Оптимизиран дизай на газово изолирано комутационно устройство за райони с висока надморска височина
Газоизолираните кръгови главни агрегати са компактни и разширителни комутационни устройства, подходящи за автоматизирани системи за среднонапрегнато електроенергийно разпределение. Тези устройства се използват за енергийно осигуряване на кръгови мрежи от 12 до 40,5 кВ, двойни радиални системи за енергийно осигуряване и терминални приложения, служейки като устройства за контрол и защита на електрическата енергия. Те са също така подходящи за инсталиране в преобразувателни станции.
Чрез разпределение и планиране на електрическата енергия те осигуряват стабилна работа на енергийните системи. Основните компоненти на тези устройства използват прекъсвачи или комбинации от натоварени ключове и предпазни пръстени, предлагайки предимства като проста конструкция, малък размер, ниска цена, подобрени параметри и характеристики на доставката на енергия, както и подобряване на безопасността на доставката. Те са широко използвани в разпределителни станции и преобразувателни станции, разположени в центрове на натовареност, като градски жилищни общности, високи сгради, големи обществени обекти и промишлени предприятия. В качеството на изолираща среда се използват различни газове, включително SF₆, сух въздух, азот или смесени газове, които предоставят висока изолираща способност и екологични предимства, водещи до широкото им приложение в енергийните системи.
Основните компоненти на този тип кръгови главни агрегати са инсталирани в запечатана сварена резервоар, напълнена с изолиращ газ (по-нататък наричана "газова камера"). Газовата камера е основния компонент на газоизолираните кръгови главни агрегати. Нейната основна функция е да гарантира, че високонапрегнатите компоненти вътре работят без влияние от външни фактори, като замърсяване, влажност и корозия. Същевременно тя гарантира и работната среда на компонентите, и нормалната електрическа характеристика. Всички вътрешни компоненти са защитени от запечатаната газова камера. Камерата е оборудвана с устройства за наблюдение на налягането или плътността на газа, като манометри или плътномери, които обикновено измерват диференциала на налягането между вътрешната и външната страна на камерата.
Тази статия се занимава в основно с проблеми, засягащи механичната и електрическата характеристика на кръговите главни агрегати в условия на високо надморско ниво.
1. Общи дизайнерски решения за газоизолираните кръгови главни агрегати в условия на високо надморско ниво и съществуващи проблеми
Газоизолираните кръгови главни агрегати разполагат с пълно изолиращо проектиране, като техните основни проводящи контури са обкръжени от пълно изолираща система, включваща запечатана газова камера, пълно изолиращи бушони за входящи/изходящи линии и пълно изолиращи кабелни концеви части. Тъй като вътрешната среда на газовата камера остава непоклатена от външните условия, плътността и влажността на газа остават постоянни. Теоретично изолиращата способност не е подложена на влияние от външни фактори като влажност, замърсяване или корозионни газове. Подобно на това, изолиращата способност на бушоните и кабелните концеви части - проектирани с изолиращи материали като епоксидна смола и силексова гума - не се засяга от външната среда. Повърхностно, конвенционално проектирани газоизолираните кръгови главни агрегати изглеждат пригодими за плато-околната среда, водейки много производители да вярват, че отговарят на изискванията за работа в условия на високо надморско ниво, и да ги разполагат директно в такива области.
В момента се използват две основни технически решения при прилагането на газоизолираните кръгови главни агрегати в условия на високо надморско ниво:
1.1 Директно разполагане в области с високо надморско ниво
Концепция на проекта: Този подход се основава на принципа, че основният проводящ контур е пълно изолиран от изолиращата система (запечатана газова камера, пълно изолиращи бушони и кабелни концеви части), което прави изолиращата способност неподложена на влияние от условията на високо надморско ниво.
Съществуващи проблеми: В реалната работа, намаленото външно атмосферно налягане в условията на високо надморско ниво увеличава диференциала на налягането между вътрешната и външната страна на газовата камера. Това причинява значителна деформация на камерата, засягаща механичната характеристика на електрическите компоненти като прекъсвачи и разединители. Това може да доведе до оперативно закъсняване и промени в механичните характеристики.
1.2 Намалено заводско настройване на налягането на газа
Концепция на проекта: За да се справи с увеличената разлика в налягането между вътрешната и външната страна на газовата камера при високо надморско ниво, този проект намалява налягането на газа в камерата в завода. Когато устройството достигне областта с високо надморско ниво, намаленото атмосферно налягане причинява диференциала на налягането да се увеличи до стойността, изисквана от техническите спецификации, като манометърът показва необходимото оперативно налягане.
Съществуващи проблеми: Този дизайн ефективно намалява плътността на изолиращия газ в камерата. Въпреки че манометърът показва проектираната стойност при високо надморско ниво, изолиращата способност на газовете е в основата си свързана с плътността на газа според кривата на Пашен (виж фигура 1) формулирана от немския физик Фридрих Пашен. Кривата на Пашен изобразява функцията, извлечена от законите на Пашен. Нейното физическо значение: Разпадното напрежение U (кВ) е функция от произведението на разстоянието между електродите d (см) и налягането на газа P (торр), изразено като U = apd / [ln(Pd) + b] (виж фигура 1), където a и b са константи.
Основното значение на кривата: За фиксирано изолиращо разстояние, увеличаването на налягането или намаляването му към вакуум (например 10⁻⁶ торр) повишава напрежението на разпад. При близки до вакуум налягания, намаленият вакуум (тоест, увеличена плътност на въздуха) прави електрическия разпад между електродите по-лесен. От определен порог на налягането, изолиращата способност се подобрява с увеличаването на налягането. В тази фаза (след точка a на фигура 1), намаляването на налягането - и следователно плътността на газа - намалява напрежението на разпад, което означава, че изолиращата способност се влошава. Оперативният диапазон на налягането на газоизолираните кръгови главни агрегати се намира изцяло в този регион (секцията след точка a на фигура 1).
1.3 Резюме на проблемите с конвенционалните дизайнерски решения за високо надморско ниво
Увеличената разлика в налягането между вътрешната и външната страна на газовата камера причинява по-голяма деформация на камерата, засягаща механичната работа и характеристика на ключовете.
При увеличена разлика в налягането между вътрешната и външната страна, устройства за облекчаване на налягането са по-склонни да се активират.
Манометрите измерват относителната разлика в налягането между вътрешността и външността на газовото отделение. Мерните уреди за плътност на газа добавят функция за компенсация на температурата към манометрите. Нито един от тях не може точно да покаже действителната плътност на газа в отделението при високи надморски височини, въпреки че плътността на газа е неразделно свързана с изолационната способност.
Намалената плътност на атмосферата при високи надморски височини едновременно влошава комплексната изолационна способност на външните изолационни компоненти на газовото отделение.
2. Проектно решение за високопланински газовоизолирани разпределителни уредби
Въз основа на горния анализ, въпреки че напълно изолираната структура на газовоизолираните разпределителни уредби (с основни проводящи вериги напълно затворени в запечатани газови отделения, напълно изолирани изводи и напълно изолирани кабелни завършвания) теоретично запазва непроменена изолационната си способност, тя е подложена на фактори, възникващи при високи надморски височини: увеличена разлика в налягането между вътрешността и външността на газовото отделение, невъзможността за намаляване на плътността на изолационния газ в отделението и необходимостта от точен индикатор за плътност на газа. Следователно ключът при проектирането на високопланински газовоизолирани разпределителни уредби се състои в проектирането на газовото отделение и устройството за отваряне на налягането, удовлетворяване на изискванията за газови манометри при високи надморски височини и решаване на проблема с намалената комплексна изолационна способност на външните изолационни компоненти при високи надморски височини.
2.1 Проектиране на газово отделение и устройство за отваряне на налягането за приложение при високи надморски височини
За решаване на посочените технически проблеми в настоящия документ се предлага нов концептуален проект за високопланински газовоизолирани разпределителни уредби, различен от обикновените уредби без специализирано проектиране или такива, които просто прилагат проста редукция на налягането. Тази разпределителна уредба има целенасочено проектиране по следните аспекти:
(1) Подсилена конструктивна якост на газовото отделение
За противодействие на увеличената разлика в налягането между вътрешността и външността, причинена от високите надморски височини, конструктивната якост на газовото отделение се засилва. Това гарантира, че деформацията на отделението при високи надморски височини остава в рамките на техническите спецификации, осигурявайки непроменена механична производителност на високонапрежните компоненти вътре.
Според международния стандартен атмосферен модел, стандартното атмосферно налягане при дадена надморска височина може да се изчисли по формулата:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
където P е атмосферното налягане при дадена надморска височина; P₀ е стандартното атмосферно налягане на морско равнище; H е надморската височина.
Като пример при надморска височина от 4000 m:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.
Като пример при типична 10 kV SF₆ газовоизолирана разпределителна уредба, проектното налягане на газовото отделение в райони без висока надморска височина обикновено е 0.07 MPa. Като се има предвид намаленото атмосферно налягане при високи надморски височини, действителното проектно налягане за газовото отделение на 4000 m надморска височина може да се изчисли както следва:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.
(2) Проектиране на устройство за отваряне на налягането за приложение при високи надморски височини
Според най-новия национален стандарт GB/T 3906—2020 "Промишлени металнооблицовани превключватели и управление за номинални напрежения над 3.6 kV и до 40.5 kV включително", раздел 7.103 предвижда, че газовото отделение на газовоизолираните разпределителни уредби трябва да издържа на 1.3 пъти проектното налягане (P₁) в продължение на 1 минута без задействане на устройството за отваряне на налягането. Ако налягането продължи да нараства между 1.3 пъти (P₁) и 3 пъти (P₂) проектното налягане, устройството за отваряне на налягането може да се задейства. Това е допустимо, при условие че се спазват проектните спецификации на производителя. След изпитването, газовото отделение може да се деформира, но не трябва да се скъса.
Проектирането на якостта на газовото отделение и устройството за отваряне на налягането според тези изисквания отговаря на националните стандарти. Газови отделения и устройства за отваряне на налягането за различни надморски височини могат всички да бъдат изчислени и проектирани чрез този метод:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa
Чрез конструктивно подсилване на газовото отделение — като използване на по-дебели стоманени плочи или добавяне на ребра за подсилване — отделението напълно отговаря на изискванията за якост, наложени от увеличената разлика в налягането между вътрешността и външността при високи надморски височини. Това избягва влиянието върху механичната и електрическата производителност на високонапрежните прекъсвачи вътре в отделението, причинено от деформация, осигурявайки стабилна работа при номинално газово налягане и осигурявайки еднаква механична и електрическа производителност в условията при високи надморски височини, както и в равнинните области.
Чрез проектни изчисления и експериментална проверка, увеличаването на дебелината и якостта на мембраната за отваряне на налягането повишава нейната способност за понасяне на налягане. Това гарантира, че диапазонът за отваряне на налягането на газовото отделение отговаря на изискванията за определения диапазон на налягане, предотвратявайки ранното задействане на устройството за отваряне на налягането поради увеличената разлика в налягането между вътрешността и външността в условията при високи надморски височини. Това запазва вътрешното ниво на изолация и осигурява електрическата производителност на разпределителната уредба.
2.2 Проектиране на устройство за индикация на плътността на газа за приложение при високи надморски височини
Устройството за индикация на плътността на изолационния газ използва плътномер от запечатан тип. Показаната стойност остава непроменена при промени в температурата или външното атмосферно налягане.
За високопланински газовоизолирани разпределителни уредби, избраният плътномер за газовото отделение е от тип запечатан плътномер за всички условия, който е имунен към влиянието на температурата и височината. Принципът на действие включва компенсиращ елемент вътре в плътномера, осигуряващ компенсация на температурата (независим от температурата). Едновременно с това главата на уреда има запечатана структура, при която запечатаната камера поддържа стандартно атмосферно налягане. Показаната от плътномера стойност на налягането представлява разликата в налягането между вътрешността на газовото отделение и стандартното атмосферно налягане.
Този проект осигурява, че мащабът на плътностомера, инсталиран в газовия отсек на кръговата главна единица, винаги точно отразява фактическата газова плътност в отсека. Показанията остават незасегнати от температурата и височината, напълно отговарящи на изискванията за експлуатация в райони с висока надморска височина.2.3 Проект на пълнопокрити изолатори за газоизолирани кръгови главни единици при висока надморска височина
Освен влиянието върху газовите отсеки и измервателните прибори, високата надморска височина оказва влияние и върху външно монтирани пълнопокрити компоненти като входящи/изходящи изолатори и кабелни концеви разединения. Изоляционните характеристики на тези външни пълнопокрити компоненти са засегнати както от изоляционната сила на изолационния материал, така и от изоляционната сила на пробиване спрямо земята. При висока надморска височина, намалената въздушна плътност намалява изоляционната сила на пробиване спрямо земята. В практически приложения, конвенционално проектирани газоизолирани кръгови главни единици често не преминават тестовете за издържане на оперативно напрежение на външни изолационни компоненти (например изолатори или горни разширители на шинопровод) след разположение в района с висока надморска височина.
За да се преодолее това, настоящата работа предлага нов проектен вариант за пълнопокрити изолатори в газоизолирани кръгови главни единици при висока надморска височина: добавяне на защитен слой, свързан с земята, към външната повърхност на тези изолационни компоненти. Този проект подобрява равномерността на електрическото поле и предотвратява пробиване на земята от главните шинопроводи.
В проекта за външна 10 кV преходна станция в Нагчу, Тибет, компания е срещнала ситуация при приемните тестове, при която оборудването можеше да премине само тест за издържане на оперативно напрежение от 29 кV/1 мин спрямо земята. След добавянето на защитен слой, свързан с земята, към външната изолация на входящите/изходящите изолатори и външните шинопроводи на газовия отсек, оборудването удовлетвори националния стандарт за издържане на оперативно напрежение от 42 кV/1 мин спрямо земята.
2.4 Обобщение на ключови технически точки
Ключовите аспекти на проекта за газоизолирани кръгови главни единици при висока надморска височина са следните:
Усиление на конструктивната сила на газовия отсек чрез увеличаване на дебелината на стоманените плочи или добавяне на усилители, за да се отговорят на изискванията за диапазон на издържане на налягане и ограничения на деформация, причинени от увеличената разлика в налягането между вътрешната и външната част при висока надморска височина.
Подобряване на проекта на силата на релефната мембрана в устройството за релефно отваряне на газовия отсек. След усилването, тя удовлетворява изискванията за диапазон на издържане на налягане на устройството за релефно отваряне при увеличената разлика в налягането между вътрешната и външната част при висока надморска височина.
Използване на герметични плътностомери за устройства за указание на налягането. Их показания остават незасегнати от промените в температурата или вариациите на външното атмосферно налягане, което ги прави подходящи за околната среда при висока надморска височина.
Проект на защитен слой, свързан с земята, на външната повърхност на външните изолационни компоненти на газовия отсек, за да се подобри равномерността на електрическото поле и да се предотврати пробиване на земята от главните шинопроводи.
3. Значение на проекта на газоизолирани кръгови главни единици при висока надморска височина
Целта на този проектен вариант е да предостави газоизолирани кръгови главни единици, които наистина отговарят на изискванията за експлуатация при висока надморска височина. Чрез същевременно усиление на конструктивната сила на газовите отсеки, подобряване на способността за издържане на налягане на устройствата за релефно отваряне, възможност за точни измервания на вътрешната газова плътност и рационален проект на съответните изолационни компоненти, кръговата главна единица постига пълна техническа адаптираност към околната среда при висока надморска височина. Това гарантира механичната и електрическата работоспособност на кръговата главна единица и позволява нормална работа на газоизолираните кръгови главни единици в околната среда при висока надморска височина.
Обширните области с висока надморска височина в Китай създават огромен спрос за електрооборудване, адаптирано към условията при висока надморска височина. Стандартизирането и рационалността на проекта на продуктите настоятелно изискват подобряване. Фактическите вариации на околната среда в областите с висока надморска височина налагат нови изисквания към проекта на продуктите. Този технически вариант предоставя нова теория и методология на проекта, представлявайки значимо изследване.
