Naaoptima nga disenyo sa Gas-Insulated Switchgear alang sa mga lugar sa mataas nga altitud
Ang mga gas-insulated ring main units mao ang kompakto ug expandable nga switchgear nga angay sa medium-voltage power distribution automation systems. Ang mga device niini gigamit alang sa 12~40.5 kV ring network power supply, dual radial power supply systems, ug terminal power supply applications, nga naglingkod isip control ug protection devices alang sa electrical energy. Sila usab ang angay alang sa pag-install sa pad-mounted substations.
Pinaagi sa pag-distribute ug pag-schedule sa electrical energy, sila sigurado nga stable ang operasyon sa power systems. Ang core components sa mga device niini gigamit ang circuit breakers o combinations of load switches ug fuses, nga naghatag og mga advantage sama sa simple structure, small size, low cost, improved power supply parameters ug performance, ug enhanced power supply safety. Gi-widely sila gamit sa distribution stations ug pad-mounted substations sa mga load centers sama sa urban residential communities, high-rise buildings, large public facilities, ug industrial enterprises. Ang iba't ibang insulating gases nagserbi isip insulating medium, sama sa SF₆, dry air, nitrogen, o mixed gases, nga naghatag og high insulation performance ug environmental benefits, nga nag-lead sa widespread application sa power systems.
Ang pangunahing components sa kining tipo sa ring main unit gisulod sa sealed welded tank nga fulled uban sa insulating gas (hereinafter referred to as the "gas compartment"). Ang gas compartment mao ang core component sa gas-insulated ring main units. Ang iyang primary function mao ang sigurado nga ang high-voltage components sa dako wala maapektuhan pinaagi sa external environmental factors sama sa contamination, humidity, ug corrosion. Nagsiguro usab kini sa operating environment sa components ug normal electrical performance. Tanang internal components protektahan sa sealed gas compartment. Ang compartment equipped uban sa pressure or gas density monitoring devices, sama sa pressure gauges o density meters, typical nga nagsukol sa pressure differential tali sa interior ug exterior sa compartment.
Ang makadaot nga article primariya nag-address sa mga problema nga naaffect sa mechanical ug electrical performance sa ring main units sa high-altitude environments.
1. Common High-Altitude Design Schemes for Gas-Insulated Ring Main Units and Existing Issues
Ang gas-insulated ring main units adunay fully insulated designs, uban sa ilang main conductive circuits enclosed uban sa fully insulated system nga gisulod sa sealed gas compartments, fully insulated bushings alang sa incoming/outgoing lines, ug fully insulated cable terminations. Pinaagi kay ang internal environment sa gas compartment wala maapektuhan pinaagi sa external conditions, ang gas density ug humidity naglakip sa constant. Teoretikal, ang insulation performance wala maapektuhan pinaagi sa external factors sama sa humidity, contamination, o corrosive gases. Parehas, ang insulation performance sa bushings ug cable terminations—designed uban sa insulating materials sama sa epoxy resin ug silicone rubber—wala maapektuhan pinaagi sa external environment. Superficially, ang conventionally designed gas-insulated ring main units mahimong adaptable sa plateau environments, nag-lead sa daghang manufacturers nga mobelieve nga sila naa sa high-altitude operational requirements ug deploy sila directly sa sulod sa mga rehiyon niini.
Karon, duha ka primary technical schemes gigamit sa pag-apply sa gas-insulated ring main units sa high-altitude environments:
1.1 Direct Deployment in High-Altitude Areas
Design Concept: Kini nga approach gi-rely sa principle nga ang main conductive circuit fully enclosed uban sa insulated system (sealed gas compartment, fully insulated bushings, ug cable terminations), nga nagmake sa insulation performance wala maapektuhan pinaagi sa high-altitude conditions.
Existing Issues: Sa actual operation, ang reduced external atmospheric pressure sa high altitudes nag-increase sa pressure differential tali sa interior ug exterior sa gas compartment. Kini nagcause sa significant bulging deformation sa compartment, nga naaffect sa mechanical performance sa electrical components sama sa circuit breakers ug disconnectors. Kini mahimong mag-lead sa operational jamming ug changes sa mechanical characteristics.
1.2 Reduced Factory Gas Pressure Setting
Design Concept: Aron address sa increased internal-external pressure differential sa high altitudes, kini nga scheme nagreduce sa gas pressure sa dako sa compartment sa factory. Sa panahon ang unit moabot sa high-altitude sites, ang reduced atmospheric pressure nagcause sa pressure differential nga magrise sa value nga required sa technical specifications, nagmake sa pressure gauge display sa required operational pressure.
Existing Issues: Kini nga design effectively nagreduce sa density sa insulating gas sa dako sa compartment. Bisag ang pressure gauge nagshow sa designed value sa high altitudes, ang insulation performance sa gases intrinsically linked sa gas density pinaagi sa Paschen curve (see Fig. 1) formulated ni German physicist Friedrich Paschen. Ang Paschen curve plots ang function derived gikan sa Paschen’s Law. Iyang physical meaning: Ang breakdown voltage U (kV) mao ang function sa product sa electrode distance d (cm) ug gas pressure P (Torr), expressed isip U = apd / [ln(Pd) + b] (see Fig. 1), diin a ug b mao ang constants.
Ang primary significance sa curve: Para sa fixed insulation distance, ang pag-increase sa pressure o pag-reduce sa pressure pinaagi sa vacuum (e.g., 10⁻⁶ Torr) both nagraise sa gap breakdown voltage. Sa near-vacuum pressures, ang reduced vacuum level (i.e., increased air density) nagmake sa electrical breakdown tali sa electrodes mas easy. Beyond a certain pressure threshold, ang insulation performance gradually improves pinaagi sa increase sa pressure. Sa kana nga phase (beyond point a sa Fig. 1), ang pag-reduce sa pressure—and thus gas density—naglower sa breakdown voltage, meaning ang insulation performance nagdeteriorate. Ang operational pressure range sa gas-insulated ring main units nakapuyo sa entire region (the section beyond point a sa Fig. 1).
1.3 Summary of Issues with Conventional High-Altitude Designs
Ang increased pressure differential tali sa interior ug exterior sa gas compartment nagcause sa greater deformation sa compartment, nga naaffect sa mechanical operation ug performance sa switches.
Sa increased internal-external pressure differential conditions, ang pressure relief devices mas prone sa activation.
Ang mga pressure gauge gitas-on ang kaibhan sa presyon tali sa interior ug exterior sa gas compartment. Ang mga gas density meter nagpadugang og temperature compensation functionality sa mga pressure gauge. Wala sila makapakita sa eksaktong gas density sa loob sa compartment sa mataas nga altitudes, samtang ang gas density estensibong gibag-o sa insulation performance.
Ang pagbawas sa atmospheric density sa mataas nga altitudes kasinultihan usab ang komprehensibo nga insulation performance sa external insulating components sa gas compartment.
2. Design Scheme para sa High-Altitude Gas-Insulated Ring Main Units
Batasan sa analisis sa itaas, bagama't ang fully insulated structure sa gas-insulated ring main units (tungod kay ang main conductive circuits fully enclosed niadtong sealed gas compartments, fully insulated bushings, ug fully insulated cable terminations) teoretikal nga walay naapektuhan ang insulation performance, naimpluwensyahan gihapon kini pinaagi sa mga factor nga moadto sa mataas nga altitudes: pagtaas sa internal-external pressure differential sa gas compartment, ang dili makapahimulos sa insulating gas density sa loob sa compartment, ug ang pangutana alang sa accurate gas density indication. Busa, ang design key alang sa high-altitude gas-insulated ring main units nahimutang sa gas compartment ug pressure relief device design, pagpadako sa high-altitude environmental requirements alang sa gas compartment pressure gauges, ug pag-resolve sa pagbawas sa comprehensive insulation capability sa external insulating components sa mataas nga altitudes.
2.1 Design of Gas Compartment ug Pressure Relief Device para sa High-Altitude Applications
Arong masolboson ang gisulti nga teknikal nga problema, gi-propose kini nga paper usa ka bago nga design concept para sa high-altitude gas-insulated ring main units, di pareho sa ordinaryong units nga wala'y specialized design o ang gamiton lamang og simple pressure reduction. Kini nga ring main unit may target nga design sa mga sumala nga aspeto:
(1) Enhanced Structural Strength sa Gas Compartment
Arong labanan ang pagtaas sa internal-external pressure differential gikan sa mataas nga altitudes, ang structural strength sa gas compartment gigamit. Kini nagpahigayon nga ang deformation sa compartment sa mataas nga altitudes mobalhin pa sa technical specifications, naghatag og walay naapektuhan nga mechanical performance sa high-voltage components sa loob.
Batasan sa International Standard Atmosphere model, ang standard atmospheric pressure sa isip nga altitude mahimo mapangulo pinaagi sa formula:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
diin P ang atmospheric pressure sa isip nga altitude; P₀ ang standard atmospheric pressure sa sea level; H ang altitude.
Tumong sa altitude nga 4000 m:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.
Gamiton ang typical 10 kV SF₆ gas-insulated ring main unit isip ehem, ang gas compartment design pressure sa non-high-altitude areas karaniwan 0.07 MPa. Batasan sa pagbawas sa atmospheric pressure sa mataas nga altitudes, ang aktwal nga design pressure sa gas compartment sa 4000 m altitude mahimo mapangulo pinaagi sa:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.
(2) Design of Pressure Relief Device para sa High-Altitude Applications
Sumala sa pinaka bag-ong national standard GB/T 3906—2020 "AC metal-enclosed switchgear and controlgear for rated voltages above 3.6 kV and up to and including 40.5 kV", Section 7.103 gisulti nga ang gas compartment sa gas-insulated ring main units kinahanglan molambo 1.3 times ang design pressure (P₁) sa usa ka minuto walay activation sa pressure relief device. Kon ang pressure magpadayon pagtaas tali sa 1.3 times (P₁) ug 3 times (P₂) ang design pressure, ang pressure relief device mahimo mopasabot. Kini acceptable kon iya lang makadugang sa design specifications sa manufacturer. Pagkahuman sa testing, ang gas compartment mahimo moguho pero dili pwede mogubat.
Paggamit sa strength sa gas compartment ug pressure relief device sumala sa kini nga mga requirement nagpahigayon sa national standards. Ang gas compartments ug pressure relief devices para sa uban-uban nga altitudes mahimo mapangulo ug designed pinaagi niini nga method:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa
Pinaagi sa structural reinforcement sa gas compartment—usa ka ehem adunay paggamit og thicker steel plates o pagdugang og stiffeners—ang compartment fully meets ang strength requirements gikan sa pagtaas sa internal-external pressure differential sa mataas nga altitudes. Kini nagpakita og walay mechanical ug electrical performance impacts sa high-voltage switches sa loob sa compartment gikan sa deformation, naghatag og stable operation sa rated gas pressure ug nag-deliver og sama nga mechanical ug electrical performance sa high-altitude environments sama sa plains areas.
Pinaagi sa design calculations ug experimental validation, ang pagtaas sa thickness ug strength sa pressure relief diaphragm nag-improve sa iyang pressure tolerance capability. Kini nagpahigayon nga ang gas compartment’s pressure relief range compliant sa specified pressure range requirements, nagprevent sa premature activation sa pressure relief device gikan sa pagtaas sa internal-external pressure differential sa high-altitude environments. Kini nagmaintain sa internal insulation level ug nagensure sa electrical performance sa ring main unit.
2.2 Design of Gas Density Indication Device para sa High-Altitude Applications
Ang insulating gas density indication device nagamit og sealed-type density meter. Ang iyang displayed value walay naapektuhan batasan sa temperature changes o external atmospheric pressure variations.
Para sa high-altitude gas-insulated ring main units, ang density meter gipili para sa gas compartment usa ka sealed-type full-condition density meter, immune sa temperature ug altitude effects. Ang iyang principle of operation involve usa ka compensation element sa loob sa density meter enabling temperature compensation (walay naapektuhan batasan sa temperature). Sa samang panahon, ang meter head adunay sealed structure diin ang sealed chamber nagmaintain sa standard atmospheric pressure. Ang displayed pressure value sa density meter represent sa pressure difference tali sa interior sa gas compartment ug standard atmospheric pressure.
Ang disenyo niini sigurado nga ang sukat sa density meter nga gisulod sa gas compartment sa ring main unit mahimong makapahayag ngadto sa aktwal nga gas density sa sulod sa compartment. Ang ipahayag nga balor wala maapektuhan sa temperatura ug altitude, pulos naa sa kinatibuk-ang operational requirements para sa mga rehiyon sa mataas nga altitude.2.3 Disenyo sa Fully Insulated Bushings para sa High-Altitude Gas-Insulated Ring Main Units
Bisan pa ang gas compartment ug measuring instruments, ang mataas nga altitude usab maapektuhan ang fully insulated components sama sa incoming/outgoing line bushings ug cable terminal joints nga gisulod sa labas. Ang insulating performance sa mga external fully insulated components naa sa epekto gikan sa insulation strength sa insulating material ug sa creepage insulation strength relative sa ground. Sa mataas nga altitude, ang pagbawas sa air density magpadako sa creepage insulation strength relative sa ground. Sa praktikal nga aplikasyon, ang konbensyonal nga disenyo sa gas-insulated ring main units kasagaran mao'y naglalaho sa power frequency withstand voltage tests para sa external insulating components (e.g., insulating bushings o top-expansion busbars) human sa deployment sa mataas nga altitude.
Para masolbaran kini, ang paper naa sa proponer nga bag-ong disenyo para sa fully insulated bushings sa high-altitude gas-insulated ring main units: pagdugang og grounded shielding layer sa outer surface sa mga insulating components. Kini nga disenyo mapapatagan ang electric field uniformity ug mapaprevent ang ground discharge gikan sa main circuit busbars.
Sa usa ka outdoor 10 kV switching station project sa Nagqu, Tibet, ang usa ka kompanya nakakita og sitwasyon diin ang equipment mogamit lang sa power frequency withstand voltage test nga 29 kV/1 min relative sa ground. Human sa pagdugang og grounded shielding layer sa outer insulation sa incoming/outgoing bushings ug external busbars sa gas compartment, ang equipment naka-meet sa national standard requirement nga 42 kV/1 min sa power frequency withstand voltage relative sa ground.
2.4 Summary sa Technical Key Points
Ang mga critical design aspects para sa high-altitude gas-filled insulated ring main units adunay sumala:
Pagpatagan sa structural strength sa gas compartment pinaagi sa pagtaas sa thickness sa steel plate o pagdugang og stiffeners aron mosatisfy sa requirements sa pressure tolerance range ug deformation limits resulta sa pagtaas sa internal-external pressure differential sa mataas nga altitude.
Pagpatagan sa strength design sa pressure relief diaphragm sa pressure relief device sa gas compartment. Human sa pagpatagan, kini mosatisfy sa pressure tolerance range requirements para sa pressure relief device sa pagtaas sa internal-external pressure differential sa mataas nga altitude.
Adopt sealed-type density meters para sa pressure indication devices. Ang ilang ipahayag nga balor wala maapektuhan sa temperature changes o external atmospheric pressure variations, pulos suitable para sa high-altitude environments.
Disenyo og grounded shielding layer sa outer surface sa external insulating components sa gas compartment aron mapatagan ang electric field uniformity ug maprevent ang ground discharge gikan sa main circuit busbars.
3. Significance sa High-Altitude Gas-Insulated Ring Main Unit Design
Kini nga disenyo scheme naglakip sa gas-insulated ring main units nga makapasa sa high-altitude operational requirements. Pinaagi sa pagpatagan sa gas compartment strength, pag-improve sa pressure tolerance capability sa pressure relief devices, accurate measurement sa internal gas density, ug rational design sa related insulating components, ang ring main unit makamao sa complete technical adaptability sa high-altitude environments. Kini nag-siguro sa mechanical ug electrical performance sa ring main unit ug nag-enable sa normal operation sa gas-insulated ring main units sa high-altitude environments.
Ang China may dugang katakos nga high-altitude regions, naghatag og dako nga demand para sa power equipment nga adapted sa high-altitude conditions. Ang standardization ug rationality sa product design urgent need improvement. Ang actual environmental variations sa high-altitude regions naghatag og bag-ong requirements sa product design. Kini nga teknikal nga scheme naghatag og bag-ong design theory ug methodology, represent isip usa ka meaningful exploration.
