Optimalizált gázösszegített kapcsolóállomány tervezése magas földrajzi szintű területekhez

A gázizolált gyűrűs főválasztókompaktkészülékek kis méretű és bővítendő áttengelyezési berendezések, amelyek alkalmasak a közép-feszültségű elosztóautomatizálási rendszerekre. Ezeket a berendezéseket 12-40,5 kV-os gyűrűhálózatos ellátás, dupla sugárzó ellátási rendszerek és végponti ellátási alkalmazások számára használják, elektromos energia irányítása és védelme érdekében. Alkalmassák a pad-as alakú alagúttelepekbe történő telepítésre is.

Az elektromos energia terjesztésével és ütemezésével biztosítják a hálózatok stabilitását. Az eszközök alapvető komponensei áramközi kapcsolókkal vagy terhelési kapcsolók és biztosítékok kombinációjával működnek, ami egyszerű szerkezet, kis méret, alacsony költség, javított ellátási paraméterek és teljesítmény, valamint növekedett ellátási biztonságot jelent. Széles körben használják az elosztóállomásokban és pad-as alakú alagúttelepekben, mint például városi lakóközpontokban, magasépületekben, nagy közérdekű létesítményekben és ipari vállalatokban. A különböző izoláló gázok, beleértve az SF₆-t, a száraz levegőt, a nitrogént vagy vegyes gázokat, izoláló médiumként használják, amelyek magas izoláló teljesítményt és környezeti előnyöket nyújtanak, ami vezet a széles körben történő alkalmazásukhoz a villamosenergia-rendszerben.

Ez a típusú gyűrűs főválasztókompaktkészülék főbb komponensei egy zárt, hajtogatással összekovácsolt tartályban vannak telepítve, amelyet izoláló gázzal (innen ezután "gázkompartment" néven emlegetünk) töltönnek meg. A gázkompartment a gázizolált gyűrűs főválasztókompaktkészülék alapvető komponense. Főbb funkciója, hogy biztosítsa, hogy a belső magasfeszültségi elemek ne legyenek befolyásolva külső környezeti tényezők, mint a szennyezés, a páratartalom és a rosszindulatú hatások által. Ugyanakkor garantálja az elemek működési környezetét és a normál elektrikus teljesítményt. Minden belső elem a zárt gázkompartment védheti. A kompartment fel van ruházva nyomáscsere- vagy gázsebesség-megfigyelő eszközökkel, mint például nyomásmérők vagy sebességmérők, amelyek tipikusan a kompartment belső és külső része közötti nyomáskülönbséget mérnek.

Ez a cikk elsősorban a magasföldi környezetben a gyűrűs főválasztókompaktkészülékek mechanikai és elektrikai teljesítményét befolyásoló problémákat tárgyalja.

1. Gyakori magasföldi tervezési séma gázizolált gyűrűs főválasztókompaktkészülékek esetén és meglévő problémák

A gázizolált gyűrűs főválasztókompaktkészülékek teljesen izolált tervezést használnak, ahol a fő vezetők áramkörét teljesen izolált rendszer zárja be, amely zárt gázkompartmenttel, teljesen izolált behajtó/bekötőkkel és teljesen izolált kábelvégekkel rendelkezik. Mivel a gázkompartment belső környezete nem befolyásolódik a külső feltételek által, a gázsebesség és a páratartalom állandó marad. Elméletileg, az izoláló teljesítmény nem befolyásolódik a külső tényezők, mint a páratartalom, a szennyezés vagy a rosszindulatú gázok által. Hasonlóan, a behajtók és kábelvégek izoláló teljesítménye, amelyek izoláló anyagokkal, mint az epoxid rezin és a silikon gummi, vannak megtervezve, nem befolyásolódik a külső környezet által. Felületesen, a hagyományosan tervezett gázizolált gyűrűs főválasztókompaktkészülékek úgy tűnnek, mintha alkalmassák lennének a magasföldi környezethez, ami sok gyártót arra késztet, hogy úgy gondolják, megfelelnek a magasföldi működési követelményeknek, és közvetlenül ilyen régiókban használják őket.

Jelenleg két fő technikai sémát használnak a gázizolált gyűrűs főválasztókompaktkészülékek magasföldi környezetben történő alkalmazásakor:

1.1 Közvetlen telepítés magasföldi területekre

Tervezési elgondolás: Ez a megközelítés azzal az elvvel működik, hogy a fő vezető áramkör teljesen bezárva van az izolált rendszerrel (zárt gázkompartment, teljesen izolált behajtók és kábelvégek), így az izoláló teljesítmény nem befolyásolódik a magasföldi feltételek által.
Meglévő problémák: A valós működésben a magasföldi környezetben csökkenő külső légnyomás miatt növekszik a gázkompartment belső és külső része közötti nyomáskülönbség. Ez jelentős kiugró torzítást okoz a kompartmentben, ami befolyásolja az áramközi kapcsolók és a leválasztók mechanikai teljesítményét. Ez operációs akadályokhoz és a mechanikai jellemzők változásához vezethet.

1.2 Csökkentett gyári gáznyomás beállítása

Tervezési elgondolás: A magasföldi környezetben növekvő belső-külső nyomáskülönbség kezelése érdekében ebben a sémában a gyárban csökkentik a kompartment belső gáznyomását. Amikor a berendezés elér egy magasföldi helyszínt, a csökkent légnyomás miatt a nyomáskülönbség növekszik a technikai specifikációk által előírt értékig, és a nyomásmérő megjeleníti a szükséges működési nyomást.
Meglévő problémák: Ez a tervezés hatékonyan csökkenti a kompartment belső izoláló gázának sebességét. Bár a nyomásmérő a magasföldi helyszínen a tervezett értéket mutatja, a gázok izoláló teljesítménye alapvetően a gázsebességgel van összefüggésben, ahogyan a Paschen-görbe (lásd Ábra 1) formulálta a német fizikus Friedrich Paschen. A Paschen-görbe a Paschen-törvénnyel levezetett függvényt ábrázolja. Fizikai jelentése: A szakaszodó feszültség U (kV) függvénye az elektrodok távolságának d (cm) és a gáznyomásnak P (Torr) szorzatának, kifejezve U = apd / [ln(Pd) + b] (lásd Ábra 1), ahol a és b konstansok.

A görbe főbb jelentősége: Egy rögzített izoláló távolság mellett, a nyomás növelése vagy a vákuum felé történő csökkentése (pl. 10⁻⁶ Torr) mindkettő növeli a szakaszodó feszültséget. A vákuum közelében, a csökkenő vákuumszint (azaz a növekedő levegősebesség) könnyebbé teszi az elektrodok közötti elektrikus szakaszodást. Egy adott nyomási küszöb felett, a nyomás növelése során az izoláló teljesítmény fokozatosan javul. Ez a szakaszban (Ábra 1 pont a-n túli része), a nyomás és a gázsebesség csökkentése csökkenti a szakaszodó feszültséget, tehát az izoláló teljesítmény romlik. A gázizolált gyűrűs főválasztókompaktkészülékek működési nyomási tartománya teljesen ebben a tartományban (Ábra 1 pont a-n túli része) helyezkedik el.

1.3 Összefoglaló a hagyományos magasföldi tervezési sémák problémairól

• A gázkompartment belső és külső része közötti növekvő nyomáskülönbség nagyobb torzítást okoz a kompartmentben, ami befolyásolja a kapcsolók mechanikai működését és teljesítményét.

• Növekvő belső-külső nyomáskülönbség mellett a nyomáscsökkentő eszközök gyakrabban aktiválódnak.

• A nyomásmérők mérjük a gáztartály belső és külső része közötti relatív nyomáskülönbséget. A gáz-sűrűség-mérők hozzátartoznak a nyomásmérőkhöz, hozzáadva hőmérséklet-kompenzációs funkciókat. Sem az egyik, sem a másik nem képes pontosan megjeleníteni a tényleges gáz-sűrűséget a magas szinteken, bár a gáz-sűrűség összetett módon befolyásolja a izolációs teljesítményt.

• A csökkenő légkörnyezeti sűrűség a magas szinteken egyidejűleg rombolja a gáztartály külső izoláló komponenseinek átfogó izolációs teljesítményét.

2. Tervezési séma magas szintekre alkalmas gázizolált gyűrűfővezetők esetén
A fenti elemzés alapján, bár a gázizolált gyűrűfővezetők (ahol a fő vezető áramkörök teljesen lezárva vannak gáztartályokban, teljesen izolált buszokkal és teljesen izolált kábelvégzőkkel) elméletileg fenntartják a nem érintett izolációs teljesítményt, a magas szintek hatásaival kapcsolatos tényezőkkel szemben találkoznak: növekvő belső-külső nyomáskülönbség a gáztartályban, a gáztartályon belüli izoláló gáz-sűrűség csökkentése, és a pontos gáz-sűrűség megjelenítése. Így, a magas szintekre alkalmas gázizolált gyűrűfővezetők tervezési kulcsa a gáztartály és a nyomáscsökkentő eszköz tervezésében rejlik, amelyek kielégítik a magas szintek környezeti követelményeit, valamint kezelik a külső izoláló komponensek csökkenő átfogó izolációs képességét a magas szinteken.

2.1 Magas szintekre alkalmas gáztartály és nyomáscsökkentő eszköz tervezése
A fenti technikai problémák megoldására ebben a tanulmányban egy új tervezési fogalomot javasolunk a magas szintekre alkalmas gázizolált gyűrűfővezetőkhöz, ami eltér az egyszerűbb, nem specializáltan tervezett egységektől, vagy csak egyszerű nyomáscsökkentést alkalmazó egységektől. Ez a gyűrűfővezető célzott tervezést tartalmaz a következő területeken:

(1) A gáztartály szerkezeti erősségeinek megerősítése
A magas szinteken jelentkező növekvő belső-külső nyomáskülönbség ellenére a gáztartály szerkezeti erősségeinek megerősítése. Ez biztosítja, hogy a gáztartály deformációja a magas szinteken a technikai előírásokon belül maradjon, garantálva a belső nagyfeszültségi komponensek nem érintett mechanikai teljesítményét.

Az ENSZ légkör modellje szerint a standard légkörnyezeti nyomást adott magasságban a következő képlet alapján számolhatjuk:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
ahol P az adott magasságban lévő légkörnyezeti nyomás; P₀ a tengerparti szinten mért standard légkörnyezeti nyomás; H a magasság.

Példaként vegyük a 4000 m magasságot:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.

Egy tipikus 10 kV SF₆ gázizolált gyűrűfővezető példájával, a nem magas szinten lévő gáztartály tervezési nyomása általában 0.07 MPa. A magas szinten csökkenő légkörnyezeti nyomás figyelembevételével a 4000 m magasságban lévő gáztartály tényleges tervezési nyomása a következőképpen számolható:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.

(2) Magas szintekre alkalmas nyomáscsökkentő eszköz tervezése
A legfrissebb országos szabvány, GB/T 3906—2020 "AC fémdobozú kapcsoló- és irányítóüzemek, nominális feszültségek 3.6 kV felett és 40.5 kV-ig", 7.103. bekezdése szerint a gázizolált gyűrűfővezetők gáztartálya 1 percig kell, hogy tartsa ki 1.3-szeres tervezési nyomást (P₁) anélkül, hogy a nyomáscsökkentő eszköz aktiválódna. Ha a nyomás tovább növekszik 1.3-szeres (P₁) és 3-szoros (P₂) tervezési nyomás között, a nyomáscsökkentő eszköz aktiválódhat. Ez elfogadható, ha a gyártó tervezési előírásait teljesíti. A teszt után a gáztartály deformálódhat, de nem szakadhat meg.

A gáztartály és a nyomáscsökkentő eszköz erősségének tervezése ezeknek a követelményeknek a betartásával eleget tesz az országos szabványoknak. Különböző magasságokra vonatkozó gáztartályok és nyomáscsökkentő eszközök is ezzel a módszerrel számíthatók és tervezhetők:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa

A gáztartály szerkezeti erősítése, például vastagabb acélapok vagy rögzítőelemek használata révén, a gáztartály teljesíti a magas szinteken jelentkező növekvő belső-külső nyomáskülönbséghez társított erősségkövetelményeket. Ez elkerüli a gáztartály deformálódásából eredő mechanikai és elektrikai teljesítmény hatását a belső nagyfeszültségi kapcsolókon, garantálva a rendszer stabil működését a megtervezett gáznagyon, és ugyanolyan mechanikai és elektrikai teljesítményt biztosítva a magas szintek környezetében, mint a síkvidéken.

Tervezési számítások és kísérleti ellenőrzések révén a nyomáscsökkentő membrán vastagságának és erősségének növelése megerősíti a nyomásválasz képességét. Ez biztosítja, hogy a gáztartály nyomáscsökkentési tartománya megfeleljen a meghatározott nyomási tartomány követelményeinek, megelőzve a magas szinten jelentkező növekvő belső-külső nyomáskülönbség miatti korai aktiválódást. Ez fenntartja a belső izolációs szintet, és garantálja a gyűrűfővezető elektrikai teljesítményét.

2.2 Magas szintekre alkalmas gáz-sűrűség-megjelenítő eszköz tervezése
A gáz-sűrűség-megjelenítő eszköz zárt típusú sűrűség-mérőt használ. Az általa megjelenített érték nem változik a hőmérséklet-változások vagy a külső légkörnyezeti nyomás változásai miatt.

A magas szintekre alkalmas gázizolált gyűrűfővezetők esetén a gáztartályhoz kiválasztott sűrűség-mérő egy zárt típusú, teljes feltételű sűrűség-mérő, ami nem érzékeny a hőmérséklet és a magasság hatására. Működési elvét egy kompenzáló elem biztosítja a sűrűség-mérőben, ami hőmérséklet-kompensációt biztosít (nem érintett a hőmérséklet-változásoktól). Ugyanakkor a mérőfej zárt szerkezetű, ahol a zárt kamra standard légkörnyezeti nyomást tart fenn. A sűrűség-mérő által megjelenített nyomási érték a gáztartály belső és a standard légkörnyezeti nyomás közötti nyomáskülönbséget jelenti.

Ez a tervezés biztosítja, hogy a gáz szektorra telepített sűrűségmérő skálája mindig pontosan tükrözi a szektorban lévő gáz valódi sűrűségét. A megjelenített érték nem befolyásolódik a hőmérséklettel és a magassággal, teljesen kielégíti a magashegyi régiók működési követelményeit.2.3 Teljesen izolált csapágynak a magashegyi gázizolált gyűrűfőkapcsolók számára történő tervezése

A magas helyzet mellett azon belül a gáz szektor és a mérőeszközökön kívül, a külsőleg elhelyezett teljesen izolált komponensekre is hat, mint például a be- és kimenő vezetékek csapágyai, valamint a kábelek végkapcsolói. Ezek a külső teljesen izolált komponensek izolációs teljesítményét a izolációs anyag izolációs ereje és a lassú folyású izoláció ereje a földhöz képest befolyásolják. A magas helyzetnél a csökkenő levegő sűrűség csökkenti a lassú folyású izoláció erejét a földhöz képest. Gyakorlati alkalmazásokban a hagyományosan tervezett gázizolált gyűrűfőkapcsolók gyakran nem teljesítik a külső izoláló komponensek (pl. izoláló csapágyak vagy felső bővülő fővezetékek) általános frekvenciájú kitartási feszültség vizsgálatát a magas helyzetben való üzembe helyezés után.

Ennek megoldása érdekében ebben a tanulmányban egy új tervezési séma kerül felvetésre a magashegyi gázizolált gyűrűfőkapcsolók teljesen izolált csapágynak: a csapágynak a külső felületére egy földre kapcsolt tápoló réteget adnak. Ez a tervezés javítja az elektromos mező egyenletességét, és megelőzi a fővezetékből eredő földre kapcsolt levezetést.

Tibet nagqu-i 10 kV-as kisállományban egy vállalat elfogadási teszt során találkozott azzal, hogy a berendezés csak 29 kV/1 perc közepes frekvenciájú kitartási feszültség vizsgálatot tudott teljesíteni a földhöz képest. A be- és kimenő csapágynak, valamint a gáz szektor külső fővezetékeinek külső izolációjához hozzáadva egy földre kapcsolt tápoló réteget, a berendezés megfelelt a nemzeti szabvány 42 kV/1 perc közepes frekvenciájú kitartási feszültség követelményének a földhöz képest.

2.4 A technológiai kulcspontok összefoglalása
A magashegyi gázeltöltött izolált gyűrűfőkapcsolók fontos tervezési aspektusai a következők:

• A gáz szektor szerkezeti erejének megerősítése acélapok vastagságának növelésével vagy rögzítő elemek hozzáadásával, hogy kielégítse a magas helyzetben növekedő belső-külső nyomáscsökkenés miatti nyomáscsere tartomány és alakváltozás korlátainak követelményeit.

• A gáz szektor nyomáscsökkentő eszközének nyomáscsökkentő membránának erősségeinek megerősítése. Az erősítés után kielégíti a nyomáscsökkentő eszköz nyomáscsere tartományának követelményeit a magas helyzetben növekedő belső-külső nyomáscsökkenés miatt.

• Zárt rendszerű sűrűségmérők használata a nyomásmutató eszközökhez. A megjelenített értékek nem befolyásolódnak a hőmérséklet változásai vagy a külső légkör nyomásának változásai által, így alkalmasak a magas helyzetű környezethez.

• A gáz szektor külső izoláló komponenseinek külső felületére tápoló réteg tervezése, hogy javítsa az elektromos mező egyenletességét, és megelőzze a fővezetékből eredő földre kapcsolt levezetést.

3. A magashegyi gázizolált gyűrűfőkapcsoló tervezésének jelentősége
Ez a tervezési séma célja, hogy olyan gázizolált gyűrűfőkapcsolókat biztosítson, amelyek igazán kielégítik a magas helyzetű működési követelményeket. A gáz szektor erejének, a nyomáscsökkentő eszközök nyomáscsere képességének megerősítésével, a belső gáz sűrűségének pontos mérévével, valamint a kapcsolódó izoláló komponensek megfelelő tervezésével a gyűrűfőkapcsoló teljes technikai alkalmazkodást éri el a magas helyzetű környezethez. Ez garantálja a gyűrűfőkapcsoló mechanikai és elektromos teljesítményét, és lehetővé teszi a gázizolált gyűrűfőkapcsolók normális működését a magas helyzetű környezetben.

Kínai magas helyzetű régiói óriási keresletet generálnak a magas helyzetű feltételekhez alkalmazkodó villamosenergiai berendezésekért. A termékek tervezésének szabványosítása és megfelelő volta szükséges fejlesztést igényel. A magas helyzetű régiókban valószínűleg előforduló környezeti változások új követelményeket támasztanak a termékek tervezésére. Ez a technológiai séma egy új tervezési elméletet és módszertant nyújt, ami jelentős kifejezést jelent.