною для широкого впровадження HV VCBs. Незважаючи на це, екологічні переваги та операційні переваги вакуумної технології стимулюють продовження інтересу та розвитку в цій області.

Потенційні користувачі високовольтних вакуумних вимикачів (HV VCBs) часто висловлюють занепокоєння щодо генерації наднапруг через розрив струму та можливості випромінювання рентгенівських променів під час операцій переключення. Ці питання є ключовими для забезпечення безпечного та надійного функціонування HV VCBs, особливо з розгляду використання їх для застосувань на рівні передачі напруги.

Випромінювання рентгенівських променів

Для односекційних пристроїв, випромінювання рентгенівських променів від HV VCBs з номінальними напругами до 145 кВ, включаючи 145 кВ, залишається значно нижче стандартизованого ліміту 5 мкЗв/год під час нормальної експлуатації. Многосекційні пристрої демонструють ще нижчі рівні випромінювання рентгенівських променів. Це важливе питання для відповідності регуляторним вимогам та безпеці, оскільки воно гарантує, що HV VCBs можуть бути впроваджені без значних радіаційних ризиків для персоналу або середовища.

Пілотні проекти

Більшість респондентів висловили сильний інтерес до початку пілотних проектів для отримання практичного досвіду з технологією HV VCB. Такі проекти дозволять енергетичним компаніям та операторам систем оцінити продуктивність, надійність та операційні характеристики HV VCBs в реальних умовах. Рекомендується використовувати заземлені мережі для цих пілотних проектів, оскільки умови мереж у середньовольтних системах не завжди зіставні з умовами в мережах передачі напруги, особливо щодо умов заземлення. Цей підхід допоможе забезпечити, що отриманий досвід буде актуальним та застосовним для застосувань на рівні передачі напруги.

Стандартизація

Поточний стандарт IEC на вимикачі, IEC 62271-100, має сильний акцент на технологію переключення газом SF6, який може не повністю враховувати унікальні характеристики та виклики вакуумного переключення. Наприклад, випробувальні завдання, які є складними для SF6, такі як випробування на короткій лінії, можуть не бути такими критичними для вакуумної технології. Навпаки, застосування неперервної напруги відновлення в синтетичних випробуваннях, яке менш актуальне для SF6, може бути важливішим для демонстрації відсутності пізніх пробойних процесів у вакуумних переривачах. По мірі того, як HV VCBs набувають більшої популярності, може виникнути потреба у перегляді або доповненні існуючих стандартів, щоб краще врахувати вакуумну технологію.

Технічні наслідки дизайну без SF6

Коли SF6 відсутній як зовнішній ізоляційний середовище, треба врахувати інші технічні наслідки. Наприклад, альтернативні методи ізоляції можуть вимагати більшого тиску, збільшеного ваги, більшого простору або інших розглядів дизайну, щоб забезпечити достатню продуктивність ізоляції. Виробники активно досліджують ці альтернативи, щоб розробити жизнеспособні замінники SF6, але до тих пір, поки не знайдено нової технології, яка може охопити всі класи напруг, SF6, ймовірно, залишиться необхідним для певних застосувань в мережах передачі напруги.

Зобов'язання виробників

Виробники зобов'язані розробляти та надавати промислові альтернативи технології SF6. Хоча SF6 був домінуючим ізоляційним газом для високовольтних застосувань завдяки своїм відмінним диелектричним властивостям, екологічні проблеми, пов'язані з SF6, особливо його високий потенціал глобального потепління, стимулювали пошук більш екологічних рішень. HV VCBs представляють собою одне з таких рішень, пропонуючи стабільну альтернативу для застосувань, де потрібні часті переключення та нижчі витрати на обслуговування. Однак переход від SF6 буде поступовим, оскільки виробники продовжують інновувати та вдосконалювати нові технології, щоб задовольнити різноманітні потреби енергетичної галузі.