Optimoidun kaasuläpäisevän kytkentälaite -suunnitelma korkealle alueelle

Kaasullisesti eristetyt rengasmaunuohjaimet ovat kompakteja ja laajennettavissa olevia kytkentälaitteita, jotka sopivat keskijännite-energian automaattiseen jakeluun. Nämä laitteet käytetään 12~40,5 kV:n rengasmuodostuvaan sähköntarjonnan, kaksoisradialiseen sähköntarjonnan ja loppusähköntarjonnan sovelluksiin, toimien sähköenergian ohjaus- ja suojauslaitteina. Ne sopivat myös asennukseen pad-asemaksi.

Jakamalla ja aikatauluttamalla sähköenergian ne varmistavat sähköjärjestelmän vakavan toiminnan. Näiden laitteiden ytimessä on kytkimet tai yhdistelmät kuormituksen kytkimiä ja sähkönsulkijoita, tarjoten etuja kuten yksinkertainen rakenne, pieni koko, alhainen hinta, parannetut sähköntarjoamisen parametrit ja suorituskyky sekä parannettu sähköntarjoamisen turvallisuus. Ne ovat laajasti käytössä jakelupisteissä ja pad-asemissa, kuten kaupunkiasuntoalueilla, korkeissa rakennuksissa, suurissa julkisissa tiloissa ja teollisissa yrityksissä. Erilaisia eristegaseja, kuten SF₆, kuiva ilma, typi ja seoksia, käytetään eristevälineenä, tarjoten korkeaa eristeyssuorituskykyä ja ympäristöeduita, mikä johtaa niiden laajalle leviämiseen sähköjärjestelmissä.

Tällaisen rengasmaunuohjaimen pääkomponentit asennetaan tiiviisti hertutettuun säiliöön, joka on täytetty eristegaseilla (tästä lähtien viitataan "kaasucompartimento"). Kaasucompartimento on kaasullisesti eristettyjen rengasmaunuohjainten ydinosa. Sen päätäsmäärä on varmistaa, että sisäiset korkeajännitekomponentit toimivat vaikutuksitta ulkoisista ympäristötekijöistä, kuten saasteesta, kosteudesta ja ruskosta. Se samalla takaa komponenttien toimintaympäristön ja normaalin sähkösuorituskyvyn. Kaikki sisäiset komponentit suojataan tiiviillä kaasucompartimentolla. Compartimento on varustettu paineen tai kaasutiheyden valvontalaitteilla, kuten painemittareilla tai tiheysmittareilla, jotka mitaavat yleensä eroa compartimenton sisäisen ja ulkoisen paineen välillä.

Tässä artikkelissa käsitellään pääasiassa ongelmia, jotka vaikuttavat rengasmaunuohjainten mekaaniseen ja sähköiseen suorituskykyyn korkeilla alueilla.

1. Yleiset korkean korkeuden suunnitteluratkaisut kaasullisesti eristetyille rengasmaunuohjaimille ja olemassa olevat ongelmat

Kaasullisesti eristetyillä rengasmaunuohjaimilla on täysin eristetty suunnittelu, jonka pääsähköpiirit suljetussa eristysjärjestelmässä koostuvat tiiviisti hertutetuista kaasucompartimentoista, täysin eristetyistä tulevan/menevän linjan muovipaloista ja täysin eristetyistä kaapelitehdokseista. Koska compartimenton sisäinen ympäristö ei ole vaikutuksissa ulkoisiin olosuhteisiin, kaasutiheys ja kosteus pysyvät vakaina. Teoreettisesti eristyssuorituskyky on immuuni ulkoisille tekijöille, kuten kosteudelle, saasteelle tai korroosioille aiheuttaville kaasuille. Samoin muovipalojen ja kaapelitehdosten eristyskyky, jotka on suunniteltu eristäviksi materiaaleiksi, kuten epoksiharjalla ja silikoniruumalla, ei ole vaikutuksissa ulkoiseen ympäristöön. Pinnallisesti perinteisesti suunnitellut kaasullisesti eristetyt rengasmaunuohjaimet näyttävät soveltuvan korkean korkeuden alueille, mikä johtaa monien valmistajien uskoon, että ne täyttävät korkean korkeuden toimintaehdot ja käyttävät niitä suoraan tällaisissa alueissa.

Nykyisin kahdella pääasiallisella teknisellä ratkaisulla käytetään kaasullisesti eristettyjä rengasmaunuohjaimia korkean korkeuden ympäristöissä:

1.1 Suora käyttö korkean korkeuden alueilla

Suunnitteluperiaate: Tämä lähestymistapa perustuu siihen, että pääsähköpiiri on täysin suljettu eristysjärjestelmässä (tiiviisti hertutettu kaasucompartimento, täysin eristetty muovipalo ja kaapelitehdos), jolloin eristyssuorituskyky ei ole vaikutuksissa korkean korkeuden olosuhteisiin.
Olemassa olevat ongelmat: Oikeassa toiminnassa korkean korkeuden alueilla vähäinen ulkopuolinen ilmanpaine lisää eroa compartimenton sisäisen ja ulkoisen paineen välillä. Tämä aiheuttaa merkittävän puristumisen compartimentossa, mikä vaikuttaa sähkökomponenttien, kuten kytkimien ja sulkujen, mekaaniseen toimintaan. Tämä voi johtaa toimintahankaluuteen ja mekaanisten ominaisuuksien muutoksiin.

1.2 Vähennetty tehdaspainetaso

Suunnitteluperiaate: Tämä ratkaisu vähentää compartimenton sisäistä kaasupainetta tehtaassa, jotta vastaava paineerotus korkean korkeuden alueilla nousee arvoon, joka on teknisesti määritelty. Kun laite saapuu korkean korkeuden paikkaan, vähäinen ilmanpaine aiheuttaa paineerotuksen nousun teknisesti määriteltyyn arvoon, mikä näkyy painemittarin näyttämässä arvossa.
Olemassa olevat ongelmat: Tämä suunnitelma vähentää compartimenton sisäisen eristegasin tiheyttä. Vaikka painemittari näyttää suunnitellun arvon korkean korkeuden alueilla, kaasujen eristyskyky on luonteeltaan sidoksissa kaasutiheyteen Paschenin käyrän (kuvassa 1) mukaan, jota saksalainen fyysikko Friedrich Paschen kehitti. Paschenin käyrä piirtää funktion Paschenin lain mukaan. Sen fysiikallinen merkitys: Sähkökatkaisu U (kV) on funktio elektrodit välistä etäisyyttä d (cm) ja kaasupainetta P (Torr) ilmaistaan U = apd / [ln(Pd) + b] (kuvassa 1), missä a ja b ovat vakioita. 

Käyrän pääasiallinen merkitys: Kiinteälle eristysvälimatkan osalta, paineen lisääminen tai vähentäminen kohti tyhjiötä (esim. 10⁻⁶ Torr) molemmat nostavat katkaisuvedenväliä. Tyhjiöpaineiden lähellä vähenevä tyhjiötaso (eli kasvava ilmansiirto) helpottaa sähkökatkaisua elektrodeihin. Tietyltä painepisteltä eteenpäin, kun paine nousee, eristyskyky paranee hitaasti. Tässä vaiheessa (pisteen a jälkeen kuvassa 1), paineen vähentäminen - ja siten kaasutiheyden - alentaa katkaisuvedenvälin, mikä tarkoittaa, että eristyskyky heikkenee. Kaasullisesti eristettyjen rengasmaunuohjainten toiminnan paineväli on kokonaan tässä alueessa (osassa pisteen a jälkeen kuvassa 1).

1.3 Yhteenveto ongelmista perinteisissä korkean korkeuden suunnitteluratkaisuissa

• Lisääntyvä paineerotus compartimenton sisäisen ja ulkoisen välillä aiheuttaa suurempaa compartimenton muotoilua, mikä vaikuttaa kytkimien mekaaniseen toimintaan ja suorituskykyyn.

• Kun sisäisen ja ulkoisen paineerotus lisääntyy, paineverhoilulaitteet aktivoituvat useammin.

• Paineittaiset mittarit mittaavat kaasukamion sisäisen ja ulkoisen paineen suhteellisen erotuksen. Kaasutiheyden mittarit lisäävät painemittareihin lämpötilakompensaatio-ominaisuuden. Kumpikaan ei pysty tarkasti näyttämään kamion todellista kaasutiheyttä korkeilla vaakasuorilla, mutta kaasutiheys on luontevasti sidottu eristyskykyyn.

• Korkeilla vaakasuorilla vähenevä ilmakehän tiheys heikentää samanaikaisesti kaasukamion ulkoisten eristyskomponenttien kattavaa eristyskykyä.

2. Suunnitteluratkaisu korkean vaakasuoran kaasueristettyyn rengasmaanohjauslaitteeseen
Edellä mainitun analyysin perusteella, vaikka kaasueristettyjen rengasmaanohjauslaitteiden täysi eristysrakenne (jonka päärunkohtaukset ovat täysin suljetuissa kaasukamioissa, täysin eristetyillä pistokeissä ja täysin eristetyillä kaapeliteleptämisillä) pitäisi teoreettisesti säilyttää eristyskyky, se on vaikutuksissa tekijöihin, jotka syntyvät korkeilla vaakasuorilla: kasvaneeseen sisäiseen-ulkoiseen paineerotukseen kaasukamiossa, mahdottomuuteen vähentää kamion sisäistä eristyskaasun tiheyttä ja tarpeeseen tarkkaan näyttää kaasutiheys. Siksi korkean vaakasuoran kaasueristettyjen rengasmaanohjauslaitteiden suunnittelun avain on kaasukamion ja paineennostovalveen suunnittelussa, vastaamassa korkean vaakasuoran ympäristön vaatimuksiin kaasukamion painemittareille ja ratkaisemassa ulkoisten eristyskomponenttien vähentyneen kattavan eristyskyvyn korkeilla vaakasuorilla.

2.1 Korkean vaakasuoran sovellusten kaasukamion ja paineennostovalven suunnittelu
Edellä mainittujen teknisten ongelmien ratkaisemiseksi tässä artikkelissa ehdotetaan uutta suunnittelukonseptia korkean vaakasuoran kaasueristettyyn rengasmaanohjauslaitteeseen, joka poikkeaa tavallisista laitteista, joilla ei ole erityissuunnittelua tai jotka käyttävät vain yksinkertaista paineennostoa. Tämä rengasmaanohjauslaitteessa on kohdistettu suunnittelu seuraaviin osa-alueisiin:

(1) Vahvistettu rakenteen kestävyys kaasukamiolle
Korkean vaakasuoran aiheuttaman kasvaneen sisäisen-ulkoisen paineerotuksen torjumiseksi kaasukamion rakenteen kestävyys on vahvistettu. Tämä varmistaa, että kamion muotoilu korkealla vaakasuoralla pysyy teknisissä säännöissä, taaten korkean jänniteen komponenttien mekanisen toiminnan.

Kansainvälisen standardiilmamallin mukaan tiettyyn korkeuteen liittyvä normaalipaine voidaan laskea kaavalla:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
missä P on tietyn korkeuden ilmakehän paine; P₀ on merenpinnan tasaisen ilmakehän normaalipaine; H on korkeus.

Otetaan esimerkkinä 4000 metrin korkeus:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.

Käyttäen tyypillisestä 10 kV SF₆ kaasueristettyä rengasmaanohjauslaitetta esimerkkinä, kaasukamion suunniteltu paine ei-korkealla vaakasuoralla on yleensä 0.07 MPa. Ottaen huomioon vähentyneen ilmakehän paineen korkealla vaakasuoralla, kaasukamion todellinen suunniteltu paine 4000 metrin korkeudella voidaan laskea:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.

(2) Korkean vaakasuoran sovellusten paineennostovalven suunnittelu
Viimeisimmän kansallisen standardin GB/T 3906—2020 "Vaihtovirtaiset metalliset suljetut virtajohdot ja ohjauslaitteet 3.6 kV:n yläpuolella ja 40.5 kV:n alapuolella" mukaan, kohta 7.103 edellyttää, että kaasueristettyjen rengasmaanohjauslaitteiden kaasukamio kestää 1.3 kertaa suunnitellun paineen (P₁) 1 minuutin ilman, että paineennostovalve aktivoituu. Jos paine nousee 1.3 kertaa (P₁) ja 3 kertaa (P₂) suunnitellun paineen välillä, paineennostovalve voi aktivoida. Tämä on hyväksyttävää, jos se vastaa valmistajan suunnitelmaa. Testauksen jälkeen kaasukamio voi muodostua, mutta se ei saa rikkoutua.

Kaasukamion ja paineennostovalven vahvuuden suunnittelu näiden vaatimusten mukaan täyttää kansalliset standardit. Eri korkeuksien kaasukamioille ja paineennostovalveille voidaan laskea ja suunnitella tämän menetelmän avulla:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa

Kaasukamion rakenteen vahvistamisen, kuten paksuampien teräslevyjen tai jäykistysten käytön, avulla kamio täyttää täysin vahvuusvaatimukset, jotka johtuvat kasvaneesta sisäisestä-ulkoisesta paineerotuksesta korkealla vaakasuoralla. Tämä välttää mekaanisen ja sähköisen toiminnan vaikutukset korkean jännitteen kytkimiin kamiossa, taaten vakavan toiminnan suunnitellulla kaasupaineella ja tarjoa samaa mekaanista ja sähköistä toimintakykyä korkeilla vaakasuorilla kuin tasangossa.

Suunnittelulaskelmien ja kokeellisen validoinnin avulla paineennostovalven diitraamin paksuuden ja vahvuuden lisääminen parantaa sen painekykyä. Tämä varmistaa, että kaasukamion paineennostovalvon toimintaalue täyttää määritellyn painealueen vaatimukset, estäen paineennostovalven ennenaikaisen aktivoitumisen korkean sisäisen-ulkoisen paineerotuksen vuoksi korkeilla vaakasuorilla. Tämä ylläpitää sisäistä eristyksen tasoa ja varmistaa rengasmaanohjauslaitteen sähköisen toiminnan.

2.2 Korkean vaakasuoran sovellusten kaasutiheyden ilmaisulaiteen suunnittelu
Eristyksessä olevan kaasun tiheyden ilmaisulaite käyttää suljetun tyyppistä tiheydenmittaria. Sen näyttämä arvo ei vaikuta lämpötilan vaihteluihin tai ulkoiseen ilmakehän paineeseen.

Korkean vaakasuoran kaasueristettyjen rengasmaanohjauslaitteiden tiheydenmittarin valinta kaasukamioon on suljetun tyyppinen täysolosuhteissa toimiva tiheydenmittari, joka ei ole alttiina lämpötilan tai korkeuden vaikutuksille. Se toimii kompensoimalla lämpötilaa (ei vaikuta lämpötilaan) tiheydenmittarin sisällä olevan kompensaation elementin avulla. Samalla mittarin otsikossa on suljettu rakenne, jossa suljettu kammio säilyttää normaalin ilmakehän paineen. Tiheydenmittarin näyttämä painearvo edustaa kaasukamion sisäisen ja normaalin ilmakehän paineen välisen erotuksen.

Tämä suunnitelma varmistaa, että tiheydenmittarin mittakaava, joka on asennettu renkaan päävirta-asemaa ympäröivään kaasualueeseen, heijastaa aina tarkasti alueen sisällä olevan kaasun todellista tiheyttä. Näytetty arvo ei vaikuta lämpötilaan tai korkeuteen, täysin vastaen toimintovaatimuksia korkeilla alueilla.2.3 Kokonaan eristettyjen liittymien suunnittelu korkeilla sijaitseville kaasu-eristettyille renkaan päävirta-asemille

Korkeat alueet vaikuttavat paitsi kaasualueisiin ja mittaustekniikkaan myös ulkopuolelle asennettuihin kokonaan eristettyihin komponentteihin, kuten saapuvien/lähtevien linjojen liittymiin ja kaapelipäätteiden yhdisteisiin. Nämä ulkopuoliset kokonaan eristetyt komponentit ovat riippuvaisia sekä eristyksen vahvuudesta että kohoavan erityksen vahvuudesta maasta nähden. Korkeilla alueilla ilmaa vähenevän tiheyden seurauksena kohoavan erityksen vahvuus maasta nähden heikkenee. Käytännössä perinteisesti suunnitellut kaasu-eristettyjä renkaan päävirta-asemia usein epäonnistuvat voimakkuuden kestokykytestissä (esimerkiksi eristettyjen liittymien tai ylälaajennuspalkkien osalta) korkeilla alueilla.

Tämän ongelman ratkaisemiseksi esitetään tässä artikkelissa uusi suunnitteluohjelma kokonaan eristettyjen liittymien käyttöön korkeilla sijaitseville kaasu-eristettyille renkaan päävirta-asemille: lisäämällä näiden eristettyjen komponenttien ulkoisen pinnan päälle maanjäristyksen suojakerroksen. Tämä suunnitelma parantaa sähkökentän tasaisuutta ja estää maanjäristyksen päävirtapalkkien osalta.

Tiibetin Nagqussa sijaitsevassa ulkoisessa 10 kV virtausasemaprojektissa yritys kohtasi tilanteen, jossa laitteisto hyväksyttäessä pystyi vain menestymään 29 kV/1 min:n voimakkuuden kestokykytestissä maasta nähden. Kun saapuvien/lähtevien liittymien ja kaasualueen ulkopuolisten päävirtapalkkien ulkoiseen eristykseen lisättiin maanjäristyksen suojakerros, laite vastasi kansalliseen standardiin 42 kV/1 min:ssä voimakkuuden kestokykytestissä maasta nähden.

2.4 Teknisten avaintekijöiden yhteenveto
Korkeilla sijaitseville kaasu-eristettyille renkaan päävirta-asemille suunnittelun kriittiset näkökohdat ovat seuraavat:

• Kaasualueen rakenteellisen vahvuuden vahvistaminen lisäämällä teräslaidan paksuutta tai lisäämällä rakennevoimakkuutta vastaamaan paineen sietotason ja muodostumisen rajoihin korkeilla alueilla kasvavan sisäisen-ulkoisen paineeron vaikutuksista.

• Paineen lievittämislaitteen paineenlievityspaalan vahvuussuunnittelun parantaminen. Vahvistamisen jälkeen se täyttää paineen sietotason vaatimukset paineenlievityslaitekorjauslaitteelle korkeilla alueilla kasvavan sisäisen-ulkoisen paineeron vaikutuksissa.

• Suljetun tyyppisten tiheydenmittarien käyttö paineen osoituslaitteina. Näytetty arvo ei vaikuta lämpötilamuutoksiin tai ulkoisen ilmakehän paineen vaihteluun, mikä tekee niistä sopivia korkeille alueille.

• Maanjäristyksen suojakerroksen suunnittelu kaasualueen ulkopuolisiin eristettyihin komponentteihin parantaakseen sähkökentän tasaisuutta ja estääkseen maanjäristyksen päävirtapalkkien osalta.

3. Korkeilla sijaitsevien kaasu-eristettyjen renkaan päävirta-asemien suunnittelun merkitys
Tämä suunnittelusuunnitelma pyrkii tarjoamaan kaasu-eristettyjä renkaan päävirta-asemia, jotka todella vastaavat korkeilla alueilla toimintaan asetettuja vaatimuksia. Samanaikaisesti parantamalla kaasualueen vahvuutta, paineen sietokykyä paineenlievityslaitekorjauslaitteissa, mahdollistamalla sisäisen kaasun tiheyden tarkan mittaamisen ja järkeillä suunnittelemalla liittyviä eristettyjä komponentteja, renkaan päävirta-asema saavuttaa täydellisen teknisen sopeutettavuuden korkeilla alueilla. Tämä takaa renkaan päävirta-aseman mekaanisen ja sähköisen toiminnan, mikä mahdollistaa kaasu-eristettyjen renkaan päävirta-asemien normaalin toiminnan korkeilla alueilla.

Kiinan korkeat alueet ovat laajat, mikä luo valtavan kysynnän sähkövarusteille, jotka soveltuvat korkeilla alueilla toimintaan. Tuotteiden suunnittelun standardointiin ja järkevyyteen on kiireellisesti tarvetta parannusta. Korkeilla alueilla olevat todelliset ympäristömuutokset asettavat uusia vaatimuksia tuotesuunnitteluun. Tämä tekninen suunnitelma tarjoaa uuden suunnitteluteorian ja -menetelmän, mikä edustaa merkittävää tutkimusta.