Optimeeritud gaasiisolitud lülitustehnika disain suurepinnasealmuse piirkondade jaoks

Gaasi eraldatud ringmainüksused on kompaktsed ja laiendatavad lülitised, mis sobivad keskminevõrgu automaatika süsteemidele. Need seadmed kasutatakse 12~40,5 kV ringvõrgu elektritoe, kahepoolsete radiaalsete toite- ja lõpptoite rakendustes, täites rolli elektrienergia juhtimise ja kaitse seadmetena. Neid saab kasutada ka paigaldusplatsil asuvate alamjaotussubstantsioonides.

Elektrienergia levikul ja planeerimisel tagavad need seadmed elektrisüsteemide stabiilse töö. Nende seadmete põhiosaadeks on lülited või koormuspõhjade ja katkuri kombinatsioonid, mis pakuvad eeliseid nagu lihtne struktuur, väike suurus, madal hind, parandatud toiteparameetrid ja -omadused ning tõstetud toiteohutus. Neid laialdaselt kasutatakse linna elupaikade, kõrgete hoone, suurte avalikuks kasutuseks mõeldud objektide ja tööstusettevõtete alamjaotussubstantsioonides ja paigaldusplatsil asuvates substantsioonides. Erinevad eraldusgaasid, sealhulgas SF₆, kuiv õhk, lämmastik või segagaasid, toodavad kõrge eraldusomaduse ja keskkonnasoodustusi, mis viib nende laialdasele kasutamisele elektrisüsteemides.

Selle tüübi ringmainüksuse peamised osad on paigaldatud tiheitelt sulgitud tankis, mis on täidetud eraldusgaasiga (edaspidi viidatakse sellele "gaasikammaks"). Gaasikammi on gaasi eraldatud ringmainüksuste põhiosa. Selle peamine ülesanne on tagada, et kõrgepingelistes osades ei mõjuta välisümbris olevad tegurid, nagu kontaminatsioon, niiskus ja korroodeerimine. See tagab samaaegselt osade töökeskkonna ja normaalse elektrilise omaduse. Kõik sisemised osad on kaitstud tiheitelt sulgitud gaasikammiga. Kammi on varustatud surve või gaasi tiheduse jälgimise seadmetega, näiteks manomeetri või tihedusemõõturiga, mis mõõdavad tavaliselt kammi sisesuuruse ja välissuuruse vahelist survereid.

See artikkel käsitleb peamiselt küsimusi, mis mõjutavad gaasi eraldatud ringmainüksuste mehaanilisi ja elektrilisi omadusi kõrgealadel.

1. Tavalised kõrgealased disainirežiimid gaasi eraldatud ringmainüksuste jaoks ja olemasolevad probleemid

Gaasi eraldatud ringmainüksused on täielikult eraldatud disainiga, nende peamised juhtläätsed on katta täielikult eraldatud süsteemiga, mis koosneb tiheitelt sulgitud gaasikammist, täielikult eraldatud sisendi/valjuks bushingutest ja täielikult eraldatud kaabeli lõpp-punktidest. Kuna gaasikammi sisemine keskkond jääb mittepuutuma välisoludega, jääb gaasi tihedus ja niiskus konstantseks. Teoreetiliselt on eraldusomadused immuuned välisoludele, nagu niiskus, kontaminatsioon või korroodeerivad gaasid. Samuti on bushingute ja kaabeli lõpp-punktide eraldusomadused, mis on disainitud eraldusmaterjalidega, nagu epoksi resina ja silikooni kummi, mõjutamata välisoludega. Välimuselt näevad tavaliselt disainitud gaasi eraldatud ringmainüksused vastavat kõrgealadele tingimustele, mis viib paljude tootjate uskumuses, et nad vastavad kõrgealastele töötingimustele ja kasutatakse neid otse sellistes piirkondades.

Praegu kasutatakse kõrgealadel gaasi eraldatud ringmainüksuste rakendamisel kaks peamist tehnilist režiimi:

1.1 Otseine kasutamine kõrgealadel

Konzept: See lähenemine tugineb sellele, et peamised juhtläätsed on täielikult katta täielikult eraldatud süsteemiga (tiheitelt sulgitud gaasikammi, täielikult eraldatud bushingud ja kaabeli lõpp-punktid), mis muudab eraldusomadused puutumatuteks kõrgealade tingimuste suhtes.
Olemasolevad probleemid: Reaalsetes töötingimustes suurendab kõrgealade madalam atmosfääriline rõhk gaasikammi sisesuuruse ja välissuuruse vahelise survereid. See põhjustab kammi olulist ulatuslikku deformatsiooni, mille tulemusena mõjutatakse elektriliste osade, nagu lülitete ja eraldite, mehaanilisi omadusi. See võib põhjustada töökatkestusi ja mehaaniliste omaduste muutusi.

1.2 Vähendatud tehaslike gaasi surved

Konzept: Selle režiimi eesmärk on lahendada kõrgealade tingimustes suurenenud sisesuuruse ja välissuuruse vahelist survereid, vähendades gaasikammi sees olevat gaasi survet tehasis. Kui üksus jõuab kõrgealasse, põhjustab madalam atmosfääriline rõhk survereid tõusma vastavalt tehnilistele spetsifikatsioonidele, mis muudab manomeeter näitama vajaliku töösurve.
Olemasolevad probleemid: See disain vähendab gaasikammi sees oleva eraldusgaasi tihedust. Kuigi manomeeter näitab kõrgealadel disainitud väärtust, on gaaside eraldusomadused intrinsiliselt seotud gaasi tihedusega, mis on kirjeldatud Saksa füüsiku Friedrich Pascheni poolt loodud Pascheni kõvera (vt. Joonis 1) kaudu. Pascheni kõver illustreerib funktsiooni, mis tuleneb Pascheni seadusest. Selle füüsiline tähendus: lõhkepinge U (kV) on elektroodide vahemiku d (cm) ja gaasi rõhu P (Torr) korrutise funktsioon, mida väljendatakse kujul U = apd / [ln(Pd) + b] (vt. Joonis 1), kus a ja b on konstandid. 

Kõvera peamine tähtsus: kindla eralduskauguse korral tõstab rõhu suurenemine või vähendamine vakuumi suunas (nt. 10⁻⁶ Torr) lõhkepinge. Lähedal vakuumirõhule, vähendatud vakuumitaseme (st. suurenenud õhutiheduse) korral muutub elektroodide vahelise lõhke pingeväärtus kergemini. Mõnes rõhupunktist, kui rõhk suureneb, paraneb eraldusomadus. Sel faasis (punktist a edasi Joonisel 1) vähendab rõhu, ja nii ka gaasi tihedust, lõhkepinge, mis tähendab, et eraldusomadus heirates. Gaasi eraldatud ringmainüksuste töösurverehvid jäävad täielikult sellesse piirkonda (punktist a edasi Joonisel 1).

1.3 Kokkuvõte tavaliste kõrgealaste disainide probleemidest

• Suurenenud survereid gaasikammi sisesuuruse ja välissuuruse vahel põhjustab kammi suuremat deformatsiooni, mille tulemusena mõjutatakse lülitete mehaanilist tööd ja omadusi.

• Suurenenud sisesuuruse ja välissuuruse vahelise survereid tingimustes aktiveeruvad survevabastusseadmed tõenäolisemalt.

• Rõhukeemud mõõdavad gaasikomponendi sise- ja välismõõtme suhtelise rõhuvahet. Gaasi tiheduse mõõtur lisab rõhukeemule temperatuurikompensatsiooni. Mõlemad ei suuda täpselt kuvada tegelikku gaasi tihedust komponenti sees kõrgetel alustel, kuigi gaasi tihedus on sügiselt seotud eraldusjõuga.

• Kõrgete aluste vähendatud õhusurve tõkestab samal ajal ka gaasikomponendi välise eralduskomponendi üldist eraldusjõudu.

2. Kõrgete aluste gaasieraldusega ringmainikute disainimustrakava
Ülaltoodud analüüsi põhjal, kuigi gaasieraldusega ringmainikute (mille peamised juhtkonnad on täielikult sulgitud gaasikomponendis, täielikult eraldatud bushingutega ja täielikult eraldatud kaabeli lõppidega) täielikult eraldatud struktuur teoreetiliselt säilitab eraldusjõu, mõjutavad seda kõrgetel alustel tekkinud tegurid: suureneb gaasikomponendi sise- ja välirõhu erinevus, võimetus vähendada gaasi tihedust komponendis ning nõue täpseks gaasi tiheduse näitamiseks. Seetõttu seisneb kõrgete aluste gaasieraldusega ringmainikute disainimustrakavas võtmepunktides gaasikomponendi ja rõhuvabastusseadme disainis, vastavuses kõrgete aluste keskkonna nõudmistega gaasikomponendi rõhukeemudele ja lahendades vähenenud eraldusjõu küsimuse välise eralduskomponendi osas kõrgetel alustel.

2.1 Kõrgete aluste gaasikomponendi ja rõhuvabastusseadme disain
Ülaltoodud tehniliste probleemide lahendamiseks pakub see artikkel välja uue disainikonseptsiooni kõrgete aluste gaasieraldusega ringmainikute jaoks, mis erineb tavalistest ühikutest ilma spetsiaalsed disainideta või lihtsalt rõhuvähendusega. See ringmainik sisaldab järgmisi sihikindlate disainideid:

(1) Täiustatud gaasikomponendi strukturelne tugevus
Kõrgete aluste tingitud suurenenud sise- ja välirõhu erinevuse vastu tugevdatakse gaasikomponendi strukturelset tugevust. See tagab, et komponendi muutused kõrgetel alustel jääksid tehniliste spetsifikatsioonide piires, garantides kõrgerõhuliste komponendite mehaanilise toimimise.

Rahvusvahelise standardatmosfääri mudeli kohaselt saab kindla kõrguse korral õhusurve arvutada järgmise valemi abil:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
kus P on õhusurve antud kõrgusega; P₀ on merepinnase tasandil olev standard õhusurve; H on kõrgus.

Näiteks 4000 meetri kõrguse korral:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.

Tavalise 10 kV SF₆ gaasieraldusega ringmainiku näitel, mitte-kõrgete aluste piirkondade jaoks on gaasikomponendi disainirõhu tavaliselt 0.07 MPa. Arvestades kõrgete aluste tingitud õhusurve vähenemist, saab 4000 meetri kõrguse korral gaasikomponendi tegeliku disainirõhu arvutada järgmiselt:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.

(2) Kõrgete aluste rõhuvabastusseadme disain
Viimase rahvusliku standardi GB/T 3906—2020 "Vooluühendite ja -juhtimisseadmete AC metalliga sulgitud laadimisrakendused nominalvoolu üle 3.6 kV ja kuni 40.5 kV inklusiivselt" kohaselt, lõigus 7.103 sätestatakse, et gaasikomponendid peavad taluma 1.3 korda disainirõhu (P₁) 1 minutit ilma rõhuvabastusseadme aktiveerimiseta. Kui rõhul on edasi kasvamine 1.3 korda (P₁) ja 3 korda (P₂) disainirõhu vahel, võib rõhuvabastusseade aktiveeruda. See on lubatud, kui see vastab valmistaja disainispetsifikatsioonidele. Testide järel võib gaasikomponent muutuda, kuid see ei tohi prakila.

Gaasikomponendi ja rõhuvabastusseadme tugevuse disainimine vastavalt neile nõuetele rahuldab rahvuslikke standardeid. Erinevate kõrguste jaoks saab gaasikomponente ja rõhuvabastusseadmeid arvutada ja disainida järgmiselt:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa

Gaasikomponendi strukturelise tugevuse tugevdamine, näiteks kasutades pikemaid teraseplahte või lisades stabiilsemaid elemente, tagab, et komponent täidab kõrgete aluste tingitud sise- ja välirõhu erinevuse poolt kehtestatud tugevuse nõudeid. See vältib kõrgerõhuliste lüliti komponendis mehaanilise ja elektrilise toimimise mõjutamist deformeerumise tõttu, tagades stabiilse töö niminaalrõhul ja andes sama mehaanilise ja elektrilise toimingu kõrgetel alustel nagu tasandikesed piirkonnad.

Disainiarvutuste ja eksperimentaarsete kogemuste kaudu, tugevdamine rõhuvabastusdiapragmi paksust ja tugevust tõstab selle rõhukantavust. See tagab, et gaasikomponendi rõhuvabastuspiirkond vastab määratud rõhupiirkonna nõudmistele, vältides varajast rõhuvabastusseadme aktiveerimist kõrgete aluste tingitud sise- ja välirõhu erinevuse tõttu. See säilitab sisesekundaarilise eraldustase ja tagab ringmainiku elektrilise toimingu.

2.2 Kõrgete aluste gaasi tiheduse näituri disain
Eraldusgaasi tiheduse näitaja kasutab sulgitud tihedusnäituri. Selle kuvatav väärtus ei mõjuta temperatuurimuutustest ega välise atmosfäärilise rõhu muutustest.

Kõrgete aluste gaasieraldusega ringmainikute jaoks valitakse gaasikomponendi jaoks sulgitud täistunnusega tihedusnäitja, mis on immuunne temperatuuri ja kõrguse mõjude vastu. Selle toimimisel on tihedusnäituris kompenseeriv element, mis võimaldab temperatuurikompensatsiooni (temperatuurile mitteoleneva). Samal ajal on näituri pea sulgitud struktuur, kus sulgitud ruum säilitab standardatmosfäärilise rõhu. Tihedusnäituri kuvatav rõhuväärtus esindab gaasikomponendi sise- ja standardatmosfäärilise rõhu vahelist rõhuvahet.

See nõukogu tagab, et tiheduse mõõtur, mis on paigutatud ringmainikese gaasi kompartimendile, alati täpelt kajastaks tegelikku gaasi tihedust kompartimendi sees. Kuvatav väärtus ei jää mõjutamata temperatuuri ja aluse tasemega, täielikult vastav operatsioonilistele nõudmistele kõrgete aluste piirkondade jaoks.2.3 Täisisolatsiooniga kroonide disain kõrgete aluste gaasi-isolatsiooniga ringmainikeses

Kõrge alus mõjutab mitte ainult gaasi kompartimendit ja mõõtmise seadmeid, vaid ka väljaspool paigutatud täisisolatsiooniga komponente, nagu sissetulev/väljaminev juhtkroon ja kaabeli lõppülekandepunkt. Nende välise täisisolatsiooniga komponentide isolatsioonijõudlus sõltub nii isolatsioonimaterjali isolatsioonijõudlusest kui ka kriipsu isolatsioonijõudlusest suhtes maapinna. Kõrgetel alustel väheneb õhutihedus, mis vähendab kriipsu isolatsioonijõudlust suhtes maapinna. Praktilistes rakendustes ebaõnnestuvad sageli tavaliselt disainitud gaasi-isolatsiooniga ringmainikese välised isolatsioonikomponendid (nt insuleerivad kroonid või ülemine laienev juht) pärast paigaldamist kõrgetel alustel.

Sellele lahenduseks esitatakse selles artiklis uus disain skema täisisolatsiooniga kroonide jaoks kõrgete aluste gaasi-isolatsiooniga ringmainikese jaoks: lisatakse maapinna suhtes kaitstud kate selliste isolatsioonikomponentide välisele pinnale. See disain parandab elektrivälja ühtluse ja takistab peamise tsirkuitti juhtkroonide maapinna suhtes toimuvat ladumist.

Tibeti Naqu osariigis asuvas välises 10 kV lülitesseadmes projekti käigus esines olukord, kus varustus saanud läbi vaid 29 kV/1 min maapinna suhtes toimunud võrgusageda pingetõkestusproov. Pärast maapinna suhtes kaitstud kate lisamist sissetuleva/väljamineva krooni ja gaasi kompartimendi välise juhtkrooni välisele isolatsioonile, vastas varustus riiklikule standardile 42 kV/1 min maapinna suhtes toimunud võrgusageda pingetõkestuse kohta.

2.4 Tehniliste võtmete kokkuvõte
Kõrgete aluste gaasi-isolatsiooniga ringmainikese kriitilised disain aspectid on järgmised:

• Tugevdada gaasi kompartimendi struktuurset jõudu teraseplaatide paksuse suurendamise või stabiilsete elementide lisamise kaudu, et rahuldada sisemise-ulkoolise rõhu erinevuse suurenemise tingimusena tekkinud rõhutõke ulatuse ja muutumise piiranguid kõrgetel alustel.

• Parandada gaasi kompartimendi rõhulahenduse rõhulahendite jõudu. Tugevdamise järel rahuldab see rõhutõke ulatuse nõudeid suurenenud sisemise-ulkoolise rõhu erinevuse korral kõrgetel alustel.

• Rakendada sealikke tiheduse mõõturid rõhunäitajateks. Nende kuvatavad väärtused jäävad mõjutamata temperatuuri muutuste või välise atmosfääri rõhu variatsioonide poolt, mis teeb neist sobiva valiku kõrgete aluste keskkonnade jaoks.

• Disainida maapinna suhtes kaitstud kate gaasi kompartimendi välisele isolatsioonikomponentidele, et parandada elektrivälja ühtlust ja takistada maapinna suhtes toimuvat ladumist peamise tsirkuitti juhtkroonidelt.

3. Kõrgete aluste gaasi-isolatsiooniga ringmainikese disaini tähtsus
See disaini skema eesmärk on pakkuda gaasi-isolatsiooniga ringmainikeseid, mis täpselt vastavad kõrgete aluste töötingimustele. Gaasi kompartimendi tugevuse, rõhulahendite rõhutõkevõime, sissepaigutatud gaasi tiheduse täpsete mõõtmiste ja seotud isolatsioonikomponentide loogilise disaini tugevdamise kaudu saavutab ringmainike täieliku tehnilise kohanemise kõrgete aluste keskkonnaga. See tagab ringmainikese mehaanilise ja elektroonilise jõudluse ning lubab normaalset tööd gaasi-isolatsiooniga ringmainikeseid kõrgete aluste keskkondades.

Hiina kõrgete aluste piirkondade laiendus loob suure nõudluse kõrgete aluste tingimustega kohanenud energia varustuse tarvis. Toote disaini standardiseerimine ja loogilisus vajavad kiiresti parandamist. Kõrgete aluste piirkondade tegelikud keskkonnamuutused kehtestavad tootedisainile uusi nõudeid. See tehniline skema pakub uut disainiteooriat ja meetodoloogiat, esindades mõistlikku uurimist.