Progettazione ottimizzata di apparecchiature commutatrici a isolamento a gas per aree ad alta quota
Le unità principali ad anello isolate a gas sono apparecchiature compatte e espandibili adatte ai sistemi di automazione della distribuzione dell'energia elettrica a media tensione. Questi dispositivi vengono utilizzati per l'alimentazione in rete ad anello da 12~40,5 kV, sistemi di alimentazione radiale doppia e applicazioni di alimentazione terminale, funzionando come dispositivi di controllo e protezione dell'energia elettrica. Sono inoltre adatti per l'installazione in sottostazioni su piattaforma.
Distribuendo e programmando l'energia elettrica, garantiscono il funzionamento stabile dei sistemi di energia. I componenti principali di questi dispositivi impiegano interruttori o combinazioni di interruttori di carico e fusibili, offrendo vantaggi come struttura semplice, dimensioni ridotte, costo basso, miglioramento dei parametri e delle prestazioni di fornitura e aumento della sicurezza di fornitura. Sono ampiamente utilizzati nelle stazioni di distribuzione e nelle sottostazioni su piattaforma nei centri di carico come comunità residenziali urbane, edifici alti, grandi strutture pubbliche e imprese industriali. Vari gas isolanti vengono utilizzati come mezzo isolante, inclusi SF₆, aria secca, azoto o gas misti, fornendo un'alta prestazione isolante e benefici ambientali, portando a una diffusa applicazione nei sistemi di energia.
I componenti principali di questo tipo di unità principale ad anello sono installati all'interno di un serbatoio saldato e sigillato riempito con gas isolante (da ora in poi denominato "scomparto a gas"). L'scomparto a gas è il componente principale delle unità principali ad anello isolate a gas. La sua funzione principale è garantire che i componenti ad alta tensione al suo interno operino indisturbati da fattori ambientali esterni come contaminazione, umidità e corrosione. Garantisce contemporaneamente l'ambiente operativo dei componenti e le normali prestazioni elettriche. Tutti i componenti interni sono protetti dallo scomparto a gas sigillato. Lo scomparto è dotato di dispositivi di monitoraggio della pressione o della densità del gas, come manometri o misuratori di densità, che solitamente misurano la differenza di pressione tra l'interno e l'esterno dello scomparto.
Questo articolo si occupa principalmente dei problemi che influenzano le prestazioni meccaniche ed elettriche delle unità principali ad anello in ambienti ad alta quota.
1. Progetti di progettazione comuni per unità principali ad anello isolate a gas in ambienti ad alta quota e problemi esistenti
Le unità principali ad anello isolate a gas presentano design completamente isolati, con i loro circuiti conduttori principali racchiusi da un sistema completamente isolante composto da scomparti a gas sigillati, candelotti completamente isolanti per linee in entrata/uscita e terminazioni di cavo completamente isolate. Poiché l'ambiente interno dello scomparto a gas rimane invariato rispetto alle condizioni esterne, la densità del gas e l'umidità rimangono costanti. Teoricamente, le prestazioni di isolamento non sono influenzate da fattori esterni come umidità, contaminazione o gas corrosivi. Allo stesso modo, le prestazioni di isolamento dei candelotti e delle terminazioni di cavo, progettati con materiali isolanti come resina epossidica e gomma silicone, non sono influenzate dall'ambiente esterno. Superficialmente, le unità principali ad anello isolate a gas progettate in modo convenzionale sembrano adattabili agli ambienti di altipiano, portando molti produttori a credere che soddisfino i requisiti operativi ad alta quota e a distribuirle direttamente in tali regioni.
Attualmente, vengono utilizzati due principali schemi tecnici quando si applicano le unità principali ad anello isolate a gas in ambienti ad alta quota:
1.1 Distribuzione diretta in aree ad alta quota
Concetto di progettazione: Questo approccio si basa sul principio che il circuito conduttore principale è completamente racchiuso dal sistema isolante (scomparto a gas sigillato, candelotti completamente isolanti e terminazioni di cavo), rendendo le prestazioni di isolamento immuni alle condizioni ad alta quota.
Problemi esistenti: In pratica, la diminuzione della pressione atmosferica esterna ad alta quota aumenta la differenza di pressione tra l'interno e l'esterno dello scomparto a gas. Ciò causa una deformazione significativa dello scomparto, influendo sulle prestazioni meccaniche dei componenti elettrici come interruttori e disgiuntori. Questo può portare a ingorghi operativi e a cambiamenti nelle caratteristiche meccaniche.
1.2 Riduzione della pressione del gas di fabbrica
Concetto di progettazione: Per affrontare l'aumento della differenza di pressione interna-esterna ad alta quota, questo schema riduce la pressione del gas all'interno dello scomparto in fabbrica. Quando l'unità arriva sui siti ad alta quota, la diminuzione della pressione atmosferica fa sì che la differenza di pressione aumenti al valore richiesto dalle specifiche tecniche, facendo sì che il manometro mostri la pressione operativa richiesta.
Problemi esistenti: Questo design riduce effettivamente la densità del gas isolante all'interno dello scomparto. Anche se il manometro mostra il valore progettato ad alta quota, le prestazioni di isolamento dei gas sono intrinsecamente legate alla densità del gas secondo la curva di Paschen (vedi Fig. 1) formulata dal fisico tedesco Friedrich Paschen. La curva di Paschen rappresenta la funzione derivata dalla Legge di Paschen. Il suo significato fisico: La tensione di rottura U (kV) è una funzione del prodotto della distanza tra gli elettrodi d (cm) e della pressione del gas P (Torr), espressa come U = apd / [ln(Pd) + b] (vedi Fig. 1), dove a e b sono costanti.
L'importanza principale della curva: Per una distanza di isolamento fissa, l'aumento della pressione o la riduzione della pressione verso il vuoto (ad esempio, 10⁻⁶ Torr) aumentano la tensione di rottura del gap. A pressioni vicine al vuoto, la riduzione del livello di vuoto (cioè l'aumento della densità dell'aria) facilita la rottura elettrica tra gli elettrodi. Oltre una certa soglia di pressione, le prestazioni di isolamento migliorano gradualmente con l'aumento della pressione. In questa fase (oltre il punto a nella Fig. 1), la riduzione della pressione - e quindi della densità del gas - abbassa la tensione di rottura, il che significa che le prestazioni di isolamento peggiorano. L'intervallo di pressione operativa delle unità principali ad anello isolate a gas ricade completamente in questa regione (la sezione oltre il punto a nella Fig. 1).
1.3 Riepilogo dei problemi con i design convenzionali ad alta quota
L'aumento della differenza di pressione tra l'interno e l'esterno dello scomparto a gas causa una maggiore deformazione dello scomparto, influendo sul funzionamento meccanico e sulle prestazioni degli interruttori.
In condizioni di aumento della differenza di pressione interna-esterna, i dispositivi di rilascio di pressione sono più propensi a essere attivati.
I manometri misurano la differenza di pressione relativa tra l'interno e l'esterno del compartimento del gas. I densimetri del gas aggiungono ai manometri la funzionalità di compensazione della temperatura. Nessuno dei due può visualizzare con precisione la densità reale del gas all'interno del compartimento ad alta quota, anche se la densità del gas è intrinsecamente legata alle prestazioni di isolamento.
La ridotta densità atmosferica ad alta quota degrada contemporaneamente le prestazioni complessive di isolamento dei componenti isolanti esterni del compartimento del gas.
2. Schema di progettazione per unità di media tensione a circuito chiuso isolate in gas per alte quote
In base all'analisi sopra riportata, sebbene la struttura completamente isolata delle unità di media tensione a circuito chiuso isolate in gas (con circuiti conduttori principali completamente racchiusi da compartimenti sigillati del gas, bushing completamente isolati e terminali cavi completamente isolati) teoricamente mantenga inalterate le prestazioni di isolamento, essa è influenzata da fattori presenti ad alta quota: aumento della differenza di pressione interna-esterna nel compartimento del gas, impossibilità di ridurre la densità del gas isolante all'interno del compartimento e necessità di un'indicazione accurata della densità del gas. Di conseguenza, la chiave progettuale per le unità di media tensione a circuito chiuso isolate in gas ad alta quota risiede nella progettazione del compartimento del gas e del dispositivo di scarico della pressione, nel soddisfare i requisiti ambientali ad alta quota per i manometri del compartimento del gas e nel risolvere la riduzione delle capacità complessive di isolamento dei componenti isolanti esterni ad alta quota.
2.1 Progettazione del compartimento del gas e del dispositivo di scarico della pressione per applicazioni ad alta quota
Per affrontare i problemi tecnici sopra menzionati, questo documento propone un nuovo concetto progettuale per unità di media tensione a circuito chiuso isolate in gas ad alta quota, diverso dalle unità ordinarie prive di progettazione specifica o da quelle che semplicemente adottano una riduzione di pressione basilare. Questa unità di media tensione presenta una progettazione mirata nei seguenti aspetti:
(1) Potenziamento della resistenza strutturale del compartimento del gas
Per contrastare l'aumento della differenza di pressione interna-esterna causato dall'alta quota, viene rafforzata la resistenza strutturale del compartimento del gas. Ciò garantisce che la deformazione del compartimento ad alta quota rimanga entro le specifiche tecniche, assicurando prestazioni meccaniche inalterate dei componenti ad alta tensione al suo interno.
Secondo il modello dell'atmosfera standard internazionale, la pressione atmosferica standard a una determinata altitudine può essere calcolata mediante la formula:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
dove P è la pressione atmosferica a una determinata altitudine; P₀ è la pressione atmosferica standard a livello del mare; H è l'altitudine.
Prendendo un'altitudine di 4000 m come esempio:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0,064 MPa.
Utilizzando come esempio un'unità tipica di media tensione a 10 kV isolata in SF₆, la pressione di progetto del compartimento del gas nelle zone non montane è solitamente 0,07 MPa. Considerando la riduzione della pressione atmosferica ad alta quota, la pressione di progetto effettiva per il compartimento del gas a 4000 m di altitudine può essere calcolata come:
P₁ = P₀ – 0,064 + 0,07 = 0,107 MPa.
(2) Progettazione del dispositivo di scarico della pressione per applicazioni ad alta quota
Secondo la più recente norma nazionale GB/T 3906—2020 "Apparecchiature elettriche metalliche incapsulate in corrente alternata per tensioni nominali superiori a 3,6 kV e fino a 40,5 kV incluso", la Sezione 7.103 stabilisce che il compartimento del gas delle unità di media tensione a circuito chiuso isolate in gas deve sopportare per 1 minuto una pressione pari a 1,3 volte la pressione di progetto (P₁) senza attivazione del dispositivo di scarico della pressione. Se la pressione continua ad aumentare tra 1,3 volte (P₁) e 3 volte (P₂) la pressione di progetto, il dispositivo di scarico della pressione può attivarsi. Tale evenienza è accettabile purché soddisfi le specifiche di progettazione del produttore. Dopo il test, il compartimento del gas può deformarsi ma non deve rompersi.
Progettando la resistenza del compartimento del gas e del dispositivo di scarico della pressione secondo questi requisiti si soddisfano le norme nazionali. Compartimenti del gas e dispositivi di scarico della pressione per diverse altitudini possono tutti essere calcolati e progettati utilizzando questo metodo:
P₁ = 0,107 × 1,3 = 0,139 MPa
P₂ = 0,107 × 3 = 0,321 MPa
Mediante il rinforzo strutturale del compartimento del gas—come l'uso di lastre d'acciaio più spesse o l'aggiunta di nervature—il compartimento soddisfa pienamente i requisiti di resistenza imposti dall'aumento della differenza di pressione interna-esterna ad alta quota. Ciò evita impatti sulle prestazioni meccaniche ed elettriche degli interruttori ad alta tensione all'interno del compartimento causati dalla deformazione, garantendo un funzionamento stabile alla pressione nominale del gas e offrendo prestazioni meccaniche ed elettriche identiche in ambienti ad alta quota rispetto alle zone pianeggianti.
Attraverso calcoli progettuali e validazione sperimentale, l'aumento dello spessore e della resistenza del diaframma di scarico della pressione ne migliora la capacità di tolleranza alla pressione. Ciò garantisce che l'intervallo di scarico della pressione del compartimento del gas sia conforme ai requisiti di intervallo di pressione specificati, prevenendo l'attivazione prematura del dispositivo di scarico della pressione dovuta all'aumento della differenza di pressione interna-esterna negli ambienti ad alta quota. Ciò mantiene il livello di isolamento interno e garantisce le prestazioni elettriche dell'unità di media tensione a circuito chiuso.
2.2 Progettazione del dispositivo di indicazione della densità del gas per applicazioni ad alta quota
Il dispositivo di indicazione della densità del gas isolante utilizza un densimetro di tipo sigillato. Il valore visualizzato rimane invariato rispetto alle variazioni di temperatura o di pressione atmosferica esterna.
Per le unità di media tensione a circuito chiuso isolate in gas ad alta quota, il densimetro selezionato per il compartimento del gas è un densimetro sigillato a condizioni complete, immune agli effetti di temperatura e altitudine. Il suo principio di funzionamento prevede un elemento di compensazione all'interno del densimetro che permette la compensazione termica (insensibile alla temperatura). Contemporaneamente, la testa del manometro presenta una struttura sigillata in cui la camera sigillata mantiene la pressione atmosferica standard. Il valore di pressione visualizzato dal densimetro rappresenta la differenza di pressione tra l'interno del compartimento del gas e la pressione atmosferica standard.
Questa progettazione assicura che la scala del densimetro installato sul compartimento di gas dell'unità principale ad anello rifletta sempre con precisione la densità effettiva del gas all'interno del compartimento. Il valore visualizzato rimane invariato indipendentemente dalla temperatura e dall'altitudine, soddisfacendo completamente i requisiti operativi per le regioni ad alta altitudine.2.3 Progettazione di guaine completamente isolate per unità principali ad anello a isolamento a gas per alte quote
Oltre a influenzare il compartimento di gas e gli strumenti di misura, le alte quote incidono anche sui componenti esterni completamente isolati come le guaine di ingresso/uscita e le giunzioni terminali dei cavi. Le prestazioni d'isolamento di questi componenti esterni completamente isolati sono influenzate sia dalla resistenza d'isolamento del materiale isolante che dalla resistenza d'isolamento di strisciamento rispetto al terreno. Alle alte quote, la ridotta densità dell'aria diminuisce la resistenza d'isolamento di strisciamento rispetto al terreno. Nelle applicazioni pratiche, le unità principali ad anello a isolamento a gas progettate convenzionalmente spesso non superano i test di resistenza alla tensione di corrente continua per i componenti isolanti esterni (ad esempio, guaine isolate o busbar espandibili superiormente) dopo l'installazione in zone ad alta altitudine.
Per affrontare questo problema, questo articolo propone un nuovo schema di progettazione per le guaine completamente isolate nelle unità principali ad anello a isolamento a gas per alte quote: l'aggiunta di uno strato di schermatura a massa sulla superficie esterna di tali componenti isolanti. Questa progettazione migliora l'uniformità del campo elettrico e prevenisce la scarica verso terra dai busbar del circuito principale.
In un progetto di stazione di commutazione all'aperto da 10 kV a Nagqu, Tibet, una società si è imbattuta in una situazione durante i test di accettazione in cui l'equipaggiamento poteva superare solo un test di resistenza alla tensione di corrente continua di 29 kV/1 min rispetto al terreno. Dopo l'aggiunta di uno strato di schermatura a massa sull'isolamento esterno delle guaine di ingresso/uscita e dei busbar esterni del compartimento di gas, l'equipaggiamento ha soddisfatto il requisito standard nazionale di 42 kV/1 min per la resistenza alla tensione di corrente continua rispetto al terreno.
2.4 Riepilogo dei punti chiave tecnici
I punti critici di progettazione per le unità principali ad anello a isolamento a gas per alte quote sono i seguenti:
Rafforzare la resistenza strutturale del compartimento di gas aumentando lo spessore della lamiera o aggiungendo rinforzi per soddisfare i requisiti di gamma di pressione tollerabile e limiti di deformazione causati dal differenziale di pressione interno-esterno aumentato alle alte quote.
Migliorare la progettazione della resistenza della membrana di rilascio di pressione nel dispositivo di rilascio di pressione del compartimento di gas. Dopo il rafforzamento, soddisfa i requisiti di gamma di pressione tollerabile per il dispositivo di rilascio di pressione sotto un differenziale di pressione interno-esterno aumentato alle alte quote.
Adottare densimetri sigillati per i dispositivi indicatori di pressione. I valori visualizzati rimangono invariati indipendentemente dalle variazioni di temperatura o dalla pressione atmosferica esterna, rendendoli adatti per ambienti ad alta altitudine.
Progettare uno strato di schermatura a massa sulla superficie esterna dei componenti isolanti esterni del compartimento di gas per migliorare l'uniformità del campo elettrico e prevenire la scarica verso terra dai busbar del circuito principale.
3. Importanza della progettazione delle unità principali ad anello a isolamento a gas per alte quote
Questo schema di progettazione mira a fornire unità principali ad anello a isolamento a gas che soddisfino veramente i requisiti operativi per le alte quote. Aumentando contemporaneamente la resistenza del compartimento di gas, migliorando la capacità di tolleranza alla pressione dei dispositivi di rilascio di pressione, consentendo la misurazione accurata della densità del gas interno e progettando razionalmente i componenti isolanti correlati, l'unità principale raggiunge una completa adattabilità tecnica agli ambienti ad alta altitudine. Ciò garantisce le prestazioni meccaniche ed elettriche dell'unità principale e consente il funzionamento normale delle unità principali ad anello a isolamento a gas in ambienti ad alta altitudine.
Le regioni ad alta altitudine in Cina sono vaste, creando una domanda enorme per attrezzature elettriche adatte alle condizioni ad alta altitudine. La standardizzazione e la razionalità della progettazione del prodotto necessitano urgentemente di miglioramenti. Le variazioni ambientali reali nelle regioni ad alta altitudine impongono nuovi requisiti alla progettazione del prodotto. Questo schema tecnico fornisce una nuova teoria e metodologia di progettazione, rappresentando un'importante esplorazione.
