EN
Вакуумні вимикачі: подолання бар’єрів у верхньому діапазоні спектра напруг
Що відбувається під час гасіння вакуумної дуги: швидке відновлення плазмової дуги та оперативне відновлення струму
Коли контакти вакуумного вимикача розмикаються, металевий пар іонізується й утворює плазмову дугу. За екстремального рівня вакууму (тиск < 10⁻⁴ торр) заряджені частинки осідають у вакуумі на контакти, що забезпечує швидке відновлення плазмової дуги протягом 1–5 мс. Це також дозволяє оболонці струму забезпечити швидку ізоляцію системи до наступного імпульсу напруги, що забезпечує надійне керування дугою в точний перший момент, коли очікується падіння струму до нуля, а також керування утворенням дуги. Рівень вакууму забезпечує приблизно в 1000 разів більшу середню довжину вільного пробігу для електронів порівняно з газом SF₆. Саме це є фундаментальною причиною того, що вакуумні вимикачі перевершують газові та повітряні вимикачі за здатністю безпечно переривати електричний струм.
Швидкість переривання менше 15 мс і краще придушення проходження через нуль порівняно з альтернативами на основі SF₆ та повітря.
Щодо переривання несправностей, вакуумні пристрої для вимикання здатні ліквідувати несправності за 15 мс або менше, що на 30–50 % швидше, ніж у системах із SF6 або повітряним розривом. Оскільки вакуумний пристрій для вимикання розташований у вакуумі, швидкість, з якою він долає переривання, не залежить від складних механізмів газового потоку, що, однак, має місце у газових ізоляторів. У класі 72,5 кВ технологія вакуумних пристроїв для вимикання працює майже втричі ефективніше, ніж SF6, щодо тих неприємних TRV (перехідних відновлювальних напруг), порівняно з тим, що більшість інженерів вважають середнім показником. Більшість інженерів вважають, що традиційні повітряні механізми розриву потребують щонайменше 8–10 перетинів струму з нульовим значенням, перш ніж зможуть надійно припинити дугу. Натомість вакуумні пристрої для вимикання, як очікується, припиняють усі дуги (до 99,8 % пригнічення дуги, згідно з IEC 62271-100) за 2 або менше перетинів струму з нульовим значенням. У реальних умовах застосування вакуумних пристроїв для вимикання також спостерігається суттєво нижче значення стрибків напруги. Реальні випробування також показали, що кількість стрибків напруги приблизно на 40 % менша порівняно з газоізольованими вакуумними вимикачами. Висока діелектрична міцність забезпечує компактну й надійну інтеграцію у високовольтні системи.
Власна діелектрична міцність вакууму (>30 кВ/см) та масштабований дизайн відстані між контактами для застосування в системах напругою 72,5–145 кВ
Вакуум відрізняється винятковою діелектричною міцністю понад 30 кВ на см, що забезпечує ефективну ізоляцію високовольтних систем без використання додаткових газів. Ця властивість дозволяє інженерам оптимізувати відстань між контактами в рамках стандартних номінальних параметрів IEC у діапазоні напруг 72,5–145 кВ. На відміну від вимикачів на основі SF₆, вакуумна технологія є переважною, оскільки забезпечує стабільну роботу незалежно від температури, висоти над рівнем моря та вологості. Крім того, вакуумна технологія усуває проблеми, пов’язані з управлінням газом, що забезпечує надійну роботу підстанції в несприятливих умовах.
Переваги щодо простору та ваги: на 30–40 % менша займана площа в ГІС та гібридних підстанціях порівняно з вимикачами на основі SF₆
Вакуум має дуже високу діелектричну міцність, що дозволяє значно зменшити відстань між контактами компонентів. Це призводить до створення менших за розмірами вимикачів і, відповідно, більш компактних вимикачів загалом. Економія простору є досить значною. Порівнюючи установки газоізольованих розподільних пристроїв (GIS), у яких використовується вакуумна технологія замість SF6, зазвичай вдається скоротити займану площу приблизно на 30–40 %. Приводні механізми також легші — у деяких випадках навіть до 60 %. Це особливо вигідно для гібридних підстанцій, оскільки полегшує трасування шин і прискорює модернізацію. У рамках модернізації електромереж у Європі багато компаній повідомили про звільнення приблизно 35 % простору після впровадження вакуумної технології на стандартному рівні напруги 145 кВ.
Тривала надійність при високому циклі навантаження ВН і мінімальне технічне обслуговування
Понад 20 000 операцій < 0,001 % частота відмов за стандартом IEEE C37.09-2018
Вакуумні вимикачі, які є герметично запечатаними й не піддаються впливу навколишнього середовища, можуть забезпечувати понад 20 000 механічних операцій із рівнем відмов менше ніж 0,001 % згідно зі стандартом IEEE C37.09-2018. Оскільки в них відсутні місця для витоку газу або динамічні ущільнення, діелектрична міцність зберігається протягом багатьох років експлуатації. Польові дані свідчать, що багато енергетичних компаній експлуатують компоненти на напругу 72,5 кВ приблизно 30 років до їх заміни. Натомість у нових конструкцій оператори отримують приблизно 40 % економії витрат. Відсутність у цих конструкцій рухомих частин та ковзних контактів, які зазвичай виходять із ладу під час багаторазових операцій відключення аварійних струмів, сприяє підвищенню їх надійності.
Відсутність управління газом, проблем, пов’язаних з вологістю, або токсичних продуктів розкладу — це усунення основних режимів відмов систем на основі SF₆.
Системи вакуумного вимикання усувають три основні точки відмови системи стисненого газу:
Відсутність управління газом: немає управління SF₆, виявлення витоків або дорогого управління рекупераційним газом
Стійкість до вологи: уникнення діелектричного пробою, пов’язаного з вологою, — основної причини виходу з ладу вимикачів на SF₆
Нетоксичність: відсутність забруднення газової системи метало-фторидними побічними продуктами
Як наслідок, аналіз практичного досвіду енергопостачальників показав, що потреба в технічному обслуговуванні зменшилася на 75 %. Крім того, вони уникнули середніх штрафів за викиди SF₆ у розмірі 740 000 дол. США/рік, про які йшлося в аудитах EPA щодо виконання вимог. Конструкція з твердими контактами також запобігає розкладанню через ерозію контактів, що виникає в газових вимикачах після кількох операцій відключення при короткому замиканні.
Розвиваються діапазони напруг: від середньої до високої напруги
Розгортання
Стандартизовані вакуумні вимикачі мають номінальні значення (12–145 кВ) і встановлюються в енергосистемах на напругу 145 кВ
Вакуумні вимикачі останнім часом удосконалювалися, щоб підвищити їх ефективність у роботі в системах середньої та високої напруги 145 кВ. Розробка контактних матеріалів, вакуумних камер, ущільнень та електромагнітного приводу покращила їх застосування в установках на 145 кВ. Їх робоча відключаюча здатність сягає 40 кА (тобто < 20 мс). Ці вимикачі замінюють більш габаритні рішення первинного обладнання в ультраширокому діапазоні температур від −40 до +55 °C, а також з урахуванням відсутності шкідливих для навколишнього середовища газів.
Технологія вакуумних дугогасників для 245 кВ: стандарти IEC 62271-100 та розробки багатодугогасних серійних дугогасників
Виробники комерціалізують вакуумну технологію для застосування у пристроях на 245 кВ із серійними переривачами з кількома розривами. Сутність цих рішень полягає в тому, що кілька вакуумних переривачів об’єднуються в один блок так, щоб напруга рівномірно розподілялася між ними, а не концентрувалася в одному місці. Такі конструкції нещодавно отримали відповідність стандарту IEC 62271-100 щодо відключення струму при напрузі 245 кВ та струмі 50 кА — це значний прорив у галузі. Один із прототипів розрахований на відключення струму за 2 електричні цикли, що на 40 % швидше, ніж у традиційних переривачів з одним розривом. Крім того, у цьому прототипі використовуються контакти з міді та хрому (Cu/Cr),
які знижують струм зриву до < 3 А. Кілька ранніх прототипів уже впроваджені в європейську енергомережу з минулого року. Більшість експертів галузі вважають, що вакуумна технологія врешті-решт замінить газ SF6 у високовольтних застосуваннях, де пріоритетом є екологічні аспекти.
Часті запитання
Яка основна перевага використання вакуумних вимикачів порівняно з системами на основі SF6 та повітряних вимикачів?
У системах високої напруги вакуумні вимикачі мають швидше відновлення діелектричної міцності, що забезпечує швидке гасіння електричної дуги й зменшення стрибків напруги. Це означає, що вакуумні вимикачі можуть працювати з набагато вищою ефективністю, ніж інші системи.
Що ви можете розповісти про конструкцію вимикачів на основі SF6, яка дозволяє вакуумним комутаторам мати менші розміри?
Оскільки вимикачі на основі SF6 мають нижчу діелектричну міцність, їм потрібні більші відстані між контактами. Через це вакуумні комутатори займають приблизно на 30–40 % менше місця, ніж вимикачі на основі SF6.
Вакуумні вимикачі мають термін служби понад 20 000 операцій, і саме тому їхній рівень відмов дуже низький. Цей низький рівень відмов означає, що вони можуть ефективно працювати протягом приблизно 30 років. Низький рівень відмов і високий рівень надійності означають, що вартість вакуумних вимикачів приблизно на 40 % нижча порівняно зі старішими технологіями через менші витрати на технічне обслуговування та ремонт
Чи є переваги використання вакуумних вимикачів замість вимикачів на основі SF₆ з точки зору впливу на навколишнє середовище?
Звичайно! Вакуумні вимикачі усувають необхідність у системах керування газом і є стійкими до вологи. При їхньому використанні практично не утворюються небезпечні побічні продукти. Саме тому екологічні витрати, а також фінансові витрати, пов’язані з системами на основі SF₆, також зменшуються.