Optimizirani dizajn plinsko izolirane sklopne opreme za područja s visokom nadmorskom visinom
Plinsko izolirane kružne glavne jedinice su kompaktni i proširivi prekidački uređaji pogodni za srednje-naponske sustave automatizacije distribucije struje. Ovi uređaji koriste se za snabdijevanje strujom u kružnim mrežama od 12 do 40,5 kV, dualnim radijalnim sustavima snabdijevanja strujom i terminalnim primjenama, služeći kao uređaji upravljanja i zaštite električne energije. Također su prikladni za instalaciju u podno postavljenim transformatornim stanici.
Distribucijom i raspoređivanjem električne energije osiguravaju stabilno funkcioniranje sustava opskrbe strujom. Ključni komponenti tih uređaja koriste prekidnike ili kombinacije prekidnih ključeva i sigurnosnih prekidnika, pružajući prednosti poput jednostavne konstrukcije, male veličine, niske cijene, poboljšanih parametara i performansi snabdijevanja strujom te povećane sigurnosti snabdijevanja strujom. Široko se koriste u distribucijskim stanicama i podno postavljenim transformatornim stanicama u centrima opterećenja, poput urbanih naselja, visokih zgrada, velikih javnih objekata i industrijskih poduzeća. Kao izolirajuće medije koriste se različiti plinski sastojci, uključujući SF₆, suhu zraku, azot ili mešavine plinova, što pruža visoku izolacijsku performansu i ekološke prednosti, vodeći do široke primjene u sustavima opskrbe strujom.
Glavne komponente ovog tipa kružne glavne jedinice instalirane su unutar zapečaćene zavarane posude ispunjene izolirajućim plinom (u daljnjem tekstu označene kao "plinska posuda"). Plinska posuda je ključna komponenta plinsko izoliranih kružnih glavnih jedinica. Njegova glavna funkcija je osigurati da visokonaponske komponente unutar nje rade neovisno o vanjskim okolišnim faktorima poput kontaminacije, vlage i koroze. Istovremeno garantira radno okruženje komponenti i normalnu električnu performansu. Sve unutarnje komponente zaštićene su zapečaćenom plinskom posudom. Posuda opremljena je uređajima za praćenje tlaka ili gustoće plina, poput manometara ili gustomera, obično mjerenjem diferencijalnog tlaka između unutrašnjosti i vanjštine posude.
Ovaj članak uglavnom obrađuje probleme koji utječu na mehaničku i električku performansu kružnih glavnih jedinica u visokim nadmorskim visinama.
1. Uobičajeni dizajnski shemi za plinsko izolirane kružne glavne jedinice u visokim nadmorskim visinama i postojeći problemi
Plinsko izolirane kružne glavne jedinice karakterizirane su potpuno izoliranim dizajnom, s glavnim provodnicima zatvorenim u potpuno izoliranim sustavu koji sastoji se od zapečaćene plinske posude, potpuno izoliranih preslici za dolazne/odlazne linije i potpuno izoliranih kabelskih završnica. Budući da unutarnje okruženje plinske posude ne ovisi o vanjskim uvjetima, gustoća plina i vlaga ostaju konstantne. Teorijski, izolacijska performansa ne ovisi o vanjskim faktorima poput vlage, kontaminacije ili korozijskih plinova. Slično tome, izolacijska performansa preslica i kabelskih završnica, dizajniranih s izolacijskim materijalima poput epoksne smole i silikonske gumije, ne ovisi o vanjskom okruženju. Površinski, konvencionalno dizajnirane plinsko izolirane kružne glavne jedinice čine se prilagođenima visinskim okruženjima, što mnoge proizvođače dovodi do mišljenja da ispunjavaju zahtjeve za rad u visokim nadmorskim visinama i direktno ih namještaju u takvim regijama.
Trenutno, dvije glavne tehničke sheme koriste se prilikom primjene plinsko izoliranih kružnih glavnih jedinica u visokim nadmorskim visinama:
1.1 Direktna namjesta u visokim nadmorskim visinama
Koncept dizajna: Ovaj pristup oslanja se na princip da je glavni provodni krug potpuno zatvoren izoliranim sustavom (zapečaćena plinska posuda, potpuno izolirane preslice i kabelske završnice), čime izolacijska performansa ne ovisi o uvjetima u visokim nadmorskim visinama.
Postojeći problemi: U stvarnom radu, smanjenje vanjskog atmosferskog tlaka u visokim nadmorskim visinama povećava diferencijalni tlak između unutrašnjosti i vanjštine plinske posude. To uzrokuje značajnu deformaciju posude, utječeći na mehaničku performansu električnih komponenti poput prekidnika i prekidnih ključeva. To može dovesti do operativnih zaključavanja i promjena mehaničkih karakteristika.
1.2 Smanjivanje točke postavljanja tlaka plina u tvornici
Koncept dizajna: Da bi se riješio povećanog diferencijalnog tlaka između unutrašnjosti i vanjštine u visokim nadmorskim visinama, ova shema smanjuje tlak plina unutar posude u tvornici. Kada se jedinica dostavi na lokacije u visokim nadmorskim visinama, smanjeni atmosferski tlak uzrokuje da se diferencijalni tlak poveća na vrijednost prema tehničkim specifikacijama, čime manometar pokazuje potrebni operativni tlak.
Postojeći problemi: Taj dizajn efektivno smanjuje gustoću izolirajućeg plina unutar posude. Iako manometar pokazuje projektiranu vrijednost u visokim nadmorskim visinama, izolacijska performansa plinova temelji se na gustoći plina prema Paschenovoj krivulji (vidi Sliku 1) formuliranoj njemačkim fizičarem Friedrichom Paschenom. Paschenova krivulja prikazuje funkciju izvedenu iz Paschenovog zakona. Njegova fizikalna značenja: naponska razina raspadanja U (kV) jest funkcija produkta udaljenosti elektroda d (cm) i tlaka plina P (Torr), izražena kao U = apd / [ln(Pd) + b] (vidi Sliku 1), gdje su a i b konstante.
Glavna značajnost krivulje: Za fiksnu izolacijsku udaljenost, povećanje tlaka ili smanjenje tlaka prema vakuumu (npr. 10⁻⁶ Torr) oba povećavaju naponsku razinu raspadanja razine. Kod blizu-vakuumskih tlaka, smanjenje razina vakua (tj. povećanje gustoće zraka) olakšava električni raspad između elektroda. Iznad određene granice tlaka, izolacijska performansa postepeno se poboljšava kako se tlak povećava. U toj fazi (iznad točke a na Slici 1), smanjenje tlaka - i time gustoće plina - smanjuje naponsku razinu raspadanja, što znači da se izolacijska performansa pogoršava. Operativni raspon tlaka plinsko izoliranih kružnih glavnih jedinica potpuno se nalazi u tom području (dijelu izvan točke a na Slici 1).
1.3 Sažetak problema s konvencionalnim dizajnom za visoke nadmorske visine
Povećana razlika u tlaku između unutrašnjosti i vanjštine plinske posude uzrokuje veću deformaciju posude, što utječe na mehanički rad i performanse prekidnih ključeva.
Pod uvjetima povećanog diferencijalnog tlaka između unutrašnjosti i vanjštine, uređaji za smanjenje tlaka su skloniji aktivaciji.
Manometri pritiska mjere razliku u pritisku između unutrašnjosti i vanjske strane plinove komore. Uređaji za mjeranje gustoće plina dodaju funkciju kompenzacije temperature manometrima pritiska. Nijedan od njih ne može točno prikazati stvarnu gustoću plina unutar komore na velikim nadmorskim visinama, no gustoća plina je u suštini povezana s performansom izolacije.
Smanjena gustoća atmosfere na velikim nadmorskim visinama istodobno smanjuje opću performansu izolacije vanjskih izolacijskih komponenti plinove komore.
2. Dizajn shema za plinsko izolirane kružne glavne jedinice na velikim nadmorskim visinama
Na temelju gore navedene analize, iako potpuno izolirana struktura plinsko izoliranih kružnih glavnih jedinica (s glavnim vodilnim putem potpuno zatvorenim u zaprskanim plinovima, potpuno izoliranim ulaznicama i potpuno izoliranim kabelskim završnicama) teoretski održava neizmijenjenu performansu izolacije, utjecaju faktori koji se javljaju na velikim nadmorskim visinama: povećana razlika u pritisku između unutrašnjosti i vanjske strane plinove komore, nemogućnost smanjenja gustoće izolacijskog plina unutar komore i potreba za točnim prikazivanjem gustoće plina. Stoga ključ dizajna za plinsko izolirane kružne glavne jedinice na velikim nadmorskim visinama leži u dizajnu plinove komore i uređaja za olakšavanje pritiska, zadovoljavanju okolišnih zahtjeva za manometre pritiska u plinovoj komori na velikim nadmorskim visinama, te rješavanju smanjene opće sposobnosti izolacije vanjskih izolacijskih komponenti na velikim nadmorskim visinama.
2.1 Dizajn plinove komore i uređaja za olakšavanje pritiska za primjenu na velikim nadmorskim visinama
Za rješavanje navedenih tehničkih problema, ovaj rad predlaže novi koncept dizajna za plinsko izolirane kružne glavne jedinice na velikim nadmorskim visinama, različit od običnih jedinica bez specifičnog dizajna ili onih koje koriste samo jednostavno smanjenje pritiska. Ova kružna glavna jedinica ima ciljani dizajn u sljedećim aspektima:
(1) Pojačana strukturna čvrstoća plinove komore
Za protupostavljanje povećanoj razlici u pritisku između unutrašnjosti i vanjske strane uzrokovanom velikim nadmorskim visinama, pojačana je strukturna čvrstoća plinove komore. To osigurava da deformacija komore na velikim nadmorskim visinama ostane unutar tehničkih specifikacija, osiguravajući neizmijenjenu mehaničku performansu visokonaponskih komponenti unutar nje.
Prema Međunarodnom standardnom modelu atmosfere, standardni atmosferski pritisak na određenoj nadmorskoj visini može se izračunati koristeći formulu:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
gdje P predstavlja atmosferski pritisak na određenoj nadmorskoj visini; P₀ je standardni atmosferski pritisak na morskom nivou; H je nadmorska visina.
Uzimajući za primjer nadmorsku visinu od 4000 m:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.
Koristeći tipičnu 10 kV SF₆ plinsko izoliranu kružnu glavnu jedinicu kao primjer, dizajnski pritisak plinove komore u područjima koja nisu na velikim nadmorskim visinama obično iznosi 0.07 MPa. Uzimajući u obzir smanjeni atmosferski pritisak na velikim nadmorskim visinama, stvarni dizajnski pritisak za plinovu komoru na nadmorskoj visini od 4000 m može se izračunati kao:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.
(2) Dizajn uređaja za olakšavanje pritiska za primjenu na velikim nadmorskim visinama
Prema najnovijem nacionalnom standardu GB/T 3906—2020 "Naponska metalička oklopna aparatura i kontrolna oprema za napone iznad 3.6 kV do i uključivo 40.5 kV", odjeljak 7.103 propisuje da plinova komora plinsko izoliranih kružnih glavnih jedinica mora održati 1.3 puta dizajnski pritisak (P₁) tijekom 1 minute bez aktivacije uređaja za olakšavanje pritiska. Ako pritisak nastavi rasti između 1.3 puta (P₁) i 3 puta (P₂) dizajnskog pritiska, uređaj za olakšavanje pritiska može se aktivirati. To je prihvatljivo ako ispunjava specifikacije proizvođača. Nakon testiranja, plinova komora može se deformirati, ali ne smije se lomiti.
Dizajniranje čvrstoće plinove komore i uređaja za olakšavanje pritiska prema ovim zahtjevima zadovoljava nacionalne standarde. Plinove komore i uređaji za olakšavanje pritiska za različite nadmorske visine mogu se izračunati i dizajnirati koristeći ovu metodu:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa
Pojačavanjem strukture plinove komore - poput upotrebe debljih čelika ili dodavanja armature - komora potpuno zadovoljava zahtjeve za čvrstoću uzrokovane povećanom razlikom u pritisku između unutrašnjosti i vanjske strane na velikim nadmorskim visinama. To sprečava mehanički i električni utjecaj na visokonaponske prekidače unutar komore uzrokan deformacijom, osiguravajući stabilnu operaciju na nominiranom pritisku plina i dostavljanje identične mehaničke i električne performanse u okruženjima na velikim nadmorskim visinama kao i na ravnici.
Kroz izračune dizajna i eksperimentalnu validaciju, povećanjem debljine i čvrstoće membrane za olakšavanje pritiska, povećana je sposobnost izdržljivosti pritiska. To osigurava da raspon olakšavanja pritiska u plinovoj komori odgovara propisanom rasponu pritiska, sprečavajući prematurnu aktivaciju uređaja za olakšavanje pritiska zbog povećane razlike u pritisku između unutrašnjosti i vanjske strane u okruženjima na velikim nadmorskim visinama. Time se održava unutarnja razina izolacije i osigurava električna performansa kružne glavne jedinice.
2.2 Dizajn uređaja za prikaz gustoće plina za primjenu na velikim nadmorskim visinama
Uređaj za prikaz gustoće izolacijskog plina koristi zaprskani gustomjer. Njegova prikazana vrijednost nije ovisna o promjenama temperature ili varijacijama vanjskog atmosferskog pritiska.
Za plinsko izolirane kružne glavne jedinice na velikim nadmorskim visinama, odabrani gustomjer za plinovu komoru je zaprskani gustomjer za sve uvjete, koji nije ovisan o temperaturi i nadmorskoj visini. Njegov princip rada uključuje kompenzacijski element unutar gustomjera koji omogućuje kompenzaciju temperature (neovisan o temperaturi). Tijekom toga, glava gustomjera ima zaprskanu strukturu gdje zaprskana komora održava standardni atmosferski pritisak. Prikazana vrijednost pritiska gustomjera predstavlja razliku u pritisku između unutrašnjosti plinove komore i standardnog atmosferskog pritiska.
Ovaj dizajn osigurava da se uvijek točno odražava gustoća plina unutar kompartmana prstenačke jedinice na pokazaniku gustoće montiranom na gasni kompartman. Prikazana vrijednost ne ovisi o temperaturi i nadmorskoj visini, potpuno ispunjavajući operativne zahtjeve za područja visokih nadmorskih visina.2.3 Dizajn potpuno izoliranih vodica za gasno izolirane prstenačke jedinice u područjima visoke nadmorske visine
Pored utjecaja na gasni kompartman i mjerni instrument, visoka nadmorska visina utječe i na vanjske potpuno izolirane komponente poput vodica za priključivanje/odvoz i spojeva kabelskih terminala. Izolacijske performanse ovih vanjskih potpuno izoliranih komponenti ovisne su o izolacijskoj čvrstoći izolacijskog materijala i izolacijskoj čvrstoći križanja u odnosu na zemlju. Na visokim nadmorskim visinama, smanjena gustoća zraka smanjuje izolacijsku čvrstoću križanja u odnosu na zemlju. U praktičnim primjenama, konvencionalno dizajnirane gasno izolirane prstenačke jedinice često ne prolaze testove otpornosti na strujnu frekvenciju za vanjske izolacijske komponente (na primjer, izolacijske vodice ili vrhovne proširene šine) nakon instalacije na visokim nadmorskim visinama.
Kako bi se riješila ova problema, ovaj rad predlaže novi dizajn za potpuno izolirane vodice u gasno izoliranim prstenačkim jedinicama za područja visokih nadmorskih visina: dodavanje zemljenog štitnog sloja na vanjsku površinu tih izolacijskih komponenti. Ovaj dizajn poboljšava uniformnost električnog polja i sprečava razlaganje prema zemlji s glavnih cjevovoda.
U projektu otvorene 10 kV ploče u Nagqu, Tibet, jedna tvrtka susrela se sa situacijom tijekom prihvatnog testiranja gdje oprema mogla je proći samo test otpornosti na strujnu frekvenciju od 29 kV/1 min u odnosu na zemlju. Nakon dodavanja zemljenog štitnog sloja na vanjsku izolaciju vodica za priključivanje/odvoz i vanjskih cjevovoda gasnog kompartmana, oprema ispunila je nacionalni standard za test otpornosti na strujnu frekvenciju od 42 kV/1 min u odnosu na zemlju.
2.4 Sažetak ključnih tehničkih točaka
Ključni aspekti dizajna za gasno izpoljene izolirane prstenačke jedinice na visokim nadmorskim visinama su sljedeći:
Jačanje strukturne čvrstoće gasnog kompartmana povećanjem debljine ploče ili dodavanjem posiljača kako bi se ispunili zahtjevi za rasponom otpornosti na tlak i ograničenjima deformacije uzrokovanim povećanjem razlike tlaka unutra i vani na visokim nadmorskim visinama.
Unapređenje dizajna čvrstoće dijelova smanjivanja tlaka u uređaju za smanjivanje tlaka gasnog kompartmana. Nakon jačanja, on zadovoljava zahtjeve za rasponom otpornosti na tlak za uređaj za smanjivanje tlaka pod povećanom razlikom tlaka unutra i vani na visokim nadmorskim visinama.
Uvođenje zatvorenih pokazatelja gustoće za uređaje za prikazivanje tlaka. Njihove prikazane vrijednosti ne ovisi o promjenama temperature ili varijacijama spoljnog atmosferskog tlaka, što ih čini prikladnim za okruženja visokih nadmorskih visina.
Dizajniranje zemljenog štitnog sloja na vanjskoj površini vanjskih izolacijskih komponenti gasnog kompartmana kako bi se poboljšala uniformnost električnog polja i sprečeno razlaganje prema zemlji s glavnih cjevovoda.
3. Značaj dizajna gasno izoliranih prstenačkih jedinica za visoke nadmorske visine
Ovaj dizajnski shema ima za cilj pružiti gasno izolirane prstenačke jedinice koje stvarno ispunjavaju zahtjeve za rad na visokim nadmorskim visinama. S istovremenim jačanjem čvrstoće gasnog kompartmana, poboljšanjem sposobnosti izdržljivosti na tlak za uređaje za smanjivanje tlaka, omogućavanjem točnog mjerenja gustoće unutrašnjeg plina i racionalnim dizajnom povezanih izolacijskih komponenti, prstenačka jedinica postiže potpunu tehničku adaptabilnost na okruženje visokih nadmorskih visina. To osigurava mehaničke i električne performanse prstenačke jedinice te omogućuje normalnu operaciju gasno izoliranih prstenačkih jedinica u okruženjima visokih nadmorskih visina.
Prostrani područja visokih nadmorskih visina u Kini stvaraju ogroman potraznju za opremom za snabdevanje strujom prilagođenom uslovima visokih nadmorskih visina. Standardizacija i racionalnost dizajna produkata nesporno trebaju poboljšanja. Stvarne varijacije u okruženju na područjima visokih nadmorskih visina stavlja nove zahtjeve na dizajn produkta. Ovaj tehnički shema pruža novu teorijsku i metodološku bazu za dizajn, predstavljajući značajan eksperiment.
