Onderzoek naar de installatietechnologie van GIS-apparatuur in de bouw van een 110 kV-hoofdversterker

Gasgeïsoleerde schakelinstallaties (GIS) bestaan uit schakelaars, afscheiders, aardingsschakelaars, stroomtransformatoren, spanningstransformatoren, overvoltageschermers, busbaren, verbindingen en uitgangsterminals. Vanwege de hogere betrouwbaarheid, veiligheid en relatief kleine ruimtebehoefte worden ze wijdverspreid gebruikt in het ontwerp en de bouw van hoogspanningsstations. In stedelijke en dichtbevolkte gebieden is GIS de voorkeurste keuze vanwege de compacte structuur en uitstekende isolatieprestaties.

Echter, 110 kV-klasse stations staan voor veel uitdagingen bij de installatie van GIS-apparatuur. Hieronder vallen nauwkeurige plaatsing van apparatuur, complexe elektrische aansluitingen en systeemopstart en -testen. Daarnaast moet het ingenieursontwerp van stations ook rekening houden met de ruimte voor bedrijfsvoering en onderhoud van de apparatuur, om ervoor te zorgen dat alle elektrische componenten betrouwbaar functioneren en in de toekomst eenvoudig kunnen worden geüpgraded of onderhouden.

Installatie-eisen voor GIS-apparatuur in 110 kV-stations

De kernvoordelen van IEC 62271-203 gecertificeerde GIS-apparatuur liggen in het compacte ontwerp en uitstekende elektrische prestaties, waardoor het de transmissie en distributie van hoogspanningsstroom binnen een beperkte ruimte kan uitvoeren. Daarom moet bij de installatie in 110 kV-stations nauwkeurig rekening worden gehouden met de configuratie van de apparatuur, de ruimtelijke indeling en de compatibiliteit met bestaande systemen.

Ten eerste moeten de afmetingen van de vooraf bepaalde installatielocatie worden gemeten en moet worden verzekerd dat deze locatie aan de milieuvereisten voor de werking van de apparatuur voldoet, zoals temperatuur, vochtigheid en seismische prestaties. Deze stap is cruciaal, omdat de prestaties van IEC 62271-203 gecertificeerde GIS-apparatuur significant worden beïnvloed door de installatieomgeving.

Ten tweede moet er zorgvuldig een plan worden opgesteld voor de elektrische installatieschema om ervoor te zorgen dat alle elektrische aansluitingen strikt volgens de specificaties van de fabrikant worden uitgevoerd en voldoen aan de veiligheidsnormen van de State Grid. Dit omvat het ontwerp en de indeling van het aardingsysteem, kabelroutes en beschermingssystemen voor IEC 62271-203 gecertificeerde GIS-apparatuur. Elk aspect moet nauwkeurig worden uitgevoerd om potentiële veiligheidsrisico's te voorkomen.

GIS-apparatuur installatietechnologie
Apparatuurtransport en -voorbereiding

Tijdens het transport vereist GIS-apparatuur, bestaande uit zware metalen behuizingen (typisch enkele tonnen) en gevoelige elektrische componenten, trillingcontrole binnen 3-60 Hz en versnelling ≤0,3g (zwaartekrachtsversnelling). Transportprotocollen moeten voldoen aan elektrische apparatuurnormen om schokken op gevoelige componenten te minimaliseren en de faalfrequentie voor de installatie te verminderen.

Verpakkingen moeten trillingsbestendige en waterdichte materialen gebruiken. Bijvoorbeeld, hoofdschakelaars moeten volledig worden ingepakt in ≥10 cm dik schuim en versterkt met harde PVC-hulzen, volgens de specificaties van de fabrikant. Desiccatieve middelen moeten de interne vochtigheid ≤40% handhaven om vochtinbreng te voorkomen.

Opslagcondities vereisen temperatuurcontrole tussen -10°C en 40°C met een relatieve luchtvochtigheid ≤70% om metaal en isolatiematerialen te beschermen. Opslagruimten moeten beschermd zijn tegen elektromagnetische storing, stof en corrosieve stoffen. Gezien het gewicht van GIS-apparatuur vaak meer dan 25 ton bedraagt, moet hefapparatuur een capaciteit hebben van ≥30 ton met stabiliteit die aan de bouwvereisten voldoet. De hanteringssnelheid mag 2 m/min niet overschrijden om schade door impact te voorkomen.

Voortesten ter plaatse zijn cruciaal, inclusief isolatieweerstand, aardingweerstand en fasecontroles. Alle resultaten moeten voldoen aan normen om ervoor te zorgen dat de prestaties van de apparatuur overeenkomen met de ontwerpspecificaties. Technische vereisten voor transport en voorbereiding staan gedetailleerd in Tabel 1. Bovendien is de prijs van de 145 kV-schakelaar een belangrijke factor in de aankoop en de algemene projectkostenberekening.

Apparatuurhantering en -plaatsing
Bij het verplaatsen van GIS-apparatuur is de ontwerpbelasting van algemeen hefapparatuur meestal meer dan 25% hoger dan het eigen gewicht van de apparatuur om een veiligheidsmarge tijdens het verplaatsproces te waarborgen. Bijvoorbeeld, als het gewicht van de GIS-module 20 ton is, dan moet de gebruikte kraan een hefcapaciteit hebben van ten minste 25 ton. Tegelijkertijd moet de stabiliteit van de kraan worden geëvalueerd om te voorkomen dat hij omvalt door belastingsverschuiving tijdens de operatie. Tijdens het daadwerkelijke transport van GIS-apparatuur mag de transportsnelheid 2 m/min niet overschrijden. Dit kan de trilling en eventuele schade aan de apparatuur veroorzaakt door te hoge snelheid verminderen. Voor elke verplaatsing moet worden gecontroleerd of er voldoende ruimte en een stabiele ondersteunende oppervlakte op de route zijn om te voorkomen dat de apparatuur kantelt of valt door bewerking op oneffen grond. Tijdens het plaatsingsproces is nauwkeurigheid een cruciale factor. De plaatsingsafwijking bij het installeren van GIS-apparatuur moet binnen ± 5 mm worden gehouden om de juiste aansluiting van de apparaatuurinterfaces en de integriteit van het systeem te garanderen. Deze precisie wordt meestal bereikt met behulp van high-precision laser rangefinders en elektronische niveaus voor plaatsing. De voorbereidende werkzaamheden op het installatiepunt omvatten de meting van de vlakheid van de grond, met een standaard van maximaal 3 mm hoogteverschil per vierkante meter. Het milieueis voor het installeren van GIS-apparatuur is dat het aantal deeltjes met een diameter groter dan 0,5 μm in de lucht van de installatiezone niet mag overschrijden 352.000 per kubieke meter. Daarom wordt er meestal een tijdelijke cleanroom-omgeving ingesteld op de installatieplaats, en worden high-efficiency particulate air (HEPA) filters gebruikt om de luchtkwaliteit te handhaven en te voorkomen dat stof en deeltjes de apparatuur binnendringen tijdens het installatieproces. De technische vereisten voor apparatuurhantering en -plaatsing staan weergegeven in Tabel 2.

Componentassemblage

De verbindingen van de componenten moeten een uiterst hoge sluitingsprestatie hebben om gaslekken te voorkomen. Voor GIS-apparatuur mag de jaarlijkse lekkage van SF₆-gas niet meer dan 0,5% bedragen. Dit indicatief is direct gerelateerd aan de isolatiesterkte en de boogbestendigheid van de apparatuur. Om aan dit vereiste te voldoen, moet het sluitingsringmateriaal dat in het assemblageproces wordt gebruikt, uitstekende temperatuurbestendige en drukbestendige eigenschappen hebben. Bovendien moet de compressie-instelling van de sluiting 35% - 50% zijn om de langdurige sluitingseffectiviteit te waarborgen.

Tijdens de specifieke operatie van componentassemblage moeten alle aansluitpunten worden vastgedraaid met een momentwrench volgens het moment dat door de fabrikant is gespecificeerd. Bijvoorbeeld, voor de aansluitbouten die hoofdzakelijk stroom dragen, moet het moment 100 - 120 N·m zijn om de stabiliteit en betrouwbaarheid van de elektrische aansluiting te garanderen.

Elektrische aansluitingen

De primaire taak van elektrische aansluitingen is ervoor te zorgen dat alle geleidende componenten en aansluitpunten voldoende elektrische geleidbaarheid en mechanische stabiliteit vertonen. Tijdens het aansluitproces moet het moment op alle elektrische aansluitpunten voldoen aan de door de fabrikant gespecificeerde vereisten om stevige en langdurig stabiele aansluitingen te garanderen. Alle bouten en contactoppervlakken moeten gepaste reiniging en voorbehandeling ondergaan, meestal met verwijdering van oxidelagen en het aanbrengen van geleidende smeermiddelen om de contactweerstand te verlagen.

Het meten van de contactweerstand is een cruciale stap in de kwaliteitscontrole van elektrische aansluitingen. De contactweerstand op aansluitpunten mag het micro-ohm niveau niet overschrijden, met specifieke waarden die afhankelijk zijn van het type en formaat van de aansluiting [5]. Om aan deze norm te voldoen, moet elk aansluitpunt worden getest met een precisionele weerstandsmeetapparaat om ervoor te zorgen dat alle aansluitingen binnen de gespecificeerde weerstandsbereik vallen.

In hoge-spanningsomgevingen is elektrische isolatie ook een cruciaal aspect van elektrische aansluitingen. Elk aansluitpunt en isolerend component moet ten minste 1,5 keer de normale werkspanning kunnen weerstaan. Voor 110 kV GIS-apparatuur betekent dit dat het minstens 165 kV moet kunnen weerstaan. Waterdicht en vochtbestendige behandelingen voor alle elektrische aansluitingen zijn essentieel, vooral voor stationsfaciliteiten die in openlucht- of vochtige omgevingen werken. Verbindingen en terminalapparatuur moeten verzegelende technologieën gebruiken die voldoen aan IP65 of hogere beschermingsklassen om vocht en vervuiling te voorkomen die het elektrische systeem kunnen binnendringen. Belangrijke technische vereisten voor elektrische aansluitingen staan weergegeven in Tabel 3.

Opstarttests

Opstarttests beginnen doorgaans met tests op eenheidniveau en gaan geleidelijk over tot tests op systeemniveau. Bij isolatieweerstandstests is het doel ervoor te zorgen dat alle elektrische isolatiematerialen in goede staat blijven en vrij zijn van mogelijke schade die tijdens het installatieproces is opgelopen. Om de isolatiesterkte van GIS-apparatuur te evalueren, zijn weerstandstests nodig. Voor 110 kV GIS-apparatuur bedraagt de toegepaste AC-testspanning in de weerstandstest minstens 230 kV, met een duur van 1 minuut, om de systeemprestaties onder hoge-spanningsomstandigheden te onderzoeken.

Gedeeltelijke ontlading (PD) tests zijn van bijzonder belang voor het evalueren van de veiligheid van GIS-apparatuur. Gedeeltelijke ontlading is een vroeg teken van degradatie van isolatiematerialen. Daarom is het monitoren en controleren van PD-activiteit cruciaal om apparatuurfouten te voorkomen. Het hoeveelheid ontlading die tijdens de test wordt vastgelegd, mag 5 pC niet overschrijden. PD-tests worden uitgevoerd met akoestische emissiedetectieapparatuur op specifieke frequenties om ervoor te zorgen dat alle gedetecteerde ontladingsactiviteiten correct worden geïdentificeerd en geëvalueerd.

Mechanische operatietests van schakelaars maken ook deel uit van de opstarttests. Dit omvat meerdere opeenvolgende open- en sluitoperaties van de schakelaars. Meestal zijn minstens 50 mechanische operaties zonder fout vereist om de operationele betrouwbaarheid te verifiëren. De tijd voor elke operatie wordt genoteerd en vergeleken met de standaardoperatietijd die door de fabrikant wordt verstrekt, die meestal tussen 30-50 ms ligt. Synchronisatietests van het systeem zijn ook onmisbaar. Deze test wordt gebruikt om de synchrone prestaties van componenten zoals schakelaars en afscheiders tijdens de daadwerkelijke operaties te verifiëren. De synchronisatiefout moet binnen ±10 ms worden gehouden om ervoor te zorgen dat alle operaties soepel worden voltooid binnen het door het elektriciteitsnet vereiste tijdsvenster.

Tot slot worden algehele systeemfunctietests uitgevoerd, inclusief inspectie van beschermings- en controle-systemen. Deze stap zorgt ervoor dat alle beschermingsrelais, controlemodules en communicatieapparatuur correct reageren op vooraf ingestelde fout- en bedrijfsomstandigheden. Tijdens de test worden verschillende foutscenario's gesimuleerd om de reactietijd en actieprecisie van het systeem te verifiëren. De reactietijd voor alle acties is meestal vereist om binnen 100 ms te liggen.

Conclusie

De toepassing van GIS-apparatuur in 110 kV-stations optimaliseert niet alleen het bestaande installatieproces en verhoogt de algehele systeemprestaties, maar biedt ook sterke ondersteuning voor technologische vooruitgang in de energie-industrie. Door de installatietechnieken van GIS-apparatuur te onderzoeken, kunnen waardevolle referentiematerialen worden geleverd voor ontwerpers. Dit stelt hen in staat om bij het tegemoetkomen aan complexe ingenieursuitdagingen meer wetenschappelijke en effectieve beslissingen te nemen, waardoor de succesratio van stationprojecten wordt verbeterd.