Forschung zur Installations Technologie von GIS-Ausrüstung im Bau einer 110 kV-Umspannstation

Gasinsulierte Schaltanlagen (GIS) bestehen aus Schaltgeräten, Trennschaltern, Erdungsschaltern, Stromwandler, Spannungswandler, Überspannungsbegrenzern, Busleitern, Verbindungen und Ausgangsanhängen. Aufgrund ihrer höheren Zuverlässigkeit, Sicherheit und relativ geringen Raumforderung werden sie in der Planung und Errichtung von Hochspannungsübertragungsstationen weit verbreitet eingesetzt. In städtischen und dicht besiedelten Gebieten ist GIS die bevorzugte Wahl aufgrund ihrer kompakten Struktur und hervorragenden Isolierleistung.

Allerdings stellen 110 kV-Klasse-Umspannwerke bei der Installation von GIS-Geräten viele Herausforderungen dar. Dazu gehören die präzise Positionierung der Geräte, komplexe elektrische Verbindungen sowie die Inbetriebnahme und Prüfung des Systems. Darüber hinaus muss das Ingenieurdesign der Umspannwerke auch den Platz für die Bedienung und Wartung der Geräte berücksichtigen, um sicherzustellen, dass alle elektrischen Komponenten zuverlässig arbeiten und in Zukunft leicht aktualisiert oder gewartet werden können.

Installationsanforderungen für GIS-Geräte in 110 kV-Umspannwerken

Die Kernvorteile von IEC 62271-203-zertifizierten GIS-Geräten liegen in ihrem kompakten Design und ausgezeichneten elektrischen Leistungsvermögen, was es ermöglicht, Hochspannungsströme in einem begrenzten Raum zu übertragen und zu verteilen. Daher müssen bei der Installation in 110 kV-Umspannwerken die Gerätekonfiguration, die räumliche Anordnung und die Kompatibilität mit bestehenden Systemen sorgfältig berücksichtigt werden.

Erstens sollten vor der Installation die Abmessungen des vorgegebenen Installationsortes gemessen werden, und es sollte sichergestellt werden, dass dieser Ort die Umgebungsanforderungen für den Betrieb der Geräte erfüllt, wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Erdbebengeschwindigkeit. Dieser Schritt ist entscheidend, da die Leistung von IEC 62271-203-zertifizierten GIS-Geräten erheblich von der Installationsumgebung beeinflusst wird.

Zweitens sollte ein sorgfältiger Plan für das elektrische Installationskonzept erstellt werden, um sicherzustellen, dass alle elektrischen Verbindungen streng nach den Herstellerangaben und den Sicherheitsstandards des Staatsnetzes ausgeführt werden. Dies beinhaltet die Gestaltung und Anordnung des Erdungssystems, der Kabelwege und der Schutzsysteme für IEC 62271-203-zertifizierte GIS-Geräte. Jeder Aspekt muss genau umgesetzt werden, um potenzielle Sicherheitsrisiken zu vermeiden.

Technologie zur Installation von GIS-Geräten
Transport und Vorbereitung der Geräte

Während des Transports erfordert GIS-Gerät, das aus schweren Metallgehäusen (typischerweise mehrere Tonnen) und empfindlichen elektrischen Komponenten besteht, eine Schwingungskontrolle im Bereich von 3–60 Hz und eine Beschleunigung ≤0,3g (Gravitationsbeschleunigung). Transportprotokolle müssen den elektrischen Gerätestandards entsprechen, um Schocks für empfindliche Komponenten zu minimieren und die Fehlerrate vor der Installation zu reduzieren.

Die Verpackung sollte schwingungs- und wasserdichte Materialien verwenden. So müssen Hauptschalter vollständig in ≥10 cm dickem Schaumstoff eingewickelt und mit starren PVC-Hüllen verstärkt werden, entsprechend den Herstellerangaben. Trocknungsmittel sollten die innere Luftfeuchtigkeit ≤40% halten, um Feuchtigkeitseinträge zu verhindern.

Lagerbedingungen verlangen eine Temperaturkontrolle zwischen -10°C und 40°C bei einer relativen Luftfeuchtigkeit ≤70%, um Metall- und Isoliermaterialien zu schützen. Lagerbereiche müssen vor elektromagnetischer Störung, Staub und korrosiven Substanzen geschützt sein. Da die Gewichte von GIS-Geräten oft 25 Tonnen überschreiten, muss die Hebeausrüstung eine Kapazität von ≥30 Tonnen haben und die Stabilität den Bauanforderungen entsprechen. Die Handhabungsgeschwindigkeiten sollten nicht 2 m/min überschreiten, um Schäden durch Aufprall zu vermeiden.

Vorinstallationsprüfungen vor Ort sind entscheidend, einschließlich Isolationswiderstand, Erdungswiderstand und Phasenprüfung. Alle Ergebnisse müssen den Standards entsprechen, um sicherzustellen, dass die Geräteleistung den Entwurfsanforderungen entspricht. Die technischen Anforderungen für den Transport und die Vorbereitung sind in Tabelle 1 detailliert. Zudem ist der Preis des 145kV-Schalters ein wesentlicher Faktor in der Beschaffung und der Gesamtkostenbewertung des Projekts.

Gerätehandhabung und -positionierung
Bei der Bewegung von GIS-Geräten liegt die Traglast der allgemeinen Hebetechnik in der Regel mehr als 25% über dem Eigengewicht des Geräts, um einen Sicherheitsabstand während des Verschiebens zu gewährleisten. Zum Beispiel, wenn das Gewicht des GIS-Moduls 20 Tonnen beträgt, dann muss der eingesetzte Kran eine Hebekapazität von mindestens 25 Tonnen haben. Gleichzeitig sollte die Stabilität des Krans bewertet werden, um ein Umkippen aufgrund von Lastabweichungen während des Betriebs zu vermeiden. Während des tatsächlichen Transports von GIS-Geräten sollte die Transportspeed nicht 2 m/min überschreiten. Dies kann die Schwingungen und potenziellen Schäden an den Geräten durch zu hohe Geschwindigkeit reduzieren. Vor jedem Verschieben muss geprüft werden, ob es genug Platz und stabile Unterstützungsoberfläche entlang des Pfades gibt, um das Neigen oder Fallen der Geräte auf unebenem Gelände zu vermeiden. Im Positionierungsprozess ist die Genauigkeit ein entscheidender Faktor. Die Positionsabweichung bei der Installation von GIS-Geräten muss innerhalb ± 5 mm kontrolliert werden, um die korrekte Verbindung der Geräteschnittstellen und die Integrität des Systems sicherzustellen. Die Realisierung dieser Präzision erfolgt in der Regel mit Hilfe von hochpräzisen Lasermessgeräten und elektronischen Niveaus für die Positionierung. Die Vorbereitungsarbeit am Installationspunkt beinhaltet die Messung der Flachheit des Bodens, mit einem Standard von höchstens 3 mm Höhenunterschied pro Quadratmeter. Die Umgebungsanforderung für die Installation von GIS-Geräten ist, dass die Anzahl der Partikel mit einem Durchmesser größer als 0,5 µm in der Luft des Installationsbereichs nicht mehr als 352.000 pro Kubikmeter betragen darf. Aus diesem Grund wird an der Installationsstelle in der Regel eine temporäre Reinraumumgebung eingerichtet, und effiziente partikelfiltrierende Luftfilter (HEPA) werden verwendet, um die Luftqualität zu erhalten und Staub und Partikel während des Installationsprozesses vom Eindringen in die Geräte abzuhalten. Die technischen Anforderungen für die Gerätehandhabung und -positionierung sind in Tabelle 2 dargestellt.

Komponentenmontage

Die Verbindungen der Komponenten müssen eine extrem hohe Dichtheit aufweisen, um Gasleckagen zu verhindern. Für GIS-Geräte sollte die jährliche Leckrate von SF₆-Gas nicht mehr als 0,5% betragen. Dieser Indikator steht in direktem Zusammenhang mit der Isolationsstärke und der Bogenfestigkeit des Geräts. Um diese Anforderung zu erfüllen, muss das Dichtmaterial, das im Montageprozess verwendet wird, exzellente temperatur- und druckbeständige Eigenschaften aufweisen. Darüber hinaus sollte die Kompressionssteuerung des Dichtstoffs 35% bis 50% betragen, um die langfristige Dichtheit sicherzustellen.

Während der spezifischen Operation der Komponentenmontage müssen alle Verbindungspunkte mit einem Drehmomentschlüssel entsprechend dem vom Hersteller angegebenen Drehmoment festgezogen werden. Beispielsweise sollten für die Hauptstromführenden Verbindungsschrauben ein Drehmoment von 100-120 N·m angewendet werden, um die Stabilität und Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindung zu gewährleisten.

Elektrische Verbindungen

Die primäre Aufgabe der elektrischen Verbindungen besteht darin, sicherzustellen, dass alle leitfähigen Komponenten und Verbindungspunkte ausreichende elektrische Leitfähigkeit und mechanische Stabilität aufweisen. Während des Verbindungsvorgangs muss das Drehmoment an allen elektrischen Verbindungspunkten den Herstellerangaben entsprechen, um feste und langfristig stabile Verbindungen zu gewährleisten. Alle Schrauben und Kontaktflächen müssen entsprechend gereinigt und vorbehandelt werden, was in der Regel die Entfernung von Oxidschichten und die Anwendung von leitfähigen Schmierstoffen zur Reduzierung des Kontaktwiderstands beinhaltet.

Die Messung des Kontaktwiderstands ist ein entscheidender Schritt in der Qualitätskontrolle der elektrischen Verbindungen. Der Kontaktwiderstand an den Verbindungspunkten sollte nicht den Mikroohm-Bereich überschreiten, wobei die genauen Werte je nach Art und Größe der Verbindung [5] bestimmt werden. Um diesen Standard zu erfüllen, muss jeder Verbindungspunkt mit einem Präzisionswiderstandsmesser getestet werden, um sicherzustellen, dass alle Verbindungen innerhalb des vorgesehenen Widerstandsbereichs liegen.

In Hochspannungsumgebungen ist die elektrische Isolation auch ein wesentlicher Aspekt der elektrischen Verbindungen. Jeder Verbindungspunkt und jedes Isolierbauteil müssen mindestens 1,5-mal der normalen Betriebsspannung standhalten. Für 110 kV GIS-Geräte bedeutet dies, mindestens 165 kV zu überstehen. Wasserdichte und feuchteschutzende Behandlungen für alle elektrischen Verbindungen sind unerlässlich, insbesondere für Umspannwerksanlagen, die in Freiluft- oder feuchten Umgebungen betrieben werden. Verbindungen und Endgeräte sollten Abdichtungstechnologien mit IP65-Schutzgrad oder höher verwenden, um die Eindringung von Feuchtigkeit und Kontaminanten in das elektrische System zu verhindern. Die wichtigsten technischen Anforderungen für elektrische Verbindungen sind in Tabelle 3 dargestellt.

Inbetriebnahmetests

Inbetriebnahmetests beginnen in der Regel mit Einzeltests und führen dann schrittweise zu Gesamtsystemtests. Bei Isolationswiderstandstests ist das Ziel, sicherzustellen, dass alle elektrischen Isoliermaterialien in gutem Zustand sind und keine potenziellen Schäden während des Installationsprozesses aufgetreten sind. Um die Isolationsstärke von GIS-Geräten zu bewerten, sind Spannungsfestigkeitsprüfungen notwendig. Für 110 kV GIS-Geräte beträgt die angewendete Wechselspannung beim Spannungsfestigkeitsversuch mindestens 230 kV, mit einer Dauer von 1 Minute, um die Leistung des Systems unter Hochspannungsbedingungen zu prüfen.

Teilentladungsprüfungen (PD-Tests) sind besonders wichtig, um die Sicherheit von GIS-Geräten zu bewerten. Teilentladungen sind ein frühes Indiz für die Degradation von Isoliermaterialien. Daher ist die Überwachung und Kontrolle von PD-Aktivitäten entscheidend, um Geräteausfälle zu vermeiden. Die während des Tests aufgezeichnete Entladungsmenge sollte nicht 5 pC überschreiten. PD-Tests werden mit akustischen Emissionsdetektoren bei bestimmten Frequenzen durchgeführt, um sicherzustellen, dass alle detektierten Entladungsaktivitäten ordnungsgemäß identifiziert und bewertet werden.

Mechanische Betriebstests von Schaltgeräten sind ebenfalls Teil der Inbetriebnahmetests. Diese umfassen mehrere aufeinanderfolgende Öffnungs- und Schließvorgänge der Schaltgeräte. Typischerweise sind mindestens 50 mechanische Vorgänge ohne Ausfall erforderlich, um ihre Betriebssicherheit zu überprüfen. Die Zeit für jeden Vorgang wird aufgezeichnet und mit der vom Hersteller angegebenen Standardzeit verglichen, die in der Regel zwischen 30-50 ms liegt. Systemsynchrone Tests sind ebenfalls unerlässlich. Dieser Test dient dazu, die Synchronisationsleistung von Komponenten wie Schalt- und Trennschaltern während des tatsächlichen Betriebs zu überprüfen. Der Synchronisationsfehler muss innerhalb ±10 ms kontrolliert werden, um sicherzustellen, dass alle Vorgänge innerhalb des von der Stromnetzgesellschaft vorgegebenen Zeitfensters reibungslos abgeschlossen werden.

Schließlich werden Gesamtsystemfunktionsprüfungen durchgeführt, einschließlich der Prüfung der Schutz- und Steuersysteme. Dieser Schritt stellt sicher, dass alle Schutzrelais, Steuerelemente und Kommunikationsgeräte korrekt auf vordefinierte Fehler- und Betriebszustände reagieren. Verschiedene Fehler-Szenarien werden während des Tests simuliert, um die Reaktionszeit und die Aktionsgenauigkeit des Systems zu überprüfen. Die Reaktionszeit für alle Aktionen sollte in der Regel innerhalb von 100 ms liegen.

Fazit

Die Anwendung von GIS-Geräten in 110 kV-Umspannwerken optimiert nicht nur den bestehenden Installationsprozess und verbessert die Gesamtsystemleistung, sondern bietet auch starken Rückhalt für technologische Fortschritte in der Energiewirtschaft. Durch die vertiefte Betrachtung der Installationsmethoden von GIS-Geräten können wertvolle Referenzmaterialien für Designer bereitgestellt werden. Dies ermöglicht es ihnen, bei komplexen ingenieurtechnischen Herausforderungen fundierte und effektive Entscheidungen zu treffen, was die Erfolgsquote von Umspannwerksprojekten erhöht.