EN
Bộ ngắt mạch chân không: Vượt qua giới hạn ở đầu cao nhất của dải điện áp
Điều gì xảy ra trong quá trình dập hồ quang chân không: tái tạo nhanh chóng hồ quang plasma và khôi phục dòng điện một cách nhanh chóng
Khi các tiếp điểm của bộ ngắt mạch chân không mở ra, hơi kim loại bị ion hóa và tạo thành hồ quang plasma. Ở mức chân không cực cao (áp suất < 10^-4 torr), các hạt mang điện lắng đọng chân không lên các tiếp điểm, cho phép tái kết nối nhanh chóng hồ quang plasma trong vòng 1–5 ms. Điều này cũng cho phép lớp bao dòng điện cung cấp khả năng cách điện nhanh cho hệ thống trước xung điện áp tiếp theo, từ đó đảm bảo việc điều khiển đáng tin cậy đối với hồ quang ngay tại thời điểm đầu tiên mà dòng điện dự kiến giảm về zero và kiểm soát sự hình thành hồ quang. Mức độ chân không cho phép đường tự do trung bình của electron dài hơn khoảng 1000 lần so với khí SF6. Đây là lý do cơ bản khiến bộ ngắt mạch chân không vượt trội hơn bộ ngắt mạch sử dụng khí và bộ ngắt mạch không khí trong việc ngắt an toàn dòng điện.
Tốc độ ngắt dưới 15 ms và khả năng dập tắt tại điểm cắt zero tốt hơn các giải pháp thay thế sử dụng SF₆ và không khí.
Về khả năng ngắt sự cố, bộ ngắt chân không có thể loại bỏ sự cố trong vòng 15 ms hoặc ít hơn, nhanh hơn 30–50 % so với các hệ thống sử dụng khí SF6 hoặc hệ thống ngắt bằng không khí. Vì bộ ngắt chân không được đặt trong môi trường chân không nên tốc độ mà nó có thể khắc phục tình trạng ngắt không phụ thuộc vào các cơ chế dòng chảy khí phức tạp — điều này lại đúng với các chất cách điện dạng khí. Ở cấp điện áp 72,5 kV, công nghệ bộ ngắt chân không hoạt động gần như tốt gấp ba lần so với SF6 đối với các điện áp phục hồi quá độ (TRV) khó chịu nói trên, so với mức trung bình mà đa số kỹ sư đánh giá. Đa số kỹ sư cho rằng các cơ cấu ngắt bằng không khí thông thường cần ít nhất 8–10 lần đi qua điểm zero của dòng điện trước khi có thể ngắt cung điện một cách đáng tin cậy. Ngược lại, bộ ngắt chân không được kỳ vọng có thể ngắt mọi cung điện (tỷ lệ dập tắt cung điện lên đến 99,8 %, theo tiêu chuẩn IEC 62271-100) trong vòng hai lần đi qua điểm zero trở xuống. Các ứng dụng thực tế của bộ ngắt chân không đạt hiệu suất 100 % cũng cho thấy mức độ xung điện áp thấp hơn đáng kể. Các thử nghiệm thực tế còn chỉ ra rằng số lần xuất hiện xung điện áp giảm khoảng 40 % so với các công tắc chân không cách điện bằng khí. Độ bền điện môi cao giúp tích hợp thiết bị điện áp cao (HV) một cách nhỏ gọn và đáng tin cậy.
Độ bền điện môi nội tại của chân không (>30 kV/cm) và thiết kế khe hở tiếp điểm có thể mở rộng cho các ứng dụng từ 72,5–145 kV
Chân không thể hiện độ bền điện môi vượt trội, lớn hơn 30 kV/cm, cho phép cách điện hiệu quả cho các hệ thống điện áp cao mà không cần sử dụng thêm khí. Đặc tính này giúp kỹ sư tối ưu hóa khoảng cách khe hở tiếp điểm trong các cấp định mức tiêu chuẩn IEC từ 72,5 kV đến 145 kV. Khác với bộ ngắt mạch SF6, công nghệ chân không vượt trội hơn vì duy trì hiệu suất ổn định bất kể nhiệt độ, độ cao so với mực nước biển và độ ẩm. Ngoài ra, công nghệ chân không loại bỏ các lo ngại liên quan đến quản lý khí, đảm bảo hoạt động đáng tin cậy của trạm biến áp trong điều kiện khắc nghiệt.
Ưu điểm về không gian và trọng lượng: chiếm diện tích nhỏ hơn 30–40% trong các trạm biến áp GIS và trạm lai (hybrid) so với bộ ngắt mạch SF₆
Chân không thực sự có độ bền điện môi rất cao, cho phép khoảng cách tiếp xúc giữa các thành phần nhỏ hơn nhiều. Điều này dẫn đến các bộ ngắt mạch có kích thước nhỏ hơn và do đó, các thiết bị cắt tổng thể trở nên gọn gàng hơn. Việc tiết kiệm không gian là khá đáng kể. Khi so sánh các hệ thống trạm biến áp cách điện bằng khí (GIS) sử dụng công nghệ chân không thay vì SF6, thông thường chỉ cần khoảng 30–40% diện tích không gian. Các cơ cấu vận hành cũng nhẹ hơn, trong một số trường hợp lên tới 60%. Đây là lợi thế đặc biệt quan trọng đối với các trạm biến áp lai (hybrid), bởi vì nó cải thiện việc đi dây thanh cái (busbar) và tăng tốc độ cải tạo, nâng cấp. Trong các dự án nâng cấp lưới điện tại châu Âu, nhiều công ty đã báo cáo rằng sau khi triển khai công nghệ chân không ở cấp điện áp tiêu chuẩn 145 kV, họ thu được thêm khoảng 35% diện tích không gian.
Độ tin cậy dài hạn với chu kỳ làm việc cao ở điện áp cao (HV) và ít bảo trì
Hơn 20.000 lần vận hành < 0,001% tỷ lệ hỏng hóc theo tiêu chuẩn IEEE C37.09-2018
Các bộ ngắt chân không được hàn kín tuyệt đối và không bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh có thể thực hiện hơn 20.000 chu kỳ thao tác cơ học với tỷ lệ hỏng hóc thấp hơn 0,001% theo tiêu chuẩn IEEE C37.09-2018. Vì không có vị trí nào để khí rò rỉ hay các gioăng động, độ bền điện môi được duy trì ổn định trong nhiều năm vận hành. Dữ liệu thực tế tại hiện trường cho thấy nhiều công ty cung cấp điện thường vận hành các thành phần 72,5 kV trong khoảng 30 năm trước khi cần thay thế. Ngược lại, đối với các thiết kế mới hơn, người vận hành đạt được mức tiết kiệm chi phí khoảng 40%. Việc loại bỏ các bộ phận chuyển động và tiếp điểm trượt—những thành phần thường hư hỏng trong các lần dập sự cố lặp đi lặp lại—chính là yếu tố làm tăng độ tin cậy của các thiết kế này.
Không cần quản lý khí, không phát sinh vấn đề liên quan đến độ ẩm hay các sản phẩm phân hủy độc hại—loại bỏ các nguyên nhân gây hỏng hóc chủ yếu của hệ thống SF₆.
Các hệ thống ngắt chân không loại bỏ ba điểm hỏng hóc chính của hệ thống khí nén:
Không quản lý khí: Không quản lý khí SF₆, không phát hiện rò rỉ và không cần hệ thống thu hồi khí tốn kém
Kháng ẩm: Tránh được hiện tượng đánh thủng điện môi do độ ẩm gây ra – nguyên nhân chính dẫn đến hỏng hóc bộ ngắt mạch sử dụng khí SF₆
Không độc hại: Không sinh ra các sản phẩm phụ kim loại florua gây nhiễm bẩn hệ thống khí
Kết quả là các nghiên cứu thực tế tại các công ty cung cấp điện cho thấy yêu cầu bảo trì giảm tới 75%. Ngoài ra, họ còn tránh được mức phạt trung bình 740.000 USD/năm do phát thải khí SF₆ như nêu trong các cuộc kiểm toán tuân thủ quy định của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA). Thiết kế tiếp điểm dạng rắn cũng loại bỏ hiện tượng phân hủy do mài mòn tiếp điểm – hiện tượng thường xảy ra ở các bộ ngắt mạch sử dụng khí sau một vài lần vận hành cắt ngắn mạch.
Phạm vi điện áp đang phát triển: Từ điện áp trung thế đến điện áp cao
Việc triển khai
Các bộ ngắt mạch chân không tiêu chuẩn có điện áp định mức (12–145 kV) và đã được lắp đặt trong các hệ thống điện áp 145 kV của các công ty cung cấp điện
Các bộ ngắt mạch chân không gần đây đã được cải tiến nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động trong các hệ thống điện áp trung bình và điện áp cao 145 kV. Việc phát triển vật liệu tiếp điểm, độ chân không, kỹ thuật niêm phong và cơ cấu tác động điện từ đã làm tăng khả năng ứng dụng của chúng trong các lắp đặt 145 kV. Các bộ ngắt mạch này có khả năng cắt định mức lên đến 40 kA (tức là thời gian cắt < 20 ms). Chúng thay thế các giải pháp thiết bị sơ cấp cồng kềnh hơn trong dải nhiệt độ cực rộng từ -40 đến +55 độ C và trong điều kiện không sử dụng khí gây hại cho môi trường.
Công nghệ bộ dập hồ quang chân không cho điện áp 245 kV: Tiêu chuẩn IEC 62271-100 và các phát triển về chuỗi bộ dập hồ quang đa khoảng cách
Các nhà sản xuất đã đưa công nghệ chân không vào thương mại hóa cho các ứng dụng điện áp 245 kV với thiết kế bộ ngắt mạch nối tiếp nhiều khoang. Về bản chất, họ lắp ráp nhiều bộ ngắt chân không để điện áp được phân bố đều trên nhiều thiết bị thay vì tập trung tại một vị trí duy nhất. Các thiết kế này gần đây đã đáp ứng tiêu chuẩn IEC 62271-100 đối với khả năng cắt ở mức 245 kV / 50 kA — một bước đột phá quan trọng đối với ngành công nghiệp. Một trong những mẫu nguyên mẫu được thiết kế để ngắt dòng điện trong 2 chu kỳ điện, nhanh hơn 40% so với các bộ ngắt đơn truyền thống. Ngoài ra, mẫu này sử dụng hệ thống tiếp điểm đồng–crôm (Cu/Cr) giúp giảm dòng cắt xuống dưới 3 A.
một số mẫu nguyên mẫu đầu tiên đã được tích hợp vào lưới điện châu Âu kể từ năm ngoái. Phần lớn chuyên gia trong ngành tin rằng công nghệ chân không cuối cùng sẽ thay thế khí SF6 trong các ứng dụng điện áp cao, nơi mà các vấn đề môi trường là ưu tiên hàng đầu.
Câu hỏi thường gặp
Lợi ích chính của việc sử dụng bộ ngắt mạch chân không so với các hệ thống khí SF6 và ngắt bằng không khí là gì?
Đối với các hệ thống điện áp cao, bộ ngắt mạch chân không có khả năng phục hồi độ bền điện môi nhanh hơn, dẫn đến dập hồ quang nhanh hơn và giảm các đỉnh điện áp. Điều này có nghĩa là bộ ngắt mạch chân không có thể vận hành ở mức hiệu suất cao hơn nhiều so với các hệ thống khác.
Bạn có thể cho tôi biết điều gì trong thiết kế của bộ ngắt mạch SF6 khiến bộ ngắt chân không có kích thước nhỏ hơn?
Do bộ ngắt mạch SF6 có độ bền điện môi thấp hơn nên chúng cần khoảng hở tiếp điểm lớn hơn. Vì lý do này, bộ ngắt chân không chỉ chiếm khoảng 30–40% không gian so với bộ ngắt mạch SF6.
Các bộ ngắt chân không có tuổi thọ trên 20.000 lần vận hành, do đó tỷ lệ hỏng hóc của chúng rất thấp. Tỷ lệ hỏng hóc thấp này đồng nghĩa với việc chúng có thể vận hành ổn định trong khoảng 30 năm. Tỷ lệ hỏng hóc thấp và tỷ lệ thành công cao này khiến chi phí sử dụng bộ ngắt chân không giảm khoảng 40% so với các công nghệ cũ, nhờ vào nhu cầu bảo trì và sửa chữa ít hơn.
Việc sử dụng bộ ngắt chân không thay cho bộ ngắt khí SF6 có lợi thế gì về mặt môi trường không?
Chắc chắn rồi! Bộ ngắt chân không loại bỏ nhu cầu về các hệ thống quản lý khí và đồng thời cũng miễn nhiễm với độ ẩm. Chúng gần như không sinh ra các sản phẩm phụ nguy hại nào. Vì vậy, chi phí liên quan đến tác động môi trường cũng như chi phí tài chính gắn với các hệ thống SF6 đều được giảm đáng kể.