Výzkum technologie instalace GIS zařízení při výstavbě podstanice 110 kV

Plynově izolované přepážkové zařízení (GIS) se skládá z vypínačů, odpojovačů, zemnících vypínačů, proudových transformátorů, napěťových transformátorů, ochranných bleskoveodvodů, sběrných vodičů, spojovacích částí a výstupních terminálů. Díky vyšší spolehlivosti, bezpečnosti a relativně malému prostorovému obsazení je široce používáno v návrhu a stavbě vysokonapěťových podsíti. V městských a hustě osídlených oblastech je GIS preferovanou volbou díky své kompaktní struktuře a vynikajícím izolačním vlastnostem.

Nicméně, 110 kV podsíť čelí mnoha výzvám při instalaci GIS zařízení. Tyto výzvy zahrnují přesné umístění zařízení, složité elektrické spojení a zapojení systému. Kromě toho musí inženýrský návrh podsítě také zohlednit prostor pro provoz a údržbu zařízení, aby bylo zajištěno, že všechny elektrické komponenty fungují spolehlivě a budou v budoucnu snadno upgradovány nebo udržovány.

Požadavky na instalaci GIS zařízení v 110 kV podsítích

Klíčové výhody certifikovaného GIS zařízení podle IEC 62271-203 spočívají v jeho kompaktním návrhu a vynikajících elektrických vlastnostech, což umožňuje přenos a distribuci vysokého napětí v omezeném prostoru. Proto při instalaci v 110 kV podsítích musí být pečlivě zohledněny konfigurace zařízení, prostorové rozvržení a kompatibilita s existujícími systémy.

Za prvé, před instalací by měly být změřeny rozměry předem určeného místa instalace a mělo by být zajištěno, že toto místo splňuje environmentální požadavky pro provoz zařízení, jako jsou teplota, vlhkost a seismické vlastnosti. Tento krok je klíčový, protože výkon certifikovaného GIS zařízení podle IEC 62271-203 je výrazně ovlivněn instalacním prostředím.

Za druhé, by měl být pečlivě vypracován plán elektrické instalace, aby bylo zajištěno, že všechna elektrická spojení jsou provedena v souladu s výrobcovskými specifikacemi a splňují bezpečnostní normy státní sítě. To zahrnuje návrh a rozvržení zemnícího systému, cest kabelů a ochranných systémů pro certifikované GIS zařízení podle IEC 62271-203. Každý aspekt musí být přesně realizován, aby bylo zabráněno jakýmkoli potenciálním bezpečnostním rizikům.

Technologie instalace GIS zařízení
Přeprava a příprava zařízení

Během přepravy GIS zařízení, které se skládá z těžkých kovových obalů (typicky několik tun) a citlivých elektrických komponent, je třeba kontrolovat vibrace v rozmezí 3–60 Hz a akceleraci ≤0,3g (gravitační akcelerace). Přepravní protokoly musí dodržovat normy pro elektrotechnické zařízení, aby byly minimalizovány otřesy citlivých komponent a snížena pravděpodobnost selhání před instalací.

Balení by mělo používat vibroodolná a vodotěsná materiála. Například hlavní vypínače musí být kompletně obalené hmotou tlumenou na ≥10 cm a posíleny tuhými PVC obaly podle výrobcovských specifikací. Suchidlo by mělo udržovat vnitřní vlhkost ≤40%, aby se zabránilo proniknutí vlhkosti.

Podmínky skladování vyžadují kontrolu teploty mezi -10°C a 40°C s relativní vlhkostí ≤70% pro ochranu kovových a izolačních materiálů. Skladovací prostory musí být chráněny před elektromagnetickým rušením, prachem a korozními látkami. Vzhledem k tomu, že váha GIS zařízení často přesahuje 25 tun, musí zdvihací zařízení mít kapacitu ≥30 tun a stabilitu odpovídající stavebním požadavkům. Rychlost manipulace by neměla přesahovat 2 m/min, aby bylo zabráněno poškození dopadem.

Předinstalační testy na místě jsou klíčové, včetně testů izolačního odporu, zemnícího odporu a fázových kontrol. Všechny výsledky musí splňovat standardy, aby bylo zajištěno, že výkonnost zařízení splňuje projekční specifikace. Technické požadavky na přepravu a přípravu jsou detailně popsány v tabulce 1. Kromě toho je cena 145 kV vypínače klíčovým faktorem při zakoupení a celkové hodnotě projektu.

Manipulace s zařízením a jeho umístění
Při přemisťování GIS zařízení je návrhové zatížení obecné zdvihací techniky obvykle více než 25 % vyšší než vlastní váha zařízení, aby byl zajištěn bezpečnostní okruh během přemisťování. Například, pokud váha GIS modulu činí 20 tun, pak použitý jeřáb musí mít zdvihací kapacitu alespoň 25 tun. Zároveň by měla být vyhodnocena stabilita jeřábu, aby bylo zabráněno jeho převrácení v důsledku odchylek zatížení během provozu. Během skutečné přepravy GIS zařízení by měla být rychlost přepravy maximálně 2 m/min. To může snížit vibrace a potenciální poškození zařízení způsobené nadměrnou rychlostí. Před každým přesunem je třeba zkontrolovat, zda je na cestě dostatek prostoru a stabilní nosná plocha, aby se zabránilo naklonění nebo pádu zařízení v důsledku pohybu na nerovné půdě. Během procesu umístění je přesnost klíčovým faktorem. Odchylka při instalaci GIS zařízení musí být kontrolována v rozmezí ±5 mm, aby bylo zajištěno správné spojení rozhraní zařízení a integrita systému. Realizace této přesnosti je obvykle podporována vysokopřesnými laserovými dálkomery a elektronickými hladinami pro umístění. Přípravná práce na místě instalace zahrnuje měření rovnosti půdy, s normou, že výškový rozdíl na metr čtvereční nesmí přesáhnout 3 mm. Požadavek na prostředí pro instalaci GIS zařízení stanovuje, že počet částic s průměrem větším než 0,5 μm ve vzduchu v oblasti instalace nesmí přesáhnout 352 000 na metr krychlový. Proto je na místě instalace obvykle vytvořeno dočasné čisté prostředí a používají se filtry HEPA pro udržení kvality vzduchu a prevenci vniknutí prachu a částic do zařízení během instalace. Technické požadavky na manipulaci s zařízením a jeho umístění jsou uvedeny v tabulce 2.

Montáž komponentů

Spoje komponentů musí mít extrémně vysokou uzavřenost, aby se zabránilo unikání plynu. Pro GIS zařízení by měla roční uniková rychlost plynu SF₆ nepřesahovat 0,5 %. Tento ukazatel je přímo spojen s izolační sílou a odolností vůči oblouku. Aby byl tento požadavek splněn, musí mít materiál použitý pro montáž těsnící kroužky vynikající vlastnosti odolnosti proti teplu a tlaku. Kromě toho by mělo být nastavení komprese těsnícího kroužku 35 % – 50 %, aby byla zajištěna dlouhodobá efektivita těsnění.

Během konkrétní operace montáže komponentů musí být všechny spojovací body stahovány dynamometrickým klíčem podle točivého momentu specifikovaného výrobcem. Například pro spojovací šrouby, které především nesou proud, by měl být točivý moment 100 – 120 N·m, aby byla zajištěna stabilita a spolehlivost elektrického spojení.

Elektrická spojení

Hlavní úkolem elektrických spojení je zajistit, aby všechny vodiče a spojovací body měly dostatečnou elektrickou vodivost a mechanickou stabilitu. Během procesu spojování musí točivý moment všech elektrických spojovacích bodů odpovídat požadavkům specifikovaným výrobcem, aby byla zajištěna pevná a dlouhodobě stabilní spojení. Všechny šrouby a styčné plochy musí procházet vhodnou čištěním a předzpracováním, obvykle zahrnující odstranění oxidových vrstev a aplikaci vodivých maziv k snížení styčného odporu.

Měření styčného odporu je klíčovým krokem v kontrole kvality elektrických spojení. Styčný odpor v spojovacích bodech by neměl přesahovat mikroohmové úrovně, s konkrétními hodnotami určenými podle typu a velikosti spoje [5]. Aby byl tento standard splněn, musí být každý spojovací bod testován pomocí precizního odporoměru, aby bylo zajištěno, že všechna spojení spadají do specifikovaného rozsahu odporu.

V prostředí vysokého napětí je také elektrická izolace klíčovým aspektem elektrických spojení. Každý spojovací bod a izolační komponenta musí vydržet alespoň 1,5 krát normální pracovní napětí. Pro 110 kV GIS zařízení to znamená, že musí vydržet alespoň 165 kV. Vodotěsné a protivlhké úpravy všech elektrických spojení jsou nezbytné, zejména pro podsíťové zařízení fungující venku nebo ve vlhkém prostředí. Spojnice a konečné prvky by měly používat uzavírací technologie splňující ochrannou třídu IP65 nebo vyšší, aby se zabránilo vniknutí vlhkosti a kontaminantů do elektrického systému. Klíčové technické požadavky na elektrická spojení jsou uvedeny v tabulce 3.

Zkoušky při uvedení do provozu

Zkoušky při uvedení do provozu obvykle začínají jednotkovými zkouškami a postupně pokračují až ke zkouškám celého systému. V zkouškách izolačního odporu je cílem zajistit, aby všechny elektrické izolační materiály zůstaly v dobrém stavu a nebyly poškozeny během instalace. Aby byla zjištěna izolační síla GIS zařízení, jsou nutné zkoušky odolnosti proti napětí. Pro 110 kV GIS zařízení by mělo být v zkouškách odolnosti proti napětí použito střídavé zkoušecí napětí alespoň 230 kV, trvající 1 minutu, k ověření výkonu systému v podmínkách vysokého napětí.

Zkoušky částečného vydělení (PD) jsou zvláště důležité pro hodnocení bezpečnosti GIS zařízení. Částečné vydělení je raným znakem degradace izolačních materiálů. Proto je monitorování a kontrola aktivity PD klíčové pro prevenci selhání zařízení. Množství vydělení zaznamenané během zkoušky by nemělo přesáhnout 5 pC. Zkoušky PD jsou prováděny pomocí detekčních zařízení akustické emise na specifických frekvencích, aby byla všechna zjištěná vydělovací aktivita správně identifikována a hodnocena.

Mechanické zkoušky vypínačů jsou také součástí zkoušek při uvedení do provozu. Tyto zkoušky zahrnují několik po sobě jdoucích otevíracích a zavíracích operací vypínačů. Obvykle je požadováno alespoň 50 mechanických operací bez selhání, aby byla ověřena jejich operační spolehlivost. Čas každé operace je zaznamenán a porovnán se standardním operačním časem poskytnutým výrobcem, který obvykle leží mezi 30 – 50 ms. Synchronizační zkoušky systému jsou také nezbytné. Tato zkouška slouží k ověření synchronizovaného výkonu komponentů, jako jsou vypínače a odpojovače, během skutečného provozu. Chyba synchronizace musí být kontrolována v rozmezí ±10 ms, aby bylo zajištěno, že všechny operace jsou hladce dokončeny v časovém okně požadovaném sítí.

Nakonec jsou provedeny celkové funkční zkoušky systému, včetně inspekce ochranných a řídicích systémů. Tento krok zajišťuje, že všechny ochranné relé, řídicí moduly a komunikační zařízení správně reagují na předem nastavené poruchové a operační situace. Během zkoušky jsou simulovány různé scénáře poruch, aby byl ověřen čas odezvy a přesnost akcí systému. Čas odezvy pro všechny akce je obvykle požadován v rozmezí 100 ms.

Závěr

Aplikace GIS zařízení v 110 kV podsítích nejen optimalizuje stávající proces instalace a zlepšuje celkový výkon systému, ale také poskytuje silnou podporu pro technologický pokrok v energetickém sektoru. Hluboké studium technologií instalace GIS zařízení může poskytnout cenné referenční materiály pro návrháře, což jim umožní přijímat vědecké a efektivní rozhodnutí při řešení složitých inženýrských výzev a zlepšit úspěšnost projektů podsítí.