Що робить вакуумний вимикач обов’язковим у високовольтних застосуваннях

Неперевершена ефективність гасіння дуги вакуумними вимикачами при високій напрузі

Як вакуумні дугогасники забезпечують переривання струму при нульовому значенні та швидке відновлення діелектричної міцності

Вакуумні вимикачі, або ВВ (скорочено), працюють шляхом швидкого гасіння електричних дуг, зазвичай протягом лише одного–двох періодів проходження струму через нуль, що, як правило, триває менше десяти мілісекунд. Оскільки у вакуумі немає речовини, яку можна було б іонізувати, після падіння струму до нуля дуга практично не може відновитися. Це означає, що ми досягаємо так званого справжнього переривання струму при його нульовому значенні. Сам вакуум відновлює свою діелектричну міцність з надзвичайно високою швидкістю — приблизно 10–20 кіловольт на мікросекунду. Це значно краще, ніж у звичайного повітря чи навіть гексафториду сірки. Контакти всередині таких вимикачів виготовлені зі спеціальних матеріалів, наприклад, сплавів міді та хрому. Ці матеріали допомагають контролювати електрони, що рухаються під час горіння дуги, і утримувати металеву пару, що запобігає швидкому зносу контактів. Завдяки цьому сучасні вакуумні вимикачі можуть витримати понад 100 000 операцій без будь-якого технічного обслуговування. Це робить їх надзвичайно цінними для захисту від раптових стрибків напруги та аварійних ситуацій у системах високої напруги, де надійність є абсолютно критичною.

Вакуумний вимикач (VCB) проти повітряного вимикача (ACB) проти вимикача на шестифтористому сірці (SF6): порівняння діелектричної міцності при 10–35 кВ

VCB забезпечують вищу діелектричну стійкість у застосуваннях середньої напруги завдяки незалежності вакууму від навколишнього середовища — на відміну від чутливих до тиску вимикачів SF6 або залежних від атмосфери повітряних вимикачів. Ця стабільність дозволяє створювати компактні й надійні системи захисту на підстанціях та в промислових підприємствах, що працюють у діапазоні 10–35 кВ.

На Звіти з високовольтної інженерії (2024) , ВКВ забезпечують 98 % успішності ліквідації аварій на напрузі 35 кВ — перевершуючи АКВ за цим показником на 32 % та вимикачі SF6 — на 17 %.

Компактна й масштабована конструкція, забезпечена високою власною діелектричною міцністю ВКВ

Діелектрична міцність вакууму (~40 кВ/см) та її вплив на зменшення розмірів ВКВ у різних класах напруги

Вакуум має вражаючу діелектричну міцність — близько 40 кВ на сантиметр. Це приблизно в 13 разів краще, ніж у звичайного повітря, і приблизно в 5 разів вище, ніж у газу SF6. Завдяки цій переважній властивості контакти вакуумних вимикачів можуть розташовуватися значно ближче один до одного порівняно з традиційними повітряними (ACB) або SF6-вимикачами, що підтверджено дослідженням, опублікованим минулого року Інститутом інженерів електротехніки та електроніки (IEEE) у галузі енергетики. Вакуумні вимикачі добре працюють у широкому діапазоні напруг — від 1 кіловольта до 38 кіловольт, залишаючись при цьому відносно компактними за розмірами. Ці переваги перетворюються на реальну економію матеріалів та забезпечують надзвичайно важливу гнучкість під час монтажу. Для інженерів, які займаються модернізацією старих електричних систем, такі компактні габарити мають велике значення при роботі в обмежених просторах, де часто виникають труднощі з розміщенням обладнання всередині існуючих приміщень.

Реальна економія простору: інтеграція вакуумних вимикачів (VCB) у комутаційні панелі на 11 кВ, що відповідають стандарту IEC 62271-100

На практиці комутаційне обладнання на 11 кВ з вакуумними вимикачами (VCB), яке відповідає стандарту IEC 62271-100, потребує на 35 % меншої площі підлоги порівняно з традиційними панелями на основі SF₆ — без жодного зниження рівня захисту. Така ефективність є критично важливою для міських підстанцій, де вартість земельних ділянок постійно зростає.

Такий виграш у габаритах сприяє більш щільному розподілу електроенергії в комерційних центрах та промислових парках — де вартість землі перевищує 740 тис. дол. США за акр (дослідження Ponemon Institute, 2023 р.). Терміни монтажу також скорочуються на 2–3 дні на один агрегат завдяки спрощеній транспортуванню та підключенню.

Тривала надійність та низька вартість експлуатації вакуумних вимикачів

Вакуумні дугогасні камери з постійним запечатуванням: середній час безвідмовної роботи > 100 000 операцій і мінімальні вимоги до технічного обслуговування

Вакуумні вимикачі (VCB) виділяються надзвичайною надійністю протягом тривалого часу завдяки вакуумним дугогасним камерам, які повністю герметично ізольовані від вологи, пилових частинок та впливу окислення. Така конструкція забезпечує вражаючий середній час між відмовами (MTBF) понад 100 000 операцій. Це значно краще, ніж у старих повітряних вимикачів (ACB) та вимикачів на основі шестифтористого сірки (SF6), які вимагають постійного нагляду — наприклад, доливання рідини, очищення контактів або перевірки рівня газу. Ще більш привабливою рисою VCB є те, що технічне обслуговування практично зводиться до періодичних механічних оглядів під час планових перевірок. На практиці це скорочує експлуатаційні витрати приблизно на 70 %. Згідно з аналізом вартості життєвого циклу (LCCA), більшість досліджень вказують, що, незважаючи на вищу початкову вартість, VCB, як правило, окупаються протягом трьох–п’яти років. Для будь-кого, хто працює з високовольтними системами, де важлива тривалість служби обладнання, необхідно мінімізувати простої системи та строго контролювати загальні витрати, VCB у довгостроковій перспективі є фінансово вигіднішим рішенням.

Ключова роль вакуумних вимикачів у підвищенні стійкості електричної мережі та обмеженні пошкоджень

Кільцеві розподільні пристрої на основі вакуумних вимикачів (VCB) у міських високовольтних розподільних мережах: метрики стійкості Національної електромережі Великої Британії

Блоки кільцевих розподільних пристроїв (RMU), оснащені вакуумними вимикачами (VCB), стали невід’ємною частиною сучасних міських високовольтних розподільних мереж. Ці пристрої здатні відключати аварійні ділянки протягом частин циклу й швидко стабілізувати роботу мережі у разі виникнення проблем. Чому? Тому що вакуум має надзвичайно швидкі властивості діелектричного відновлення, що запобігає поширенню відмов електропостачання в густонаселених районах із великими електричними навантаженнями. Аналіз останніх даних Національної електромережі Великої Британії з початку 2020 року виявив цікавий факт: у містах, де встановлено RMU з вакуумними вимикачами, середня тривалість перерв у електропостачанні скоротилася на вражаючі 42 %. Ще одне важливе перевага — компактні розміри, що робить їх ідеальними для монтажу в обмежених просторах підстанцій, де місце є в дефіциті. Крім того, оскільки вони практично не потребують технічного обслуговування, вони залишаються працездатними навіть у разі суворих погодних умов, які можуть вивести з ладу інше обладнання. Сьогодні такі системи забезпечують більш як 80 % усіх аварійних відключень у міських мережах, значно покращуючи ключові показники надійності, такі як SAIDI та SAIFI. Для міських планувальників, які спрямовані на створення стійкої інфраструктури, це означає підвищення якості обслуговування як для мешканців, так і для бізнесу.