Tendenze di sviluppo del GIS
Modularizzazione degli apparati elettrici ad alta tensione
Grazie alle misure di miniaturizzazione adottate per ogni componente e parte, nonché alla disposizione compatta complessiva, le dimensioni degli apparati elettrici ad alta tensione sono in continua diminuzione. Esiste una vasta varietà di combinazioni di apparecchiature, con metodi di combinazione flessibili e strutture molto compatte. L'apparato metallico chiuso isolato a gas (GIS) comprende la maggior parte degli elettrodomestici ad alta tensione e dei dispositivi di protezione e rilevamento, integrando le funzioni di elettrodomestici originariamente separati in un'unica entità. Pertanto, si può dire che il livello di progettazione e produzione del GIS rappresenta il livello degli apparati metallici chiusi isolati a gas.
L'apparato metallico chiuso isolato a gas (GIS) è un nuovo tipo di dispositivo elettrico emerso nella metà degli anni '60. Poiché è sia chiuso che modulare, ha un piccolo ingombro, occupa meno spazio, non è influenzato dall'ambiente esterno, non genera rumore o interferenze radio, e presenta un funzionamento sicuro e affidabile con minime operazioni di manutenzione, quindi ha visto uno sviluppo significativo. Dalla sua introduzione, ha continuato a evolversi verso tensioni più elevate, capacità maggiori e miniaturizzazione. Grazie agli anni di esperienza operativa in Indonesia e ai continui miglioramenti del progetto, il GIS non solo ha progredito in termini di tensioni e capacità superiori, ma ha anche innovato costantemente.
Caratteristiche fondamentali e principio di spegnimento dell'arco del gas esaggenfluoruro di zolfo (SF6)
Negli ultimi anni, il gas SF6 ha visto uno sviluppo rapido come mezzo di spegnimento dell'arco per interruttori. Il gas SF6 era noto originariamente come gas isolante con una forza isolante diverse volte superiore a quella dell'aria. Possiede capacità di spegnimento dell'arco estremamente potenti, e la transizione da un arco conduttore a un isolante avviene a una velocità molto elevata. Pertanto, negli interruttori ad alta tensione, il gas SF6 può servire sia come mezzo di spegnimento dell'arco che come mezzo isolante. Le caratteristiche più notevoli del gas SF6 sono le seguenti:
Ottima proprietà fondamentale
Il gas SF6 puro è un gas composto di fluoro incolore, inodore, non tossico e non infiammabile. In condizioni normali, cioè a 20°C e 0,1 MPa, la sua densità è cinque volte quella dell'aria. Il coefficiente di trasferimento termico del gas SF6, compresi gli effetti convettivi, è 1,6 volte quello dell'aria.
Proprietà termochimiche specifiche
Gli esperimenti mostrano che la temperatura di decomposizione del gas SF6 è inferiore a quella dell'aria, mentre l'energia richiesta per la decomposizione è maggiore. Di conseguenza, durante la decomposizione, il gas SF6 assorbe una grande quantità di energia, esercitando un forte effetto di raffreddamento sull'arco. Il gas SF6 ha affinità per gli elettroni liberi. Pertanto, nello spazio caldo, vi sarà effettivamente solo una conducibilità molto bassa o nulla, ma la sua conducibilità termica è piuttosto elevata. Il gas SF6 si decompone rapidamente in un intervallo di temperature relativamente basso (2000-2500K). Quando il gas SF6 si decompone nell'area di schermo dell'arco, assorbe una quantità sostanziale di calore dall'arco, conferendo al gas SF6 eccellenti capacità di spegnimento dell'arco. Nel gas SF6, quando la corrente dell'arco si avvicina a zero, solo un nucleo d'arco molto sottile ha una temperatura elevata, mentre la zona circostante è costituita da strati non conduttori.
Di conseguenza, dopo il passaggio della corrente attraverso lo zero, la resistenza dielettrica dell'intervallo dell'arco si ripristina rapidamente e supera la velocità di recupero della tensione. Nel gas SF6, un nucleo d'arco estremamente sottile persiste anche a livelli di corrente molto bassi. Questa è una caratteristica altamente desiderabile nell'interruzione dell'interruttore, poiché soddisfa il requisito di una transizione rapida da un buon conduttore a un isolante quando la corrente passa attraverso lo zero. Proprio grazie a queste caratteristiche, anche quando si interrompono correnti piccole, il nucleo dell'arco rimane continuo fino a quando la corrente raggiunge lo zero e può ancora contrarsi in modo continuo. Ciò impedisce l'interruzione forzata della corrente, cioè il taglio della corrente, e riduce quindi l'insorgenza di sovratensioni di commutazione.
Forte elettronegatività
L'elettronegatività si riferisce alla tendenza delle molecole o degli atomi dissociati a formare ioni negativi. Il SF6 ha una forte capacità di adsorbire elettroni, nota come elettronegatività. Il SF6 e le molecole e gli atomi di halogeni prodotti dalla sua decomposizione adsorbono fortemente elettroni nell'arco, formando ioni negativi. Poiché la massa degli ioni negativi è molto maggiore rispetto a quella degli elettroni, la velocità di movimento degli ioni negativi sotto l'influenza di un campo elettrico è molto più lenta rispetto a quella degli elettroni. Nel movimento nel campo elettrico, gli ioni negativi si ricombinano facilmente con gli ioni positivi per formare molecole neutrali. Pertanto, il processo di scomparsa della conducibilità spaziale è estremamente rapido. Questo fenomeno ha lo stesso effetto di una capacità di raffreddamento molto forte nello spazio di ionizzazione, risultando in un cambiamento molto rapido della conducibilità spaziale vicino allo zero-crossing della corrente dell'arco. Questa caratteristica, combinata con la caratteristica dell'arco che forma un nucleo estremamente sottile, riduce significativamente la costante di tempo dell'arco. Quindi, la forte elettronegatività conferisce al SF6 eccellenti proprietà isolanti.
I requisiti fondamentali per un mezzo di spegnimento dell'arco non sono solo una forza dielettrica elevata, ma, più importantemente, una velocità di recupero della forza dielettrica elevata. Dovrebbe anche possedere un'altra caratteristica cruciale: una costante temporale termica molto piccola quando la corrente dell'arco passa attraverso lo zero. Il gas SF6, come mezzo di spegnimento dell'arco, ha queste caratteristiche. Si basa non solo sull'effetto di raffreddamento isentropico formato dal gradiente di pressione dei flussi di gas, ma principalmente sulle proprietà termochimiche specifiche e sulla forte elettronegatività del gas SF6, che conferiscono al gas SF6 capacità di spegnimento dell'arco particolarmente forti. Proprio perché il gas SF6 ha eccellenti proprietà di spegnimento dell'arco e isolamento, e le sue proprietà chimiche sono stabili e non tossiche, l'applicazione del gas SF6 in campi come la trasmissione e la distribuzione di energia, i trasformatori, i fusibili e i contattori si è continuamente espansa.
L'apparato metallico chiuso isolato a gas (GIS) è stato ulteriormente sviluppato basandosi sugli interruttori SF6. Il GIS racchiude interruttori, disgiuntori, interruttori di terra, trasformatori di corrente e tensione, parafulmini e barre di connessione all'interno di un involucro metallico e lo riempie con gas SF6, che ha eccellenti proprietà di spegnimento dell'arco e isolamento, servendo come isolamento tra le fasi e verso terra. A causa della sua natura chiusa e modulare, occupa un piccolo ingombro e meno spazio, non è influenzato dall'ambiente esterno, non genera rumore o interferenze radio, funziona in modo sicuro e affidabile e richiede minime operazioni di manutenzione, ottenendo così uno sviluppo significativo.
Struttura del GIS trifase chiuso
In un GIS trifase chiuso, le tre fasi dei componenti del circuito principale sono installate in un comune involucro esterno a terra, supportate e isolate da isolatori in resina epoxidica. Questo tipo di GIS presenta una struttura compatta, con un numero ridotto di involucri esterni, che consente di risparmiare notevolmente sui materiali. Inoltre, a causa della riduzione dei punti di tenuta e della lunghezza di tenuta, il tasso di perdita di gas è basso. Inoltre, riduce anche la corrente circolante durante il funzionamento e semplifica le operazioni di manutenzione. Il GIS trifase chiuso ha una dimensione complessiva relativamente piccola, meno componenti, meno usura degli involucri esterni e un ciclo di installazione breve. Tuttavia, il suo difetto è il campo elettrico interno non uniforme, con un'influenza reciproca tra le fasi, rendendolo soggetto a flashover interfasce.
Il tipo trifase chiuso è anche noto come tipo trifase in comune serbatoio. Le bus trifase sono fissate all'interno del cilindro tramite isolatori, disposte in un pattern triangolare. Ogni unità funzionale del GIS è composta da diversi compartimenti. La divisione dei compartimenti deve non solo soddisfare i requisiti di funzionamento normale, ma deve anche essere in grado di limitare l'arco in caso di guasto interno. I diversi compartimenti consentono pressioni di gas diverse. Ad esempio, il compartimento del disgiuntore, considerando l'effetto di spegnimento dell'arco, richiede una pressione di gas di circa 0,6 MPa, mentre altri compartimenti hanno pressioni relativamente inferiori.
Tecnologie chiave per l'intelligenza degli apparati elettrici ad alta tensione
Il contenuto tecnologico degli apparati elettrici ad alta tensione intelligenti è estremamente ampio. Le sue principali tecnologie includono:
Intelligenza dell'operazione di commutazione: monitoraggio e diagnosi dello stato di funzionamento dei dispositivi di apertura e chiusura;
Intelligenza del controllo secondario: utilizzo di architettura distribuita, tecnologia di rete e tecnologia di monitoraggio completo per acquisire segnali - tecnologia dei sensori, come bobine toroidali a nucleo d'aria di Rogowski per sensori di corrente e tensione composti, sensori di corsa e sensori di densità di gas;
Monitoraggio delle prestazioni di isolamento: rilevamento delle scariche parziali, rilevamento della conduzione anomala e rilevamento di micro-particelle;
Sistema di diagnosi e decisione dei guasti: analisi dei segnali attraverso l'analisi dei segnali per formulare giudizi e decisioni;
Compatibilità elettromagnetica (EMC): principalmente soppressione dell'interferenza dai percorsi di accoppiamento anti-interferenza, ovvero eliminazione o attenuazione di vari fattori che formano un'impedenza comune accoppiata. I metodi includono schermatura, isolamento e filtraggio;
R & D di microcomputer specializzati: sviluppo di circuiti integrati dedicati e software per migliorare l'applicabilità, la performance in tempo reale e il sistema operativo dei microcomputer, migliorando il livello di funzionamento e l'affidabilità degli apparati elettrici ad alta tensione.
