Entwurf einer neuen umweltfreundlichen gasisolierten Ring Hauptverteileranlage für 12kV

1. Spezielles Design

1.1 Designkonzept

Die State Grid Corporation of China fördert aktiv die Energieeinsparung und die niederemissionsarme Entwicklung des Stromnetzes, um die nationalen Ziele für den Kohlenstoffhöchststand (2030) und die Kohlenstoffneutralität (2060) zu erreichen. Umweltfreundliche gasisolierte Ringverteiler repräsentieren diese Tendenz. Ein neuer integrierter umweltfreundlicher gasisolerter Ringverteiler mit 12kV wurde entwickelt, der Vakuumschalter-Technologie, Dreipositionsschalter und Vakuumschalter kombiniert. Das Design nutzte SolidWorks für die 3D-Modellierung mit modularem Aufbau (Gastank, Druckentlastungskammern, Gehäuse, Instrumentenkammern). Die Einheit besteht aus separaten metallverkleideten Kammern (Mechanismuskammer, Schalterkammer, Kabelkammer, Instrumentenkammer), jede mit unabhängigen Druckentlastungskanälen. Das Design unterstützt sowohl einzelne Einheiten als auch gemeinsame Gehäuse.

1.2 Integration von Dreipositionsschalter und Vakuumschalter

Die Integration von Dreipositionsschaltern und Vakuumschaltern ist entscheidend für dieses Design, das aus miteinander verbundenen oberen Dreipositionsschaltern und unteren Zweipositionsschaltgeräten besteht. Der Dreipositionsschalter arbeitet in den Positionen Erdung, geschlossen und Isolierung, während der Schalter in den Zuständen offen/geschlossen funktioniert. Der Trägerrahmen für die Isolationsklinge verwendet hochfeste Nylonmaterialien mit guter Zähigkeit und Wärmebeständigkeit. Die Mubea-Scheibenfedertechnologie bietet Kontaktdruck.

Eine einheitliche Abdeckung auf beweglichen Kontakten sorgt für eine gleichmäßige elektrische Feldverteilung und reduziert die partielle Entladung. Isolierende Abdeckungen an den Drei-Phasen-Buchsen verbessern die Phasen-Zwischenisolierung. Bei Tests wurden mehrere Optimierungen durchgeführt, um die mechanischen Eigenschaften (Einfügetiefe, Sprung, Dreiphasensynchronisation, Betriebsgeschwindigkeit) sicherzustellen. Der Vakuumschalter verfügt über fest verschweißte Polen, die mit vier Schrauben montiert sind.

Der Anschluss des Vakuumschalters dient als Drehpunkt für die Isolationsklinge, wobei ein Z-förmiger Kunststoffhebelarm den Hebelprinzip zur Bedienung nutzt. Kupferbusleitungen mit vulkanisierten Oberflächen verbinden die unteren Anschlüsse des Schalters. Wie in Abbildung 1 gezeigt, erkennt dieses Integrationsdesign den Vakuumschalter als Kernkomponente, die die Gesamtzuverlässigkeit bestimmt, wobei die Kontaktaufbau und die Bogenlöschmethode kritische Designelemente sind.

Um Miniaturisierung und erhöhte Zuverlässigkeit zu erreichen, wurden längs magnetische Feld-Tassenkontakte mit Spulenwicklungen und Eisenkernen implementiert. Im Gegensatz zu Querfeldern erhöhen Längsfelder den Übergangsstrom von diffusen zu konzentrierten Bögen, bieten minimale elektrische Verschleiß, verlängerte Lebensdauer und bessere Unterbrechungsleistung. Das rotierende Magnetfeld, das durch dreiphasigen Wechselstrom erzeugt wird, kombiniert sich mit dem längs magnetischen Feld der Tassenkontakte, um Wirbelströme zu bilden, die die Bogenspannung verringern und den Bogen gleichmäßig über die Anodenoberfläche verteilen. Dieses Design erhöht die Kurzschlussunterbrechungsleistung von 20kA auf 25kA bei gleicher Volumen.

1.3 Schaltebene

Die Schaltebene, direkt auf der Frontseite des Isolationsbehälters montiert, treibt sowohl den Vakuumschalter als auch den Dreipositionsschalter über direkte Wellenverbindungen ohne Zwischenglieder an. Dieses Design minimiert die Öffnungszeit des Vakuumschalters, um den Kontaktverschleiß zu verhindern. Die Mechanik unterstützt sowohl manuelle als auch elektrische Bedienung mit Energiespeicherung nach dem Prinzip des Freilaufkupplung. Der Dreipositionsschalter verwendet eine Drehfederantrieb mit Koaxialrotationsdesign, um die Dreiphasensynchronisation und eine zuverlässige Erdschalterleistung sicherzustellen. Seine beiden Bedienöffnungen steuern getrennt die Erdung und Isolierungsfunktionen.

1.4 Hauptkreis

Der Hauptkreis, bestehend aus Kabelbuchsen, Isolationsklingen, Vakuumschalterkontakten, flexiblen Verbindungen und Busleitungen, ist in einem Edelstahltank versiegelt, der für bewegliche Teile Lippenabdichtungen und für statische Abdichtungen O-Ringe verwendet, gefüllt mit 0,02 MPa Stickstoff oder trockener Luft. Das integrierte längs gestaltete Design des Dreipositionsschalters und des Vakuumschalters ermöglicht modulare Ausziehbarkeit. Die Phasenabstände werden bei 150 mm gehalten, um eine angemessene Isolation zu gewährleisten. Der Anschluss des Vakuumschalters dient als Drehpunkt für die Isolationsklinge, wobei Z-förmige Kunststoffhebelarme die Bewegung des Betriebsmechanismus auf die Kontakte übertragen.

1.5 Gastank und Produktionslinie

Das Design des Gastanks legte den Fokus auf präzise Fertigung und Dichtheit. Laserschneiden stellt sicher, dass die Edelstahlkomponenten frei von Scharten sind, während robotergestütztes Schweißen die Nahtintegrität und die mechanische Stärke garantiert. Die Produktion verwendet eine lineare Anordnung, bei der Gleisanschubfahrzeuge zwischen den Arbeitsstationen fahren, um die Arbeitsfluss-Effizienz zu optimieren.

2 Isolationsanalyse

2.1 Isolierung des Dreipositionsschalters

Das Messer-schalter-artige Dreipositionsdesign bietet sichtbare Trennpunkte und zuverlässige Erdung. Die Verwendung von hochfestem Nylonmaterial für die Drehachse und Aluminiumgleichrichtungsabdeckungen an den Klingenköpfen verbessert die Feldgleichmäßigkeit. Simulationen und Tests bestätigten, dass die Isolierleistung einen Blitzimpuls von 90kV aushält.

2.2 Gesamte Erdungsisolierung

Die Analyse konzentrierte sich auf kritische Bereiche: Phasen-zu-Phasen- und Phasen-zu-Tank-Abstände (mindestens 125mm Mittelabstand) und isolierende Komponenten. Die strategische Platzierung von fester Isolierung in Hochfeldbereichen und Gasisolierung in Niederfeldbereichen optimiert die Felddistribution. Zusätzliche Maßnahmen beinhalten die Epoxidharzumhüllung der Kontakte, verbesserte Materialien für Z-Arme, Faserisolierstäbe und Schildabdeckungen an den Busleitungsverbindungen, um eine Feldkonzentration zu verhindern.

3 Schlussfolgerung

Die neue umweltfreundliche gasgefüllte Ringverteilerstation kombiniert Vakuumbogenlöschen mit umweltfreundlicher Gasdichtung und zeichnet sich durch vollständige Abdichtung, wartungsfreien Betrieb, kompakten Bau und volle Isolierung aus. Alle Hochspannungskomponenten sind in dem rostfreien Stahltank versiegelt, was sie für Anwendungen im Freien und Innenbereich einschließlich Schaltwerken, Verteilerräumen und Kastenunterstationen geeignet macht. Sie ist für dreiphasigen Wechselstrom 50 Hz, 12 kV Systeme konzipiert und bietet eine zuverlässige Stromversorgung für Wohn-, Gewerbe-, Industrie-, Verkehrsanwendungen und Infrastruktur mit hervorragenden Zuverlässigkeits-, Umweltanpassungs- und Sicherheitsmerkmalen.