Geprefereerde Gasgeïsoleerde Skakelstoelontwerp vir Hoëligginggebiede

Gasgeïsoleerde ringhoofopeenliggende eenhede is kompak en uitbreidbare swaarwerk wat geskik is vir middelspanningskrigverspreidingsoutomatiseringstelsels. Hierdie toestelle word gebruik vir 12~40.5 kV ringnetvoorsiening, dubbele radiale voorsieningstelsels, en eindpuntvoorsieningstoepassings, en dien as beheer- en beskermingsapparate vir elektriese energie. Hulle is ook geskik vir installasie in padgemonteerde transformatorstasies. 

Deur die verspreiding en skedulering van elektriese energie te verseker, maak hulle die stabiele operasie van krigstelsels moontlik. Die kernkomponente van hierdie toestelle maak gebruik van skake of kombinasies van belasting-skake en veiligheidse, wat voordele soos eenvoudige struktuur, klein formaat, lae koste, verbeterde voorsieningsparameters en prestasie, en verhoogde veiligheid van voorsiening bied. Hulle word wyd gebruik in verspreidingsstasies en padgemonteerde transformatorstasies by lastsentra soos stedelike woongemeenskappe, hoëflatsgeboue, groot openbare fasiliteite, en industriële ondernemings. Verskeie isolerende gasse dien as die isolerende medium, insluitend SF₆, droë lug, stikstof, of gemengde gasse, wat hoë isolasieprestasie en omgewingsvoordele bied, wat lei tot wydverspreide toepassing in krigstelsels.

Die hoofkomponente van hierdie tipe ringhooftoestel word binne 'n geslote, gelaste tank vol met isolerende gas (hierna verwys as die "gaskamer") geïnstalleer. Die gaskamer is die kernkomponent van gasgeïsoleerde ringhooftoestelle. Sy primêre funksie is om te verseker dat die hoëspanningskomponente binne dit onaangetas deur buiteste omgewingsfaktore soos besoiling, vochtigheid, en roes bly. Dit verseker sowel die werksomgewing van die komponente as normale elektriese prestasie. Al die interne komponente word deur die geslote gaskamer beskerm. Die kamer is toegerus met druk- of gasdigtheidsoverwachtingsapparate, soos drukmeter of digheidsmeter, wat tipies die drukverskil tussen die binnekant en buitekant van die kamer meet.

Hierdie artikel handel hoofsaaklik oor probleme wat die meganiese en elektriese prestasie van ringhooftoestelle in hooglandomgewings affekteer.

1. Gewone Hooglandontwerpskemas vir Gasgeïsoleerde Ringhooftoestelle en Bestaande Probleme

Gasgeïsoleerde ringhooftoestelle het volledig geïsoleerde ontwerpe, met hul hoofgeleiweke omring deur 'n volledig geïsoleerde stelsel bestaande uit geslote gaskamers, volledig geïsoleerde bushings vir ingaande/uitgaande lyne, en volledig geïsoleerde kabelafsluite. Aangesien die interne omgewing van die gaskamer onaangetas deur buiteste toestande bly, bly gasdigtheid en vochtigheid konstant. Teoreties is isolasieprestasie immuun teen buiteste faktore soos vochtigheid, besoiling, of korrosiewe gasse. Op dieselfde manier is die isolasieprestasie van bushings en kabelafsluite—ontwerp met isolerende materiale soos epoxyresin en silikonrubber—onaangetas deur die buiteste omgewing. Superfiel gesien, lyk konvensioneel ontwerpte gasgeïsoleerde ringhooftoestelle aanpasbaar aan plateauomgewings, wat baie vervaardigers laat glo dat hulle aan hooglandbedryfsvereistes voldoen en hulle direk in sulke areas deploei.

Tans word twee hoof tegniese skemas toegepas wanneer gasgeïsoleerde ringhooftoestelle in hooglandomgewings gebruik word:

1.1 Direkte Deploiement in Hooglandareas

Ontwerpkonsep: Hierdie benadering berus op die beginsel dat die hoofgeleiwek volledig omring word deur die geïsoleerde stelsel (geslote gaskamer, volledig geïsoleerde bushings, en kabelafsluite), wat die isolasieprestasie onaangetas deur hooglandtoestande laat bly.
Bestaande Probleme: In werklike praktyk verhoog die verminderde buiteste atmosferedruk in hooglandareas die drukverskil tussen die binnekant en buitekant van die gaskamer. Dit veroorsaak beduidende bolvormige vervorming van die kamer, wat die meganiese prestasie van elektriese komponente soos skake en afknoppe affekteer. Dit kan lei tot operasie-verlamming en verandering in meganiese eienskappe.

1.2 Verminderde Fabrieksgasdrukinstelling

Ontwerpkonsep: Om die verhoogde interne-buite drukverskil in hooglandareas aan te spreek, verlaag hierdie skema die gasdruk binne die kamer by die fabriek. Wanneer die eenheid by hooglandareas aankom, veroorsaak die verminderde atmosfeeredruk die drukverskil om te styg na die waarde wat deur tegniese spesifikasies vereis word, wat die drukmeter die vereiste operasiedruk wys.
Bestaande Probleme: Hierdie ontwerp verlaag effektief die digtheid van die isolerende gas binne die kamer. Alhoewel die drukmeter die ontwerpwaarde wys in hooglandareas, is die isolasieprestasie van gasse intrinsiek verbind aan gasdigtheid volgens die Paschen-kromme (sien Fig. 1) geformuleer deur die Duitse fisikus Friedrich Paschen. Die Paschen-kromme plot die funksie afgelei van Paschen se Wet. Sy fisiese betekenis: Die breukspanning U (kV) is 'n funksie van die produk van elektrode-afstand d (cm) en gasdruk P (Torr), uitgedruk as U = apd / [ln(Pd) + b] (sien Fig. 1), waar a en b konstantes is. 

Die primêre belangrikheid van die kromme: Vir 'n vasgestelde isolasieafstand, verhoog druk of verlaag druk na naby vakuum (bv. 10⁻⁶ Torr) albei die gapbreukspanning. By naby-vakuumdrukke, maak 'n verlaagde vakuumvlak (d.w.s. verhoogde lugdigtheid) elektriese breuk tussen elektrodes makliker. Oor 'n sekere drukdrempel, verbeter isolasieprestasie geleidelik as druk styg. In hierdie fase (beyond punt a in Fig. 1), verlaag druk—and dus gasdigtheid—die breukspanning, wat beteken dat isolasieprestasie vermindering vind. Die operasiedrukinterval van gasgeïsoleerde ringhooftoestelle val volledig in hierdie area (die afdeling beyond punt a in Fig. 1).

1.3 Opsomming van Probleme met Konvensionele Hooglandontwerpe

• 'n Verhoogde drukverskil tussen die binnekant en buitekant van die gaskamer veroorsaak groter vervorming van die kamer, wat die meganiese operasie en prestasie van skake affekteer.

• Onder verhoogde interne-buite drukverskil toestande, is drukverligtingstoestelle meer geneig om te aktiveer.

• Drukmetingsapparate meet die relatiewe drukverskil tussen die binnekant en buitekant van die gasafdeling. Gasdigtheidmeter voeg temperatuurkompensasiefunksionaliteit by drukmetingsapparate. Geen van hierdie toestelle kan akkuraat die werklike gasdigtheid binne die afdeling op hoë hoogtes wys nie, maar gasdigtheid is intrinsiek verbind aan isolasievermoë.

• Verminderde atmosferiese digtheid op hoë hoogtes verswak gelyktydig die algehele isolasievermoë van die buiteligasende komponente van die gasafdeling.

2. Ontwerpskema vir Hoë-hoogte Gasgeïsoleerde Ringhoofverdeelkast
Op grond van die bostaande analise, behou die volledig geïsoleerde struktuur van gasgeïsoleerde ringhoofverdeelkast (met hoofgeleirotte volledig omsluit deur geslote gasafdelings, volledig geïsoleerde busse en volledig geïsoleerde kabelterminals) teoreties onveranderde isolasievermoë, maar dit word beïnvloed deur faktore wat by hoë hoogtes ontstaan: verhoogde interne-eksterne drukverskil in die gasafdeling, die onmoontlikheid om die insulasiegasdichtheid binne die afdeling te verminder, en die vereiste vir akkurate gasdigtheid-aanduiding. Gevolglik lê die sleutel tot die ontwerp van hoë-hoogte gasgeïsoleerde ringhoofverdeelkast in die gasafdeling en drukverligtingsapparaat-ontwerp, wat die hoë-hoogte omgewingsvereistes vir drukmetingsapparate in gasafdelings bevredig, en die verminderde algehele isolasievermoë van buiteligasende komponente by hoë hoogtes oplos.

2.1 Ontwerp van Gasafdeling en Drukverligtingsapparaat vir Hoë-hoogte Toepassings
Om die bogenoemde tegniese probleme aan te spreek, stel hierdie artikel 'n nuwe ontwerpkonsep voor vir hoë-hoogte gasgeïsoleerde ringhoofverdeelkast, wat verskil van gewone eenhede sonder spesiale ontwerp of dié wat slegs eenvoudige drukvermindering gebruik. Hierdie ringhoofverdeelkast het doelgerigte ontwerp in die volgende aspekte:

(1) Versterkte Strukturele Sterkheid van die Gasafdeling
Om teen die verhoogde interne-eksterne drukverskil veroorsaak deur hoë hoogtes te staan, word die strukturele sterkheid van die gasafdeling versterk. Dit verseker dat die afdeling se vervorming by hoë hoogtes binne tegniese spesifikasies bly, wat onveranderde meganiese vermoë van hoëspanningskomponente binne die afdeling verseker.

Volgens die Internasionale Standaard Atmosfeermodel, kan die standaard atmosferiese druk by 'n gegewe hoogte bereken word deur die formule:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
waar P die atmosferiese druk by 'n gegewe hoogte is; P₀ die standaard atmosferiese druk by seevlak is; H die hoogte.

Byvoorbeeld, by 'n hoogte van 4000 m:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.

Deur 'n tipiese 10 kV SF₆ gasgeïsoleerde ringhoofverdeelkast as voorbeeld te neem, is die gasafdeling se ontwerpdruk in nie-hoë-hoogte areas gewoonlik 0.07 MPa. Met inagneming van die verminderde atmosferiese druk by hoë hoogtes, kan die werklike ontwerpdruk vir die gasafdeling by 4000 m hoogte soos volg bereken word:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.

(2) Ontwerp van Drukverligtingsapparaat vir Hoë-hoogte Toepassings
Volgens die laaste nasionale standaard GB/T 3906—2020 "AC metal-omslote skakeel- en bedieningstoestelle vir nomentele spannings bo 3.6 kV en tot en met 40.5 kV", bepaal Afdeling 7.103 dat die gasafdeling van gasgeïsoleerde ringhoofverdeelkast 1.3 keer die ontwerpdruk (P₁) vir 1 minuut moet tros sonder aktivering van die drukverligtingsapparaat. As die druk voortgaan om te styg tussen 1.3 keer (P₁) en 3 keer (P₂) die ontwerpdruk, mag die drukverligtingsapparaat aktiveer. Dit is aanvaarbaar indien dit die vervaardiger se ontwerpspesifikasies bevredig. Na toetsing mag die gasafdeling vervorm, maar moet nie breek nie.

Die sterkheid van die gasafdeling en drukverligtingsapparaat volgens hierdie vereistes te ontwerp, bevredig nasionale standaarde. Gasafdelings en drukverligtingsapparate vir verskillende hoogtes kan alle met hierdie metode bereken en ontwerp word:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa

Deur die gasafdeling se struktuur te versterk — soos deur dikker plaatstal te gebruik of verstewigers by te voeg — word die afdeling se sterkheidvereistes volledig bevredig deur die verhoogde interne-eksterne drukverskil by hoë hoogtes. Dit vermy meganiese en elektriese prestasie-impakte op hoëspanningskragtoestelle binne die afdeling as gevolg van vervorming, wat stabiliteit by gestelde gasdruk verseker en dieselfde meganiese en elektriese prestasie in hoë-hoogte omgewings as in vlakareas lewer.

Deur ontwerp-berekeninge en eksperimentele validering, verhoog die verdikking en sterkheid van die drukverligtingsmembraan sy druktoleransievermoë. Dit verseker dat die gasafdeling se drukverligtingsbereik in ooreenstemming is met die gespesifiseerde drukbereikvereistes, wat vroeë aktivering van die drukverligtingsapparaat as gevolg van verhoogde interne-eksterne drukverskil in hoë-hoogte omgewings vermy. Dit handhaaf die interne isolasienivo en verseker die elektriese prestasie van die ringhoofverdeelkast.

2.2 Ontwerp van Gasdigtheid-aanduidingsapparaat vir Hoë-hoogte Toepassings
Die insulasiegasdigheid-aanduidingsapparaat maak gebruik van 'n geslote digheidsmeter. Sy aangeduide waarde word nie beïnvloed deur temperatuurveranderinge of eksterne atmosferiese drukverskille nie.

Vir hoë-hoogte gasgeïsoleerde ringhoofverdeelkast, word 'n geslote voltoestand-digheidsmeter vir die gasafdeling gekies, wat ongevoelig is vir temperatuur- en hoogte-effekte. Die werking prinsipe behels 'n kompensasie-element binne die digheidsmeter wat temperatuurkompensasie moontlik maak (ongevoelig vir temperatuur). Tegelykertyd het die meterkop 'n geslote struktuur waar die geslote kompartement standaard atmosferiese druk handhaaf. Die digheidsmeter se aangeduide drukwaarde verteenwoordig die drukverskil tussen die binnekant van die gasafdeling en standaard atmosferiese druk.

Hierdie ontwerp verseker dat die skaal van die digtheidmeter wat op die gas kompartement van die ring hoofeenheid geïnstalleer is, altyd akkuraat die werklike gasdigtheid binne die kompartement weerspieël. Die vertoonde waarde word nie deur temperatuur of hoogte beïnvloed nie en voldoen volledig aan die operasionele vereistes vir hoë-geleë areas.2.3 Ontwerp van Volledig Geïsoleerde Busse vir Hoë-Geleë Gas-Geïsoleerde Ring Hoofeenhede

Behalwe die gas kompartement en meetinstrumente, het hoë hewigheid ook 'n impak op buite gemonteerde, volledig geïsoleerde komponente soos ingaande/uitgaande lynbusse en kabel eindverbindinge. Die isolasieprestasie van hierdie buiteliggende, volledig geïsoleerde komponente word beïnvloed deur sowel die isolasie sterkte van die isolerende materiaal as die kruipisolasie sterkte relatief tot die grond. By hoë hewigheid verlaag die verminderde lugdigtheid die kruipisolasie sterkte relatief tot die grond. In praktiese toepassings misluk konvensioneel ontwerpte gas-geïsoleerde ring hoofeenhede dikwels die magfrequentie uithoubaarheidstoets vir buite geïsoleerde komponente (bv. isolerende busse of bo-opbreiding busbalke) na inrigging by hoë hewigheid.

Om dit aan te spreek, stel hierdie artikel 'n nuwe ontwerpskema voor vir volledig geïsoleerde busse in hoë-geleë gas-geïsoleerde ring hoofeenhede: die byvoeging van 'n geaarde skerm laag aan die buite oppervlak van sulke isolerende komponente. Hierdie ontwerp verbeter elektriese veld gelykmatigheid en verhoed grond ontlading vanaf die hoofkring busbalke.

In 'n buite 10 kV skakelstasie projek in Nagqu, Tibet, het 'n maatskappy tydens aanvaardingstoetse 'n situasie ervaar waar toerusting slegs 'n magfrequentie uithoubaarheidstoets van 29 kV/1 min teenoor die grond kon slaag. Na die byvoeging van 'n geaarde skerm laag aan die buite isolering van ingaande/uitgaande busse en buite busbalke van die gas kompartement, het die toerusting die nasionale standaard vereiste van 42 kV/1 min vir magfrequentie uithoubaarheid teenoor die grond bereik.

2.4 Opsomming van Tegniese Kryspunte
Die kritiese ontwerp aspekte vir hoë-geleë gas-gevulde geïsoleerde ring hoofeenhede is as volg:

• Versterk die strukturele sterkte van die gas kompartement deur die staalplaat dikte te verhoog of verstigers by te voeg om die vereistes vir drukverdraagsaamheidsbereik en vervormingsgrense as gevolg van verhoogde interne-eksterne drukverskil by hoë hewigheid te bevredig.

• Verbeter die sterkte ontwerp van die drukverligting membran in die gas kompartement se drukverligting toestel. Na versterking, voldoen dit aan die drukverdraagsaamheidsvereistes vir die drukverligting toestel onder verhoogde interne-eksterne drukverskil by hoë hewigheid.

• Maak gebruik van geslote digtheidmeters vir druk-aanduiding toestelle. Hul vertoonde waardes word nie deur temperatuurveranderinge of eksterne atmosferiese drukvariasies beïnvloed nie, wat dit geskik maak vir hoë-geleë omgewings.

• Ontwerp 'n geaarde skerm laag op die buite oppervlak van buite geïsoleerde komponente van die gas kompartement om elektriese veld gelykmatigheid te verbeter en grond ontlading vanaf hoofkring busbalke te verhoed.

3. Betekenis van Hoë-Geleë Gas-Geïsoleerde Ring Hoofeenheid Ontwerp
Hierdie ontwerp skema streef daarna om gas-geïsoleerde ring hoofeenhede te verskaf wat regtig die hoë-geleë operasionele vereistes bevredig. Deur gelyktydig die gas kompartement sterkte te versterk, die drukverdraagsaamheidsvermoë van drukverligting toestelle te verbeter, akkurate meting van interne gasdigtheid te moontlik te maak, en verwante isolerende komponente redelik te ontwerp, behaal die ring hoofeenheid volledige tegniese aanpasbaarheid aan hoë-geleë omgewings. Dit verseker die meganiese en elektriese prestasie van die ring hoofeenheid en maak normale werking van gas-geïsoleerde ring hoofeenhede in hoë-geleë omgewings moontlik.

China se hoë-geleë areas is uitgestrek, wat 'n enorme vraag na kragtoerusting wat aan hoë-geleë toestande aangepas is, skep. Die standaardisering en redelikheid van produkontwerp benodig dringend verbetering. Aktuele omgewingsveranderinge in hoë-geleë areas stel nuwe vereistes aan produkontwerp. Hierdie tegniese skema bied 'n nuwe ontwerp teorie en metodologie, wat 'n betekenisvolle verkenning verteenwoordig.