EN
Wyzwalacze próżniowe: przełamując bariery na najwyższym końcu zakresu napięć
Co dzieje się podczas gaszenia łuku próżniowego: szybkie ponowne połączenie łuku plazmowego i szybkie przywrócenie prądu
Gdy styki próżniowego wyzwalacza zwarciowego się rozmykają, para metalu ulega jonizacji i tworzy łuk plazmowy. Przy skrajnym poziomie próżni (ciśnienie < 10⁻⁴ torra) naładowane cząstki osadzają się w próżni na stykach, umożliwiając szybkie ponowne połączenie łuku plazmowego w ciągu 1–5 ms. Pozwala to również na to, że powłoka prądowa zapewnia szybką izolację systemu przed kolejnym impulsowym napięciem systemowym, co umożliwia niezawodne sterowanie łukiem dokładnie w pierwszym momencie, w którym przewiduje się spadek prądu do zera, oraz kontrolę powstawania łuku. Poziom próżni zapewnia średnią drogę swobodną przepływu elektronów około 1000 razy większą niż w przypadku gazu SF₆. Jest to podstawowa przyczyna, dla której próżniowe wyzwalacze zwarciowe są lepsze od wyzwalaczy gazowych i powietrznych pod względem bezpiecznego przerywania prądu elektrycznego.
Szybkość przerywania poniżej 15 ms oraz lepsze tłumienie przejść przez zero niż alternatywy z użyciem SF₆ i przerywaczy powietrznych.
W zakresie przerwania uszkodzenia przerywacze próżniowe mogą usuwać uszkodzenia w czasie 15 ms lub krócej, co oznacza przyspieszenie o 30–50 % w porównaniu do systemów z użyciem SF6 lub przerywaczy powietrznych. Ponieważ przerywacz próżniowy znajduje się w próżni, szybkość, z jaką może pokonać przerwanie, nie zależy od złożonych mechanizmów przepływu gazu – co ma miejsce w przypadku izolatorów gazowych. W klasie napięcia 72,5 kV technologia przerywaczy próżniowych osiąga wydajność niemal trzykrotnie lepszą niż SF6 pod względem tych uciążliwych przebiegów napięcia odzyskanego (TRV), w porównaniu do wartości uznawanych przez większość inżynierów za średnie. Większość inżynierów uważa, że konwencjonalne mechanizmy przerywania powietrznego wymagają co najmniej 8–10 przejść prądu przez zero, zanim będą w stanie niezawodnie przerwać łuku. Przerywacze próżniowe natomiast są w stanie przerwać wszystkie łuki (zgodnie z normą IEC 62271-100 – przy współczynniku gaszenia łuku wynoszącym nawet 99,8 %) w ciągu maksymalnie dwóch przejść prądu przez zero. W rzeczywistych zastosowaniach przerywaczy próżniowych zaobserwowano również znacznie niższe szczyty napięcia. Badania w warunkach rzeczywistych wykazały także, że liczba szczytów napięcia jest mniejsza o około 40 % w porównaniu do przerywaczy próżniowych z izolacją gazową. Wysoka wytrzymałość elektryczna umożliwia kompaktową i niezawodną integrację urządzeń wysokiego napięcia.
Właściwa wytrzymałość dielektryczna próżni (>30 kV/cm) oraz skalowalny projekt odstępu styków dla zastosowań w zakresie napięć 72,5–145 kV
Próżnia charakteryzuje się wyjątkową wytrzymałością dielektryczną przekraczającą 30 kV na cm, co umożliwia skuteczną izolację systemów wysokiego napięcia bez konieczności stosowania dodatkowych gazów. Ta cecha pozwala inżynierom zoptymalizować odstęp między stykami w ramach standardowych klas napięciowych zgodnych z normą IEC, obejmujących zakres 72,5–145 kV. W przeciwieństwie do wyzwalaczy z gazem SF₆, technologia próżniowa jest lepsza, ponieważ zapewnia stałą wydajność niezależnie od temperatury, wysokości nad poziomem morza oraz wilgotności powietrza. Ponadto technologia próżniowa eliminuje problemy związane z zarządzaniem gazem, umożliwiając niezawodną pracę stacji transformatorowych w warunkach trudnych.
Zalety związane z oszczędnością miejsca i masy: o 30–40% mniejsza powierzchnia zajmowana w stacjach GIS i hybrydowych niż w przypadku wyzwalaczy z gazem SF₆
W próżni występuje bardzo wysoka wytrzymałość dielektryczna, co pozwala na znacznie mniejsze odstępy kontaktowe między elementami. Skutkuje to wykorzystaniem mniejszych wyzwalaczy i w konsekwencji bardziej kompaktowych wyzwalaczy ogólnie. Oszczędność miejsca jest dość znaczna. Porównując instalacje gazowych rozdzielnic izolowanych (GIS) z wykorzystaniem technologii próżniowej zamiast SF₆, często osiąga się oszczędność przestrzeni rzędu 30–40%. Mechanizmy sterujące są również lżejsze – w niektórych przypadkach nawet o do 60%. Jest to szczególnie korzystne w przypadku podstacji hybrydowych, ponieważ ułatwia prowadzenie szyn zbiorczych oraz przyspiesza modernizację. W ramach modernizacji sieci energetycznych w Europie wiele firm zgłosiło uzyskanie dodatkowo około 35% wolnej przestrzeni po wdrożeniu technologii próżniowej przy standardowym napięciu 145 kV.
Długotrwała niezawodność przy wysokim cyklu użytkowania urządzeń wysokiego napięcia i niewielkiej konieczności konserwacji
Ponad 20 000 operacji przy współczynniku awaryjności niższym niż 0,001% zgodnie ze standardem IEEE C37.09-2018
Przerwacze próżniowe, które są uszczelnione hermetycznie i nie są narażone na wpływ otoczenia, mogą wykonać ponad 20 000 cykli mechanicznych przy współczynniku awaryjności mniejszym niż 0,001% zgodnie ze standardem IEEE C37.09-2018. Ze względu na brak miejsc, w których mogłoby dochodzić do wycieku gazu lub dynamicznych uszczelek, wytrzymałość dielektryczna jest utrzymywana przez wiele lat eksploatacji. Dane z terenu wskazują, że wiele zakładów energetycznych osiąga około 30 lat eksploatacji przed wymianą elementów o napięciu 72,5 kV. Z kolei w przypadku nowszych konstrukcji operatorzy osiągają około 40% oszczędności kosztów. Zwiększoną niezawodność tych konstrukcji zapewnia brak ruchomych części i styków ślizgowych, które zwykle ulegają uszkodzeniu podczas wielokrotnych operacji gaszenia zwarć.
Brak konieczności zarządzania gazem, problemów związanych z wilgotnością oraz toksycznych produktów rozkładu – eliminuje główne przyczyny awarii systemów z gazem SF₆.
Systemy przerwania próżniowego obejmują trzy główne punkty awarii systemów z gazem sprężonym:
Brak zarządzania gazem: Brak zarządzania gazem SF₆, wykrywania wycieków ani kosztownego zarządzania gazem odzyskiwanym
Odporność na wilgoć: Unika się awarii dielektrycznych związanych z wilgocią, które są główną przyczyną uszkodzeń wyzwalaczy gazowych SF₆
Bezpieczny dla zdrowia: Brak zanieczyszczenia układu gazowego toksycznymi fluorkami metali
W rezultacie analizy przypadków zastosowania w przedsiębiorstwach energetycznych stwierdzono, że zapotrzebowanie na konserwację zmniejszyło się o 75%. Ponadto uniknięto średnich rocznych kar za emisję SF₆ w wysokości 740 000 USD, wymienionych w audytach zgodności z przepisami EPA. Konstrukcja z ciałami stałymi pozwala również uniknąć degradacji styków i ich rozkładu chemicznego, który występuje w wyzwalaczach gazowych po kilku operacjach zwarciowych.
Rozwijające się zakresy napięć: od średniego do wysokiego napięcia
Wdrożenia
Standardowe wyzwalacze próżniowe mają znamionowe napięcia (12–145 kV) oraz instalacje energetyczne 145 kV
Wyłączniki próżniowe uległy w ostatnim czasie dalszemu rozwojowi, co poprawiło ich przydatność w systemach średniego napięcia oraz wysokiego napięcia 145 kV. Postęp w zakresie materiałów styków, próżni, uszczelnień oraz elektromagnetycznego napędu przyczynił się do poprawy ich zastosowania w instalacjach 145 kV. Posiadają one zdolność wyzwalania roboczego do 40 kA (czyli < 20 ms). Wyłączniki te zastępują większe rozwiązania sprzętowe pierwotne w zakresie bardzo szerokich temperatur od −40 do +55 °C oraz z uwzględnieniem braku szkodliwych dla środowiska gazów.
Technologia wyłączników próżniowych dla napięcia 245 kV: norma IEC 62271-100 oraz rozwój serii wielostykowych wyłączników próżniowych
Producenci wprowadzili na rynek technologię próżniową do zastosowań w zakresie napięć 245 kV, wykorzystując konstrukcje przerywaczy szeregowych wielopunktowych. W istocie montują one wiele przerywaczy próżniowych w taki sposób, aby napięcie było równomiernie rozdzielane pomiędzy wiele urządzeń zamiast być skoncentrowane w jednym miejscu. Ostatnio takie konstrukcje uzyskały zgodność ze standardem IEC 62271-100 w zakresie zdolności przerwania prądu przy napięciu 245 kV i prądzie 50 kA – jest to znaczący przełom dla branży. Jeden z prototypów zaprojektowano tak, aby przerwać przepływ prądu w ciągu 2 cykli elektrycznych, co czyni go o 40 % szybszym niż tradycyjne przerywacze jednopunktowe. Dodatkowo model ten wykorzystuje styki miedziowo-chromowe (Cu/Cr), które ograniczają prąd przerywania do wartości poniżej 3 A.
wiele wczesnych modeli prototypowych zostało już od ubiegłego roku włączonech do europejskiej sieci energetycznej. Większość ekspertów branżowych uważa, że technologia próżniowa ostatecznie zastąpi gaz SF6 w zastosowaniach wysokonapięciowych, gdzie priorytetem są zagadnienia środowiskowe.
Często zadawane pytania
Jaka jest główna zaleta stosowania wyzwalaczy próżniowych w porównaniu do systemów z gazem SF6 i wyzwalaczy powietrznych?
W przypadku systemów wysokiego napięcia wyzwalacze próżniowe charakteryzują się szybszym przywracaniem wytrzymałości dielektrycznej, co przekłada się na szybsze gaszenie łuku elektrycznego oraz ograniczenie skoków napięcia. Oznacza to, że wyzwalacze próżniowe mogą działać z znacznie wyższą wydajnością niż inne systemy.
Co można powiedzieć o konstrukcji wyzwalaczy z gazem SF6, która umożliwia wyzwalaczom próżniowym osiągnięcie mniejszych rozmiarów?
Ponieważ wyzwalacze z gazem SF6 charakteryzują się niższą wytrzymałością dielektryczną, wymagają one większych odstępów między stykami. W związku z tym wyzwalacze próżniowe zajmują około 30–40% mniej miejsca niż wyzwalacze z gazem SF6.
Przerwacze próżniowe mają żywotność przekraczającą 20 000 operacji, a dzięki temu charakteryzują się niskim poziomem awaryjności. Ten niski poziom awaryjności oznacza, że mogą one działać bezawaryjnie przez około 30 lat. Niski poziom awaryjności i wysoka skuteczność działania oznaczają, że koszty eksploatacji przerwaczy próżniowych są o około 40% niższe niż w przypadku starszych technologii, co wynika z mniejszej liczby koniecznych czynności konserwacyjnych oraz napraw.
Czy stosowanie przerwaczy próżniowych ma przewagę nad wyłącznikami gazowymi SF6 pod względem wpływu na środowisko?
Oczywiście! Przerwacze próżniowe eliminują potrzebę stosowania systemów zarządzania gazem oraz są odporne na wilgoć. Nie powstają lub powstają jedynie śladowe ilości szkodliwych produktów ubocznych. Dzięki temu koszty środowiskowe, jak również koszty finansowe związane z systemami SF6, są znacznie niższe.