Được thúc đẩy bởi quá trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu và nâng cấp lưới điện quy mô lớn,Máy cắt chân không(VCB)—một trong những thiết bị bảo vệ được sử dụng rộng rãi nhất trong hệ thống điện—đang trải qua quá trình chuyển đổi mang tính hệ thống. Sự phát triển này chuyển VCB từ vị trí thống trị ở điện áp trung thế sang các ứng dụng điện áp cao và từ chức năng chuyển mạch đơn giản sang các nút lưới thông minh. Ngành công nghiệp nhận thấy rộng rãi rằng các VCB đã bước vào đường cong tăng trưởng thứ hai được đặc trưng bởi các lựa chọn thay thế thân thiện với môi trường, tích hợp kỹ thuật số và khả năng thích ứng môi trường khắc nghiệt.

I. Động lực thị trường và công nghệ: VCB bước vào chu kỳ lặp lại mới

Ưu điểm cốt lõi của cầu dao chân không nằm ở môi trường ngắt—bản thân chân không—có lượng khí thải carbon bằng 0, khả năng ngắt mạnh mẽ, tuổi thọ điện dài và hoạt động không cần bảo trì. Ở dải điện áp trung thế (12kV–40,5kV), VCB từ lâu đã là giải pháp chiếm ưu thế. Tuy nhiên, ở cấp điện áp cao hơn (72,5kV trở lên), máy cắt SF₆ vẫn giữ được vị trí dẫn đầu nhờ hiệu suất cách điện tuyệt vời. Vì SF₆ có Tiềm năng làm nóng lên toàn cầu cực kỳ cao (gấp khoảng 23.900 lần so với CO₂) nên việc sử dụng nó phải đối mặt với các quy định quốc tế ngày càng nghiêm ngặt và hạn chế về carbon.

Nền tảng này cung cấp động lực kỹ thuật rõ ràng cho việc mở rộng công nghệ ngắt mạch chân không sang các ứng dụng truyền tải điện áp cao. Các hướng phát triển kỹ thuật chủ đạo hiện nay bao gồm: tăng khả năng chịu điện áp của máy cắt chân không ngắt đơn, áp dụng công nghệ nối tiếp nhiều ngắt ở điện áp 126kV trở lên và các giải pháp lai kết hợp cách điện bằng khí thân thiện với môi trường với ngắt chân không.

So sánh tác động môi trường của các phương tiện gián đoạn khác nhau

II. Công nghệ chân không điện áp cao: Từ “Xu hướng” đến “Xác nhận kỹ thuật”

Việc áp dụng máy cắt chân không vào các mức điện áp truyền tải đòi hỏi phải vượt qua một số thách thức kỹ thuật chính.

Đầu tiên là khả năng cách nhiệt của bộ ngắt chân không. Khi mức điện áp tăng lên, các đặc tính trước va chạm của khe hở chân không, tình trạng bề mặt tiếp xúc và độ đồng đều của điện trường có tác động khuếch đại đáng kể đến hiệu suất cách điện. Các phương pháp kỹ thuật phổ biến bao gồm tối ưu hóa cấu trúc tiếp xúc (chẳng hạn như tiếp điểm từ trường dọc trục), cải thiện mức chân không của bộ ngắt và sử dụng cấu trúc cách điện tổng hợp.

Thứ hai, cơ chế vận hành phản ứng tốc độ cao. Máy cắt chân không điện áp cao thường yêu cầu tổng thời gian ngắt ngắn hơn, đặt ra yêu cầu cao hơn về đặc tính cơ học của cơ cấu vận hành. Mỗi cơ cấu lò xo, bộ truyền động từ trường vĩnh cửu và cơ cấu đẩy điện từ đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng về khả năng mở nhanh, tốc độ mở ban đầu và kiểm soát độ phân tán.

Thứ ba, chia sẻ điện áp trong các kết nối nối tiếp nhiều lần ngắt. Ở mức điện áp 126kV trở lên, độ khó kỹ thuật và chi phí của các thiết bị ngắt chân không một lần ngắt tăng lên đáng kể, khiến việc kết nối loạt nhiều lần ngắt trở thành một lựa chọn kỹ thuật thực tế. Tuy nhiên, kết nối nối tiếp nhiều điểm ngắt phải đối mặt với thách thức với sự mất cân bằng phân bố điện áp tĩnh và động, đòi hỏi các giải pháp như phân loại tụ điện hoặc công nghệ điều khiển đồng bộ.

Theo thông tin được công bố rộng rãi trong ngành, một số nhà sản xuất thiết bị đóng cắt trong nước và quốc tế cũng như các tổ chức nghiên cứu đã hoàn thành quá trình phát triển nguyên mẫu ở cấp 126kV và đã bước vào giai đoạn xác nhận kỹ thuật. Tiến bộ này được ngành công nghiệp coi là một bước tiến đáng kể hướng tới việc mở rộng công nghệ chuyển mạch chân không sang các ứng dụng điện áp cao.

Đặc tính kỹ thuật của máy cắt chân không theo cấp điện áp

III. Tích hợp thông minh: VCB phát triển từ “Yếu tố chuyển mạch” thành “Nút nhận thức”

Trong khuôn khổ tự động hóa phân phối và hệ thống vận hành/bảo trì thông minh, máy cắt chân không đang đóng một vai trò mới. Các VCB truyền thống tập trung vào việc cách ly lỗi và bảo vệ đường dây. Thế hệ mới của VCB tích hợp sơ cấp-thứ cấp tích hợp sâu các chức năng cảm biến dòng điện/điện áp, thu năng lượng, giám sát tình trạng, liên lạc và kiểm soát bảo vệ.

Cụ thể, sự đồng thuận về mặt kỹ thuật trong ngành bao gồm: thiết kế tích hợp nhỏ gọn của máy biến áp dụng cụ điện tử với bộ ngắt chân không; khả năng của bộ điều khiển trong việc xác định và xử lý nhanh chóng các lỗi ngắn mạch (thường trong vòng một vài chu kỳ); hỗ trợ tự động đóng lại nhanh; và khả năng ghi lỗi và liên lạc từ xa.

Hơn nữa, với nhu cầu tích hợp lưới năng lượng tái tạo ngày càng tăng, yêu cầu VCB ngắt các thành phần DC cao cũng tăng lên. Dòng điện ngắn mạch ở phía hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời, gió và năng lượng thường chứa một tỷ lệ đáng kể các thành phần DC, đặt ra những thách thức kỹ thuật vượt xa các hệ thống AC truyền thống.

Các module chức năng của VCB thông minh tích hợp bậc Tiểu học-Trung học

So sánh các cấp độ tích hợp thông minh khác nhau

IV. Khả năng thích ứng với môi trường khắc nghiệt: Bảo vệ chống xâm nhập cao trở thành chìa khóa cho các sản phẩm ngoài trời

Máy cắt chân không gắn trên cột ngoài trời hoạt động trong môi trường phức tạp và đa dạng. Độ ẩm, sự ngưng tụ, sương mù muối, nhiệt độ khắc nghiệt và bụi là những nguyên nhân phổ biến gây ra lỗi thiết bị. Trong số này, sự suy giảm chất cách điện và ăn mòn cơ chế do ngưng tụ là những vấn đề nổi bật nhất.

Giải quyết điểm yếu này, việc tăng xếp hạng bảo vệ chống xâm nhập (IP) tổng thể đã trở thành hướng nâng cấp kỹ thuật chính cho các VCB ngoài trời trong những năm gần đây. Các phương pháp thực hành hàng đầu trong ngành đã nâng xếp hạng bảo vệ từ IP54 truyền thống lên IP67 hoặc thậm chí IP68. IP67 có nghĩa là thiết bị có thể chịu được ngâm tạm thời trong nước mà không bị hư hỏng, trong khi IP68 biểu thị khả năng hoạt động khi ngâm liên tục trong nước trong các điều kiện quy định.

Các công nghệ chính để đạt được xếp hạng IP cao bao gồm: thiết kế giao diện bịt kín giữa bộ ngắt và vỏ cơ cấu, xử lý chống ăn mòn của cơ cấu vận hành và tối ưu hóa cấu trúc bịt kín giữa sứ cách điện và vỏ.

So sánh các VCB ngoài trời theo xếp hạng bảo vệ chống xâm nhập