Ключові слова
вакуумний вимикач
дугогасіння
контактні матеріали
система моніторингу
діагностика
SCADA
цифрова підстанція
Як цитувати
Анотація
Стаття має оглядово-аналітичний характер і присвячена систематизації сучасних підходів до інтеграції вакуумних вимикачів із системами контролю, моніторингу та діагностики в електричних мережах середньої та високої напруги. Основну увагу приділено мережам 6–35 кВ, де вакуумні вимикачі набули найбільшого практичного поширення, а також перспективам їх застосування у високовольтних електроустановках 110–220 кВ у складі цифрових підстанцій Smart Grid. Проведено аналітичний та порівняльний огляд комутаційних апаратів (масляних, повітряних, елегазових, вакуумних), узагальнено електрофізичні механізми дугогасіння у вакуумі, вплив контактних матеріалів (CuCr, AgWC) і рівня вакууму на відновлення діелектричної міцності проміжку. Оцінено архітектури систем моніторингу, сумісних із IEC 61850, включно з датчиками електричних і теплових параметрів, мікропроцесорними контролерами та інтеграцією на рівні системи диспетчерського керування і збору даних або автоматизованої системи керування технологічним процесом. Результати показують, що вакуумні вимикачі забезпечують короткий час гасіння дуги і швидке відновлення діелектричної міцності, мають високий ресурс комутацій та не потребують періодичного обслуговування; інтеграція з цифровими системами контролю скорочує час виявлення відмов та кількість аварійних вимкнень, а також підвищує коефіцієнт готовності обладнання. Запропоновано структурну схему інтегрованої системи «вакуумний вимикач – система контролю» та наведено практичні рекомендації щодо її впровадження у промислових і агропромислових мережах 6–35 кВ з урахуванням перспектив застосування на рівнях 110–220 кВ. Отримані результати формують цілісне уявлення про сучасний стан і напрями розвитку інтегрованих комутаційно-діагностичних систем для цифрових підстанцій.
Посилання
C. P. Ohanu, S. A. Rufai, and U. C. Oluchi, “A comprehensive review of recent developments in smart grid through renewable energy resources integration,” Heliyon, vol. 10, no. 3, Feb. 2024, Art. no. e25705, doi: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e25705
V. Ethirajan and S. P. Mangaiyarkarasi, “An in-depth survey of latest progress in smart grids: Paving the way for a sustainable future through renewable energy resources,” Journal of Electrical Systems and Information Technology, vol. 12, no. 1, Mar. 2025, Art. no. 9, doi: https://doi.org/10.1186/s43067-025-00195-z
F. Pranjić and P. Virtič, “Analysis of the operational reliability of different types of switching substations using the Monte Carlo method,” Energies, vol. 17, no. 13, Jun. 2024, Art. no. 3142, doi: https://doi.org/10.3390/en17133142
S. Ma et al., “Reliability evaluation and thermal design of medium-voltage converter for underwater long-distance high-voltage direct current transmission system,” The Journal of Engineering, vol. 2019, no. 16, pp. 2239–2243, Mar. 2019, doi: https://doi.org/10.1049/joe.2018.8809
Y. Tian and G. Konstantinou, “Reliability analysis of modular multilevel converters in MVDC applications,” E-Prime - Advances in Electrical Engineering, Electronics and Energy, vol. 9, Jul. 2024, Art. no. 100671, doi: https://doi.org/10.1016/j.prime.2024.100671
C. H. Flurscheim, Ed., IEE Power Enginering Series, vol. 1, Power Circuit Breaker Theory and Design. Institution Elect. Engineers, 1982, doi: https://doi.org/10.1049/PBPO001E
CIGRE Working Group 13.01, “Practical application of arc physics in circuit breakers. Survey of calculation methods and application guide,” Electra, vol. 118, 1988, Art. no. ELT_118_1.
S. Franke, R. Methling, D. Uhrlandt, S. Gortschakow, F. Reichert, and A. Petchanka, “Arc temperatures in a circuit breaker experiment from iterative analysis of emission spectra,” Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 53, no. 38, 2020, Art. no. 385204, doi: https://doi.org/10.1088/1361-6463/ab936c
X. M. Fan et al., “Review of monitoring and diagnosis methods for vacuum circuit breaker electrical wear,” High Voltage Apparatus, no. 10, pp. 81–86, 2011.
Y. Mu, Y. Wang, and J. Zou, “Reliability analysis of vacuum circuit breaker with permanent magnet material actuator based on competitive failure model,” International Journal of Environmental Technology and Management, vol. 24, no. 5/6, pp. 390–403, 2021, doi: https://doi.org/10.1504/ijetm.2021.117301
A. A. Razi-Kazemi and M. R. Fallah, “Investigation of aging procedure of vacuum circuit breakers used in wind farms,” Engineering Failure Analysis, vol. 123, May 2021, Art. no. 105292, doi: https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2021.105292
X. Yao, Y. Geng, Z. Liu, and J. Wang, “Mechanical reliability of a 126 kV single-break vacuum circuit breaker,” in 2015 Annual Reliability and Maintainability Symposium (RAMS), Palm Harbor, FL, USA, Jan. 26–29, 2015. IEEE, 2015, doi: https://doi.org/10.1109/rams.2015.7105196
Q. Deng, H. Zhang, M. Liao, H. Zhang, Y. Fu, and L. Gai, “Research on intelligent communication system for circuit breaker condition monitoring,” Journal of Physics: Conference Series, vol. 1187, no. 3, Apr. 2019, Art. no. 032058, doi: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1187/3/032058
Z. Liu, X. Duan, M. Liao, G. Ge, and J. Zou, “A model-based measurement method for intelligent circuit breaker with data communication,” Transactions of the Institute of Measurement and Control, vol. 40, no. 6, pp. 1854–1862, Mar. 2017, doi: https://doi.org/10.1177/0142331217693672
A. Semenov, R. Kharak, V. Arendarenko, and Y. Bychkov, “Calculation of electrical energy losses in distribution networks for power supply using oil and vacuum circuit breakers,” Bulletin of the National Technical University "KhPI". Series: Energy: Reliability and Energy Efficiency, no. 1 (8), pp. 105–110, Jul. 2024, doi: https://doi.org/10.20998/2224-0349.2024.01.13 (in Ukrainian)
T. S. Ustun, S. M. S. Hussain, L. Yavuz, and A. Onen, “Artificial intelligence based intrusion detection system for IEC 61850 sampled values under symmetric and asymmetric faults,” IEEE Access, vol. 9, pp. 56486–56495, 2021, doi: https://doi.org/10.1109/access.2021.3071141
O. M. Moroz, M. M. Cheremisin, O. A. Savchenko, S. A. Popadchenko, and S. V. Diubko, “Using Smart Grid’s technologies for increasing efficiency of consumers’ electric supply,” POWER ENGINEERING: Economics, Technique, Ecology, no. 3 (49), pp. 82–86, Dec. 2017, doi: https://doi.org/10.20535/1813-5420.3.2017.117369 (in Ukrainian)
High-Voltage Switchgear and Controlgear - Part 100: Alternating-Current Circuit-Breakers, IEC 62271-100:2021.
Communication Networks and Systems for Power Utility Automation - Part 3: General Requirements, IEC 61850-3:2013.
Ministry of Energy and Coal Industry of Ukraine, Pravyla ulashtuvannia elektroustanovok [Rules for the installation of electrical installations]. Kharkiv: Vyd-vo «Fort», 2017. (in Ukrainian)
Ukraine, Ministry of Fuel and Energy of Ukraine. (2006, Jul. 25). Order of the Ministry of Fuel and Energy of Ukraine no. 258, Pro zatverdzhennia Pravyl tekhnichnoi ekspluatatsii elektroustanovok spozhyvachiv [On the Approval of the Rules for the Technical Operation of Consumer Electrical Installations]. [Online]. Available: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/z1143-06#Text (in Ukrainian)
D. Métivier, M. Vuffray, and S. Misra, “Efficient polynomial chaos expansion for uncertainty quantification in power systems,” Electric Power Systems Research, vol. 189, Dec. 2020, Art. no. 106791, doi: https://doi.org/10.1016/j.epsr.2020.106791
S. H. Rouhani, Y. Chiang, L. Su, S. Mobayen, T. Yu, and M. A. Sepestanaki, “An intelligent predictive maintenance framework for high voltage circuit breakers in smart grids using condition monitoring data,” in 2025 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting (IAS), Taipei, Taiwan, Jun. 15–20, 2025. IEEE, 2025, doi: https://doi.org/10.1109/ias62731.2025.11061458
K. Papadiotis, M. G. Danikas, R. Sarathi, and G. Falekas, “Recent advances in vacuum circuit breakers,” Journal of Engineering Science and Technology Review, vol. 15, no. 6, pp. 164–169, 2022, doi: https://doi.org/10.25103/jestr.156.20
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Авторське право (c) 2026 Анатолій Олексійович Семенов, Володимир Миколайович Арендаренко, Руслан Миколайович Харак, Вячеслав Олексійович Вовк