Návrh nového ekologického plynově izolovaného okružního vypínače s napětím 12kV

1. Specifický design

1.1 Koncept designu

Státní síťová společnost Číny aktivně podporuje energetickou úspornost a nízkouhlíkový rozvoj sítí, aby dosáhla národních cílů vrcholu emisí uhlíku (2030) a neutralizace (2060). Ekologicky šetrné plynové izolované kruhové hlavní jednotky reprezentují tuto tendenci. Byla navržena nová integrovaná ekologicky šetrná plynově izolovaná kruhová hlavní jednotka na 12kV, která kombinuje technologii vakuumových přerušovačů s třípolohovými odpojovači a vakuumovými vypínači. Design byl vytvořen pomocí SolidWorks pro 3D modelování s modulární strukturou (plynový nádrž, komory na uvolňování tlaku, skříň, místnosti s přístroji). Jednotka se skládá z samostatných kovových uzavřených prostor (místnost mechanismu, místnost vypínače, místnost pro kabely, místnost s přístroji), každá s nezávislými kanály na uvolňování tlaku. Design podporuje jak konfiguraci samostatné jednotky, tak konfiguraci společné skříně.

1.2 Integrace třípolohového odpojovače a vakuumového vypínače

Integrace třípolohových odpojovačů a vakuumových vypínačů je klíčovou částí tohoto designu, která zahrnuje propojené horní třípolohové odpojovače a dolní dvoupolohové vypínače. Třípolohový odpojovač funguje v pozicích zemnice, zapnutí a izolace, zatímco vypínač funguje ve stavech otevřeno/zapnuto. Podpora nosného rámu izolačního lánku používá materiál s vysokou pevností nylon s dobrými vlastnostmi pružnosti a tepelné odolnosti. Technologie pružin Mubea poskytuje kontaktové tlak. 

Jednotná poklopa na pohyblivých kontaktech zajišťuje rovnoměrnost elektrického pole a snižuje částečné výboje. Izolační poklopy na třífázových vývodních hrbolkách zlepšují mezfázovou izolaci. Během testů bylo provedeno několik optimalizací, aby byly zajisteny správné mechanické vlastnosti (hloubka zapnutí, pružnost, synchronizace tří fází, pracovní rychlost). Vakuumový vypínač má tuhě uzavřené tyče montované čtyřmi šrouby. 

Kontaktový terminál vakuumového přerušovače slouží jako otáčecí centrum lánku odpojovače, s Z-tvarovým plastovým pákou, která využívá princip páky k ovládání. Meděné sběrnice s vulkanizovanými povrchy spojují dolní terminály vypínače. Jak je znázorněno na obrázku 1, tento integrovaný design považuje vakuumový přerušovač za jádrové složku, která určuje celkovou spolehlivost, s kontaktní strukturou a metodou uhasení oblouku jako klíčovými prvky designu.

Pro dosažení minimalizace a zvýšení spolehlivosti byly implementovány čočkovité kontakty s longitudinálním magnetickým polem, s cívkami a železnými jádry. Na rozdíl od transverzálních polí zvyšují longitudinální pole přechodový proud z difuzního do stlačeného oblouku, což nabízí minimální elektroerosi, prodlouženou životnost a lepší vypínací schopnost. Rotující magnetické pole generované třífázovým střídavým proudem se kombinuje s longitudinálním polem čočkového kontaktu a tvoří vírové proudy, které snižují napětí oblouku a rovnoměrně distribuují oblouk po anodové ploše. Tento design zvyšuje vypínací schopnost krátkého spojení ze 20kA na 25kA při stejném objemu.

1.3 Mechanismus ovládání spínače

Mechanismus ovládání spínače, montovaný přímo na přední stranu izolační nádrže, ovládá jak vakuumový vypínač, tak třípolohový odpojovač přímo přes hřídele bez meziprostředních částí. Tento design minimalizuje čas otevírání vakuumového vypínače, aby se zabránilo erozi kontaktů. Mechanismus podporuje jak manuální, tak elektrické ovládání s ukládáním energie pomocí principu přetékající spojky. Třípolohový odpojovač používá pohon pružinou s koaxiálním rotačním designem, který zajišťuje synchronizaci tří fází a spolehlivý výkon zemnice. Jeho dvojice ovládacích otvorů odděleně kontroluje funkce zemnice a izolace.

1.4 Hlavní obvod

Hlavní obvod – složený z vývodních hrbolků, lánků odpojovače, kontaktů vakuumového přerušovače, flexibilních spojů a sběrnic – je uzavřen v nádrži z nerezové oceli s lipovými těsněními pro dynamické části a O-kroužky pro statické těsnění, plněný 0,02 MPa dusíkem nebo suchým vzduchem. Integrovaný longitudinální design třípolohového odpojovače a vakuumového vypínače umožňuje modulární vyjmutí. Mezfázové vzdálenosti jsou udržovány na 150mm pro správnou izolaci. Kontaktní terminál vakuumového přerušovače slouží jako otáčecí centrum lánku odpojovače, s Z-tvarovými plastovými pákami, které převádějí pohyb mechanismu na pohyb kontaktů.

1.5 Plynová nádrž a výrobní linka

Design plynové nádrže upřednostňoval přesnou výrobu a hermetičnost. Laserové řezání zajišťuje součásti z nerezové oceli bez ostnatých okrajů, zatímco robotické svařování zajišťuje integritu švů a mechanickou pevnost. Výroba využívá lineární uspořádání s dopravními vozidly na kolejích, která se pohybují mezi pracovišti, aby byla optimalizována efektivita pracovního toku.

2 Analýza izolace

2.1 Izolace třípolohového odpojovače

Třípolohový design s nožovým spínačem poskytuje viditelné body odpojení a spolehlivou zemnici. Použití materiálu s vysokou pevností nylonu na otáčecí hřídel a hliníkové vyrovnávací poklopy na hlavicích lánků zlepšuje rovnoměrnost pole. Simulace a testy potvrdily, že výkonnost izolace odolává bleskovému impulsnímu napětí 90kV.

2.2 Celková izolace k zemi

Analýza se zaměřila na klíčové oblasti: mezifázové a mezifázově-nádržové vzdálenosti (minimální středová vzdálenost 125mm) a izolační součásti. Cílené umístění tuhé izolace v oblastech s vysokým polem a plynné izolace v oblastech s nízkým polem optimalizuje distribuci pole. Další opatření zahrnují epoxidové obalování kontaktů, zlepšení materiálů Z-pák, textilní izolační tyče a ochranné poklopy na spojích sběrnic, aby se zabránilo koncentraci pole.

3 Závěr

Nová ekologicky šetrná plynově izolovaná okružní jednotka kombinuje vakuumové uhašení s ekologicky přátelskou plynovou izolací, s vlastnostmi kompletního zapečetění, bezúdržbového provozu, kompaktní velikosti a plné izolace. Všechny vysokonapěťové součásti jsou uzavřeny v nerezovém nádrži, což umožňuje použití jak venku, tak uvnitř, včetně přepážkových stanic, distribučních místností a bednových transformátorových stanic. Navržena pro třífázové střídavé napětí 50 Hz, 12 kV systémy, nabízí spolehlivé rozvody elektrické energie pro bytové, obchodní, průmyslové, dopravní a infrastrukturní aplikace s vynikající spolehlivostí, adaptabilitou na životní prostředí a bezpečnostními vlastnostmi.