Ang kasalukuyang kalagayan at trend ng pag-unlad ng high-voltage SF6 circuit breakers

Ang mga high-voltage circuit breakers, na kilala rin bilang high-voltage switches, ay may sapat na kakayahan sa pag-putol at pag-lipas ng kuryente. Sila ay hindi lamang maaaring putulin at isara ang walang-load na kuryente at load na kuryente ng high-voltage circuits, ngunit kapag may naganap na pagkakamali sa sistema, makikipagtulungan sila sa mga protective device at automatic device upang mabilis na putulin ang fault current, bawasan ang saklaw ng brownout, at mapigilan ang paglaki ng aksidente. Ito ay napakahalaga para masiguro ang ligtas na operasyon ng power system.

Ang mga high-voltage circuit breakers ay lumago mula sa oil circuit breakers, compressed air circuit breakers, vacuum circuit breakers, at SF₆ circuit breakers. Sa kanila, ang unang dalawang uri ay unti-unting inalis, at ang SF₆ circuit breakers ang mas karaniwang ginagamit kumpara sa huling dalawa. Ang mga SF₆ circuit breakers ay malawakang tinanggap noong maagang bahagi ng 1970s. Ginagamit nila ang sulfur hexafluoride bilang medium para sa pag-putol ng ark. Ang uri ng circuit breaker na ito ay may malaking interrupting capacity. Sa libreng kondisyong pagsusumpay, ang kanyang interrupting capacity ay humigit-kumulang 10 beses mas mataas kaysa sa ibang circuit breakers. Ito ay naglalaro ng mahalagang papel sa matatag at ligtas na operasyon ng power system, at may napakahalagang epekto din sa ekonomiko at sosyal na benepisyo.

1. Performance ng SF₆ Circuit Breakers

Ang mga SF₆ circuit breakers ay mga walang-oil na switching equipment na gumagamit ng SF₆ gas bilang insulating at arc-extinguishing medium. Ang kanilang insulation performance at arc-extinguishing characteristics ay mas mataas kaysa sa oil circuit breakers. Ang mga sulfur hexafluoride circuit breakers ay mayroong sumusunod na katangian:

• Malakas na kakayahan sa pag-putol ng ark, mataas na dielectric strength, at mataas na withstand voltage value ng unit fracture. Dahil dito, sa parehong lebel ng rated voltage, ang bilang ng kinakailangang series fracture ports ay nababawasan, nakakaimprove ng economic performance ng produkto.

• Matagal na electrical life. Maaari itong magpatuloy na mag-putol ng full capacity na 50kA hanggang 19 beses, at ang cumulative interrupting current ay maaaring umabot sa 4200kA. Ang cycle ng maintenance ay matagal, at ito ay angkop para sa madalas na operasyon.

• Magandang interrupting performance. Dahil sa electronegativity ng SF₆ gas, ito ay may malakas na kakayahan sa pag-adsorb ng free electrons. Ang ark na nabuo sa SF₆ ay nakakatulong sa pagbuo ng "arc column structure" (ark core at ark sheath). Ang diffusion ng ionized plasma ay pinapahintulutan, nagbibigay-daan sa efektibong recombination ng ions. Ang interrupting current ay malaki, umabot sa 80-100kA, at kahit 200kA. Ang oras ng pag-putol ng ark ay maikli, karaniwan 5-15ms. Samantalang, ang interrupting performance para sa reverse-phase interruption, near-zone faults, unloaded long lines, at transformer no-load conditions ay din maganda.

• Mataas na insulation performance. Ang insulation strength ng SF₆ ay humigit-kumulang 5-10 beses mas mataas kaysa sa hangin.

• Ang SF₆ gas ay walang kulay, walang amoy, hindi toxic, hindi flammable, at napakastable na gas na hindi madaling mag-react sa ibang substansiya. Bukod dito, kapag binuksan ang circuit breaker, ang pressure increase dahil sa pag-init ng ark ay napakaliit, nagbibigay-daan sa reliable operation at nagpapahinto ng explosion accidents.

2. Development ng High-voltage SF₆ Circuit Breakers
2.1 Double-pressure SF₆ Circuit Breakers

Dalawang SF₆ gas systems (high-pressure system at low-pressure system) ang nakalagay sa loob ng circuit breaker. Tanging sa panahon ng pagbubukas, ang high-pressure chamber ay lumilipad patungo sa low-pressure chamber sa pamamagitan ng control ng blowing valve upang bumuo ng high-pressure gas flow. Pagkatapos ng pag-putol, ang blowing valve ay isinasara. Ang prinsipyong ito ng arc extinguishing chamber ay may gas compressor at pipes na konektado sa pagitan ng high-pressure chamber at low-pressure chamber. Kapag ang gas pressure sa high-pressure chamber ay bumaba o ang gas pressure sa low-pressure chamber ay tumaas hanggang sa isang limit, ang gas compressor ay nagsisimula na i-pump ang SF₆ gas sa low-pressure chamber patungo sa high-pressure chamber, bumubuo ng automatic closed-loop gas system.

2.2 Single-pressure SF₆ Circuit Breakers

Ang single-pressure structure ay simple at maaaring sumunod sa malawak na saklaw ng temperatura ng kapaligiran. Ang gas compression type ay din naging proseso ng development: sa pag-putok ng ark, ang unang-generation single-pressure type ay may single-blow structure, may maliit na interrupting current (karaniwan 31.5kA) at mababang fracture port voltage (karaniwan 170kV). Ang pangalawang-generation single-pressure type ay may double-blow structure, ang interrupting current ay tumaas hanggang (40-50kA), at ang fracture port voltage ay mababa pa rin. Karaniwan, ang 252kV products ay may double fracture ports. Ang ikatlong-generation single-pressure type ay may double-blow structure na supplemantaryo ng thermal expansion effect (hybrid arc extinguishing). Ang interrupting current ay malaki, tumaas hanggang 63kA, at ang fracture port voltage ay mataas. Ang single fracture port ay maaaring umabot sa 252kV, 363kV, 420kV, at kahit 550kV.

Ang development ng single-pressure type, mula sa perspektibo ng arc extinguishing chamber, ay gumamit ng mas maliit na gas compression piston. Ang mga benepisyo na idinudulot ng pagbabawas ng piston sa arc extinguishing chamber ay sumusunod:

• Ang mass ng buong motion system sa panahon ng pag-putol ng produkto ay nabawasan.

• Ang operating power ng produkto ay nabawasan.

• Ang buffering ng produkto ay naging mas madali, at ang mechanical life ay mahaba.

2.3 Self-energy SF₆ Circuit Breakers

Ang self-energy SF₆ circuit breakers ay may dalawang principle ng pag-putol ng ark: ang thermal expansion principle at ang arc rotation principle. Ngayon, ang malaking bahagi ng self-energy circuit breakers ay gumagamit ng thermal expansion principle. Ang self-energy principle ay ang paggamit ng ark energy upang initin ang SF₆ gas sa expansion chamber, binubuo ng pressure, bumubuo ng gas flow, at nag-putol ng ark. Gayunpaman, kapag nag-putol ng maliit na kuryente, dahil sa maliit na ark energy, kinakailangan ng maliit na piston upang ipiniga ang gas upang bumuo ng auxiliary blow. Dahil sa significant reduction sa operating power, maaaring gamitin ang spring operating mechanism na may simple structure. Ang thermal expansion type ay ngayon ay naging second generation. Ang first-generation products ay nakamit ang epekto ng pagbabawas ng operating power sa pamamagitan ng pagbabawas ng gas compression energy na kinakailangan para sa pag-putol ng ark. Ang diameter ng gas compression piston ay disenyo batay sa pag-putol ng 30% ng maximum fault current, at ang motion mass ay maliit din, na nagbabawas ng operating power. Ang second-generation products ay mas lalo pang nag-improve ng thermal expansion effect at interrupting performance, hindi lamang nag-improve ng interrupting ng capacitive current kundi pati na rin nagpababa ng operating power.

2.4 Intelligent SF₆ Circuit Breakers

Ang isa pang katangian ng modernong high-voltage circuit breakers ay ang kanilang intelligence, lumayo mula sa traditional electromechanical systems patungo sa modern intelligent systems na sentro sa computer. Ngayon, ang online detection contents ng high-voltage circuit breakers ay sumusunod:

• SF6 gas;

• Operating mechanism system;

• Release;

• Control and auxiliary circuits;

• Power transmission chain.

Sa pamamagitan ng mga detection na ito, higit sa 90% ng mga pagkakamali ay maaaring matuklasan. Ang online detection ay maaaring baguhin ang regular na maintenance ng circuit breakers sa real-time condition-based maintenance.

3. Porcelain Post Type at Tank Type SF₆ Circuit Breakers at Kanilang Application

Ang China ay unang gumamit ng SF₆ circuit breakers noong 1970 nang ang Northeast Electric Power Administration ay inimport ang tatlong H-912 type 220KV double-pressure porcelain post type SF₆ circuit breakers na gawa ng Siemens mula sa abroad at ininstall ito sa HuShitai primary substation sa Shenyang. Hanggang ngayon, ito ay tuloy-tuloy pa ring gumagana nang mabuti.

Ang high-voltage sulfur hexafluoride circuit breakers ay nahahati sa porcelain post type at tank type batay sa kanilang structure. Kapag inilipat ang dalawa, bawat isa ay may sarili nitong mga katangian:

• Ang parehong porcelain post type at tank type high-voltage SF₆ circuit breakers ay maaaring sumunod sa requirements ng mataas na voltag at malaking capacity. Ang arc extinguishing chamber ng porcelain post type ay nakainstall sa insulating support. Sa pamamagitan ng pagkonekta ng mga arc extinguishing chambers sa serye at pag-install sa insulating support sa angkop na taas, anumang rated voltage value ay maaaring makamit. Ang insulating support ay karaniwang porcelain post, at organic composite supports ay lumitaw din. Ang arc extinguishing chamber ng tank type ay nakainstall sa metal tank na konektado sa ground potential. Sa mataas na voltag, ang maramihang arc extinguishing chambers ay kailangan na konektado sa serye at ininstall sa parehong tank para sa bawat phase.

• Pag-install ng current transformers. Sa pag-install ng current transformers, ang porcelain post type circuit breakers ay nasa disadvantage. Dahil ang arc extinguishing chamber ng porcelain post type ay nakainstall sa loob ng insulator at sa itaas ng insulating support, ang current transformer ay kailangan na i-install nang hiwalay sa sariling insulating support. Gayunpaman, ang bushing type current transformer ay maaaring i-install sa bushing ng tank type circuit breaker. Sa ilang application scenarios, ang circuit breaker ay hindi kailangan na i-equip ng current transformer, lalo na kapag ginagamit bilang switch para sa switching capacitor banks at shunt reactors. Dito, ang presyo ng porcelain post type ay lang 60% ng presyo ng tank type circuit breaker, at dahil sa paggamit ng maramihang fracture ports, ito ay mas maaaring tumahan ng re-strikes.

• External withstand voltage capacity. Mula sa perspektibo ng external withstand voltage, ang maramihang serye ng arc extinguishing chambers ng porcelain post type circuit breaker ay maaaring sumunod sa anumang rated voltage value, ngunit ang kanyang external insulation withstand capacity ay limitado sa haba ng arc extinguishing chamber mismo. Para sa tank type circuit breaker, basta ang kinakailangang withstand capacity para sa pagbawas ng bilang ng fracture ports ay mabuo, maaaring gumawa ng insulating bushing. Kaya, ang tank type circuit breaker ay maaaring makamit ang single fracture port ng 550kV/63kA at double fracture port ng 1100kV/50kA.

• Consumption ng SF₆ gas. Sa consumption ng SP6 gas, ang porcelain post type ay mas superior kaysa sa tank type. Ang gas consumption ng tank type circuit breaker ay mas mataas kaysa sa porcelain post type.

• Environmental adaptability. Mula sa perspektibo ng environmental adaptability, ang malaking-volume na tank type circuit breaker ay ipinapakita ang kanyang mga advantage. Maaaring i-install ang heater sa tank type circuit breaker, habang hindi ito maaaring i-install sa porcelain post type.

• Seismic resistance. Mula sa perspektibo ng seismic resistance, ang tank type circuit breaker ay mas mabuti kaysa sa porcelain post type. Dahil ang porcelain post type circuit breaker ay may mataas na center of gravity, ang kanyang seismic resistance ay mababa.

• Price comparison. Sa presyo, para sa parehong capacity, ang porcelain post type circuit breaker ay mas mabuti kaysa sa tank type. Karaniwan, ang presyo ng tank type circuit breaker ay humigit-kumulang 20% mas mataas kaysa sa porcelain post type circuit breaker na may external current transformer (tulad ng SF₆ transformer).

4. Issues na Dapat Pansinin Sa Panahon ng Operation at Maintenance ng SF₆ Circuit Breakers

Upang mahigpit na kontrolin ang gas leakage at mapigilan ang moisture at dampness mula sa pagpasok sa box, ang processing technology at material requirements ay mas mataas kaysa sa general high-voltage electrical appliances. Sa parehong oras, kinakailangan ng espesyal na SF₆ gas system, kasama ang valve na may mahusay na sealing performance, leak detection equipment, gas recovery device, at pressure monitoring. Bukod dito, dahil sa malaking consumption ng metal, ang complexity ng manufacturing ay tumaas.

Ang pure SF₆ gas ay walang kulay, walang amoy, hindi toxic, at hindi flammable. Gayunpaman, sa synthesis ng sulfur hexafluoride, ang low-fluoride compounds ng sulfur ay din nabubuo, na toxic. Sa circuit breaker, ang gas ay ii-discompose sa mataas na temperatura ng ark sa pamamagitan ng dissociation at ionization, bumubuo ng highly toxic gases. Kaya, isang adsorber ay nakainstall sa circuit breaker, at activated aluminum ay inilagay sa loob upang i-absorb ang mga toxic gases.

Kahit ganito, espesyal na pansin ang kailangan upang mapigilan ang poisoning sa panahon ng maintenance. Kaya, ang gas ay kailangang i-evacuate at i-discharge nang malinis bago ang trabaho. Kung may unpleasant odor pa rin ang nasasandal, dapat suotin ang gas mask at rubber gloves. Bukod dito, ang mga arc decomposition products ay din naglalaman ng ilang metal fluorides, na scattered sa circuit breaker sa powder form. Kahit ang mga powders ay hindi highly toxic substances, dapat pa ring mag-ingat upang hindi ito inhale sa panahon ng paglilinis.

5. Conclusion

Sa patuloy na pagtaas ng voltag ng power system, kahit ang porcelain post type o tank type ng SF₆ circuit breakers, sila ay patuloy na lumalago kasabay ng teknolohikal na progreso. Lalo na sa kamakailan, ang self-energy arc extinguishing principle ay naging developed at applied, na ang high pressure ay ginagamit upang bumuo ng gas blow upang maputol ang ark. Ang bilang ng fracture ports ay nabawasan, at ang consumption ng materials ay nabawasan.

Dahil sa kanyang mas mataas na presyo at mataas na requirements para sa application, management, at operation ng SF₆ gas, ito ay hindi malawakang inapply sa medium voltage (35kV, 10kV). Sa pangkalahatan, ang high-voltage SF₆ circuit breakers ay may malawak na application prospect, at ang teknikal na research, development, at upgrading ng produkto ay magbibigay ng napakahalagang ekonomiko at sosyal na benepisyo.