Optimierte Gasisolierschaltanlagenkonstruktion für Hochlagengebiete

Gasgefüllte Ringkabelverteiler sind kompakte und erweiterbare Schaltanlagen, die sich für Automatisierungssysteme der Mittelspannungsverteilung eignen. Diese Geräte werden für 12~40,5 kV-Ringnetzversorgung, doppelte radial angeordnete Versorgungssysteme und Endversorgungsanwendungen verwendet und dienen als Steuer- und Schutzgeräte für elektrische Energie. Sie sind auch für die Installation in Unterflur-Schaltanlagen geeignet.

Durch die Verteilung und Steuerung von elektrischer Energie stellen sie den stabilen Betrieb von Stromsystemen sicher. Die Kernkomponenten dieser Geräte verwenden Schaltgeräte oder Kombinationen aus Lastschaltern und Sicherungen, bieten Vorteile wie einfache Struktur, geringe Größe, niedrige Kosten, verbesserte Versorgungsparameter und -leistung sowie erhöhte Versorgungssicherheit. Sie finden weite Verwendung in Verteilstationen und Unterflur-Schaltanlagen an Lastzentren wie städtischen Wohngebieten, Hochhäusern, großen öffentlichen Einrichtungen und Industrieunternehmen. Verschiedene Isoliergase dienen als Isoliermedium, einschließlich SF₆, trockener Luft, Stickstoff oder Gemischgase, was eine hohe Isolierleistung und Umweltvorteile bietet, was zu einer weit verbreiteten Anwendung in Stromsystemen führt.

Die Hauptkomponenten dieser Art von Ringkabelverteiler sind in einem versiegelten, geschweißten Behälter installiert, der mit Isoliergas gefüllt ist (im Folgenden als "Gasraum" bezeichnet). Der Gasraum ist die Kernkomponente gasgefüllter Ringkabelverteiler. Seine primäre Funktion besteht darin, sicherzustellen, dass die Hochspannungskomponenten im Inneren unbeeinflusst von externen Umweltfaktoren wie Verschmutzung, Feuchtigkeit und Korrosion arbeiten. Gleichzeitig garantiert er sowohl die Betriebsbedingungen der Komponenten als auch die normale elektrische Leistung. Alle internen Komponenten sind durch den versiegelten Gasraum geschützt. Der Raum ist mit Druck- oder Gasdichtemonitoring-Geräten ausgestattet, wie Druckmessern oder Dichtemessern, die in der Regel den Druckunterschied zwischen dem Innen- und Außenbereich des Raums messen.

Dieser Artikel behandelt hauptsächlich Probleme, die die mechanische und elektrische Leistung von Ringkabelverteilern in hochgelegenen Gebieten beeinflussen.

1. Gängige Hochlanddesigns für gasgefüllte Ringkabelverteiler und bestehende Probleme

Gasgefüllte Ringkabelverteiler haben vollständig isolierte Designs, bei denen ihre Hauptleitbahnen durch ein vollständig isoliertes System umgeben sind, das aus versiegelten Gasräumen, vollständig isolierten Buchsen für eingehende/ausgehende Leitungen und vollständig isolierten Kabelenden besteht. Da die interne Umgebung des Gasraums von externen Bedingungen unbeeinflusst bleibt, bleiben Gasdichte und Feuchtigkeit konstant. Theoretisch ist die Isolierleistung immun gegen externe Faktoren wie Feuchtigkeit, Verschmutzung oder korrodierende Gase. Ähnlich verhält es sich mit der Isolierleistung der Buchsen und Kabelenden, die mit Isoliermaterialien wie Epoxidharz und Silikonkautschuk hergestellt sind, die nicht von der externen Umgebung beeinflusst werden. Oberflächlich betrachtet scheinen konventionell gestaltete gasgefüllte Ringkabelverteiler anpassungsfähig für Hochlandgebiete zu sein, wodurch viele Hersteller davon ausgehen, dass sie den Anforderungen für den Einsatz in hochgelegenen Gebieten entsprechen und sie direkt in solchen Regionen einsetzen.

Derzeit werden zwei hauptsächliche technische Schemata angewendet, wenn gasgefüllte Ringkabelverteiler in hochgelegenen Gebieten eingesetzt werden:

1.1 Direkter Einsatz in hochgelegenen Gebieten

Konzept: Dieser Ansatz basiert auf dem Prinzip, dass die Hauptleitbahn vollständig von dem isolierten System (versiegelter Gasraum, vollständig isolierte Buchsen und Kabelenden) umgeben ist, sodass die Isolierleistung von hochgelegenen Bedingungen unbeeinflusst bleibt.
Bestehende Probleme: In der tatsächlichen Betriebssituation führt die reduzierte äußere Atmosphärendruck in hochgelegenen Gebieten zu einem erhöhten Druckunterschied zwischen dem Innen- und Außenbereich des Gasraums. Dies verursacht eine signifikante Ausbeulung des Raums, was die mechanische Leistung von elektrischen Komponenten wie Schaltgeräten und Trennschaltern beeinträchtigt. Dies kann zu Störungen im Betrieb und Veränderungen der mechanischen Eigenschaften führen.

1.2 Reduzierter Fabrikdruck des Gases

Konzept: Um den erhöhten Druckunterschied zwischen Innen- und Außenbereich in hochgelegenen Gebieten zu adressieren, reduziert dieses Schema den Gasdruck innerhalb des Raums in der Fabrik. Wenn die Anlage an hochgelegenen Standorten ankommt, führt der reduzierte atmosphärische Druck dazu, dass der Druckunterschied auf den Wert steigt, der in den technischen Spezifikationen erforderlich ist, sodass der Druckmesser den erforderlichen Betriebsdruck anzeigt.
Bestehende Probleme: Dieses Design reduziert effektiv die Dichte des Isoliergases innerhalb des Raums. Obwohl der Druckmesser in hochgelegenen Gebieten den vorgesehenen Wert anzeigt, hängt die Isolierleistung von der Gasdichte ab, wie es durch die Paschen-Kurve (siehe Abb. 1), formuliert vom deutschen Physiker Friedrich Paschen, gezeigt wird. Die Paschen-Kurve zeigt die Funktion, die aus Paschens Gesetz abgeleitet wurde. Ihre physikalische Bedeutung: Die Durchschlagsspannung U (kV) ist eine Funktion des Produkts aus Elektrodenabstand d (cm) und Gasdruck P (Torr), ausgedrückt als U = apd / [ln(Pd) + b] (siehe Abb. 1), wobei a und b Konstanten sind.

Die Hauptbedeutung der Kurve: Bei einem festen Isolierabstand erhöht sowohl ein erhöhter Druck als auch ein reduzierter Druck in Richtung Vakuum (z.B. 10⁻⁶ Torr) die Spannung, die zum Durchschlag benötigt wird. Bei nahezu vakuumartigen Drücken macht ein reduzierter Vakuumgrad (d.h. erhöhte Luftdichte) den elektrischen Durchschlag zwischen den Elektroden leichter. Über einen bestimmten Druckschwellwert hinaus verbessert sich die Isolierleistung mit zunehmendem Druck. In dieser Phase (über Punkt a in Abb. 1) senkt eine Reduzierung des Drucks – und damit der Gasdichte – die Durchschlagspannung, was bedeutet, dass die Isolierleistung nachlässt. Der Betriebsdruckbereich gasgefüllter Ringkabelverteiler fällt vollständig in diesen Bereich (den Abschnitt über Punkt a in Abb. 1).

1.3 Zusammenfassung der Probleme mit konventionellen Hochlanddesigns

• Ein erhöhter Druckunterschied zwischen dem Innen- und Außenbereich des Gasraums führt zu einer größeren Deformation des Raums, was die mechanische Funktionsweise und Leistung der Schalter beeinträchtigt.

• Unter erhöhten Druckunterschiedsbedingungen zwischen Innen- und Außenbereich sind Druckentlastungsvorrichtungen anfälliger für Aktivierung.

• Druckmesser messen die relative Druckdifferenz zwischen dem Inneren und Äußeren des Gasraums. Gasdichtemesser fügen der Druckmessung eine Temperaturkompensation hinzu. Weder kann der Druckmesser noch das Gasdichtemessgerät den tatsächlichen Gasgehalt im Gasraum in großer Höhe genau anzeigen, obwohl die Gasdichte eng mit der Isolierleistung verbunden ist.

• Die reduzierte atmosphärische Dichte in großer Höhe beeinträchtigt gleichzeitig die umfassende Isolierleistung der äußeren Isolierkomponenten des Gasraums.

2. Entwurfskonzept für gasisolierte Ringverteileranlagen in großer Höhe
Auf Basis der obigen Analyse, obwohl die vollständig isolierte Struktur von gasisolierten Ringverteileranlagen (mit Hauptleitungssträngen, die vollständig durch gasdichte Räume, vollständig isolierte Buchsen und vollständig isolierte Kabelanschlüsse umgeben sind) theoretisch unbeeinflusst bleibt, wird sie durch Faktoren in großer Höhe beeinträchtigt: erhöhte inner-äußere Druckdifferenz im Gasraum, Unfähigkeit, die Gasdichte im Gasraum zu verringern, und die Notwendigkeit einer genauen Anzeige der Gasdichte. Daher liegt der Entwurfsschwerpunkt für gasisolierte Ringverteileranlagen in großer Höhe in der Konstruktion des Gasraums und des Druckentlastungsvorrichtungen, die die Umweltanforderungen in großer Höhe erfüllen, sowie in der Lösung der reduzierten umfassenden Isolierfähigkeit der äußeren Isolierkomponenten in großer Höhe.

2.1 Konstruktion des Gasraums und der Druckentlastungsvorrichtung für Anwendungen in großer Höhe
Um die oben genannten technischen Probleme zu lösen, schlägt dieser Artikel ein neues Entwurfskonzept für gasisolierte Ringverteileranlagen in großer Höhe vor, das sich von normalen Einheiten ohne spezielle Konstruktion oder solchen, die nur einfache Druckreduzierung anwenden, unterscheidet. Diese Ringverteileranlage weist folgende gezielte Konstruktionen auf:

(1) Verbesserung der strukturellen Stärke des Gasraums
Um den durch große Höhen verursachten erhöhten inner-äußeren Druckunterschied auszugleichen, wird die strukturelle Stärke des Gasraums verstärkt. Dies stellt sicher, dass die Verformung des Gasraums in großer Höhe den technischen Spezifikationen entspricht und die mechanische Leistung der Hochspannungskomponenten im Inneren unbeeinträchtigt bleibt.

Laut dem International Standard Atmosphere-Modell kann der normale atmosphärische Druck in einer bestimmten Höhe mit der Formel berechnet werden:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
wo P der atmosphärische Druck in einer bestimmten Höhe; P₀ der normale atmosphärische Druck auf Meereshöhe; H die Höhe ist.

Am Beispiel einer Höhe von 4000 m:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0,064 MPa.

Am Beispiel eines typischen 10 kV SF₆-gasisolierten Ringverteilers beträgt der Entwurfsdruck des Gasraums in nicht-hohen Gebieten normalerweise 0,07 MPa. Angesichts des reduzierten atmosphärischen Drucks in großer Höhe kann der tatsächliche Entwurfsdruck des Gasraums in 4000 m Höhe wie folgt berechnet werden:
P₁ = P₀ – 0,064 + 0,07 = 0,107 MPa.

(2) Konstruktion der Druckentlastungsvorrichtung für Anwendungen in großer Höhe
Gemäß dem aktuellen nationalen Standard GB/T 3906—2020 "Wechselstrommetallverkleidete Schalt- und Steuereinrichtungen für Nennspannungen über 3,6 kV bis einschließlich 40,5 kV", Abschnitt 7.103, muss der Gasraum von gasisolierten Ringverteileranlagen 1,3-mal den Entwurfsdruck (P₁) für 1 Minute ohne Aktivierung der Druckentlastungsvorrichtung standhalten. Wenn der Druck weiter zwischen 1,3-mal (P₁) und 3-mal (P₂) dem Entwurfsdruck steigt, kann die Druckentlastungsvorrichtung aktiviert werden. Dies ist zulässig, sofern es den Herstellerangaben entspricht. Nach dem Test darf der Gasraum deformiert sein, aber nicht reißen.

Die Festigkeit des Gasraums und der Druckentlastungsvorrichtung nach diesen Anforderungen zu konstruieren, erfüllt die nationalen Standards. Die Gasräume und Druckentlastungsvorrichtungen für verschiedene Höhen können alle mit dieser Methode berechnet und konstruiert werden:
P₁ = 0,107 × 1,3 = 0,139 MPa
P₂ = 0,107 × 3 = 0,321 MPa

Durch die strukturelle Verstärkung des Gasraums – zum Beispiel durch die Verwendung dickerer Stahlplatten oder durch Hinzufügen von Versteifungen – wird der Gasraum den Stärkenforderungen gerecht, die durch den erhöhten inner-äußeren Druckunterschied in großer Höhe gestellt werden. Dies vermeidet mechanische und elektrische Auswirkungen auf die Hochspannungsschalter im Inneren des Gasraums, die durch Verformung entstehen, und gewährleistet stabile Funktion bei Nenn-Druk und gleiche mechanische und elektrische Leistung in großen Höhen wie in Ebenen.

Durch Entwurfsberechnungen und experimentelle Validierung wird die Dicke und Festigkeit der Druckentlastungsmembran erhöht, was deren Druckbelastbarkeit verbessert. Dies stellt sicher, dass der Druckentlastungsbereich des Gasraums den spezifischen Druckanforderungen entspricht und eine vorzeitige Aktivierung der Druckentlastungsvorrichtung aufgrund des erhöhten inner-äußeren Druckunterschieds in großer Höhe verhindert. Dies hält die innere Isolationsstufe aufrecht und gewährleistet die elektrische Leistung der Ringverteileranlage.

2.2 Konstruktion der Gasdichteanzeigevorrichtung für Anwendungen in großer Höhe
Die Isoliergasdichteanzeigevorrichtung verwendet einen abgedeckten Dichtemesser. Sein angezeigter Wert bleibt unabhängig von Temperaturänderungen oder externen atmosphärischen Druckvariationen.

Für gasisolierte Ringverteileranlagen in großer Höhe wird ein abgedeckter Vollbedingungsdichtemesser für den Gasraum ausgewählt, der immun gegen Temperatur- und Höheneffekte ist. Sein Funktionsprinzip basiert auf einem Kompensationselement im Dichtemesser, das eine Temperaturkompensation ermöglicht (unabhängig von der Temperatur). Gleichzeitig verfügt der Messkopf über eine abgedeckte Struktur, wobei die abgedeckte Kammer den Normaldruck beibehält. Der vom Dichtemesser angezeigte Druckwert repräsentiert den Druckunterschied zwischen dem Inneren des Gasraums und dem Normaldruck.

Diese Konstruktion stellt sicher, dass der Skalierungswert des Dichtemessers, das an der Gaszelle des Ringklemmschalters installiert ist, immer den tatsächlichen Gashalt innerhalb der Zelle genau widerspiegelt. Der angezeigte Wert bleibt unbeeinflusst von Temperatur und Höhe und erfüllt vollständig die Betriebsanforderungen für Hochgebirgsregionen.2.3 Entwurf vollständig isolierter Stutzen für Hochgebirgs-Gas-isolierte Ringklemmschalter

Neben dem Einfluss auf die Gaszelle und die Messinstrumente beeinträchtigt die große Höhe auch extern montierte, vollständig isolierte Komponenten wie Eingangs-/Ausgangsstutzen und Kabelendverbindungen. Die Isolationsleistung dieser externen, vollständig isolierten Komponenten wird sowohl durch die Isolationsstärke des Isoliermaterials als auch durch die Kriechisolationsstärke relativ zur Erde beeinflusst. In großer Höhe verringert sich die Luftdichte und damit die Kriechisolationsstärke relativ zur Erde. In der Praxis scheitern konventionell gestaltete gasisolierte Ringklemmschalter oft an den Spannungsprüfungen für externe Isolierkomponenten (z.B. Isolierstutzen oder oberer Ausdehnungskreuzleiter) nach der Installation in Hochgebirgsregionen.

Um dies zu beheben, schlägt dieser Artikel einen neuen Entwurfsansatz für vollständig isolierte Stutzen in Hochgebirgs-gasisolierten Ringklemmschaltern vor: Hinzufügen einer geerdeten Schildabschirmungsschicht an der äußeren Oberfläche solcher Isolierkomponenten. Dieser Entwurf verbessert die Gleichmäßigkeit des elektrischen Feldes und verhindert Leckströme vom Hauptstromkreiskreuzleiter.

In einem Projekt für eine Freiluft-Schaltanlage von 10 kV in Nagqu, Tibet, stieß ein Unternehmen bei der Abnahmeprüfung auf eine Situation, in der die Ausrüstung nur eine Spannungsprüfung von 29 kV/1 Min relativ zur Erde bestehen konnte. Nachdem eine geerdete Schildabschirmungsschicht an der äußeren Isolation der Eingangs-/Ausgangsstutzen und externen Kreuzleiter der Gaszelle hinzugefügt wurde, erfüllte die Ausrüstung die nationale Normvorgabe von 42 kV/1 Min für die Spannungsprüfung relativ zur Erde.

2.4 Zusammenfassung der technischen Schlüsselpunkte
Die entscheidenden Entwurfselemente für Hochgebirgs-gasisolierte Ringklemmschalter sind wie folgt:

• Stärkung der strukturellen Festigkeit der Gaszelle durch Erhöhung der Stahlplattendicke oder Hinzufügen von Versteifungen, um den Anforderungen an den Druckbereich und die Verformungsgrenzen aufgrund des erhöhten Druckunterschieds zwischen Innen- und Außenraum in großen Höhen gerecht zu werden.

• Verbesserung des Festigkeitsentwurfs des Druckentlastungsdiaphragmas im Druckentlastungsvorrichtung der Gaszelle. Nach der Verstärkung erfüllt es die Anforderungen an den Druckbereich für die Druckentlastungsvorrichtung unter erhöhtem Druckunterschied zwischen Innen- und Außenraum in großen Höhen.

• Verwendung abgedichteter Dichtemesser für Druckanzeigevorrichtungen. Ihre angezeigten Werte bleiben unabhängig von Temperaturänderungen oder Änderungen des äußeren Atmosphärendrucks, was sie für Hochgebirgs-Umgebungen geeignet macht.

• Entwurf einer geerdeten Schildabschirmungsschicht an der äußeren Oberfläche externer Isolierkomponenten der Gaszelle, um die Gleichmäßigkeit des elektrischen Feldes zu verbessern und Leckströme vom Hauptstromkreiskreuzleiter zu verhindern.

3. Bedeutung des Entwurfs von Hochgebirgs-gasisolierten Ringklemmschaltern
Dieser Entwurfsansatz zielt darauf ab, gasisolierte Ringklemmschalter bereitzustellen, die den Anforderungen an den Betrieb in großen Höhen wirklich gerecht werden. Durch die gleichzeitige Steigerung der Festigkeit der Gaszelle, die Verbesserung der Druckbelastbarkeit der Druckentlastungsvorrichtungen, die genaue Messung des internen Gashalts und die rationelle Gestaltung der relevanten Isolierkomponenten erreicht der Ringklemmschalter eine vollständige technische Anpassungsfähigkeit an Umgebungen in großen Höhen. Dies gewährleistet die mechanische und elektrische Leistungsfähigkeit des Ringklemmschalters und ermöglicht den normalen Betrieb von gasisolierten Ringklemmschaltern in großen Höhen.

Chinas hochgelegene Regionen sind weitläufig, was einen enormen Bedarf an Stromversorgungsausrüstung für große Höhen schafft. Die Standardisierung und Rationalität des Produktdesigns bedürfen dringend einer Verbesserung. Tatsächliche Umweltbedingungen in großen Höhen stellen neue Anforderungen an das Produktdesign. Diese technische Lösung bietet eine neue Designtheorie und -methode, die eine bedeutende Erkundung darstellt.