Optimeret design af gasisolerede spændingsafskær for højlandområder

Gasisolerede ringhovedenheder er kompakte og udvidelige skruddelsskabe, der er velegnede til mediumspændings forsyningssystemer. Disse enheder bruges til ringnetstrømforsyning på 12-40,5 kV, dobbelt radial strømforsyningssystemer og slutbrugerforsyninger, og de fungerer som kontrol- og beskyttelsesenheder for elektrisk energi. De er også egnet til installation i pad-monterede understations.

Ved at distribuere og planlægge elektrisk energi sikrer de stabilt drift af strømsystemer. De kernekomponenter, der anvendes i disse enheder, omfatter brydere eller kombinationer af belastningskontakter og sikringer, hvilket giver fordele såsom enkel konstruktion, lille størrelse, lav kostpris, forbedrede strømforsyningsparametre og -ydeevne samt forbedret strømforrsyns sikkerhed. De anvendes bredt i distributionsstationer og pad-monterede understations i belastningscentre såsom bybebyggelser, høje bygninger, store offentlige faciliteter og industrielle virksomheder. Forskellige isolerende gasser anvendes som isolerende medium, herunder SF₆, tør luft, kvælstof eller blandet gas, hvilket giver høj isolationsydeevne og miljømæssige fordele, hvilket fører til bred anvendelse i strømsystemer.

De vigtigste komponenter i denne type ringhovedenhet er installeret inden for en tæt syet tanke fyldt med isolerende gas (herfra refereret til som "gasafsnit"). Gasafsnittet er den kernekomponent i gasisolerede ringhovedenheder. Dens primære funktion er at sikre, at de høvspændingskomponenter, der er inde i enheden, kan fungere uafhængigt af eksterne miljøfaktorer som forurening, fugtighed og korrosion. Det sikrer samtidig både komponenternes driftsmiljø og normal elektrisk ydeevne. Alle interne komponenter er beskyttet af det tætte gasafsnit. Afsnittet er udstyret med tryk- eller gasdæthedsovervågningsenheder, såsom trykmålere eller dæthedsmålere, der typisk måler trykforskellen mellem indersiden og udtersiden af afsnittet.

Denne artikel fokuserer primært på problemer, der påvirker mekanisk og elektrisk ydeevne af ringhovedenheder i højlandsmiljøer.

1. Almindelige højlandsdesigns for gasisolerede ringhovedenheder og eksisterende problemer

Gasisolerede ringhovedenheder har fuldt isolerede designs, hvor deres hovedledningsveje er omsluttet af et fuldt isoleret system bestående af tætte gasafsnit, fuldt isolerede bushinger til ind- og udgangsledninger og fuldt isolerede kabelslutninger. Da det interne miljø i gasafsnittet ikke påvirkes af eksterne betingelser, forbliver gasdæthed og fugtighed konstante. Teoretisk set er isolationsydeevnen immun over for eksterne faktorer som fugtighed, forurening eller korrosive gasser. Ligeså er isolationsydeevnen af bushinger og kabelslutninger, der er designet med isolerende materialer som epoxihar og silikonkautschuk, upåvirket af det eksterne miljø. Ydre ser konventionelt designede gasisolerede ringhovedenheder ud til at være anpasselige til højlandsområder, hvilket fører mange producenter til at tro, at de opfylder kravene til drift i højland og anvender dem direkte i sådanne regioner.

I øjeblikket anvendes to hovedtekniske løsninger, når gasisolerede ringhovedenheder anvendes i højlandsmiljøer:

1.1 Direkte installation i højlandsområder

Designkoncept: Denne tilgang støttes af principperne, at hovedledningsvejen er fuldt omsluttet af et isoleret system (tæt gasafsnit, fuldt isolerede bushinger og kabelslutninger), hvilket gør, at isolationsydeevnen ikke påvirkes af højlandsbetingelser.
Eksisterende problemer: I praksis reducerer den nedadgående atmosfæriske tryk ved høje højder trykforskellen mellem indersiden og udtersiden af gasafsnittet. Dette forårsager en betydelig udvidelse af afsnittet, hvilket påvirker mekanisk ydeevne af elektriske komponenter som brydere og afbrydere. Dette kan føre til driftshindringer og ændringer i mekaniske karakteristika.

1.2 Reduceret fabriksgaspressetstilling

Designkoncept: For at tackle den øgede indervarme-udervarme trykforskell ved høje højder reducerer denne metode gaspresset inden for afsnittet i fabrikken. Når enheden ankommer til højlandstedet, vil det nedadgående atmosfæriske tryk forårsage, at trykforskellen stiger til den værdi, der er angivet i tekniske specifikationer, hvilket gør, at trykmåleren viser det påkrævede driftstryk.
Eksisterende problemer: Dette design reducerer effektivt densiteten af isolerende gas inden for afsnittet. Selvom trykmåleren viser den designede værdi i høje højder, er isolationsydeevnen af gasser intrinsisk forbundet med gasdensitet ifølge Paschens kurve (se figur 1) formuleret af den tyske fysiker Friedrich Paschen. Paschens kurve plotter funktionen, der er udledt fra Paschens lov. Dens fysiske betydning: Brydningsspændingen U (kV) er en funktion af produktet af elektrodedistance d (cm) og gastryk P (Torr), udtrykt som U = apd / [ln(Pd) + b] (se figur 1), hvor a og b er konstanter. 

Kurvens primære betydning: For en fast isolationsdistance, øger både tryk eller reduktion af tryk mod vakuum (fx 10⁻⁶ Torr) spændingsbrydningen. Ved næsten vakuumtryk, gør en reduceret vakuumniveau (dvs. øget lufttæthed) elektrisk brydning mellem elektroder lettere. Over en bestemt trykgrænse, forbedres isolationsydeevnen gradvist, da trykket stiger. I denne fase (uden for punkt a i figur 1), reducerer reduktion af tryk – og dermed gasdensitet – brydningsspændingen, hvilket betyder, at isolationsydeevnen forringes. Driftstrykbåndet for gasisolerede ringhovedenheder ligger helt inden for dette område (det område uden for punkt a i figur 1).

1.3 Sammenfatning af problemer med konventionelle højlanddesigns

• Øget trykforskell mellem indersiden og udtersiden af gasafsnittet forårsager en større deformation af afsnittet, hvilket påvirker mekanisk drift og ydeevne af skruddel.

• Under forøgede indervarme-udervarme trykforskell-betingelser er trykletningsenheder mere tilbøjelige til at aktiveres.

• Trykregulatoren måler den relative trykdifferece mellem indersiden og udersiden af gasafsnittet. Gassætningsmåler tilføjer temperaturkompensationsfunktion til trykregulatoren. Ingen af dem kan præcist vise den faktiske gassætning i afsnittet på høj højde, selvom gassætningen er intrinsisk forbundet med isoleringsydeevnen.

• Den reducerede atmosfæriske tæthed på høj højde forringes samtidig den komplette isoleringsydeevne af de eksterne isolerende komponenter i gasafsnittet.

2. Designskema for højhøjdede gasisolerede ringhovedenheder
Ud fra ovenstående analyse, selvom den fuldt isolerede struktur af gasisolerede ringhovedenheder (med hovedledningsveje fuldt omsluttet af gasafsnit, fuldt isolede busser og fuldt isolede kabelslutninger) teoretisk bibeholder uforandret isoleringsydeevne, påvirkes den af faktorer, der opstår på høj højde: øget internt-ekstern trykdifferece i gasafsnittet, evnen til at reducere gassætningen i afsnittet, og behovet for præcis gassætningsindikation. Derfor ligger designnøglen for højhøjdede gasisolerede ringhovedenheder i designet af gasafsnit og trykreliefenhed, der opfylder miljøkravene på høj højde for trykregulatoren, og løser den reducerede komplette isoleringskapacitet af de eksterne isolerende komponenter på høj højde.

2.1 Design af gasafsnit og trykreliefenhed til højhøjdeanvendelse
Til at tackle de nævnte tekniske problemer foreslår denne artikel et nyt designkoncept for højhøjdede gasisolerede ringhovedenheder, som adskiller sig fra almindelige enheder uden specialdesign eller dem, der kun anvender enkel trykreduktion. Denne ringhovedenhet har et målrettet design i følgende aspekter:

(1) Forbedret strukturel styrke af gasafsnittet
Til at imødegå den øgede interne-eksterne trykdifferece, forårsaget af høj højde, bliver strukturel styrken af gasafsnittet forstærket. Dette sikrer, at deformationen af afsnittet på høj højde forbliver inden for tekniske specifikationer, hvilket garanterer uforandret mekanisk ydeevne af højspændingskomponenterne inde i afsnittet.

Ifølge det internationale standardatmosfæremodel kan standardatmosfæretrykket ved en given højde beregnes ved hjælp af formlen:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
hvor P er atmosfæretrykket ved en given højde; P₀ er standardatmosfæretrykket ved havniveau; H er højden.

Med en højde på 4000 m som eksempel:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.

Ved brug af et typisk 10 kV SF₆ gasisoleret ringhovedenhed som eksempel, er designtrykket for gasafsnittet i ikke-højhøjdeområder normalt 0.07 MPa. Med hensyn til det reducerede atmosfæretryk på høj højde, kan det faktiske designtryk for gasafsnittet på 4000 m højde beregnes som:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.

(2) Design af trykreliefenhed til højhøjdeanvendelse
Ifølge den seneste nationale standard GB/T 3906—2020 "Alternativstrøm metalindkapslet spændingsudstyr og kontroludstyr for nominelle spændinger over 3.6 kV og op til og inklusive 40.5 kV", bestemmer punkt 7.103, at gasafsnittet i gasisolerede ringhovedenheder skal kunne modstå 1.3 gange designtrykket (P₁) i 1 minut uden aktivering af trykreliefenheden. Hvis trykket fortsætter med at stige mellem 1.3 gange (P₁) og 3 gange (P₂) designtrykket, kan trykreliefenheden aktiveres. Dette er acceptabelt, hvis det opfylder producentens designspecifikationer. Efter test kan gasafsnittet deformeres, men må ikke rive.

Design af styrken af gasafsnittet og trykreliefenheden ifølge disse krav opfylder nationale standarder. Gasafsnit og trykreliefenheder for forskellige højder kan alle beregnes og designes ved hjælp af denne metode:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa

Gennem strukturel forstærkning af gasafsnittet – såsom brug af tykkere stålplader eller tilføjelse af stivheder – opfylder afsnittet fuldt ud styrkekravene, der pålægges af den øgede interne-eksterne trykdifferece på høj højde. Dette undgår mekaniske og elektriske ydeevneeffekter på højspændingskontakterne i afsnittet, der skyldes deformation, og sikrer stabil drift ved nominelt gastryk og leverer identisk mekanisk og elektrisk ydeevne i højhøjdemiljøer som i lavlandsmiljøer.

Gennem designberegninger og eksperimentel validering, øger forstærkning af tykkelsen og styrken af trykrelieffilmens tryktolerancekapacitet. Dette sikrer, at gasafsnittets trykreliefrække opfylder de specificerede trykintervalbehov, forebygger for tidlig aktivering af trykreliefenheden på grund af den øgede interne-eksterne trykdifferece i højhøjdemiljøer. Dette fastholder den interne isoleringsniveau og sikrer den elektriske ydeevne af ringhovedenheten.

2.2 Design af gassætningsindikationsenhed til højhøjdeanvendelse
Gassætningsindikationsenheden anvender en lukket type densitometer. Dets visningsværdi påvirkes ikke af temperaturændringer eller variationer i eksternt atmosfæretryk.

For højhøjdede gasisolerede ringhovedenheder, er densitometeret, der vælges til gasafsnittet, en lukket type fulltilstandsdensitometer, immun mod temperatur- og højdeeffekter. Dens arbejdsgang involverer et kompensationselement indeni densitometeret, der muliggør temperaturkompensation (uafhængigt af temperatur). Samtidig har meterhovedet en lukket struktur, hvor den lukkede kammer bevarer standardatmosfæretrykket. Densitometerets viste trykværdi repræsenterer trykdifferecen mellem indersiden af gasafsnittet og standardatmosfæretrykket.

Denne design sikrer, at skalaen på tætheds-måleren, der er installeret på ring-hovedenhedens gasafsnit, altid præcist afspejler den faktiske gastypethed i afslutningen. Den viste værdi bliver ikke påvirket af temperatur eller højde, og det opfylder fuldt ud driftsbehovene for høje regioner.2.3 Design af fuldstændigt isolerede bukser til høje gas-isolerede ring-hovedenheder

Ud over at påvirke gasafsnittet og måleinstrumenterne påvirker høje også eksternt monterede fuldstændigt isolerede komponenter, såsom indgående/udgående linje-bukser og kabelterminal-forbindelser. Isolationsydeevnen af disse eksterne fuldstændigt isolerede komponenter påvirkes både af isolationsstyrken af isoleringsmaterialet og krybning-isolationsstyrken i forhold til jord. På høje reduceres lufttætheden, hvilket nedsætter krybning-isolationsstyrken i forhold til jord. I praksis mislykkes konventionelt designede gas-isolerede ring-hovedenheder ofte under strømfrekvensbelastningsprøver for eksterne isolerende komponenter (fx isolerende bukser eller top-udvidelsesbusbarer) efter installation på høje.

For at løse dette foreslår denne artikel et nyt designschema for fuldstændigt isolerede bukser i høje gas-isolerede ring-hovedenheder: tilføjelse af en jordet skjoldlag til ydersiden af disse isolerende komponenter. Dette design forbedrer elektriske feltets uniformitet og forebygger jorddischarge fra hovedkredsløbsbusbarer.

I et udendørs 10 kV skiftstation-projekt i Nagqu, Tibet, stødte et selskab på en situation under godkendelsesprøver, hvor udstyr kun kunne passere en strømfrekvensbelastningsprøve på 29 kV/1 min i forhold til jord. Efter tilføjelse af et jordet skjoldlag til ydre isolation af indgående/udgående bukser og eksterne busbarer i gasafsnittet, opfyldte udstyret den nationale standardkrav om 42 kV/1 min for strømfrekvensbelastningsprøve i forhold til jord.

2.4 Sammenfatning af tekniske nøglepunkter
De vigtigste designaspekter for høje gas-fyldte isolerede ring-hovedenheder er følgende:

• Styrk strukturstrækningen af gasafsnittet ved at øge stålpladetykkelsen eller tilføje stivninger for at opfylde kravene til tryktoleranceinterval og deformationsgrænser, som skyldes øget indre-eksternt trykfordeling på høje.

• Forbedr styrkedesignet af tryksikringsmembranen i gasafsnittets tryksikringsenhed. Efter forstærkning opfylder den tryktoleranceinterval kravene for tryksikringsenheden under øget indre-eksternt trykfordeling på høje.

• Brug tæthedsmåler med tætskærm for tryksikringsenheder. De viste værdier bliver ikke påvirket af temperaturændringer eller variationer i eksternt atmosfæriske tryk, hvilket gør dem egnet til høje miljøer.

• Design en jordet skjoldlag på ydersiden af eksterne isolerende komponenter i gasafsnittet for at forbedre elektriske feltets uniformitet og forebygge jorddischarge fra hovedkredsløbsbusbarer.

3. Betydningen af design af høje gas-isolerede ring-hovedenheder
Dette designschema sigter mod at levere gas-isolerede ring-hovedenheder, der virkelig opfylder driftskravene for høje. Ved samtidig at forbedre gasafsnittets styrke, forbedre tryktolerancekapaciteten af tryksikringsenheder, muliggøre præcis måling af indre gastypehed og rationelt design af relaterede isolerende komponenter, opnår ring-hovedenheden en komplet teknisk tilpasning til høje miljøer. Dette sikrer mekanisk og elektrisk ydeevne af ring-hovedenheden og gør det muligt for gas-isolerede ring-hovedenheder at fungere normalt i høje miljøer.

Kinas høje regioner er store, hvilket skaber enorm efterspørgsel på strømudstyr, der er tilpasset høje betingelser. Standardiseringen og rationaliteten af produkt-design har brug for forbedring. Faktiske miljøvariationer i høje regioner stiller nye krav til produkt-design. Dette tekniske schema leverer en ny designteori og -metodologi, der repræsenterer en meningsfuld eksploration.