เหตุใดเบรกเกอร์แบบสุญญากาศจึงได้รับการใช้งานอย่างแพร่หลายในวิศวกรรมพลังงานสมัยใหม่

จากถังน้ำมันสู่ห้องสุญญากาศ: การเปลี่ยนผ่านเทคโนโลยีในการจ่ายไฟฟ้า

เดินผ่านสถานีไฟฟ้าย่อยแรงดันปานกลางที่เพิ่งถูกติดตั้งใหม่ คุณจะพบว่าอุปกรณ์สวิตช์เกียร์เกือบทั้งหมดมี เบรกเกอร์วงจรแบบสุญญากาศ เทคโนโลยี ซึ่งการนำไปใช้ทั่วไปอย่างกว้างขวางนี้ในภาคสาธารณูปโภค โรงงานอุตสาหกรรม ศูนย์ข้อมูล และอาคารเชิงพาณิชย์ ไม่ได้เกิดขึ้นโดยบังเอิญแต่อย่างใด อุปกรณ์ตัดวงจรแบบสุญญากาศ (vacuum interrupter) สามารถแก้ไขปัญหาต่างๆ ที่เคยเกิดขึ้นกับเทคโนโลยีรุ่นก่อนหน้า เช่น เครื่องตัดวงจรแบบน้ำมัน เครื่องตัดวงจรแบบแม่เหล็กในอากาศ และเครื่องตัดวงจรแบบก๊าซ SF6 ได้อย่างมีประสิทธิภาพ พร้อมทั้งมอบข้อได้เปรียบที่สอดคล้องกับความสำคัญในยุคปัจจุบัน ได้แก่ การปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อม ความปลอดภัยในการดำเนินงาน และการลดภาระการบำรุงรักษา

การเปลี่ยนผ่านนี้เริ่มเร่งตัวขึ้นในทศวรรษ 1980 เมื่อกระบวนการผลิตอุปกรณ์ตัดวงจรแบบสุญญากาศบรรลุความสมบูรณ์และส่วนต่างของต้นทุนเมื่อเทียบกับเครื่องตัดวงจรแบบน้ำมันลดลงอย่างมาก ปัจจุบัน เบรกเกอร์วงจรแบบสุญญากาศ มีต้นทุนใกล้เคียงกับหน่วย SF6 ที่มีค่ากระแสไฟฟ้าสูงสุดเท่ากัน มีอายุการใช้งานยาวนานกว่า 20 ปี โดยไม่จำเป็นต้องมีการซ่อมบำรุงหลัก และไม่มีผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อมหรือความเสี่ยงด้านความปลอดภัยใดๆ ที่พบเห็นได้จากเทคโนโลยีรุ่นก่อนหน้า

ข้อได้เปรียบด้านสิ่งแวดล้อมและความปลอดภัยที่ขับเคลื่อนการนำไปใช้

ไม่ก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจกเลย เมื่อเปรียบเทียบกับ SF6

ซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์ (SF6) เป็นก๊าซเรือนกระจกที่มีศักยภาพในการทำให้เกิดภาวะโลกร้อนสูงที่สุดเท่าที่รู้จัก โดยมีศักยภาพในการทำให้เกิดภาวะโลกร้อนสูงกว่า CO₂ ถึง 23,500 เท่า และมีอายุการคงอยู่ในชั้นบรรยากาศนานถึง 3,200 ปี แม้ว่าเครื่องตัดวงจรแบบ SF6 จะถูกออกแบบให้มีระบบปิดผนึกอย่างแน่นหนา แต่การรั่วไหลอย่างช้าๆ ก็หลีกเลี่ยงไม่ได้ — ข้อมูลจากอุตสาหกรรมระบุว่าอัตราการรั่วไหลเฉลี่ยต่อปีอยู่ที่ 0.1% ถึง 1% ของกำลังการติดตั้งทั้งหมด ภายใต้ข้อบังคับ F-Gas ของสหภาพยุโรป และกรอบระเบียบที่คล้ายคลึงกันในญี่ปุ่นและออสเตรเลีย การใช้งาน SF6 ในอุปกรณ์สวิตช์เกียร์แรงดันปานกลางรุ่นใหม่กำลังเผชิญกับข้อจำกัดที่เข้มงวดขึ้นเรื่อยๆ

The เบรกเกอร์วงจรแบบสุญญากาศ แก้ไขปัญหานี้ได้อย่างสิ้นเชิง อุปกรณ์ตัดกระแสไฟฟ้าประกอบด้วยเพียงแค่ขั้วต่อโลหะที่ปิดผนึกอยู่ภายในเปลือกเซรามิกหรือแก้วที่สุญญากาศสูง ไม่มีก๊าซใดๆ ให้รั่วไหล ไม่มีก๊าซใดๆ ให้ตรวจสอบ ไม่มีก๊าซใดๆ ให้เก็บคืนเมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งาน สำหรับองค์กรที่มีเป้าหมายด้านความยั่งยืนขององค์กร หรือองค์กรที่ดำเนินงานในเขตอำนาจศาลที่มีข้อกำหนดการรายงานก๊าซเรือนกระจกอย่างเข้มงวด การเลือกใช้เทคโนโลยีสุญญากาศแทน SF6 จะช่วยลดความซับซ้อนในการปฏิบัติตามข้อบังคับ และลดภาระทางสิ่งแวดล้อมในระยะยาว

ความปลอดภัยในการปฏิบัติงาน: ไม่มีน้ำมัน ไม่มีความเสี่ยงจากการระเบิด

ตัวตัดวงจรน้ำมันมีภาวะล้มเหลวแบบหายนะ: การเกิดอาร์กจากวงจรลัดวงจรอาจทำให้น้ำมันสลายตัวเป็นก๊าซที่ไวต่อการระเบิด และหากไม่สามารถระบายก๊าซเหล่านั้นออกได้อย่างเหมาะสม อาจทำให้ถังแตกได้ แม้แต่การบำรุงรักษาตามปกติก็ยังต้องระบายน้ำมันฉนวนปริมาณมากและจัดการกับน้ำมันดังกล่าว — ซึ่งเป็นอันตรายจากไฟไหม้และสารปนเปื้อนสิ่งแวดล้อม เบรกเกอร์วงจรแบบสุญญากาศ ไม่มีวัสดุที่ติดไฟได้ในตัวกลางที่ใช้สำหรับการตัดกระแสไฟฟ้า จึงช่วยลดภาระความเสี่ยงจากไฟไหม้ภายในสถานีไฟฟ้าย่อยลงอย่างมีนัยสำคัญ

ความเสี่ยงจากอาร์กแฟลชก็แตกต่างกันด้วย ในตัวตัดกระแสไฟฟ้าแบบสุญญากาศ อาร์กจะถูกกักเก็บไว้ทั้งหมดภายในเปลือกที่ปิดสนิทอย่างสมบูรณ์ แม้อาร์กแฟลชภายนอกยังอาจเกิดขึ้นได้ที่จุดเชื่อมต่อของบัสบาร์หรือปลายสายเคเบิล แต่ตัวตัดกระแสไฟฟ้าเองไม่มีความเสี่ยงจากอาร์กภายนอกเลยระหว่างการตัดกระแสไฟฟ้าตามปกติ ประเด็นนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในสวิตช์เกียร์แบบโลหะหุ้ม (metal-clad switchgear) ซึ่งการจัดจำแนกระดับความปลอดภัยของผู้ปฏิบัติงานจากอาร์กภายใน (Internal Arc Classification: IAC) ตามมาตรฐาน IEC 62271-200 กำหนดระดับการป้องกันบุคลากรไว้

โครงการปรับปรุงระบบไฟฟ้าของหน่วยงานสาธารณูปโภคแห่งหนึ่งในแอฟริกาตะวันออก

เคนยา พาวเวอร์ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการเชื่อมต่อโครงข่ายไฟฟ้าถึงชุมชนปลายทาง (Last Mile Connectivity Project) จำเป็นต้องปรับปรุงสถานีไฟฟ้าย่อยแรงดัน 11 กิโลโวลต์ที่มีอายุการใช้งานยาวนาน เพื่อรองรับชุมชนชนบทที่เพิ่งได้รับการจ่ายไฟฟ้าใหม่ โครงข่ายเดิมใช้เครื่องตัดวงจรน้ำมัน (oil circuit breakers) ที่ผลิตในช่วงทศวรรษ 1970 และ 1980 ซึ่งหลายเครื่องเกินอายุการใช้งานตามการออกแบบแล้ว และก่อให้เกิดปัญหาความน่าเชื่อถือในช่วงฤดูฝน เนื่องจากความชื้นซึมเข้าไปในน้ำมัน ส่งผลให้คุณสมบัติฉนวนของน้ำมันลดลง

ผู้ให้บริการระบุ เบรกเกอร์วงจรแบบสุญญากาศ หน่วยวงจรหลักสำหรับโครงการปรับปรุงระบบ หน่วยเหล่านี้จำนวนหลายหน่วยซึ่งจัดจำหน่ายผ่านเครือข่ายการกระจายสินค้าระดับนานาชาติของบริษัทหงซิน อินเทลลิเจนท์ เทคโนโลยี ถูกติดตั้งที่จุดจ่ายไฟฟ้าชนบทระดับ 11 กิโลโวลต์ ซึ่งให้บริการลูกค้าแต่ละจุดระหว่าง 2,000 ถึง 5,000 ราย ตัวชี้วัดสำคัญคือ หลังจากดำเนินงานเป็นระยะเวลา 24 เดือนในสถานีไฟฟ้าย่อย 40 แห่ง ความถี่ของการหยุดให้บริการโดยไม่ได้วางแผนลดลง 62% เมื่อเปรียบเทียบกับระบบเบรกเกอร์น้ำมันเป็นฐาน ปัจจัยหลักที่ทำให้เกิดผลดังกล่าวคือ การกำจัดความล้มเหลวที่เกิดจากความชื้น — ประสิทธิภาพของตัวตัดกระแสแบบสุญญากาศไม่ได้รับผลกระทบจากความชื้น ต่างจากน้ำมันซึ่งค่าความต้านทานฉนวนจะลดลงอย่างมากเมื่อมีปริมาณน้ำเกิน 35 ส่วนต่อล้านส่วน (ppm)

เศรษฐศาสตร์ด้านการบำรุงรักษาตลอดอายุการใช้งานของทรัพย์สิน

การคำนวณต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของอุปกรณ์สวิตช์เกียร์แรงดันกลางแสดงให้เห็นถึงเหตุผลที่เทคโนโลยีสุญญากาศครองตลาดอยู่ในปัจจุบัน ตัวตัดวงจรแบบใช้น้ำมันจำเป็นต้องมีการเก็บตัวอย่างน้ำมันและทดสอบคุณสมบัติฉนวนทุกๆ 2 ถึง 3 ปี การตรวจสอบขั้วสัมผัสทุกๆ 5 ปี และการเปลี่ยนน้ำมันทุกๆ 10 ปี — โดยแต่ละกิจกรรมดังกล่าวจำเป็นต้องหยุดจ่ายไฟชั่วคราว ขณะที่ตัวตัดวงจรแบบใช้ก๊าซ SF6 จำเป็นต้องมีการตรวจสอบความดันก๊าซและทดสอบคุณภาพก๊าซเป็นระยะ เบรกเกอร์วงจรแบบสุญญากาศ ตัวตัดวงจรแบบสุญญากาศจำเป็นต้องหล่อลื่นข้อต่อเชิงกลและตรวจสอบการสึกหรอของขั้วสัมผัส ซึ่งสามารถดำเนินการได้ระหว่างการตรวจเช็กสถานีไฟฟ้าย่อยตามกำหนดปกติ โดยไม่จำเป็นต้องนำวงจรออกจากบริการ

ตลอดอายุการใช้งาน 30 ปี จำนวนชั่วโมงการบำรุงรักษาสะสมสำหรับตัวตัดวงจรแบบสุญญากาศโดยทั่วไปจะน้อยกว่าตัวตัดวงจรแบบใช้น้ำมันรุ่นเทียบเท่าถึง 40% ถึง 60% และน้อยกว่าตัวตัดวงจรแบบใช้ก๊าซ SF6 ถึง 20% ถึง 30% เมื่อนำค่าใช้จ่ายด้านแรงงานในการบำรุงรักษา ค่าปรับจากการหยุดจ่ายไฟ และค่าใช้จ่ายในการกำจัดสารเคมีอย่างปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อมมารวมพิจารณาแล้ว ข้อได้เปรียบด้านต้นทุนตลอดอายุการใช้งานจะชัดเจนอย่างยิ่ง

คำถามที่พบบ่อย

เหตุใดจึงนิยมใช้เทคโนโลยีสุญญากาศมากกว่าก๊าซ SF6 สำหรับอุปกรณ์สวิตช์เกียร์ภายในอาคาร

ตัวตัดวงจรแบบสุญญากาศไม่ก่อให้เกิดผลพลอยได้จากอาร์ค ไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์จัดการก๊าซ และกำจัดความจำเป็นในการติดตั้งระบบตรวจสอบการรั่วของก๊าซอย่างสิ้นเชิง สำหรับการติดตั้งภายในอาคาร การไม่มีผลพลอยได้จากการสลายตัวของอาร์คที่เป็นพิษ — เช่น ผลพลอยได้ที่มีฤทธิ์เป็นกรดจากอาร์คของก๊าซ SF6 ซึ่งรวมถึงไฮโดรเจนฟลูออไรด์ — ช่วยลดความซับซ้อนของข้อกำหนดด้านระบบระบายอากาศในสถานีไฟฟ้าย่อย และเพิ่มความปลอดภัยให้กับเจ้าหน้าที่ดับเพลิงในกรณีเกิดเพลิงไหม้ภายในอาคาร ตู้ควบคุมและสวิตช์เกียร์ของบริษัท Hongxin Intelligent Technology ยึดมั่นตามหลักการออกแบบความปลอดภัยสำหรับการติดตั้งภายในอาคารเหล่านี้

ตัวตัดวงจรแบบสุญญากาศสามารถสลับสถานะการทำงานที่ความถี่สูงกว่าก๊าซ SF6 ได้หรือไม่

ได้ ตัวตัดวงจรแบบสุญญากาศมีพลังงานอาร์คต่ำโดยธรรมชาติในขณะตัดวงจร เนื่องจากอาร์คจะลุกไหม้เป็นระยะเวลาสั้นกว่า (นับเป็นจำนวนครึ่งรอบคลื่นน้อยกว่า) ซึ่งส่งผลให้เกิดความร้อนที่ตัวสัมผัสลดลงในระหว่างการสลับสถานะซ้ำ ๆ อย่างต่อเนื่อง และยืดอายุการใช้งานของตัวสัมผัสในแอปพลิเคชันต่าง ๆ เช่น หม้อแปลงไฟฟ้าสำหรับเตาหลอมอาร์ค ซึ่งอาจมีการสลับสถานะได้หลายร้อยครั้งต่อวัน

ตัวตัดวงจรแบบสุญญากาศรองรับช่วงแรงดันไฟฟ้าเท่าใด

ตัวตัดวงจรแบบสุญญากาศที่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ครอบคลุมแรงดันไฟฟ้ามาตรฐานตั้งแต่ 3.6 กิโลโวลต์ ถึง 40.5 กิโลโวลต์ สำหรับการใช้งานแรงดันสูงกว่านี้จนถึง 84 กิโลโวลต์ จะใช้ตัวตัดวงจรแบบสุญญากาศสองตัวต่อมุมเฟสหนึ่งตัวเชื่อมต่อกันแบบอนุกรม ส่วนตัวตัดวงจรแบบสุญญากาศแบบแยกจุดเดียว (single-break) ที่มีแรงดัน 145 กิโลโวลต์กำลังเริ่มเข้ามาใช้งานในแอปพลิเคชันพิเศษบางประเภท อย่างไรก็ตาม ก๊าซ SF6 ยังคงครองตลาดอยู่ในระบบส่งกำลังไฟฟ้าที่มีแรงดันเกิน 72.5 กิโลโวลต์

ตัวตัดวงจรแบบสุญญากาศได้รับการทดสอบความน่าเชื่อถืออย่างไร

การทดสอบชนิด (type testing) ตามมาตรฐาน IEC 62271-100 รวมถึงการทดสอบความทนทานเชิงกล (10,000 รอบการทำงานสำหรับ Class M2) การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิภายใต้กระแสไฟฟ้าที่กำหนด การทดสอบการปิดและเปิดวงจรขณะเกิดกระแสลัดวงจรที่ค่าที่กำหนดเต็มรูปแบบ การทดสอบการสลับกระแสแบบความจุ และการทดสอบความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าแบบไดอิเล็กทริก การทดสอบประจำสายการผลิต ได้แก่ การทดสอบความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าความถี่กระแสสลับบนตัวตัดวงจรแบบสุญญากาศแต่ละตัว การวัดค่าความต้านทานที่จุดสัมผัส และการตรวจสอบความแม่นยำของเวลาในการทำงานเชิงกล

ตัวตัดวงจรแบบสุญญากาศก่อให้เกิดแรงดันเกินขณะสลับวงจรหรือไม่

สามารถทำได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อตัดกระแสเหนี่ยวนำขนาดเล็ก เช่น กระแสแม่เหล็กของหม้อแปลงที่ไม่มีโหลด ปรากฏการณ์การตัดกระแสก่อนถึงศูนย์ (current chopping) — ซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออาร์กดับลงอย่างฉับพลันก่อนที่กระแสจะลดลงถึงศูนย์ตามธรรมชาติ — อาจก่อให้เกิดแรงดันเกิน วัสดุสำหรับผิวสัมผัสแบบทองแดง-โครเมียม (CuCr) รุ่นใหม่ที่มีค่ากระแสตัดก่อนถึงศูนย์ต่ำ (โดยทั่วไปต่ำกว่า 3 แอมแปร์) ร่วมกับการใช้เครื่องจับแรงดันเกิน (surge arrester) ที่ขั้วต่อของหม้อแปลง สามารถควบคุมปัญหานี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

กระบวนการกำจัดวงจรเบรกเกอร์สุญญากาศหลังหมดอายุการใช้งานคืออะไร

ตัวตัดกระแสสุญญากาศจัดอยู่ในประเภทของของเสียที่ไม่เป็นอันตราย — ปลอกเซรามิกและขั้วสัมผัสที่ทำจากทองแดง-โครเมียมไม่มีสารพิษใดๆ ที่จำเป็นต้องจัดการเป็นพิเศษ ส่วนกลไกการขับเคลื่อนและโครงสร้างทำจากโลหะที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ตามมาตรฐาน ซึ่งแตกต่างจากเบรกเกอร์ที่ใช้ก๊าซ SF6 ซึ่งจำเป็นต้องมีการฟื้นฟูก๊าซโดยผู้รับรองมาตรฐาน และเบรกเกอร์ที่ใช้น้ำมัน ซึ่งจำเป็นต้องกำจัดของเหลวที่เป็นอันตราย ทำให้การจัดการปลายทางของเบรกเกอร์สุญญากาศเป็นกรณีที่ง่ายที่สุด