Pangunahing disenyo ng gas-insulated switchgear para sa mga lugar na mataas na altitude
Ang mga gas-insulated ring main units ay kompak at maaaring palawigin na switchgear na angkop para sa mga sistema ng otomatikong distribusyon ng kuryente sa medium-voltage. Ang mga aparato na ito ay ginagamit para sa 12~40.5 kV ring network power supply, dual radial power supply systems, at terminal power supply applications, na gumagampan bilang control at protection devices para sa electrical energy. Ang mga ito ay din ang angkop para sa pag-install sa pad-mounted substations.
Sa pamamagitan ng pag-distribute at pag-schedule ng electrical energy, sila ay nag-aalamin ng matatag na operasyon ng mga sistema ng kuryente. Ang mga pangunahing komponente ng mga aparato na ito ay gumagamit ng circuit breakers o combinations ng load switches at fuses, na nagbibigay ng mga abilidad tulad ng simple structure, small size, low cost, improved power supply parameters at performance, at enhanced power supply safety. Ang mga ito ay malawakang ginagamit sa mga distribution stations at pad-mounted substations sa mga load centers tulad ng urban residential communities, high-rise buildings, large public facilities, at industrial enterprises. Ang iba't ibang insulating gases ay ginagamit bilang insulating medium, kasama ang SF₆, dry air, nitrogen, o mixed gases, na nagbibigay ng mataas na insulation performance at environmental benefits, na humuhubog sa malawakang aplikasyon sa mga sistema ng kuryente.
Ang mga pangunahing komponente ng uri ng ring main unit na ito ay nakainstala sa loob ng sealed welded tank na puno ng insulating gas (sa susunod ay tinatawag na "gas compartment"). Ang gas compartment ang core component ng mga gas-insulated ring main units. Ang pangunahing tungkulin nito ay siguruhin na ang mga high-voltage components sa loob ay walang maapektuhan ng mga external environmental factors tulad ng contamination, humidity, at corrosion. Ito rin ay nag-aalamin ng operating environment ng mga komponente at normal electrical performance. Lahat ng internal components ay protektado ng sealed gas compartment. Ang compartment ay mayroong pressure o gas density monitoring devices, tulad ng pressure gauges o density meters, na karaniwang nagsusukat ng pressure differential sa pagitan ng interior at exterior ng compartment.
Ang artikulong ito ay pangunahing tumutugon sa mga problema na nakakaapekto sa mechanical at electrical performance ng mga ring main units sa high-altitude environments.
1. Common High-Altitude Design Schemes for Gas-Insulated Ring Main Units and Existing Issues
Ang mga gas-insulated ring main units ay may fully insulated designs, na ang kanilang pangunahing conductive circuits ay nakapaligid sa fully insulated system na binubuo ng sealed gas compartments, fully insulated bushings para sa incoming/outgoing lines, at fully insulated cable terminations. Dahil ang internal environment ng gas compartment ay hindi naapektuhan ng external conditions, ang gas density at humidity ay mananatiling constant. Sa teorya, ang insulation performance ay immune sa external factors tulad ng humidity, contamination, o corrosive gases. Kapareho, ang insulation performance ng bushings at cable terminations—na disenyo gamit ang insulating materials tulad ng epoxy resin at silicone rubber—ay hindi naapektuhan ng external environment. Sa panlabas, ang mga conventional na disenyo ng gas-insulated ring main units ay mukhang angkop sa plateau environments, na nagdudulot sa maraming manufacturers na mag-isip na sila ay sumasakto sa high-altitude operational requirements at direktang inilalagay sa mga rehiyong ito.
Kasalukuyan, ang dalawang pangunahing teknikal na schemes ang ginagamit sa pag-apply ng gas-insulated ring main units sa high-altitude environments:
1.1 Direct Deployment in High-Altitude Areas
Design Concept: Ang approach na ito ay batay sa prinsipyong ang pangunahing conductive circuit ay fully enclosed sa insulated system (sealed gas compartment, fully insulated bushings, at cable terminations), na nagbibigay ng insulation performance na hindi naapektuhan ng high-altitude conditions.
Existing Issues: Sa aktwal na operasyon, ang reduced external atmospheric pressure sa high altitudes ay nagdudulot ng pagtaas ng pressure differential sa pagitan ng interior at exterior ng gas compartment. Ito ay nagdudulot ng significant bulging deformation ng compartment, na nakakaapekto sa mechanical performance ng mga electrical components tulad ng circuit breakers at disconnectors. Ito maaaring magresulta sa operational jamming at pagbabago ng mechanical characteristics.
1.2 Reduced Factory Gas Pressure Setting
Design Concept: Upang tugunan ang pagtaas ng internal-external pressure differential sa high altitudes, ang scheme na ito ay nagbabawas ng gas pressure sa loob ng compartment sa factory. Kapag ang unit ay naroroon sa high-altitude sites, ang reduced atmospheric pressure ay nagdudulot ng pagtaas ng pressure differential hanggang sa value na kinakailangan ng technical specifications, na nagpapakita ng pressure gauge ng required operational pressure.
Existing Issues: Ang disenyo na ito ay efektibong nagbabawas ng density ng insulating gas sa loob ng compartment. Bagaman ang pressure gauge ay nagpapakita ng designed value sa high altitudes, ang insulation performance ng gases ay intrinsically linked sa gas density ayon sa Paschen curve (see Fig. 1) na nilikha ng German physicist Friedrich Paschen. Ang Paschen curve ay nagplott ng function na nakuha mula sa Paschen’s Law. Ang physical meaning nito: Ang breakdown voltage U (kV) ay isang function ng product ng electrode distance d (cm) at gas pressure P (Torr), na ipinapakita bilang U = apd / [ln(Pd) + b] (see Fig. 1), kung saan a at b ay constants.
Ang pangunahing kahalagahan ng curve: Para sa fixed insulation distance, ang pagtaas ng pressure o pagbawas ng pressure patungo sa vacuum (halimbawa, 10⁻⁶ Torr) parehong nagpapataas ng gap breakdown voltage. Sa near-vacuum pressures, ang reduced vacuum level (i.e., increased air density) ay nagpapadali ng electrical breakdown sa pagitan ng electrodes. Sa ibaba ng tiyak na pressure threshold, ang insulation performance ay unti-unting nagiging mas mahusay habang tumaas ang pressure. Sa phase na ito (beyond point a sa Fig. 1), ang pagbawas ng pressure—at kaya naman ng gas density—nagpapababa ng breakdown voltage, na nangangahulugan ng pagbagsak ng insulation performance. Ang operational pressure range ng mga gas-insulated ring main units ay nasa buong rehiyon na ito (ang bahagi beyond point a sa Fig. 1).
1.3 Summary of Issues with Conventional High-Altitude Designs
Ang pagtaas ng pressure differential sa pagitan ng interior at exterior ng gas compartment ay nagdudulot ng mas malaking deformation ng compartment, na nakakaapekto sa mechanical operation at performance ng mga switches.
Sa ilalim ng pagtaas ng internal-external pressure differential, ang mga pressure relief devices ay mas madaling ma-trigger.
Ang mga pressure gauge ay nagsusukat ng relasyong presyon sa pagitan ng loob at labas ng gas compartment. Ang mga gas density meter ay nagdaragdag ng temperature compensation functionality sa mga pressure gauge. Walang kahit anong isa sa kanila ang maaaring tama na ipakita ang aktwal na gas density sa loob ng compartment sa mataas na altitude, bagaman ang gas density ay inextricably linked sa insulation performance.
Ang pagbaba ng atmospheric density sa mataas na altitude ay parehong lumilikha ng pagbagsak ng comprehensive insulation performance ng mga external insulating components ng gas compartment.
2. Disenyo ng Pamamaraan para sa High-Altitude Gas-Insulated Ring Main Units
Batay sa nabanggit na pagsusuri, bagama't ang fully insulated structure ng gas-insulated ring main units (na may main conductive circuits na ganap na nakalibing sa sealed gas compartments, fully insulated bushings, at fully insulated cable terminations) ay teoretikal na nananatiling walang pagbabago sa insulation performance, ito ay apektado ng mga factor na lumilitaw sa mataas na altitude: ang pagtaas ng internal-external pressure differential sa gas compartment, ang hindi pagkakaya na bawasan ang insulating gas density sa loob ng compartment, at ang pangangailangan para sa accurate gas density indication. Bilang resulta, ang key design para sa high-altitude gas-insulated ring main units ay nasa disenyo ng gas compartment at pressure relief device, na sumasaklaw sa mga environmental requirement sa mataas na altitude para sa mga pressure gauge ng gas compartment, at ang pagtugon sa pagbaba ng comprehensive insulation capability ng mga external insulating components sa mataas na altitude.
2.1 Disenyo ng Gas Compartment at Pressure Relief Device para sa High-Altitude Applications
Upang tugunan ang nabanggit na teknikal na isyu, inilalabas ng papel na ito ang isang bagong konsepto ng disenyo para sa high-altitude gas-insulated ring main units, na iba mula sa ordinaryong units na walang espesyal na disenyo o ang mga simpleng gumagamit ng simple pressure reduction. Ang ring main unit na ito ay mayroong targeted design sa mga sumusunod na aspeto:
(1) Pinalakas na Structural Strength ng Gas Compartment
Upang labanan ang pagtaas ng internal-external pressure differential dahil sa mataas na altitude, pinapalakas ang structural strength ng gas compartment. Ito ay nag-aasure na ang deformation ng compartment sa mataas na altitude ay mananatili sa loob ng technical specifications, na nagbibigay-daan sa hindi maapektuhan ang mechanical performance ng high-voltage components sa loob.
Ayon sa International Standard Atmosphere model, ang standard atmospheric pressure sa isang tiyak na altitude ay maaaring makalkula gamit ang formula:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
kung saan ang P ay ang atmospheric pressure sa isang tiyak na altitude; P₀ ang standard atmospheric pressure sa sea level; H ang altitude.
Kumuha ng halimbawa ng 4000 m altitude:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.
Gamit ang typical 10 kV SF₆ gas-insulated ring main unit bilang halimbawa, ang disenyo ng presyon ng gas compartment sa non-high-altitude areas ay karaniwang 0.07 MPa. Sa pag-consider ng pagbaba ng atmospheric pressure sa mataas na altitude, ang aktwal na disenyo ng presyon para sa gas compartment sa 4000 m altitude ay maaaring makalkula bilang:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.
(2) Disenyo ng Pressure Relief Device para sa High-Altitude Applications
Ayon sa pinakabagong national standard GB/T 3906—2020 "AC metal-enclosed switchgear and controlgear for rated voltages above 3.6 kV and up to and including 40.5 kV", Section 7.103 nagsasaad na ang gas compartment ng gas-insulated ring main units ay kailangang matiis 1.3 beses ang disenyo ng presyon (P₁) para sa 1 minuto nang walang activation ng pressure relief device. Kung ang presyon ay patuloy na umuusbong sa pagitan ng 1.3 beses (P₁) at 3 beses (P₂) ang disenyo ng presyon, maaaring mag-activate ang pressure relief device. Ito ay acceptable basta ito ay sumasaklaw sa mga design specifications ng manufacturer. Pagkatapos ng testing, maaaring deform ang gas compartment ngunit hindi dapat sumira.
Sa pamamaraang ito, ang disenyo ng lakas ng gas compartment at pressure relief device ay sumasaklaw sa national standards. Ang mga gas compartment at pressure relief devices para sa iba't ibang altitudes ay maaaring makalkula at idisenyo gamit ang metodyong ito:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa
Sa pamamagitan ng pinalakas na estruktura ng gas compartment— tulad ng paggamit ng mas malapot na steel plates o pagdagdag ng stiffeners—ang compartment ay ganap na sumasaklaw sa mga requirement ng lakas na dulot ng pagtaas ng internal-external pressure differential sa mataas na altitude. Ito ay nag-iwas sa mechanical at electrical performance impact sa high-voltage switches sa loob ng compartment dahil sa deformation, na nagbibigay ng stable operation sa rated gas pressure at nagbibigay ng parehong mechanical at electrical performance sa high-altitude environments tulad ng sa plains areas.
Sa pamamagitan ng mga calculation at experimental validation, ang pagtaas ng thickness at lakas ng pressure relief diaphragm ay nagpapataas ng kanyang tolerance sa presyon. Ito ay nag-aasure na ang range ng pressure relief ng gas compartment ay sumasaklaw sa specified pressure range requirements, na nagpapahintulot na hindi agad mag-activate ang pressure relief device dahil sa pagtaas ng internal-external pressure differential sa high-altitude environments. Ito ay nagsusuporta sa internal insulation level at nag-aasure ng electrical performance ng ring main unit.
2.2 Disenyo ng Gas Density Indication Device para sa High-Altitude Applications
Ang insulating gas density indication device ay gumagamit ng sealed-type density meter. Ang displayed value nito ay hindi apektado ng pagbabago ng temperatura o external atmospheric pressure variations.
Para sa high-altitude gas-insulated ring main units, ang napili na density meter para sa gas compartment ay isang sealed-type full-condition density meter, na immune sa epekto ng temperatura at altitude. Ang prinsipyong ito ng operasyon ay may compensation element sa loob ng density meter na nagbibigay ng temperature compensation (hindi apektado ng temperatura). Parehong ang meter head ay may sealed structure kung saan ang sealed chamber ay nagpapanatili ng standard atmospheric pressure. Ang displayed pressure value ng density meter ay kinakatawan ang pressure difference sa pagitan ng interior ng gas compartment at standard atmospheric pressure.
Ang disenyo na ito nag-aasigurado na ang saklaw ng densidad meter na nakalagay sa gas compartment ng ring main unit laging nagsasalarawan nang tama ng aktwal na densidad ng gas sa loob ng compartment. Ang ipinapakita na halaga ay hindi naapektuhan ng temperatura at altitudo, lubos na nasasakupan ang mga pangangailangan sa operasyon para sa mga rehiyon ng mataas na altitudo.2.3 Disenyo ng Fully Insulated Bushings para sa High-Altitude Gas-Insulated Ring Main Units
Bukod sa pag-aapekto sa gas compartment at mga instrumento ng pagsukat, ang mataas na altitudo ay may impluwensya rin sa mga komponente ng buong insulad na nakalagay sa labas tulad ng incoming/outgoing line bushings at cable terminal joints. Ang kakayahan ng insulasyon ng mga eksternal na buong insulad na komponente na ito ay naapektuhan ng lakas ng insulasyon ng materyales ng insulasyon at ng lakas ng creepage insulasyon kung ihahambing sa lupa. Sa mataas na altitudo, ang pagbaba ng densidad ng hangin ay binabawasan ang lakas ng creepage insulasyon kung ihahambing sa lupa. Sa tunay na aplikasyon, ang mga karaniwang disenyo ng gas-insulated ring main units madalas nabibigong pumasa sa power frequency withstand voltage tests para sa mga eksternal na komponente ng insulasyon (halimbawa, insulating bushings o top-expansion busbars) pagkatapos maitayo sa mataas na altitudo.
Upang tugunan ito, inihanda ng papel na ito ang isang bagong disenyo para sa fully insulated bushings sa high-altitude gas-insulated ring main units: ang pagdaragdag ng grounded shielding layer sa labas na bahagi ng mga komponente ng insulasyon. Ang disenyo na ito ay nagpapabuti ng pagkakapare-pareho ng electric field at pinapahinto ang ground discharge mula sa main circuit busbars.
Sa isang outdoor 10 kV switching station project sa Nagqu, Tibet, isang kompanya ay nakararanas ng isang sitwasyon sa panahon ng acceptance testing kung saan ang kagamitan lamang makakapasa ng power frequency withstand voltage test ng 29 kV/1 min kung ihahambing sa lupa. Pagkatapos magdagdag ng grounded shielding layer sa labas na insulasyon ng incoming/outgoing bushings at external busbars ng gas compartment, ang kagamitan ay sumunod sa pambansang pamantayan ng 42 kV/1 min para sa power frequency withstand voltage kung ihahambing sa lupa.
2.4 Buod ng Teknikal na Mahahalagang Puntos
Ang mga mahahalagang aspeto ng disenyo para sa high-altitude gas-filled insulated ring main units ay kasunod:
Palakasin ang lakas ng estruktura ng gas compartment sa pamamagitan ng pagdami ng kapal ng plating o pagdaragdag ng stiffeners upang masunod ang mga pangangailangan para sa range ng tolerable pressure at limitasyon ng deformation dahil sa pagtaas ng internal-external pressure differential sa mataas na altitudo.
Palakasin ang disenyo ng lakas ng pressure relief diaphragm sa pressure relief device ng gas compartment. Matapos palakasin, ito ay nasasapat sa mga pangangailangan para sa range ng tolerable pressure ng pressure relief device sa pagtaas ng internal-external pressure differential sa mataas na altitudo.
Ipaglaban ang sealed-type density meters para sa mga pressure indication devices. Ang ipinapakita nilang halaga ay hindi naapektuhan ng pagbabago ng temperatura o variation ng external atmospheric pressure, kaya sila ay angkop para sa mga kapaligiran ng mataas na altitudo.
Disenyo ng grounded shielding layer sa labas na bahagi ng mga eksternal na komponente ng insulasyon ng gas compartment upang mapabuti ang pagkakapare-pareho ng electric field at mapahinto ang ground discharge mula sa main circuit busbars.
3. Kahalagahan ng Disenyo ng High-Altitude Gas-Insulated Ring Main Unit
Ang disenyo na ito ay layuning magbigay ng gas-insulated ring main units na talagang nasasakupan ang mga pangangailangan sa operasyon sa mataas na altitudo. Sa pamamagitan ng pagpalakas ng lakas ng gas compartment, pagpapabuti ng kakayahan ng pressure relief devices, pagbibigay ng wastong pagsukat ng internal gas density, at masinsinang disenyo ng mga kaugnay na komponente ng insulasyon, ang ring main unit ay natutugunan ang teknikal na adaptability sa mga kapaligiran ng mataas na altitudo. Ito ay sinisiguro ang mekanikal at elektrikal na performance ng ring main unit at nagbibigay-daan sa normal na operasyon ng gas-insulated ring main units sa mga kapaligiran ng mataas na altitudo.
Ang malawak na rehiyon ng mataas na altitudo sa Tsina ay lumilikha ng napakalaking demand para sa mga kagamitan ng kuryente na nasasakupan ang mga kondisyon sa mataas na altitudo. Ang standardization at rationality ng disenyo ng produkto ay kailangan ng agad na pagbabago. Ang tunay na environmental variations sa mga rehiyon ng mataas na altitudo ay naglalagay ng mga bagong pangangailangan sa disenyo ng produkto. Ang teknikal na esquema na ito ay nagbibigay ng bagong teorya at metodolohiya ng disenyo, kaya ito ay isang may kahalagang pag-aaral.
