Optimalizovaný návrh plynově izolovaného spínacího zařízení pro oblasti s vysokou nadmořskou výškou
Plynově izolované okružní stanice jsou kompaktní a rozšiřitelné vypínače vhodné pro středněvýkonové systémy automatizace distribuce elektrické energie. Tyto zařízení se používají pro zásobování elektrickou energií v síti s napětím 12~40,5 kV, dvojitých radiálních zdrojích elektrické energie a koncových aplikacích, slouží jako kontrolní a ochranná zařízení pro elektrickou energii. Jsou také vhodné pro instalaci v pad-mountovaných transformatorových stanicích.
Distribucí a plánováním elektrické energie zajišťují stabilní provoz elektrických systémů. Jádrem těchto zařízení jsou vypínače nebo kombinace nákladových spínačů a pojistek, což nabízí výhody jako jednoduchá konstrukce, malé rozměry, nízké náklady, zlepšené parametry a výkonnost zásobování a zvýšenou bezpečnost zásobování. Široce se používají v distribučních stanicích a pad-mountovaných transformatorových stanicích v místech centrálního zatížení, jako jsou městské obytné komunity, vysoké budovy, velké veřejné zařízení a průmyslové podniky. Různé izolační plyny slouží jako izolační prostředí, včetně SF₆, suchého vzduchu, dusíku nebo směsí plynů, což poskytuje vysokou izolační výkonnost a environmentální výhody, což vede k širokému použití v elektrických systémech.
Hlavní komponenty tohoto typu okružní stanice jsou nainstalovány uvnitř uzavřené svařené nádrže plné izolačního plynu (dále jen „plynová komora“). Plynová komora je jádrem plynově izolovaných okružních stanic. Její hlavní funkcí je zajistit, aby vysokovoltové komponenty uvnitř fungovaly bez ovlivnění externími faktory, jako jsou kontaminace, vlhkost a korze. Zároveň zaručuje jak pracovní prostředí komponent, tak normální elektrické vlastnosti. Všechny vnitřní komponenty jsou chráněny uzavřenou plynovou komorou. Komora je vybavena přístroji pro měření tlaku nebo hustoty plynu, jako jsou manometry nebo densitometry, které obvykle měří tlakový rozdíl mezi vnitřkem a vnějškem komory.
Tento článek se primárně zabývá problémy ovlivňujícími mechanické a elektrické vlastnosti okružních stanic v oblastech vysokých nadmořských výšek.
1. Běžné konstrukční schémata pro plynově izolované okružní stanice v oblastech vysokých nadmořských výšek a existující problémy
Plynově izolované okružní stanice mají plně izolované návrhy, jejich hlavní vodičové obvody jsou uzavřeny v plně izolovaném systému složeném z uzavřených plynových komor, plně izolovaných trubek pro vstup a výstup a plně izolovaných ukončení kabelů. Protože vnitřní prostředí plynové komory není ovlivněno externími podmínkami, hustota plynu a vlhkost zůstávají konstantní. Teoreticky je izolační výkon imunní vůči externím faktorům, jako je vlhkost, kontaminace nebo korozi. Podobně izolační výkon trubic a ukončení kabelů, navržených s izolačními materiály, jako je epoxidová smola a silikónový gumár, není ovlivněn externím prostředím. Povrchove, konvenčně navržené plynově izolované okružní stanice vypadají být přizpůsobitelné k vrchovinným prostředím, což vedlo mnoho výrobců k přesvědčení, že splňují požadavky na provoz v oblastech vysokých nadmořských výšek, a nasazují je přímo do těchto oblastí.
Aktuálně se používají dvě hlavní technické schémata při použití plynově izolovaných okružních stanic v oblastech vysokých nadmořských výšek:
1.1 Přímé nasazení v oblastech vysokých nadmořských výšek
Koncept návrhu: Tento přístup vychází z principu, že hlavní vodičový obvod je plně uzavřen v izolačním systému (uzavřená plynová komora, plně izolované trubky a ukončení kabelů), což znamená, že izolační výkon není ovlivněn podmínkami v oblastech vysokých nadmořských výšek.
Existující problémy: V reálném provozu snížený externí atmosférický tlak v oblastech vysokých nadmořských výšek zvyšuje tlakový rozdíl mezi vnitřkem a vnějškem plynové komory. To způsobuje výrazné deformace komory, což ovlivňuje mechanické vlastnosti elektrických komponent, jako jsou vypínače a odpojovače. Může to vést k blokování operace a změnám mechanických charakteristik.
1.2 Snížení továrního nastavení tlaku plynu
Koncept návrhu: Aby se vyřešil zvýšený tlakový rozdíl mezi vnitřkem a vnějškem plynové komory v oblastech vysokých nadmořských výšek, tento návrh snižuje tlak plynu uvnitř komory v továrně. Když zařízení dorazí na místa v oblastech vysokých nadmořských výšek, snížený atmosférický tlak způsobí, že tlakový rozdíl stoupne na hodnotu požadovanou technickými specifikacemi, což způsobí, že manometr zobrazí požadovaný operační tlak.
Existující problémy: Tento návrh efektivně snižuje hustotu izolačního plynu uvnitř komory. I když manometr v oblastech vysokých nadmořských výšek zobrazuje navrženou hodnotu, izolační výkon plynů je intrinsicky spojen s hustotou plynu podle Paschenovy křivky (viz obr. 1) formulované německým fyzikem Friedrichem Paschenem. Paschenova křivka zobrazuje funkci odvozenou z Paschenova zákona. Fyzikální význam: Rozbití napětí U (kV) je funkcí součinu vzdálenosti elektrod d (cm) a tlaku plynu P (Torr), vyjádřeno jako U = apd / [ln(Pd) + b] (viz obr. 1), kde a a b jsou konstanty.
Hlavní význam této křivky: Pro pevnou izolační vzdálenost zvyšuje tlak nebo snižování tlaku směrem k vakuu (např. 10⁻⁶ Torr) oba zvyšují napětí rozbití mezery. Při téměř vakuových tlacích snížení úrovně vakuu (tedy zvýšení hustoty vzduchu) usnadňuje elektrické rozbití mezi elektrodami. Za určitou hranici tlaku se izolační výkon postupně zlepšuje s růstem tlaku. V této fázi (za bodem a na obr. 1) snížení tlaku a tedy hustoty plynu snižuje napětí rozbití, což znamená, že izolační výkon se zhoršuje. Operační tlakový rozsah plynově izolovaných okružních stanic se celý nachází v této oblasti (sekce za bodem a na obr. 1).
1.3 Shrnutí problémů s konvenčními návrhy pro oblasti vysokých nadmořských výšek
Zvýšený tlakový rozdíl mezi vnitřkem a vnějškem plynové komory způsobuje větší deformace komory, což ovlivňuje mechanickou operaci a výkon spínačů.
Při zvýšeném tlakovém rozdílu mezi vnitřkem a vnějškem plynové komory jsou spouštěcí zařízení pro uvolňování tlaku více náchylná k aktivaci.
Manometry měří relativní rozdíl tlaku mezi vnitřkem a vnějškem plynové komory. Hustotometry plynů přidávají funkci teplotní kompenzace k manometrům. Oba tyto přístroje nemohou přesně zobrazit skutečnou hustotu plynu uvnitř komory na vysokých nadmořských výškách, přesto je hustota plynu neoddělitelně spojena s výkonem izolace.
Snížená atmosferická hustota na vysokých nadmořských výškách současně degraduje komplexní výkon izolace externích izolačních komponent plynové komory.
2. Návrh schématu pro vysoko položené plynově izolované okružní hlavní jednotky
Na základě výše uvedlé analýzy, i když úplně izolovaná struktura plynově izolovaných okružních hlavních jednotek (s hlavními vodiči úplně uzavřenými v zapnutých plynových komorách, úplně izolovanými vložkami a úplně izolovanými kabelovými konektory) teoreticky udržuje neschválně ovlivněný výkon izolace, je ovlivněna faktory vznikajícími na vysokých nadmořských výškách: zvýšený rozdíl tlaku uvnitř a vně plynové komory, nemožnost snížit hustotu izolačního plynu uvnitř komory a požadavek na přesné indikaci hustoty plynu. V důsledku toho klíčem k návrhu vysoko položených plynově izolovaných okružních hlavních jednotek je návrh plynové komory a zařízení na uvolňování tlaku, splňující environmentální požadavky na vysokých nadmořských výškách pro manometry plynových komor a řešení sníženého komplexního výkonu externích izolačních komponent na vysokých nadmořských výškách.
2.1 Návrh plynové komory a zařízení na uvolňování tlaku pro vysoko položené aplikace
Pro řešení výše uvedených technických problémů tento článek navrhuje nový koncept návrhu pro vysoko položené plynově izolované okružní hlavní jednotky, který se liší od běžných jednotek bez specializovaného návrhu nebo těch, které pouze používají jednoduché snížení tlaku. Tato okružní hlavní jednotka má cílený návrh v následujících aspektech:
(1) Zlepšení konstrukční pevnosti plynové komory
Pro odvrácení zvýšeného rozdílu tlaku uvnitř a vně plynové komory způsobeného vysokou nadmořskou výškou je konstrukční pevnost plynové komory posílena. To zajistí, aby deformace komory na vysokých nadmořských výškách zůstala v rámci technických specifikací, což zajišťuje neschválně ovlivněný mechanický výkon vysokonapěťových komponent uvnitř.
Podle Mezinárodního standardního atmosférického modelu lze standardní atmosférický tlak v dané výšce vypočítat pomocí vzorce:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
kde P je atmosférický tlak v dané výšce; P₀ je standardní atmosférický tlak u hladiny moře; H je výška.
Například pro výšku 4000 m:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0,064 MPa.
Použijme například typickou 10 kV SF₆ plynově izolovanou okružní hlavní jednotku, kde návrhový tlak plynové komory v oblastech, které nejsou vysoko položeny, bývá obvykle 0,07 MPa. S ohledem na snížený atmosférický tlak na vysokých nadmořských výškách, lze skutečný návrhový tlak plynové komory na výšce 4000 m vypočítat jako:
P₁ = P₀ – 0,064 + 0,07 = 0,107 MPa.
(2) Návrh zařízení na uvolňování tlaku pro vysoko položené aplikace
Podle nejnovějšího národního standardu GB/T 3906—2020 "Střídavé kovové uzavřené elektrické přístroje a ovládací zařízení pro uvedené nominální napětí nad 3,6 kV a do a včetně 40,5 kV", bod 7.103 stanovuje, že plynová komora plynově izolované okružní hlavní jednotky musí vydržet 1,3 krát návrhový tlak (P₁) po dobu 1 minuty bez aktivace zařízení na uvolňování tlaku. Pokud tlak dále stoupá mezi 1,3 krát (P₁) a 3 krát (P₂) návrhový tlak, může se zařízení na uvolňování tlaku aktivovat. To je akceptovatelné, pokud splňuje návrhové specifikace výrobce. Po testování může plynová komora deformovat, ale nesmí prasknout.
Navrhování pevnosti plynové komory a zařízení na uvolňování tlaku podle těchto požadavků splňuje národní standardy. Plynové komory a zařízení na uvolňování tlaku pro různé výšky lze vypočítat a navrhnout touto metodou:
P₁ = 0,107 × 1,3 = 0,139 MPa
P₂ = 0,107 × 3 = 0,321 MPa
Pomocí posílení konstrukce plynové komory, jako je použití silnějších ocelových plechů nebo přidání zesilovačů, komora plně splňuje požadavky na pevnost způsobené zvýšeným rozdílem tlaku uvnitř a vně na vysokých nadmořských výškách. To zabrání mechanickým a elektrickým vlivům na vysokonapěťové spínače uvnitř komory způsobeným deformací, což zajišťuje stabilní provoz při nominálním tlaku plynu a dodává stejný mechanický a elektrický výkon v prostředí na vysokých nadmořských výškách, jako v rovinatých oblastech.
Pomocí návrhových výpočtů a experimentální validace, zvýšení tloušťky a pevnosti membrány zařízení na uvolňování tlaku zlepšuje jeho schopnost snášet tlak. To zajišťuje, že rozsah uvolňování tlaku plynové komory odpovídá specifikovaným požadavkům na rozsah tlaku, což brání předčasné aktivaci zařízení na uvolňování tlaku způsobené zvýšeným rozdílem tlaku uvnitř a vně v prostředí na vysokých nadmořských výškách. To udržuje vnitřní úroveň izolace a zajišťuje elektrický výkon okružní hlavní jednotky.
2.2 Návrh indikačního přístroje pro hustotu plynu pro vysoko položené aplikace
Indikační přístroj pro hustotu izolačního plynu používá uzavřený hustotometr. Jeho zobrazená hodnota není ovlivněna změnami teploty nebo změnami externího atmosférického tlaku.
Pro vysoko položené plynově izolované okružní hlavní jednotky je pro plynovou komoru vybrán uzavřený hustotometr pro všechny podmínky, který je imunní vůči vlivům teploty a nadmořské výšky. Jeho princip fungování spočívá ve vnitřním kompenzačním prvku, který umožňuje teplotní kompenzaci (nezávislou na teplotě). Současně má hlava hustotometru uzavřenou strukturu, kde uzavřená komora udržuje standardní atmosférický tlak. Zobrazená hodnota tlaku hustotometru představuje rozdíl tlaku mezi vnitřkem plynové komory a standardním atmosférickým tlakem.
Tento design zajišťuje, že měřicí přístroj hustoty plynového prostoru v kruhovém hlavním uzlu vždy přesně odráží skutečnou hustotu plynu uvnitř tohoto prostoru. Zobrazená hodnota není ovlivněna teplotou ani nadmořskou výškou, což plně splňuje provozní požadavky pro oblasti s vysokou nadmořskou výškou.2.3 Návrh plně izolovaných trubek pro plynově izolované kruhové hlavní uzly určené pro vysoké nadmořské výšky
Kromě vlivu na plynový prostor a měřicí přístroje má vysoká nadmořská výška vliv i na externí plně izolované komponenty, jako jsou vstupní/výstupní trubky a kabelové konektory. Izolační vlastnosti těchto externích plně izolovaných komponent jsou ovlivněny jak sílou izolace izolačního materiálu, tak kroužkovou izolační silou vzhledem k zemi. V oblastech s vysokou nadmořskou výškou je kroužková izolační síla vzhledem k zemi snížena kvůli nižší hustotě vzduchu. V praxi bývají konvenčně navržené plynově izolované kruhové hlavní uzly často neschopné projít zkouškou vytrvalosti napětí na vlnové frekvenci pro externí izolační komponenty (např. izolační trubky nebo horní rozvodné sběrnice) po nasazení v oblastech s vysokou nadmořskou výškou.
Pro řešení tohoto problému tento článek navrhuje nový návrh schématu pro plně izolované trubky v plynově izolovaných kruhových hlavních uzlech pro vysoké nadmořské výšky: přidání zemně spojeného štítu na vnější povrch těchto izolačních komponent. Tento návrh zlepšuje rovnoměrnost elektrického pole a prevence propadnutí země od hlavních sběrnic.
V projektu venkovní stanice 10 kV v Nákchu v Tibetu se společnost setkala s situací, kdy zařízení při přijímacích zkouškách mohlo projít pouze zkouškou vytrvalosti napětí na vlnové frekvenci 29 kV/1 min vzhledem k zemi. Po přidání zemně spojeného štítu na vnější izolaci vstupních/výstupních trubic a externích sběrnic plynového prostoru splnilo zařízení národní normu 42 kV/1 min pro vytrvalost napětí na vlnové frekvenci vzhledem k zemi.
2.4 Shrnutí klíčových technických bodů
Klíčové aspekty návrhu plynově naplněných izolovaných kruhových hlavních uzlů pro vysoké nadmořské výšky jsou následující:
Zpevnění strukturální pevnosti plynového prostoru zvýšením tloušťky ocelové desky nebo přidáním zesilovačů, aby bylo splněno požadavky na toleranční rozsah tlaku a limity deformace způsobené zvýšenou diferencí tlaku mezi vnitřkem a vnějškem v oblastech s vysokou nadmořskou výškou.
Posílení návrhu síly dekomprese membrány v dekompresním zařízení plynového prostoru. Po posílení splňuje požadavky na toleranční rozsah tlaku dekompresního zařízení pod zvýšenou diferenci tlaku mezi vnitřkem a vnějškem v oblastech s vysokou nadmořskou výškou.
Použití uzavřených měřičů hustoty pro ukazatele tlaku. Jejich zobrazené hodnoty nejsou ovlivněny změnami teploty nebo vnější atmosférického tlaku, což je vhodné pro prostředí s vysokou nadmořskou výškou.
Návrh zemně spojeného štítu na vnější povrch externích izolačních komponent plynového prostoru, který zlepšuje rovnoměrnost elektrického pole a prevence propadnutí země od hlavních sběrnic.
3. Význam návrhu plynově izolovaných kruhových hlavních uzlů pro vysoké nadmořské výšky
Tento návrh schématu má za cíl poskytnout plynově izolované kruhové hlavní uzly, které skutečně splňují provozní požadavky pro vysoké nadmořské výšky. Současným posílením pevnosti plynového prostoru, zlepšením kapacity snášet tlak dekompresních zařízení, umožněním přesného měření vnitřní hustoty plynu a racionálním návrhem souvisejících izolačních komponent dosahuje kruhový hlavní uzel kompletní technickou adaptabilitu na prostředí s vysokou nadmořskou výškou. To zajišťuje mechanické a elektrické vlastnosti kruhového hlavního uzlu a umožňuje normální fungování plynově izolovaných kruhových hlavních uzlů v oblastech s vysokou nadmořskou výškou.
V Číně jsou oblasti s vysokou nadmořskou výškou rozsáhlé, což vytváří obrovskou poptávku po elektrickém zařízení přizpůsobeném podmínkám vysokých nadmořských výšek. Standardizace a racionálnost návrhu produktu naléhavě potřebují zlepšení. Skutečné environmentální změny v oblastech s vysokou nadmořskou výškou klade nové požadavky na návrh produktu. Tento technický návrh poskytuje novou teorii a metodologii návrhu, což představuje smysluplnou exploraci.
