Ontwerp van een nieuwe milieuvriendelijke gasgeïsoleerde ringkast voor 12kV

1. Specifieke ontwerp

1.1 Ontwerpconcept

State Grid Corporation of China bevordert actief energiebesparing en lage koolstofontwikkeling van het netwerk om de nationale doelstellingen voor koolstofpiek (2030) en neutraliteit (2060) te bereiken. Milieuvriendelijke gasgeïsoleerde ringhoofdschakelaars vertegenwoordigen deze trend. Een nieuwe geïntegreerde milieuvriendelijke 12kV gasgeïsoleerde ringhoofdschakelaar is ontworpen door vacuümonderbreker technologie te combineren met drie-standaard afsluiters en vacuüm circuitbrekers. Het ontwerp maakte gebruik van SolidWorks voor 3D-modellering met een modulaire structuur (gastank, drukafvoerkamers, kastlichaam, meetruimtes). De eenheid bestaat uit aparte metalen afgesloten compartimenten (mechanisme ruimte, circuitbreker ruimte, kabel ruimte, meetruimte), elk met onafhankelijke drukafvoerkanalen. Het ontwerp ondersteunt zowel onafhankelijke eenheden als gemeenschappelijke behuizing configuraties.

1.2 Integratie van drie-standaard afsluiter en vacuüm circuitbreker 

De integratie van drie-standaard afsluiters en vacuüm circuitbrekers is cruciaal voor dit ontwerp, bestaande uit verbonden bovenste drie-standaard afsluiters en onderste twee-standaard circuitbreker apparatuur. De drie-standaard afsluiter werkt in grond, gesloten en isolatie posities, terwijl de circuitbreker functioneert in open/gesloten toestanden. De ondersteuningsframe voor de isolatiebladen gebruikt hoogwaardige nylongrondstof met goede veerkracht en hittebestendigheid. Mubea schijfveer technologie biedt contactdruk. 

Een uniforme kap op bewegende contacten zorgt voor gelijkmatigheid van elektrisch veld en vermindert partiële ontlading. Isolerende kappen op driefase bushingen versterken fase-tussen isolatie. Tijdens testen werden meerdere optimalisaties uitgevoerd om de juiste mechanische eigenschappen (inpasdiepte, terugkaatsen, driefase synchronisatie, bedrijfsnelheid) te waarborgen. De vacuüm circuitbreker heeft massieve verzegelde paalzuilen bevestigd met vier bouten. 

De terminal van de vacuümonderbreker fungeert als rotatiecentrum voor de afsluiterbladen, met een Z-vormige plastic hefboom die de hefboomprincipe gebruikt voor bediening. Koperen busbalken met gevulkaniseerde oppervlakken verbinden de onderste terminals van de circuitbreker. Zoals weergegeven in Figuur 1, erkent dit integratieontwerp de vacuümonderbreker als het kerncomponent dat de algehele betrouwbaarheid bepaalt, met contactstructuur en boogdoofmethode als cruciale ontwerpelementen.

Om miniaturisering en verhoogde betrouwbaarheid te bereiken, werden longitudinale magnetische velden met kopvormige contacten met spoelwindingen en ijzerkernen toegepast. In tegenstelling tot transversale magnetische velden, vergroten longitudinale velden de overgangsstroom van diffuse naar geconcentreerde bogen, wat minimale elektrische slijtage, verlengde levensduur en superieure onderbrekkapaciteit oplevert. Het roterende magnetische veld dat wordt gegenereerd door driefase wisselstroom combineert met het longitudinale veld van de kopvormige contacten om stroomkringen te vormen die de boogspanning verlagen en de boog gelijkmatig over de anodeoppervlakte verdelen. Dit ontwerp verhoogt de kortsluitkapaciteit van 20kA naar 25kA bij identiek volume.

1.3 Schakelmechanisme

Het schakelmechanisme, rechtstreeks gemonteerd aan de voorkant van de isolatietank, drijft zowel de vacuüm circuitbreker als de drie-standaard afsluiter aan via directe asverbindingen zonder tussenliggende componenten. Dit ontwerp minimaliseert de openingstijd van de vacuüm circuitbreker om slijtage van de contacten te voorkomen. Het mechanisme ondersteunt zowel handmatige als elektrische bediening met energieopslag via het principe van de overloopkoppeling. De drie-standaard afsluiter maakt gebruik van torsiespringbedrijving met coaxiale rotatieontwerp om driefase synchronisatie en betrouwbare prestaties van de aardingsschakelaar te waarborgen. De dubbele bedieningsopeningen controleren respectievelijk de aarding en isolatiefuncties.

1.4 Hoofdcircuit 

Het hoofdcircuit—bestaande uit kabelbushing, afsluiterbladen, vacuümonderbrekercontacten, flexibele verbindingen en busbalken—is verzegeld in een roestvrijstalen tank met lipseals voor dynamische delen en O-ringen voor statische verzegeling, gevuld met 0,02 MPa stikstof of droge lucht. Het geïntegreerde longitudinale ontwerp van de drie-standaard afsluiter en vacuüm circuitbreker maakt modulaire verwijdering mogelijk. Fase-tussenafstanden worden gehandhaafd op 150 mm voor adequate isolatie. De terminal van de vacuümonderbreker fungeert als rotatiecentrum voor de afsluiterbladen, met Z-vormige plastic hefbomen die de beweging van het bedieningsmechanisme overbrengen naar de contactbeweging.

1.5 Gastank en productielijn

Bij het ontwerp van de gastank werd prioriteit gegeven aan precisieproductie en dichtheid. Lasersnijden zorgt voor roestvrijstalen componenten zonder burrs, terwijl robotische laswerkzaamheden de naadintegriteit en mechanische sterkte garanderen. De productie maakt gebruik van een lineaire indeling met transportvoertuigen op rails die tussen werkstations bewegen om de workflowefficiëntie te optimaliseren.

2 Isolatieanalyse 

2.1 Isolatie van de drie-standaard afsluiter

Het mes-schakelaartype drie-standaard ontwerp biedt zichtbare afscheidingpunten en betrouwbare aarding. Het gebruik van hoogwaardige nylongrondstof voor de draaischacht en aluminium gelijkmakende kappen op de bladkoppen versterkt de veldgelijkmatigheid. Simulaties en tests bevestigden dat de isolatieprestaties 90kV blikseminslagspanning kunnen weerstaan.

2.2 Algemene grondisolatie

De analyse richtte zich op kritieke gebieden: fase-tussen- en fase-tot-tankafstanden (minimum centrumafstand 125mm), en isolerende componenten. Strategische plaatsing van vaste isolatie in gebieden met hoog veld en gasisolatie in gebieden met laag veld optimaliseert de veldverdeling. Aanvullende maatregelen omvatten epoxy encapsulatie van contacten, verbeterde materialen voor Z-arms, vezel isolatiestaven en schildkapjes bij busbarverbindingen om veldconcentratie te voorkomen.

3 Conclusie 

De nieuwe milieuvriendelijke gasgeïsoleerde ringkast combineert vacuümboogafscherming met milieuverenigbare gasisolatie en heeft volledige afsluiting, onderhoudsvrije werking, compacte afmetingen en volledige isolatie. Alle hoogspanningscomponenten zijn verzegeld in de roestvrijstalen tank, waardoor het geschikt is voor gebruik in buiten- en binnentoepassingen, inclusief schakelstations, distributieruimtes en box-type transformatorposten. Ontworpen voor driefase wisselspanning 50Hz, 12kV systemen, biedt het betrouwbare energiedistributie voor woningbouw, commerciële, industriële, vervoers- en infrastructuurtoepassingen met uitstekende betrouwbaarheids-, milieu- en veiligheidseigenschappen.