Altitude handiko eremuetarako optimizatutako gas-insulated switchgear diseinua

Gas-insulated ring main units diru eta hedatuko diren kaltetzaileak dira, erabilgarriak izanik tensio erdienaren banaketa automatizatze sistemetan. Dispositibo hauek 12~40.5 kVko biribileko sarrera elektrikoentzako, bi erradial sarrerako sistema eta amaierako sarrera aplikazioetarako erabiltzen dirate, elektrizitate-energiaren kontrol eta babesa gisa. Instalatzeko oso egokiak dira pad-mounted iturrietan.

Elektrizitate-energiari banatze eta planifikatzez, sistema elektrikoen funtzionamendu estabilizatua lortzen da. Dispositibo horien osagai nagusiak zirkuitu-itzaleak edo karga-itzaleen eta fusibideen konbinazioak dituzte, egitura sinplea, tamaina txikiak, kostu baxuak, banaketaren parametro eta prestazio hobetakoak eta banaketaren segurtasuna hobetzen dituztela eskainitzen dituzte. Hainbat kokapenetan erabili ohi dira, hala nola, banaketa-guneetan eta pad-mounted iturrietan, hiri-zaharretan, eraikitzen ari diren etxe-txokietan, handiak diren espazio publikuetan eta enpresa industrialetan. Hainbat isolatzaile gas batzuk, SF₆, aire sekoia, azotoa edo gasen konbinazio batzuk, isolatzaile mediaritzeko erabiltzen dira, isulutasun altua eta ingurumenari buruzko abantailak eskaintzen dituztela, sistema elektrikoetan zabaltasuna lor dezakeela.

Mota honetako ring main unit-en osagai nagusiak insulatutako gaspe (hurrengoan "gas compartment" deituko dugu) beteita dagoen tanko itsaskituan instalatuta daude. Gas compartmenta gas-insulated ring main unit-en osagai garrantzitsua da. Funtzio nagusia, barruko osagai altu-tentsioekin kanpoko ingurumenaren faktoreei, kontaminazioari, humiditateari eta korrosiori eragina ez dutela lan egin dezaten. Batasun horrek osagaien funtzionamendu-inguruarekin eta elektriko normalarekin batera garantiatzen ditu. Barruko osagai guztiak gas compartment isolatua babestuta daude. Compartmentak presioaren edo gas-dentsitatearen monitorizatzaileak ditu, adibidez, presio-metroak edo dentsitate-metroak, normalki compartmentaren barru eta kanpoko presio arteko aldea neurtzen duena.

Artikulu honek ring main unit-en mekaniko eta elektrikoaren prestazioari eragiten dioten arazoak ulertzeko sakonduko du, altu mailako ingurumenetan.

1. Gas-insulated Ring Main Unit-en diseinu arruntak eta Altu Mailako Ingurumenetan Dagoen Arazoen Eskuinaldia

Gas-insulated ring main unitak diseinu isolatua osoa dute, sarrera garraioen zirkuito nagusia gas compartment isolatuak, sarrera/irteera lineetarako bushing isolatua osoa eta kableen amaierako isolatzaile osoa barne hartzen dituen sistema isolatua osoa barne hartuz. Gas compartmentaren barneko ingurumenak kanpoko egoerari ez dio eragiten, beraz, gas-dentsitatea eta humidity constant mantentzen dira. Teoretikoki, isulutasuna kanpoko faktoreei, hala nola, humiditatei, kontaminazioi edo korrosio-gasoei askatuta dago. Era berean, bushing eta kableen amaierako isulutasuna, epoxy resin eta silicone rubber bezalako material isolatzailekin diseinatuta, kanpoko ingurumenari ez dio eragiten. Superficialki, diseinu arruntaren gas-insulated ring main unitak altu mailako ingurumenetara egokitzen zaizkitela, asko fabrikatzaileek uste dute, horiek altu mailako exekutatzeko eskerrak dituztela eta zuzenean horrelako lekuetan erabiltzeko.

Orain, bi teknika esanguratsu daude gas-insulated ring main unitak altu mailako ingurumenetan erabiltzean:

1.1 Zuzenean Altu Mailako Espazioetan Erabilpena

Diseinu Konzeptua: Diseinu hau, sarrera garraioen zirkuito nagusia gas compartment isolatua, sarrera/irteera lineetarako bushing isolatua osoa eta kableen amaierako isolatzaile osoa barne hartzen dituen sistema isolatua osoa barne hartuz, isulutasuna altu mailako egoerari ez dio eragiten.
Eskualdia Dauden Arazoak: Egoera errealan, altu mailako ingurumenetan kanpoko atmosferaren presioa jaitsi egoteak gas compartmentaren barru eta kanpoko presio arteko alde handiagoa sortzen du. Horrek compartmentaren deformazio gorputsekoa ekarri dezake, elektriko osagaien mekanikoaren prestazioa, hala nola, zirkuitu-itzaleak eta diskonexioak, eragiten duena. Honek funtzionamendu blokeoak eta mekanikoaren ezaugarri aldaketak eragin dezakete.

1.2 Fabrikako Gas Presioa Jaitsi

Diseinu Konzeptua: Altu mailako ingurumenetan gas compartmentaren barru eta kanpoko presio arteko alde handiagoa konpontzeko, diseinu hau gas compartmentaren barruko presioa jaitsi egiten du. Unitatea altu mailako tokira iritsi ondoren, kanpoko atmosferaren presioa jaitsi egoteak gas compartmentaren barru eta kanpoko presio arteko aldea teknikarako beharrezkoa den balioa igotzen du, presio-metroak beharrezko presioa erakusten duena.
Eskualdia Dauden Arazoak: Diseinu hau gas compartmentaren barruko dentsitatea jaitsi egiten du. Presio-metroak altu mailan diseinatu dugun balioa erakustean, gasen isulutasuna dentsitatearekin lotuta dago, Paschen kurba (Ikusi Figura 1) formulatua Friedrich Paschen aleman fisikariaren arabera. Paschen kurba Paschen-en Legearen funtzioa marrazten du. Bere esanahia fisikoa: Breakdown voltage U (kV) elektroideen distantziaren d (cm) eta gas presioaren P (Torr) arteko produktuaren funtzioa da, U = apd / [ln(Pd) + b] moduan adierazten da (Ikusi Figura 1), non a eta b konstanteak diren.

Kurba hauaren esanahia nagusia: Isulutasun distantzia finko batean, presioa gehitu edo presioa vacuum-ra (adibidez, 10⁻⁶ Torr) jaitsi egiteak gap breakdown voltageren prezioa gehitzen du. Vacuum presioetan, vacuum-maila jaitsi egiteak (hau da, airearen dentsitatea handitzea) elektroideen arteko elektrikoa kolapsatzea errazagoa egiten du. Puntu batekin gain (Figura 1-an a puntuan), presioa jaitsi eta gas-dentsitatea jaitsi egiteak break down voltagera jaitsi egiten du, hau da, isulutasuna jaitsi egiten du. Gas-insulated ring main unit-en presio-funtzioak oso guztiak horrela daude (Figura 1-an a puntuan gain).

1.3 Diseinu Arruntaren Eskualdia Altu Mailako Espazioetan

• Gas compartmentaren barru eta kanpoko presio arteko alde handiagoak compartmentaren deformazio handiagoa ekarri dezake, switchen mekanikoaren funtzionamendu eta prestazioa eragiten duena.

• Barruko eta kanpoko presio arteko alde handiagoen egoeran, presio-kontsumo gailuak aktibatzea errazagoa da.

• Presioiak geroak neurtzen dute gasaren zatiketa barne eta kanpo arteko presio-erlazio erlatiboa. Gasaren dentsitate-neurtzaileek gehitzen dute tenperatura-kompentzazio funtzionalitatea presio-geroetan. Ezin dute erakutsi zehazki gasaren dentsitate erreala zatiketa barnean altu mailan, baina gasaren dentsitatea lotuta dago isolamenduaren prestasunarekin.

• Atmosferako dentsitate murriztua altu mailan degradatzen du gasaren zatiketa kanpoan dagoen isolamendu osoko elementuen isolamendu osoa.

2. Altu Mailako Gas Isolatutako Biribilgailu Errepikatuaren diseinu-eskema
Analisi hauetan oinarrituta, gas isolatutako biribilgailu errepikatu (bere kable nagusiak gasaren zatiketa itxiaren barruan guztiz itsasita, bukaeriak guztiz itsasita eta kable amaierak guztiz itsasita dituen) teoretikoki mantentzen du isolamendu prestasuna, baina altu mailan agertzen diren faktoreek eragiten diote: gasaren zatiketa barne-kanpo arteko presio-desberdintasuna handitzen da, ezin da gutxitu gasaren dentsitatea zatiketa barnean eta beharrezkoa da gasaren dentsitatearen adierazpen zehatz bat. Horrela, altu mailako gas isolatutako biribilgailu errepikatuaren diseinuko gaitza gasaren zatiketa eta presio-kaleratze gailuaren diseinuan datza, gasaren zatiketa presio-geroetarako goi mailako ingurumen eskakimenak betetzen dituen eta kanpoan dagoen isolamendu osoko elementuen isolamendu-prestasun murriztua ebazten duena.

2.1 Altu Mailarako Aplikazioetarako Gasaren Zatiketa eta Presio-Kaleratze Gailuaren Diseinua
Aldizkarri tekniko horiek konpontzeko, lan honetan proposatzen da gas isolatutako biribilgailu errepikatu berri bat, ez baita disegin berezia edo sinple presio-murrizketa soilik duten unitate arruntetatik desberdina. Biribilgailu errepikatu honek helburu zehatzeko diseinua du hurrengo aspektuetan:

(1) Gasaren Zatiketaren Egoera Strukturala Hobetu
Altu mailan agertzen den gasaren zatiketa barne-kanpo arteko presio-desberdintasuna handitzen dugula kontrabaliatzeko, gasaren zatiketaren egoera strukturala hobetzen da. Honek zatiketaren deformazioa goi mailan teknikoki zehaztutako balioen barruan mantentzen du, hauts-batez gaien mekaniko-prestasuna zatiketa barnean eragiten duena.

Egiaztapen Atmosferiko Internazionalearen modeluan oinarrituta, zenbaki jakin baten goi mailako atmosferako presioa kalkulatu daiteke formula hau erabiliz:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
non P zenbaki jakin baten goi mailako atmosferako presioa den; P₀ uholdeko estandarraren atmosferako presioa den; H goi maila den.

Adibidez, 4000 m goi maila hartuz:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.

Adibidez, 10 kV SF₆ gas isolatutako biribilgailu errepikatu tipiko bat hartuz, gasaren zatiketaren diseinu-presioa goi maila ez diren lekuetan 0.07 MPa izaten da. Goi mailan atmosferako presioa murrizten dugunean kontuan hartuz, 4000 m goi mailan gasaren zatiketaren diseinu-presio erreal kalkulatu daiteke hau bezala:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.

(2) Altu Mailarako Aplikazioetarako Presio-Kaleratze Gailuaren Diseinua
Eskualdeko norma berriena GB/T 3906—2020 "AC metal-enklosetutako switchgear eta kontrolgailuak 3.6 kV-etik gorako eta 40.5 kV-raino inklusatibo", Atal 7.103 esan dizu gasaren zatiketa gas isolatutako biribilgailu errepikatuak 1.3 aldiz diseinu-presioa (P₁) urteko minutu bat igotzen duelarik, presio-kaleratze gailua aktibatu gabe. Presioa jarraitzen badu igo 1.3 aldiz (P₁) eta 3 aldiz (P₂) diseinu-presioa artean, presio-kaleratze gailua aktibatu daiteke. Hori onartzen da fabrikantearen diseinu-espezifikazioak betetzen badira. Probak egindutan, gasaren zatiketa deformatu daiteke, baina ez da zatitu behar.

Gasaren zatiketa eta presio-kaleratze gailuaren egoera diseinatzeko eskualdeko normak bete dira. Desberdintasun goi mailatan gasaren zatiketa eta presio-kaleratze gailuak kalkulatu eta diseinatu daitezke metodo hau erabiliz:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa

Gasaren zatiketaren egoera strukturala hobetzeko—adibidez, plaka hutsegienak edo armadura gehiago erabiliz—zatiketa bete du gasaren zatiketa barne-kanpo arteko presio-desberdintasuna handitzen dugunean goi mailan eskatzen duen egoera. Honek hauts-batez gaien mekaniko eta elektrikoak zatiketa barnean deformazioagatik jaso diren eraginak saihesten ditu, zatiketa barneko gasaren presio estandarrarekin lan egitea bermatzen du eta goi mailako ingurumenetan lurraren aldetan lortutako egoera mekaniko eta elektriko berdina ematen du.

Diseinu-kalkulu eta proba experimentalen bidez, presio-kaleratze membranaren lodiera eta egoera hobetzen dituzte, haren presio-tolerantzia hobetzen duena. Honek gasaren zatiketaren presio-kaleratze tartea zehaztutako presio-tarteen eskumenak betetzen ditu, presio-kaleratze gailuaren aktibazio aurretik ateratzeko goi mailan agertzen diren gasaren zatiketa barne-kanpo arteko presio-desberdintasuna handitzen dugunean. Honek gasaren zatiketaren barneko isolamendu-egoera mantentzen du eta biribilgailu errepikatuaren prestasun elektrikoa bermatzen du.

2.2 Altu Mailarako Aplikazioetarako Gasaren Dentsitate Adierazlearen Diseinua
Isolamendu-gasaren dentsitate-adierazlea itxiatutako dentsitate-neurtzaile bat erabiltzen du. Bere balio erakusteko ez du tenperatura-aldaketari edo kanpo atmosferako presio-aldaketari eraginik.

Goi mailako gas isolatutako biribilgailu errepikatuentzat, gasaren zatiketa aukeratutako dentsitate-neurtzailea itxiatutako egoera guztietarako dentsitate-neurtzaile bat da, tenperatura eta goi mailaren eragina duen. Bere funtzionamendu printzipioa dentsitate-neurtzailearen barruan dagoen kompentsazio-elementu bat da, tenperatura-kompentzazioa egiten duena (tenperaturaren eraginik gabe). Ondoren, neurria itxiatutako egoera du, non itxiatutako gelaxka mantentzen duen estandarraren atmosferako presioa. Dentsitate-neurtzailearen erakusten duen presio-balioa gasaren zatiketa barneko eta estandarraren atmosferako presio arteko presio-desberdintasuna da.

Diseño honek zehaztu du gasaren espazioan instalatutako dentsitate-neurgailuaren eskala beti adieraziko duela espazioaren barneko gasaren dentsitate errealetza. Erakusten diren balioek ez dute aldatzen tenperaturaren edo altuaren arabera, operazio eskarri guztiak betetzen dituzte altuen eremuetan.2.3 Altuen eremuetarako gas-insulatutako biribiltze-unitate oso insulatutako bornen diseinua

Altuak, gasaren espazioa eta neurrizko instrumentuak eragiten dituzte, baina ere espazio kanpoko osagai oso insulatuei, hala nola sarrerako/irterako bornedun bornak eta kableen terminal-enkonduak. Osagai horien insulazio eginbidea insulazio materialaren indarrarekin eta lerro-lerroko insulazio-indarrarekin lotuta dago. Altuen eremuetan, airearen dentsitate txikitzeak lerro-lerroko insulazio-indarra murrizten du. Aplikazio praktikean, gas-insulatutako biribiltze-unitateen diseinu arruntak gehienetan hutsegite prabolaiko tentsio-probatan hutsegite egiten dute (adibidez, insulazio-bornak edo goiko-zabalpen barrak) altuen eremuetan instalatzean.

Honek ondorioztatzen du, artikulu honetan gas-insulatutako biribiltze-unitate oso insulatutako bornen diseinu berria proposatzen da altuen eremuetarako: insulazio-osagai horien kanpo-zuhurtzan babesteko harra bat gehitzea. Diseinu honek elektrizitate-eremuaren uniformitatea hobetzen du eta lerro nagusietatik sakonbidea babesten du.

Tibeteko Nagquko 10 kVko ibilbide aldaketako estazio kanpoko projektuan, enpresa bat akats bat topatu zuen onetsi aurretik, materiala soilik 29 kV/1 minuten prabolaiko tentsio-probaren gain igotzen zena lerro-lerroko sakonbideari dagokion. Insulazio bornen kanpo-insulaziora eta gasaren espazioaren kanpoko barrak kanpo babestu gabeko harra bat gehitu ondoren, materialak 42 kV/1 minuten prabolaiko tentsio-probaren gain igotze eskarketa betetzeko gaitasuna lortu zuen.

2.4 Teknologiako puntu nagusiaren laburpena
Gas-insulatutako biribiltze-unitate altuen eremuetarako diseinu-puntu nagusiak hauek dira:

• Gasaren espazioaren egitura-indarra gehitzea, lahar-lerroen zabalera handituz edo armadura gehituz, baita barnekanpoko presioaren arteko diferentzia handitzeak altuen eremuetan sortzen dituen presio-tolerantzia eskarrien eta deformazio-muga eskarrien bete dezan.

• Gasaren espazioaren presio-desagertze gailuko presio-desagertze membraren fortifikazioa hobetzea. Fortifikazio ondoren, presio-desagertze gailuaren presio-tolerantzia eskarrien bete dezan barnekanpoko presioaren arteko diferentzia handitzeak altuen eremuetan sortzen dituen.

• Presio-indikatzaile gailuetarako itsasitako dentsitate-neurgailuak erabiltzea. Erakusten diren balioek ez dute aldatzen tenperatura-aldaketen edo kanpoko atmosferaren presio-aldaketen arabera, haien oso egokiak izanik altuen ingurumenetan.

• Gasaren espazioaren kanpoko insulazio-osagaien kanpo-zuhurtzan babesteko harra bat diseinatzea, elektrizitate-eremuaren uniformitatea hobetzeko eta lerro nagusietatik sakonbidea babesteko.

3. Gas-insulatutako biribiltze-unitate altuen eremuetarako diseinuaren garrantzia
Diseinu honek gas-insulatutako biribiltze-unitateak ematen ditu, altuen eremuetako operazio eskarri guztiak betetzen dituzten. Gasaren espazioaren indarra hobetzean, presio-desagertze gailuen presio-tolerantzia-kontzeptu hobetzean, barneko gasaren dentsitatearen neurrizko zehaztasunean, eta insulazio-osagai erlazionatuen diseinuan, biribiltze-unitateak teknikoki osasuntsu egingo du altuen eremuetara. Honek biribiltze-unitatearen mekanikoa eta elektrikoa ezaugarriak lortzen ditu, baita gas-insulatutako biribiltze-unitateen funtzionamendua normala altuen eremuetan.

Txinako altuen eremua oso handia denez, energia-materialen eskaria oso handia dute altuen eremuetarako egokituta. Produkturen diseinuaren estandarizazioa eta arrazonalitatea mendebalde hobetze behar du. Altuen eremuetako ingurumen-aldaketak produktuen diseinuari eskarri berriak ematen dizkie. Tekniko soluzio honek teoria eta metodo diseinu berriak eskaintzen dizkie, esplorazio oso zentzu handiko bat adierazten du.