Thiết kế của một tủ phân phối vòng kín cách điện khí thân thiện với môi trường 12kV mới

1. Thiết kế cụ thể

1.1 Khái niệm thiết kế

Tập đoàn Điện lực Quốc gia Trung Quốc tích cực thúc đẩy tiết kiệm năng lượng và phát triển lưới điện thân thiện với môi trường để đạt được mục tiêu đỉnh điểm carbon quốc gia (năm 2030) và trung hòa (năm 2060). Các thiết bị phân phối vòng kín khí cách điện thân thiện với môi trường đại diện cho xu hướng này. Một thiết bị phân phối vòng kín khí cách điện thân thiện với môi trường mới 12kV đã được thiết kế kết hợp công nghệ ngắt mạch chân không với các công tắc ba vị trí và cầu chì chân không. Thiết kế sử dụng SolidWorks để tạo mô hình 3D với cấu trúc mô-đun (bình khí, buồng giảm áp, tủ cơ bản, phòng đồng hồ đo). Thiết bị bao gồm các khoang kim loại riêng biệt (phòng cơ chế, phòng cầu chì, phòng cáp, phòng đồng hồ đo), mỗi khoang có kênh giảm áp độc lập. Thiết kế hỗ trợ cả cấu hình đơn vị độc lập và cấu hình hộp chung.

1.2 Tích hợp công tắc ba vị trí và cầu chì chân không

Việc tích hợp công tắc ba vị trí và cầu chì chân không là yếu tố then chốt trong thiết kế này, bao gồm các công tắc ba vị trí trên cùng và các thiết bị cầu chì hai vị trí dưới cùng được kết nối với nhau. Công tắc ba vị trí hoạt động ở các vị trí nối đất, đóng và cách ly, trong khi cầu chì hoạt động ở trạng thái mở/đóng. Khung đỡ lưỡi dao cách ly sử dụng vật liệu nylon cao cấp có độ dẻo dai và chịu nhiệt tốt. Công nghệ lò xo đĩa Mubea cung cấp áp suất tiếp xúc.

Một nắp đồng nhất trên các tiếp điểm di chuyển đảm bảo sự đồng đều của điện trường và giảm xả cục bộ. Các vỏ cách điện trên các đầu cắm ba pha tăng cường cách điện giữa các pha. Trong quá trình thử nghiệm, nhiều tối ưu hóa đã đảm bảo các đặc tính cơ học phù hợp (chiều sâu tiếp xúc, nảy, đồng bộ ba pha, tốc độ hoạt động). Cầu chì chân không có các cột cực được gắn chặt bằng bốn vít.

Cụm cuối của ngắt mạch chân không hoạt động như trung tâm quay cho lưỡi dao cách ly, với cánh tay đòn nhựa hình Z sử dụng nguyên lý đòn bẩy để hoạt động. Các thanh bus đồng có bề mặt vulcanized kết nối với các đầu cuối dưới của cầu chì. Như được hiển thị trong Hình 1, thiết kế tích hợp này coi ngắt mạch chân không là thành phần chính xác định độ tin cậy tổng thể, với cấu trúc tiếp điểm và phương pháp dập tắt hồ quang là các yếu tố thiết kế quan trọng.

Để đạt được kích thước nhỏ gọn và độ tin cậy cao hơn, các tiếp điểm hình cốc với từ trường dọc, cuộn dây và lõi sắt đã được áp dụng. Không giống như từ trường ngang, từ trường dọc tăng cường dòng chuyển tiếp từ hồ quang lan rộng sang hồ quang tập trung, mang lại mức mài mòn điện tối thiểu, tuổi thọ kéo dài và khả năng cắt ngắn mạch vượt trội. Từ trường quay do nguồn AC ba pha tạo ra kết hợp với từ trường dọc của tiếp điểm hình cốc để tạo ra dòng xoáy làm giảm điện áp hồ quang và phân bố hồ quang đều trên bề mặt anôt. Thiết kế này tăng cường khả năng cắt ngắn mạch từ 20kA lên 25kA ở cùng một thể tích.

1.3 Cơ chế vận hành công tắc

Cơ chế vận hành công tắc, được gắn trực tiếp trên mặt trước của bình cách điện, điều khiển cả cầu chì chân không và công tắc ba vị trí thông qua các trục kết nối trực tiếp mà không cần các thành phần trung gian. Thiết kế này giảm thiểu thời gian mở cầu chì chân không để ngăn chặn sự mài mòn tiếp điểm. Cơ chế hỗ trợ cả vận hành thủ công và điện, với việc lưu trữ năng lượng theo nguyên lý bánh răng tự do. Công tắc ba vị trí sử dụng cơ chế truyền động lò xo vặn với thiết kế quay đồng trục đảm bảo đồng bộ ba pha và hiệu suất công tắc nối đất đáng tin cậy. Hai lỗ vận hành riêng biệt kiểm soát chức năng nối đất và cách ly.

1.4 Đường mạch chính

Đường mạch chính—bao gồm các đầu cắm cáp, lưỡi dao cách ly, tiếp điểm ngắt mạch chân không, kết nối linh hoạt, và thanh bus—được niêm phong trong một bình thép không gỉ sử dụng gioăng môi cho các bộ phận động và gioăng O cho niêm phong tĩnh, được điền đầy 0.02 MPa nitơ hoặc không khí khô. Thiết kế tích hợp dọc của công tắc ba vị trí và cầu chì chân không cho phép rút mô-đun. Khoảng cách giữa các pha được duy trì ở 150mm để đảm bảo cách điện phù hợp. Cụm cuối của ngắt mạch chân không hoạt động như trung tâm quay cho lưỡi dao cách ly, với cánh tay đòn nhựa hình Z chuyển động của cơ chế vận hành thành chuyển động tiếp điểm.

1.5 Bình khí và dây chuyền sản xuất

Thiết kế bình khí ưu tiên sản xuất chính xác và kín khí. Cắt laser đảm bảo các thành phần thép không gỉ không có gờ, trong khi hàn robot đảm bảo tính toàn vẹn và sức mạnh cơ học của mối hàn. Sản xuất sử dụng bố cục tuyến tính với xe vận chuyển theo đường ray di chuyển giữa các trạm làm việc để tối ưu hóa hiệu quả công việc.

2 Phân tích cách điện

2.1 Cách điện công tắc ba vị trí

Thiết kế công tắc ba vị trí kiểu dao cắm cung cấp các điểm ngắt rõ ràng và nối đất đáng tin cậy. Sử dụng vật liệu nylon cao cấp cho trục quay và các nắp cân bằng nhôm trên đầu lưỡi dao tăng cường sự đồng đều của điện trường. Mô phỏng và thử nghiệm đã xác nhận hiệu suất cách điện chịu được điện áp xung sét 90kV.

2.2 Cách điện tổng thể đến đất

Phân tích tập trung vào các khu vực quan trọng: khoảng cách giữa các pha và giữa pha và bình (khoảng cách tâm tối thiểu 125mm), và các thành phần cách điện. Việc đặt cách điện rắn ở các khu vực điện trường cao và cách điện khí ở các khu vực điện trường thấp tối ưu hóa sự phân bố điện trường. Các biện pháp bổ sung bao gồm bọc epoxy các tiếp điểm, cải thiện chất liệu của cánh tay Z, các thanh cách điện sợi, và các nắp che tại các kết nối thanh bus để ngăn chặn sự tập trung điện trường.

3 Kết luận

Thiết bị chính vòng khí cách điện thân thiện với môi trường mới kết hợp công nghệ dập hồ quang chân không với cách điện bằng khí thân thiện với môi trường, có đặc điểm hoàn toàn kín, hoạt động không cần bảo trì, kích thước nhỏ gọn và cách điện toàn phần. Tất cả các thành phần điện áp cao đều được niêm phong bên trong thùng thép không gỉ, phù hợp cho các ứng dụng ngoài trời và trong nhà bao gồm trạm chuyển mạch, phòng phân phối và trạm biến áp dạng hộp. Được thiết kế cho hệ thống AC ba pha 50Hz, 12kV, nó cung cấp phân phối điện đáng tin cậy cho các ứng dụng dân dụng, thương mại, công nghiệp, giao thông vận tải và cơ sở hạ tầng với tính năng độ tin cậy, khả năng thích nghi với môi trường và an toàn xuất sắc.