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 pagputol at paglilipas ng arko. Ang mga ito ay hindi lamang maaaring putulin at isara ang walang-load na current at load current ng high-voltage circuits, kundi kapag nangyari ang isang pagkakamali sa sistema, makikipagtulungan din sila sa mga protective devices at automatic devices upang mabilis na putulin ang fault current, bawasan ang saklaw ng power outage, at mapigilan ang paglalaki ng aksidente. Ito ay napakahalaga para sa pagpapatakbuhay ng ligtas 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 natanggal, at ang SF₆ circuit breakers ang mas karaniwang ginagamit kumpara sa huling dalawa. Ang mga SF₆ circuit breakers ay malawakang tinanggap noong maagang 1970s. Ginagamit nila ang sulfur hexafluoride bilang medium para sa paglilipas ng arko. Ang uri ng circuit breaker na ito ay may malaking interrupting capacity. Sa kondisyong walang paglipas, 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 pagpapatakbo 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 oil-free 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 sulfur hexafluoride circuit breakers ay may sumusunod na katangian:

• Matibay na kakayahan sa paglilipas ng arko, 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 nabawasan, bumubuti ang economic performance ng produkto.

• Mahabang electrical life. Maaari itong patuloy na mag-interrupt sa full capacity ng 50kA ng 19 beses, at ang cumulative interrupting current ay maaaring umabot sa 4200kA. Ang maintenance cycle ay mahaba, at ito ay angkop para sa madalas na operasyon.

• Mabuting interrupting performance. Dahil sa electronegativity ng SF₆ gas, ito ay may matibay na kakayahan sa pag-absorb ng free electrons. Ang arko na nabuo sa SF₆ ay nakakatulong sa pagbuo ng "arc column structure" (arc core at arc sheath). Ang diffusion ng ionized plasma ay limitado, nagbibigay-daan sa epektibong ion recombination. Ang interrupting current ay malaki, umabot sa 80-100kA, at kahit 200kA. Ang oras ng paglilipas ng arko 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 mabuti din.

• 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 nakakalason, hindi nakakalat, at napakastable na gas na hindi madaling tumugon sa ibang substansya. Bukod dito, kapag binuksan ang circuit breaker, ang dagdag na presyon na dulot ng arko heating ay napakaliit, nagbibigay-daan sa reliable operation at nagpapahintulot 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 naitatag sa loob ng circuit breaker. Lamang sa panahon ng pagbubukas, ang high-pressure chamber ay nagpapalit sa low-pressure chamber sa pamamagitan ng control ng blowing valve upang makabuo ng high-pressure gas flow. Pagkatapos ng pag-interrupt, 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 tiyak na limit, ang gas compressor ay nagsisimula na ipump ang SF₆ gas sa low-pressure chamber papunta sa high-pressure chamber, nagpapabuo 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 ambient temperature. Ang gas compression type ay din lumipas sa isang proseso ng pag-unlad: sa aspeto ng arc blowing, ang unang henerasyon ng single-pressure type ay may single-blow structure, na may maliit na interrupting current (karaniwan 31.5kA) at mababang fracture port voltage (karaniwan 170kV). Ang pangalawang henerasyon ng 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 henerasyon ng single-pressure type ay may double-blow structure na pinuno 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 pag-unlad 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-interrupt 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 arc extinguishing principles: ang thermal expansion principle at ang arc rotation principle. Kasalukuyan, ang napakaraming self-energy circuit breakers ay gumagamit ng thermal expansion principle. Ang self-energy principle ay gamitin ang arc energy upang initin ang SF₆ gas sa expansion chamber, bumuo ng presyon, bumuo ng gas flow, at ilipas ang arko. Gayunpaman, kapag nag-interrupt ng maliit na current, dahil sa maliit na arc energy, kinakailangan ng maliit na piston upang pilitin ang gas upang mabuo ang auxiliary blow. Dahil sa significant reduction sa operating power, maaaring gamitin ang spring operating mechanism na may simple na istraktura. Ang thermal expansion type ay ngayon ay lumago sa ikalawang henerasyon. Ang unang henerasyon ng mga produkto ay nakuha ang epekto ng pagbabawas ng operating power sa pamamagitan ng pagbabawas ng gas compression energy na kinakailangan para sa arc extinguishing. Ang diameter ng gas compression piston ay disenyo ayon sa pag-interrupt ng 30% ng maximum fault current, at ang motion mass ay maliit din, na nagpapabawas ng operating power. Ang ikalawang henerasyon ng mga produkto ay lalo pang naimprove ang thermal expansion effect at ang interrupting performance, hindi lamang nag-improve ang interrupting ng capacitive current kundi lalo pang nagpapabawas ng operating power.

2.4 Intelligent SF₆ Circuit Breakers

Ang isa pang katangian ng modernong high-voltage circuit breakers ay ang kanilang intelligence, lumilipat mula sa tradisyonal na electromechanical systems patungo sa modernong intelligent systems na nakatuon sa computer. Kasalukuyan, 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 deteksiyon 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 Tsina 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 sa HuShitai primary substation sa Shenyang. Hanggang ngayon, sila ay napatunayan na gumagana nang mabuti.

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

• Ang parehong porcelain post type at tank type high-voltage SF₆ circuit breakers ay maaaring sumunod sa mga requirement ng mataas na voltage at malaking capacity. Ang arc extinguishing chamber ng porcelain post type ay nainstalla sa insulating support. Sa pamamagitan ng pagkonekta ng mga arc extinguishing chambers sa serye at inilagay sa tamang taas ng insulating support, anumang rated voltage value ay maaaring makamit. Ang insulating support ay kadalasang isang porcelain post, at organic composite supports ay lumitaw din. Ang arc extinguishing chamber ng tank type ay nainstalla sa metal tank na konektado sa ground potential. Sa mataas na voltage, ang maraming arc extinguishing chambers ay kailangang ikonekta sa serye at inilagay sa parehong tank para sa bawat phase.

• Pag-install ng current transformers. Sa aspeto ng pag-install ng current transformers, ang porcelain post type circuit breakers ay nasa desadvantage. Dahil ang arc extinguishing chamber ng porcelain post type ay nainstalla sa loob ng insulator at sa tuktok ng insulating support, ang current transformer ay kailangang i-install nang hiwalay sa sariling insulating support. Ngunit, 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 kailangang magkaroon 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 maraming fracture ports, ito ay maaaring mas mabuti na suportahan ang re-strikes.

• External withstand voltage capacity. Mula sa perspektibo ng external withstand voltage, ang maraming series 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 pagbabawas ng bilang ng fracture ports ay mabuo, maaaring gawin ang 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 aspeto ng consumption ng SP6 gas, ang porcelain post type ay mas mahusay kaysa sa tank type. Ang gas consumption ng tank type circuit breaker ay napakataas 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 adhika. 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 lubhang mas mahusay kaysa sa porcelain post type. Dahil ang porcelain post type circuit breaker ay may mataas na center of gravity, ang seismic resistance nito ay mababa.

• Price comparison. Sa aspeto ng presyo, para sa parehong capacity, ang porcelain post type circuit breaker ay mas mahusay 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 Bantayan 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 paggawa ay tumaas.

Ang tuloy-tuloy na SF₆ gas ay walang kulay, walang amoy, hindi nakakalason, at hindi nakakalat. Gayunpaman, sa synthesis ng sulfur hexafluoride, ang mga low-fluoride compounds ng sulfur ay din nangyari, na nakakalason. Sa circuit breaker, ang gas ay magiging decomposed sa mataas na temperatura ng arko sa pamamagitan ng dissociation at ionization, bumubuo ng highly toxic gases. Kaya, inilagay ang adsorber sa circuit breaker, at inilagay ang activated aluminum rito upang i-absorb ang mga toxic gases na ito.

Kahit pa ganito, dapat bigyang-diin ang pag-iwas sa pagkakalason 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 nadarama, dapat isuot 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 na ito ay hindi highly toxic substances, dapat pa ring mag-ingat upang hindi sila inhale sa panahon ng paglilinis.

5. Conclusion

Sa patuloy na pagtaas ng voltage ng power system, kahit ang porcelain post type o ang tank type ng SF₆ circuit breakers, sila ay patuloy na lumalago kasabay ng teknolohikal na progreso. Lalo na, sa mga nakaraang taon, ang self-energy arc extinguishing principle ay naimpluwensyahan at inaplay, na ang high pressure ay ginagamit upang mabuo ang gas blow upang ilipas ang arko. Ang bilang ng fracture ports ay nabawasan, at ang consumption ng materials ay nabawasan.

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