อะไรทำให้เบรกเกอร์แบบสุญญากาศเหมาะสมกับระบบไฟฟ้าแรงสูง

เบรกเกอร์แบบสุญญากาศ: ก้าวข้ามขีดจำกัดที่ปลายบนของสเปกตรัมแรงดัน

สิ่งที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการดับอาร์คในสุญญากาศ: การกลับมาเชื่อมต่อของอาร์คพลาสม่าอย่างรวดเร็วและการคืนค่ากระแสไฟฟ้าอย่างฉับไว

เมื่อขั้วต่อของเบรกเกอร์วงจรสุญญากาศเปิดออก จะเกิดการไอออไนซ์ของไอน้ำโลหะและก่อให้เกิดอาร์คพลาสม่า ที่ระดับสุญญากาศสุดขีด (ความดัน < 10⁻⁴ ทอร์ร์) อนุภาคที่มีประจุจะสะสมแบบสุญญากาศ (vacuum deposit) ลงบนขั้วต่อ ทำให้อาร์คพลาสม่าสามารถเชื่อมต่อใหม่ได้อย่างรวดเร็วภายในช่วงเวลา 1–5 มิลลิวินาที สิ่งนี้ยังช่วยให้ปลอกกระแส (current sheath) สร้างฉนวนกันไฟฟ้าอย่างรวดเร็วให้กับระบบก่อนที่จะมีสัญญาณแรงดันไฟฟ้ารอบถัดไป จึงสามารถควบคุมอาร์คได้อย่างเชื่อถือได้ ตั้งแต่ช่วงเวลาแรกที่กระแสไฟฟ้าคาดว่าจะลดลงเป็นศูนย์ และควบคุมการก่อตัวของอาร์คได้อย่างแม่นยำ ระดับสุญญากาศนี้ทำให้ระยะทางเฉลี่ยระหว่างการชนของอิเล็กตรอน (mean free path) เพิ่มขึ้นประมาณ 1,000 เท่า เมื่อเทียบกับก๊าซ SF₆ ซึ่งเป็นเหตุผลพื้นฐานที่ทำให้เบรกเกอร์วงจรสุญญากาศเหนือกว่าเบรกเกอร์ที่ใช้ก๊าซและเบรกเกอร์ที่ใช้อากาศ ในการตัดกระแสไฟฟ้าอย่างปลอดภัย

ความเร็วในการตัดภายใน 15 มิลลิวินาที และการยับยั้งการผ่านศูนย์ (zero-crossing suppression) ที่ดีกว่าทางเลือกที่ใช้ก๊าซ SF₆ และอากาศ

ในส่วนของการตัดวงจรเมื่อเกิดข้อผิดพลาด อุปกรณ์ตัดวงจรแบบสุญญากาศ (vacuum interrupters) สามารถตัดข้อผิดพลาดได้ภายใน 15 มิลลิวินาทีหรือน้อยกว่า ซึ่งเร็วกว่าระบบที่ใช้ก๊าซ SF6 หรือระบบตัดด้วยอากาศ (air-break systems) ถึง 30–50% เนื่องจากอุปกรณ์ตัดวงจรแบบสุญญากาศตั้งอยู่ภายในสภาวะสุญญากาศ ความเร็วในการฟื้นฟูและตัดการไหลของกระแสจึงไม่ขึ้นอยู่กับกลไกการไหลของก๊าซที่ซับซ้อน ซึ่งต่างจากฉนวนก๊าซประเภทอื่นที่มีข้อจำกัดดังกล่าว สำหรับอุปกรณ์ระดับแรงดัน 72.5 kV เทคโนโลยีอุปกรณ์ตัดวงจรแบบสุญญากาศให้สมรรถนะเหนือกว่า SF6 ถึงเกือบสามเท่า ในการรับมือกับปรากฏการณ์ TRV (Transient Recovery Voltage) ที่สร้างปัญหาอยู่บ่อยครั้ง เมื่อเปรียบเทียบกับค่าเฉลี่ยที่วิศวกรส่วนใหญ่พิจารณา วิศวกรส่วนใหญ่เห็นว่ากลไกการตัดด้วยอากาศแบบดั้งเดิมจำเป็นต้องอาศัยจุดศูนย์ของกระแส (current zero crossings) อย่างน้อย 8 ถึง 10 รอบ ก่อนที่จะสามารถตัดอาร์กได้อย่างเชื่อถือได้ แต่ในทางกลับกัน อุปกรณ์ตัดวงจรแบบสุญญากาศสามารถตัดอาร์กทั้งหมดได้ภายใน 2 รอบ หรือน้อยกว่า (โดยมีอัตราการดับอาร์กสูงถึง 99.8% ตามมาตรฐาน IEC 62271-100) การประยุกต์ใช้อุปกรณ์ตัดวงจรแบบสุญญากาศในสภาพแวดล้อมจริง 100% ยังแสดงให้เห็นว่ามีค่าแรงดันกระชาก (voltage spikes) ต่ำลงอย่างมีนัยสำคัญ และผลการทดสอบในสภาพแวดล้อมจริงยังยืนยันว่ามีจำนวนแรงดันกระชากน้อยลงประมาณ 40% เมื่อเทียบกับสวิตช์แบบสุญญากาศที่ใช้ฉนวนก๊าซ ความแข็งแรงของฉนวนสูง (High Dielectric Strength) ทำให้สามารถรวมระบบแรงดันสูง (HV) ได้อย่างกะทัดรัดและเชื่อถือได้

ความต้านทานฉนวนโดยธรรมชาติของสุญญากาศ (>30 กิโลโวลต์/ซม.) และการออกแบบช่องว่างการสัมผัสที่สามารถปรับขนาดได้สำหรับการใช้งานในระดับแรงดัน 72.5–145 กิโลโวลต์

สุญญากาศมีคุณสมบัติความต้านทานฉนวนที่โดดเด่นสูงกว่า 30 กิโลโวลต์ต่อเซนติเมตร ซึ่งทำให้สามารถใช้เป็นฉนวนระบบแรงดันสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยไม่จำเป็นต้องใช้ก๊าซเพิ่มเติม คุณลักษณะนี้ช่วยให้วิศวกรสามารถปรับแต่งระยะห่างระหว่างขั้วสัมผัสให้เหมาะสมภายในมาตรฐานการจัดอันดับตาม IEC ที่ระดับแรงดัน 72.5–145 กิโลโวลต์ แตกต่างจากเบรกเกอร์ที่ใช้ก๊าซ SF6 เทคโนโลยีสุญญากาศมีข้อได้เปรียบเหนือกว่าเนื่องจากสามารถรักษาประสิทธิภาพการทำงานที่สม่ำเสมอได้ไม่ว่าจะอยู่ภายใต้สภาวะอุณหภูมิ ความสูงจากระดับน้ำทะเล หรือความชื้นที่เปลี่ยนแปลง นอกจากนี้ เทคโนโลยีสุญญากาศยังลดปัญหาการจัดการก๊าซลง ทำให้สถานีไฟฟ้าย่อยสามารถดำเนินงานได้อย่างเชื่อถือได้แม้ในสภาวะแวดล้อมที่ไม่เอื้ออำนวย

ข้อได้เปรียบด้านพื้นที่และน้ำหนัก: มีพื้นที่ติดตั้งน้อยกว่า 30–40% เมื่อเทียบกับเบรกเกอร์ที่ใช้ก๊าซ SF₆ ทั้งในระบบ GIS และสถานีไฟฟ้าย่อยแบบไฮบริด

สุญญากาศมีความต้านทานแรงดันไฟฟ้าสูงมากจริงๆ ซึ่งช่วยให้ระยะห่างระหว่างขั้วติดต่อของชิ้นส่วนต่างๆ มีขนาดเล็กลงอย่างมาก ส่งผลให้ตัวตัดกระแส (interrupters) มีขนาดเล็กลง และทำให้เครื่องตัดกระแสโดยรวมมีความกะทัดรัดยิ่งขึ้น การประหยัดพื้นที่นั้นมีนัยสำคัญอย่างมาก เมื่อเปรียบเทียบการติดตั้งอุปกรณ์สวิตช์เกียร์แบบฉนวนด้วยก๊าซ (GIS) ที่ใช้เทคโนโลยีสุญญากาศแทนก๊าซ SF6 มักจะใช้พื้นที่น้อยลงประมาณ 30 ถึง 40 เปอร์เซ็นต์ นอกจากนี้ กลไกการขับเคลื่อนยังมีน้ำหนักเบากว่าด้วย โดยในบางกรณีลดลงได้สูงสุดถึง 60 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบอย่างยิ่งสำหรับสถานีไฟฟ้าย่อยแบบไฮบริด เนื่องจากช่วยปรับปรุงการจัดวางระบบสายนำกำลัง (busbar routing) และเร่งความเร็วในการปรับปรุง (retrofitting) ได้ ในโครงการปรับปรุงโครงข่ายไฟฟ้าทั่วยุโรป หลายบริษัทรายงานว่าหลังจากนำเทคโนโลยีสุญญากาศมาใช้งานที่ระดับแรงดันมาตรฐาน 145 kV แล้ว สามารถเพิ่มพื้นที่ใช้สอยได้ประมาณ 35 เปอร์เซ็นต์

ความน่าเชื่อถือในระยะยาวด้วยวงจรการทำงานหนัก (High Duty Cycle) สำหรับแรงดันสูง (HV) และการบำรุงรักษาน้อย

มากกว่า 20,000 ครั้ง < อัตราความล้มเหลวต่ำกว่า 0.001% ตามมาตรฐาน IEEE C37.09-2018

ตัวตัดวงจรแบบสุญญากาศที่ปิดผนึกอย่างสมบูรณ์แบบและไม่ได้รับผลกระทบจากสภาพแวดล้อมภายนอกสามารถทำงานเชิงกลได้มากกว่า 20,000 ครั้ง โดยมีอัตราความล้มเหลวน้อยกว่า 0.001% ตามมาตรฐาน IEEE C37.09-2018 เนื่องจากไม่มีจุดรั่วของก๊าซหรือซีลแบบไดนามิก ความแข็งแรงฉนวนจึงคงไว้ได้นานหลายปีของการใช้งาน ข้อมูลจากการใช้งานจริงในภาคสนามชี้ให้เห็นว่า หน่วยงานสาธารณูปโภคหลายแห่งสามารถใช้งานชิ้นส่วนระดับแรงดัน 72.5 kV ได้นานประมาณ 30 ปี ก่อนต้องเปลี่ยนใหม่ สำหรับการออกแบบรุ่นใหม่กว่านั้น ผู้ปฏิบัติงานจะได้รับประโยชน์จากการลดต้นทุนลงประมาณ 40% ความน่าเชื่อถือที่เพิ่มขึ้นของระบบออกแบบเหล่านี้เกิดจากไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่หรือข้อต่อแบบเลื่อนซึ่งมักเป็นสาเหตุหลักของความล้มเหลวระหว่างการตัดกระแสลัดวงจรซ้ำ ๆ

ไม่จำเป็นต้องจัดการก๊าซ ไม่มีปัญหาที่เกี่ยวข้องกับความชื้น หรือผลพลอยได้จากการสลายตัวที่เป็นพิษ — ซึ่งกำจัดโหมดความล้มเหลวหลักของระบบ SF₆

ระบบตัดวงจรแบบสุญญากาศหลีกเลี่ยงจุดความล้มเหลวหลักสามประการของระบบก๊าซอัด

ไม่มีการจัดการก๊าซ: ไม่ต้องจัดการก๊าซ SF₆ ไม่ต้องตรวจจับการรั่วไหล และไม่ต้องจัดการก๊าซที่ต้องนำกลับมาใช้ใหม่ซึ่งมีค่าใช้จ่ายสูง

ทนต่อความชื้น: ป้องกันการล้มเหลวของฉนวนเนื่องจากความชื้น ซึ่งเป็นสาเหตุหลักของการล้มเหลวของตัวตัดวงจรที่ใช้ก๊าซ SF₆

ไม่มีพิษ: ไม่มีผลพลอยได้จากโลหะฟลูออไรด์ที่ปนเปื้อนระบบก๊าซ

ผลที่ตามมา งานศึกษากรณีจริงของหน่วยงานสาธารณูปโภคแสดงให้เห็นว่า ความต้องการในการบำรุงรักษารวมลดลงถึงร้อยละ 75 นอกจากนี้ยังหลีกเลี่ยงค่าปรับเฉลี่ยจากการปล่อยก๊าซ SF₆ จำนวน 740,000 ดอลลาร์สหรัฐต่อปี ซึ่งระบุไว้ในการตรวจสอบการปฏิบัติตามข้อกำหนดของสำนักงานคุ้มครองสิ่งแวดล้อมสหรัฐอเมริกา (EPA) อีกทั้งการออกแบบแบบคอนแทคแข็งยังหลีกเลี่ยงการสึกกร่อนและการสลายตัวของคอนแทค ซึ่งเกิดขึ้นในตัวตัดวงจรที่ใช้ก๊าซหลังจากการทำงานตัดวงจรลัดวงจรเพียงไม่กี่ครั้ง

ช่วงแรงดันไฟฟ้าที่กำลังพัฒนา: จากแรงดันไฟฟ้าระดับกลางไปจนถึงแรงดันไฟฟ้าระดับสูง
การใช้งาน

ตัวตัดวงจรแบบสุญญากาศมาตรฐานมีค่าแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดไว้ (12–145 กิโลโวลต์) และมีการติดตั้งในระบบสาธารณูปโภคที่แรงดันไฟฟ้า 145 กิโลโวลต์

ตัวตัดวงจรแบบสุญญากาศได้รับการพัฒนาล่าสุดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้งานภายใต้ระบบแรงดันปานกลางและแรงดันสูง 145 กิโลโวลต์ การพัฒนาวัสดุสำหรับขั้วสัมผัส สุญญากาศ การซีล และการขับเคลื่อนด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ช่วยยกระดับการใช้งานของอุปกรณ์เหล่านี้ในระบบติดตั้งแรงดัน 145 กิโลโวลต์ ตัวตัดวงจรเหล่านี้มีความสามารถในการตัดกระแสขณะทำงานสูงสุดถึง 40 กิโลแอมแปร์ (กล่าวคือ ภายในเวลาไม่เกิน 20 มิลลิวินาที) ตัวตัดวงจรเหล่านี้สามารถแทนที่อุปกรณ์หลักขนาดใหญ่กว่าได้ ทั้งในช่วงอุณหภูมิที่กว้างมาก ตั้งแต่ -40 ถึง +55 องศาเซลเซียส และยังคำนึงถึงการไม่มีก๊าซที่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม

เทคโนโลยีตัวตัดกระแสแบบสุญญากาศสำหรับแรงดัน 245 กิโลโวลต์: มาตรฐาน IEC 62271-100 และการพัฒนาตัวตัดกระแสแบบหลายช่อง (Multi-Break) แบบอนุกรม

ผู้ผลิตได้นำเทคโนโลยีสุญญากาศมาใช้เชิงพาณิชย์สำหรับแอปพลิเคชันระดับแรงดัน 245 กิโลโวลต์ โดยใช้การออกแบบตัวตัดวงจรแบบหลายจุดตัด (multi-break series interrupter) กล่าวโดยสรุปคือ การประกอบตัวตัดสุญญากาศหลายตัวเข้าด้วยกัน เพื่อให้แรงดันไฟฟ้ากระจายอย่างสม่ำเสมอไปยังอุปกรณ์หลายตัวแทนที่จะรวมไว้ที่จุดเดียว การออกแบบเหล่านี้เพิ่งผ่านเกณฑ์มาตรฐาน IEC 62271-100 สำหรับความสามารถในการตัดกระแสที่ระดับแรงดัน 245 กิโลโวลต์/ กระแสลัดวงจร 50 กิโลแอมแปร์ ซึ่งถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญของอุตสาหกรรม ต้นแบบรุ่นหนึ่งถูกออกแบบให้สามารถตัดการไหลของกระแสไฟฟ้าภายใน 2 รอบคลื่นไฟฟ้า (electrical cycles) ทำให้เร็วกว่าตัวตัดแบบจุดตัดเดี่ยว (single break interrupters) แบบดั้งเดิมถึง 40% นอกจากนี้ รุ่นนี้ยังใช้วัสดุขั้วสัมผัสชนิดทองแดง-โครเมียม (copper-chromium: Cu/Cr)

ซึ่งช่วยลดกระแสตัด (chopping current) ลงต่ำกว่า 3 แอมแปร์ ต้นแบบรุ่นแรกจำนวนหนึ่งได้ถูกนำมาติดตั้งใช้งานในโครงข่ายไฟฟ้าของยุโรปตั้งแต่ปีที่ผ่านมา ผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่เชื่อว่า เทคโนโลยีสุญญากาศจะเข้ามาแทนที่ก๊าซ SF6 อย่างสิ้นเชิงในแอปพลิเคชันแรงดันสูง ที่ซึ่งประเด็นด้านสิ่งแวดล้อมเป็นปัจจัยหลัก

คำถามที่พบบ่อย

ข้อได้เปรียบหลักของการใช้เบรกเกอร์แบบสุญญากาศเมื่อเทียบกับระบบ SF6 และระบบอากาศคืออะไร

เมื่อพิจารณาในระบบแรงดันสูง เบรกเกอร์แบบสุญญากาศมีความสามารถในการฟื้นฟูความแข็งแรงของฉนวนได้เร็วกว่า ซึ่งส่งผลให้ดับอาร์กได้รวดเร็วขึ้นและลดการเกิดคลื่นแรงดันสูงชั่วคราว (voltage spikes) นี่หมายความว่าเบรกเกอร์แบบสุญญากาศสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงกว่าระบบที่กล่าวมาข้างต้นอย่างมาก

การออกแบบเบรกเกอร์ SF6 มีลักษณะใดที่ทำให้ตัวตัดวงจรแบบสุญญากาศมีขนาดเล็กกว่า

เนื่องจากเบรกเกอร์ SF6 มีความแข็งแรงของฉนวนต่ำกว่า จึงจำเป็นต้องมีระยะห่างระหว่างขั้วต่อที่มากกว่า ด้วยเหตุนี้ ตัวตัดวงจรแบบสุญญากาศจึงใช้พื้นที่น้อยกว่าเบรกเกอร์ SF6 ประมาณ 30–40%

ตัวตัดวงจรแบบสุญญากาศมีอายุการใช้งานมากกว่า 20,000 ครั้ง และด้วยเหตุนี้จึงมีอัตราความล้มเหลวต่ำ ความล้มเหลวที่ต่ำนี้หมายความว่าสามารถทำงานได้อย่างประสบความสำเร็จเป็นเวลาประมาณ 30 ปี ทั้งอัตราความล้มเหลวที่ต่ำและอัตราความสำเร็จที่สูงนี้ส่งผลให้ตัวตัดวงจรแบบสุญญากาศมีต้นทุนต่ำลงประมาณ 40% เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีรุ่นเก่า เนื่องจากต้องการการบำรุงรักษาและการซ่อมแซมที่น้อยลง

การใช้ตัวตัดวงจรแบบสุญญากาศมีข้อได้เปรียบเหนือตัวตัดวงจรแบบ SF6 หรือไม่ ในแง่ของผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม?

แน่นอน! ตัวตัดวงจรแบบสุญญากาศช่วยกำจัดความจำเป็นในการใช้ระบบจัดการก๊าซ และยังทนต่อความชื้นได้ด้วย ไม่มีหรือมีเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่เป็นของเสียอันตรายที่เกิดขึ้น จากเหตุนี้ จึงส่งผลให้ค่าใช้จ่ายด้านสิ่งแวดล้อมลดลง รวมทั้งค่าใช้จ่ายทางการเงินที่เกี่ยวข้องกับระบบ SF6 ก็ลดลงเช่นกัน