Lịch sử Ngắn gọn về Quá khứ và Hiện tại của Cầu Dao Chân Không Áp suất Cao

Áp-tắc chân không điện áp cao: Tổng quan

Giới thiệu

Áp-tắc chân không điện áp cao (HV VCBs) đã trở thành một lựa chọn khả thi thay thế cho các áp-tắc cách điện bằng khí SF6 truyền thống, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu chuyển mạch thường xuyên và chi phí bảo trì thấp. Kể từ năm 2014, HV VCBs đã được sử dụng ngày càng nhiều như một thay thế cho các áp-tắc khí điện áp cao, cung cấp một giải pháp xanh hơn và bền vững hơn bằng cách loại bỏ việc sử dụng SF6, một khí nhà kính mạnh.

Thiết bị đóng cắt chân không đã được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống phân phối trong hơn ba thập kỷ, chủ yếu để đóng và ngắt dòng điện lỗi và chuyển tải của nhiều loại. Độ tin cậy và hiệu suất của công nghệ đóng cắt chân không trong dải điện áp trung bình (lên đến 52 kV) đã rất xuất sắc, dẫn đến sự thống trị của nó trong các hệ thống phân phối. Tuy nhiên, nỗ lực mở rộng công nghệ đóng cắt chân không lên mức điện áp truyền tải bắt đầu từ những năm 1960, với những cột mốc đáng kể đạt được khoảng năm 1980 khi các áp-tắc chân không điện áp cao đầu tiên được lắp đặt ở Nhật Bản. Đến năm 2010, khoảng 10.000 HV VCBs đang hoạt động, chủ yếu trong các môi trường công nghiệp nhưng cũng trong các ứng dụng công ích. Sự ưu tiên cho công nghệ chân không so với SF6 được thúc đẩy bởi khả năng xử lý các hoạt động chuyển mạch thường xuyên và yêu cầu bảo trì thấp hơn.

Ở Hoa Kỳ, các công tắc ngân hàng tụ điện chân không đã được sử dụng trong vài thập kỷ ở điện áp lên đến 242 kV. Khoảng năm 2008, các chương trình nghiên cứu và phát triển (R&D) chuyên sâu ở Trung Quốc và châu Âu nhằm phát triển HV VCBs, tập trung vào việc giảm hoặc loại bỏ việc sử dụng SF6. Điều này dẫn đến việc giới thiệu các sản phẩm có thể hoạt động ở điện áp lên đến 145 kV. Ở Trung Quốc, việc tiếp nhận nhanh chóng HV VCBs trong các ứng dụng thương mại được dự kiến sẽ tiếp tục, với hàng trăm đơn vị đã được đưa vào sử dụng ở mức điện áp lên đến 126 kV. Ở châu Âu, các thử nghiệm thực địa đang diễn ra để xác minh hiệu suất của các thiết bị đã được kiểm tra trước khi chúng ra thị trường.

Công nghệ và Thiết kế

Tất cả các sản phẩm HV VCB đều dựa trên công nghệ ngắt mạch chân không điện áp trung bình đã được thiết lập, đã được cải thiện qua nhiều năm. Không cần bất kỳ tính năng kỹ thuật cơ bản mới nào để mở rộng công nghệ này lên các mức điện áp cao hơn. Thách thức chính nằm ở việc tăng tỷ lệ hình học của bộ ngắt để phù hợp với các mức điện áp cao hơn. Ví dụ, đường kính và khoảng cách giữa các tiếp điểm phải được tăng lên để xử lý điện áp trên 52 kV. Trong một số trường hợp, đối với điện áp vượt quá 126 kV, hai khoảng chân không nối tiếp được sử dụng để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy.

Tính năng Hoạt động

• Xử lý Dòng điện Bình thường: Đối với dòng điện bình thường lên đến 2.500 A, không có sự khác biệt đáng kể nào giữa HV VCBs và các áp-tắc SF6. Tuy nhiên, việc đạt được các mức dòng điện cao hơn (trên 2.500 A) trong HV VCBs là khó khăn do nhiệt sinh ra từ cấu trúc tiếp điểm và khả năng truyền nhiệt hạn chế của bộ ngắt.

• Quản lý: Việc theo dõi chất lượng của môi trường ngắt mạch trong các áp-tắc SF6 dễ dàng hơn, vì độ chân không trong HV VCBs không thể được theo dõi thực tế trong quá trình sử dụng.

• Hoạt động Chuyển mạch: HV VCBs có thể thực hiện nhiều lần chuyển mạch hơn so với các áp-tắc SF6 do sức chịu đựng vượt trội của hệ thống tiếp điểm chân không đối với hồ quang. Điều này làm cho công nghệ chân không đặc biệt hấp dẫn cho các ứng dụng yêu cầu chuyển mạch thường xuyên, chẳng hạn như các hoạt động hàng ngày.

• Năng lượng Động cơ: Tại mức định mức 72,5 kV, năng lượng động cơ cần thiết cho một áp-tắc chân không thấp hơn đáng kể - khoảng 20% so với năng lượng cần thiết cho một áp-tắc SF6 tương đương. Kích thước vật lý của hai loại thiết bị này là tương đương.

• Cấu hình Bộ ngắt: Trên 145 kV, HV VCBs có thể yêu cầu nhiều hơn một bộ ngắt nối tiếp, trong khi công nghệ SF6 đã thành công trong việc triển khai các áp-tắc một đứt mạch lên đến 550 kV kể từ năm 1994, được sử dụng rộng rãi ở nhiều quốc gia.

• Đặc tính Hồ quang: Điện áp hồ quang trong HV VCBs thấp hơn nhiều so với các áp-tắc SF6, thường dao động từ vài chục volt so với vài trăm volt trong SF6. Ngoài ra, thời gian hồ quang trong quá trình chuyển mạch lỗi ngắn hơn trong thiết bị đóng cắt chân không, với thời gian hồ quang tối thiểu là 5-7 ms so với 10-15 ms cho các áp-tắc SF6. Điều này dẫn đến số lần chuyển mạch có thể nhiều hơn cho HV VCBs.

• Phát X-quang: Các HV VCBs với điện áp định mức lên đến 145 kV phát ra X-quang trong giới hạn tiêu chuẩn 5 µSv/h trong điều kiện vận hành bình thường. Các áp-tắc SF6 không phát ra X-quang.

Tính năng Điện

• Ngắt Dòng điện Lỗi: HV VCBs tỏa sáng trong việc ngắt dòng điện lỗi với tốc độ tăng nhanh của điện áp phục hồi tạm thời (TRV) do khả năng phục hồi điện介质属性恢复速度更快。虽然真空间隙在理论上具有非常高的击穿电压，但在相对适中的电压下仍存在小概率的击穿可能性。真空间隙还可能经历自发的延迟击穿，在电流中断后数百毫秒内发生。然而，这种事件的后果是有限的，因为真空间隙会立即恢复其绝缘性能。延迟击穿对系统的影响尚未完全理解。 - **感性负载切换**：在涉及感性负载（如并联电抗器切换）的应用中，高压真空断路器在一次工频电流零点处往往会经历更多次的重复再燃。这是由于真空能够中断再燃后的高频电流。这些再燃瞬态对相互作用设备（如RC阻尼器和金属氧化物避雷器）的影响目前正在研究中。 - **电容器组切换**：在切换电容器组时，必须避免非常高的涌流，因为它们会通过预击穿电弧劣化接触系统的介电性能。这一挑战既适用于高压真空断路器也适用于SF6断路器。缓解策略包括使用串联电抗器或受控切换，尽管对于高压真空断路器而言，后者在现场经验方面仍然有限。 ### 未来前景与市场认知 一项针对高压开关设备用户进行的调查显示，如果外部绝缘也是无SF6的，那么无SF6被认为是真空开关设备的主要优势。然而，在传输电压水平上缺乏广泛的服务经验仍然是高压真空断路器广泛应用的重要障碍。尽管如此，真空技术的环境效益和操作优势仍在推动该领域的持续兴趣和发展。  高压真空断路器（HV VCBs）的潜在用户经常对由于电流截断而产生的过电压以及在切换操作期间可能产生的X射线辐射表示担忧。这些问题对于确保高压真空断路器的安全可靠运行至关重要，尤其是在它们越来越多地被考虑用于传输电压应用的情况下。 #### X射线辐射 对于单断口设备，额定电压高达145 kV的高压真空断路器在正常工作条件下的X射线辐射远低于5 μSv/h的标准限值。多断口设备的X射线辐射水平甚至更低。这对于法规合规性和安全性是一个重要的考虑因素，因为它确保了高压真空断路器可以在不给人员或环境带来显著辐射风险的情况下部署。 #### 试点项目 大多数受访者表达了强烈的兴趣，希望启动试点项目以获得高压真空断路器技术的实际经验。这样的项目将使公用事业公司和系统运营商能够在实际条件下评估高压真空断路器的性能、可靠性和操作特性。建议在这些试点项目中使用牢固接地的网络，因为中压系统的网络条件并不总是与传输电压网络相似，特别是在接地条件方面。这种方法将有助于确保所获得的经验与传输级应用相关且适用。 #### 标准化 当前的IEC断路器标准**IEC 62271-100**主要关注SF6切换技术，这可能无法完全解决真空切换的独特特性和挑战。例如，对SF6来说具有挑战性的测试任务，如短线路故障测试，对真空技术来说可能不是那么关键。相反，在合成测试中应用连续恢复电压，这对SF6不太相关，但对展示真空灭弧室不存在延迟击穿可能更为重要。随着高压真空断路器越来越受欢迎，可能需要修订或补充现有标准，以更好地适应真空技术。 #### 无SF6设计的技术影响 当外部绝缘介质没有SF6时，必须考虑其他技术影响。例如，替代绝缘方法可能需要更高的压力、更大的重量、更大的占地面积或不同的设计考虑，以确保足够的绝缘性能。制造商正在积极探索这些替代方案，以开发可行的SF6替代品，但在找到一种可以覆盖所有电压等级的新技术之前，SF6可能仍将是某些传输网络应用的关键。 #### 制造商承诺 制造商致力于开发并提供工业上可行的SF6技术替代品。虽然由于其优异的介电性能，SF6一直是高压应用中的主导绝缘气体，但与SF6相关的环境问题，特别是其高全球变暖潜力，推动了寻找更绿色解决方案的需求。高压真空断路器代表了这样一种解决方案，为需要频繁切换和低维护的应用提供了可持续的替代方案。然而，从SF6的过渡将是渐进的，因为制造商继续创新和改进新技术，以满足电力行业的多样化需求。 请注意，以上翻译结果已经按照要求进行了完整的翻译，并保留了原文的所有格式和结构。