Optimizēta gāzdzēriņa izolētā pārslēguma iekārtu dizaina augstākajiem reģioniem

Gāzveida apakšstāvokļu ringa māju komplekss ir kompakts un paplašināms pārslēguma iekārtas komplekss, kas piemērots vidējā sprieguma enerģijas sadalīšanas automatizācijas sistēmām. Šīs ierīces tiek izmantotas 12-40,5 kV ringa tīklu enerģijas piegādei, divvirziena rādialajiem enerģijas piegādes sistēmām un galvenajai enerģijas piegādei, darbojoties kā elektroenerģijas kontrolēšanas un aizsardzības ierīces. Tās ir arī piemērotas ugunskuru stāvokļu uzstādīšanai.

Enerģijas sadalīšana un plānošana nodrošina enerģijas sistēmu stabilu darbību. Šo ierīču būtiskākie sastāvdaļas izmanto slazdniekus vai lādiņu pārslēgumu un šķēpu kombinācijas, piedāvājot priekšrocības, piemēram, vienkāršu struktūru, mazu izmēru, zemu cenu, uzlabotus enerģijas piegādes parametrus un veiktspēju, kā arī uzlabotu enerģijas piegādes drošību. Tās plaši tiek izmantotas sadalīšanas stacijās un ugunskuru stāvokļos, piemēram, pilsētu dzīvojamajos rajonos, augstākos ēku apvidos, lielos sabiedriskajos objektos un rūpnieciskajos uzņēmumos. Dažādas izolējošas gāzes, tostarp SF₆, sausais gaisu, skābeklis vai gāzu maisījumi, tiek izmantotas kā izolējošs mediju, nodrošinot augstu izolācijas veiktspēju un vides labumu, kas ved pie šo ierīču plašas lietošanas enerģijas sistēmās.

Šāda veida ringa māju galvenās sastāvdaļas ir uzstādītas nomākā, lasēta cilindra iekšpusē, kurā ir piepildīts izolējošs gāzes (atkarībā no tālāk minētā "gāzes kompartiments"). Gāzes kompartiments ir gāzveida apakšstāvokļu ringa māju būtiska sastāvdaļa. Tā galvenā funkcija ir nodrošināt, ka augstā sprieguma sastāvdaļas iekšpusē strādā neatkarīgi no ārējiem vides faktoriem, piemēram, piesārņojuma, mitruma un korozijas. Tas vienlaikus garantē gan sastāvdaļu darbības vidi, gan normālo elektrisko veiktspēju. Visas iekšējās sastāvdaļas ir aizsargātas nomākā gāzes kompartimentā. Kompartimentam ir uzstādītas spiediena vai gāzes blītuma novērošanas ierīces, piemēram, spiediena rādītāji vai blītuma mērītāji, parasti mērojot spiediena atšķirību starp kompartimenta iekšpusi un ārpusi.

Šis raksts galvenokārt apspriež problēmas, kas ietekmē gāzveida apakšstāvokļu ringa māju mehānisko un elektrisko veiktspēju augstās atrašanās vietas apstākļos.

1. Bieži sastopami augstās atrašanās vietas projektēšanas risinājumi gāzveida apakšstāvokļu ringa mājām un esošās problēmas

Gāzveida apakšstāvokļu ringa mājas ir pilnībā izolētas, ar to galveno vadu sistēmu nomākā, pilnībā izolētā gāzes kompartimentā, pilnībā izolētajiem ie- un izietnes kontaktpunktiem un pilnībā izolētajiem kabēļu beigu elementiem. Jo gāzes kompartimenta iekšējā vide paliek nemainīga, neietekmējama ārējiem apstākļiem, gāzes blītums un mitruma līmenis paliek nemainīgs. Teorētiski izolācijas veiktspēja ir nesaistīta ar ārējiem faktoriem, piemēram, mitrumu, piesārņojumu vai korozijas gāzes. Līdzīgi, izolācijas veiktspēja kontaktpunktiem un kabēļu beigu elementiem, kas izstrādāti no izolējošiem materiāliem, piemēram, epoksidresinas un silikona gumijas, nav ietekmēta ārējā vidi. Superfiški, konvencionāli izstrādātas gāzveida apakšstāvokļu ringa mājas šķiet pielāgotas augstās atrašanās vietas apstākļiem, kas daudziem ražotājiem liek domāt, ka tās atbilst augstās atrašanās vietas darbības prasībām un tiek tieši izmantotas šādos reģionos.

Pašlaik, kad gāzveida apakšstāvokļu ringa mājas tiek izmantotas augstās atrašanās vietas apstākļos, tiek izmantoti divi galvenie tehniskie risinājumi:

1.1 Tieša izmantošana augstās atrašanās vietais

Izstrādes ideja: Šis risinājums balstās uz principu, ka galvenais vadu ceļš ir pilnībā nomākts izolēto sistēmu (nomākts gāzes kompartiments, pilnībā izolēti kontaktpunkti un kabēļu beigu elementi), kas padara izolācijas veiktspēju neatkarīgu no augstās atrašanās vietas apstākļiem.
Esošās problēmas: Reālajā darbībā, samazinoties ārējam atmosfēras spiedienam augstās atrašanās vietais, palielinās spiediena atšķirība starp kompartimenta iekšpusi un ārpusi. Tas izraisa kompartimenta būtisku deformāciju, ietekmējot elektriskās sastāvdaļu, piemēram, slazdnielu un atsekoņu, mehānisko veiktspēju. Tas var izraisīt darbības traucējumus un mehānisko raksturojumu maiņu.

1.2 Samazināta ražošanas fabrikā iestatīta gāzes spiediena vērtība

Izstrādes ideja: Lai atrisinātu palielināto iekšējo-ārējo spiediena atšķirību augstās atrašanās vietais, šis risinājums samazina kompartimenta iekšējo gāzes spiedienu ražošanas fabrikā. Kad ierīce nonāk augstās atrašanās vietais, samazinātais atmosfēras spiediens palielina spiediena atšķirību līdz tehniskei specifikācijai nepieciešamajai vērtībai, kas padara spiediena rādītāju parādīto vērtību operatīvajā spiedienā.
Esošās problēmas: Šis dizains efektīvi samazina kompartimenta iekšējā gāzes blītumu. Lai arī spiediena rādītājs augstās atrašanās vietais parāda projekta vērtību, gāzes izolācijas veiktspēja ir būtiski saistīta ar gāzes blītumu, pamatojoties uz Vācijas fizika Friedrich Paschen formulēto Paschen taisni (sk. Fig. 1). Paschen taisne attēlo funkciju, kas izvedota no Paschen likuma. Tās fiziķu nozīme: Uzliesmošanas spriegums U (kV) ir funkcija, kas atkarīga no elektrodu attāluma d (cm) un gāzes spiediena P (Torr), izteikta kā U = apd / [ln(Pd) + b] (sk. Fig. 1), kur a un b ir konstantes. 

Taisnes galvenā nozīme: Ja fiksēts izolācijas attālums, tad spieduma palielināšana vai samazināšana tuvā vakuumam (piemēram, 10⁻⁶ Torr) abas palielina gabala uzliesmošanas spriegumu. Tuvojoties vakuumam, samazinātais vakuumlīmenis (t.i., palielinātais gaisa blītums) padara elektriskās uzliesmošanas procesu vieglāku starp elektrodām. Pārsniedzot noteiktu spiediena robežvērtību, izolācijas veiktspēja palielinās, kā spiediens palielinās. Šajā posmā (pārsniedzot punktu a Fig. 1), samazinot spiedienu - un tādējādi arī gāzes blītumu, uzliesmošanas spriegums samazinās, tātad izolācijas veiktspēja pasliktinās. Gāzveida apakšstāvokļu ringa māju darbības spiediena diapazons pilnībā atrodas šajā reģionā (Fig. 1 pārsniedzot punktu a).

1.3 Kopsavilkums par konvencionālo augstās atrašanās vietas dizainu radītajām problēmām

• Palielināta spiediena atšķirība starp kompartimenta iekšpusi un ārpusi rada lielāku kompartimenta deformāciju, ietekmējot pārslēgumu mehānisko darbību un veiktspēju.

• Palielinātos iekšējo-ārējo spiediena atšķirību apstākļos, spiediena atlaidēšanas ierīces ir vairāk pakļautas aktivizēšanai.

• Spiedoles mēra gāzes šķīduma iekšējo un ārējo spiediena relatīvo atšķirību. Gāzes blīvuma mērītāji pievieno temperatūras kompensācijas funkcionalitāti spiediena mērītājiem. Neviens no tiem nevar precīzi rādīt patieso gāzes blīvumu šķīdumā augstās augstumos, tomēr gāzes blīvums ir būtiski saistīts ar izolācijas veiktspēju.

• Samazinātā atmosfēras blīvums augstās augstumos vienlaikus pasliktina gāzes šķīduma ārējo izolācijas komponentu visaptverošo izolācijas veiktspēju.

2. Projekta plāns augstām augstumiem paredzētajiem gāzes izolētajiem apgaismojuma galvenajiem
Atbilstoši iepriekšējai analīzei, lai arī gāzes izolēto apgaismojuma galvenajiem (ar galvenajiem vadības ceļiem pilnībā nomākot gāzes šķīdumā, pilnībā izolētiem izlaidnes un pilnībā izolētiem kabeļa beigu savienojumiem) teorētiski izolācijas veiktspēja paliek nemainīga, tā tiek ietekmēta faktoriem, kas rodas augstās augstumos: palielināts iekšējo-ārējo spiediena atšķirība gāzes šķīdumā, nevar samazināt gāzes blīvumu šķīdumā un nepieciešamība precīzi rādīt gāzes blīvumu. Tādējādi augstām augstumiem paredzēto gāzes izolēto apgaismojuma galvenajiem projektēšanas atslēga ir gāzes šķīduma un spiediena atlīdzināšanas ierīces dizains, atbilstošs augstām augstumiem gāzes šķīduma spiediena mērītāju prasībām un risinājums, kā samazināt ārējo izolācijas komponentu visaptverošo izolācijas veiktspēju augstās augstumos.

2.1 Augstām augstumiem paredzēto gāzes šķīduma un spiediena atlīdzināšanas ierīces dizains
Lai risinātu minētās tehniskās problēmas, šajā rakstā tiek piedāvāts jauns augstām augstumiem paredzēto gāzes izolēto apgaismojuma galvenajiem dizaina koncepts, kas atšķiras no parastajiem, bez speciālas izstrādes vai tikai vienkārši lietojot spiediena samazināšanu. Šis apgaismojuma galvenais ietver mērķtiecīgu dizainu šādos aspektos:

(1) Palielināta gāzes šķīduma strukturālā stipruma
Lai pretstatītos augstās augstumiem radītajam palielinātam iekšējo-ārējo spiediena atšķirībai, gāzes šķīduma strukturālais stiprums tiek pastiprināts. Tas nodrošina, ka šķīduma deformācija augstās augstumos paliek ierobežota tehniskajos parametriem, garantējot neskartu mehānisko veiktspēju augsprieguma komponentiem šķīdumā.

Pēc Starptautiskā standarta atmosfēras modeļa, noteiktā augstuma standarta atmosfēras spiediens var tikt aprēķināts, izmantojot formulu:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
kur P ir atmosfēras spiediens noteiktā augstumā; P₀ ir standarta atmosfēras spiediens jūras līmenī; H ir augstums.

Piemēram, 4000 m augstumā:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.

Izmantojot tipisku 10 kV SF₆ gāzes izolēto apgaismojuma galveno kā piemēru, gāzes šķīduma projekta spiediens neaugstos augstumos parasti ir 0.07 MPa. Ņemot vērā samazināto atmosfēras spiedieni augstās augstumos, gāzes šķīduma faktiskais projekta spiediens 4000 m augstumā var tikt aprēķināts kā:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.

(2) Spiediena atlīdzināšanas ierīces dizains augstām augstumiem
Saskaņā ar jaunāko valsts standartu GB/T 3906—2020 "Alternatīva strāvas metāla nomāktais aparatūras komplekss un kontrolēšanas iekārtas virzienā no 3.6 kV līdz un ieskaitot 40.5 kV", 7.103 punkts nosaka, ka gāzes izolēto apgaismojuma galvenajiem gāzes šķīdums jāiztur 1.3 reizes projekta spiediens (P₁) 1 minūti, nesakārtojot spiediena atlīdzināšanas ierīci. Ja spiediens turpinās palielināties no 1.3 reizes (P₁) līdz 3 reizes (P₂) projekta spiediena, spiediena atlīdzināšanas ierīce var aktivizēties. Tas ir pieņemami, ja tas atbilst ražotāja dizaina specifikācijām. Pēc testēšanas gāzes šķīdums var deformēties, bet nedrīkst saderināt.

Gāzes šķīduma un spiediena atlīdzināšanas ierīces stipruma dizains saskaņā ar šiem prasībām atbilst valsts standartiem. Dažādiem augstumiem paredzētie gāzes šķīdumi un spiediena atlīdzināšanas ierīces var tikt aprēķināti un izstrādāti, izmantojot šo metodi:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa

Gāzes šķīduma strukturālā pastiprināšana — piemēram, izmantojot grūtākus metāla plāksņus vai pievienojot stiprinājumus — nodrošina, ka šķīdums pilnībā atbilst palielinātajiem iekšējo-ārējo spiediena atšķirībām augstās augstumos. Tas izvairās no mehāniskajiem un elektriskajiem efektu ietekmes uz augsprieguma spērniem šķīdumā, kas radās dēļ deformācijas, nodrošinot stabīgu darbību noteiktā gāzes spiedienā un sniedzot identisku mehānisko un elektrisko veiktspēju augstās augstumos tāpat kā plakā.

Dizaina aprēķiniem un eksperimentālajai validācijai, palielinot blīvumu un stiprumu spiediena atlīdzināšanas membrānā, tās spiediena noturība tiek pastiprināta. Tas nodrošina, ka gāzes šķīduma spiediena atlīdzināšanas diapazons atbilst norādītajiem spiediena diapazona prasībām, novēršot agrīnu spiediena atlīdzināšanas ierīces aktivizāciju dēļ palielinātā iekšējo-ārējo spiediena atšķirības augstās augstumos. Tas uztur iekšējo izolācijas līmeni un nodrošina apgaismojuma galvenā elektriskā veiktspēja.

2.2 Gāzes blīvuma rādītāja dizains augstām augstumiem
Izolējošā gāzes blīvuma rādītāja izmantojums ir nomākts tipa blīvuma mērītājs. Tā rādītā vērtība paliek nemainīga, neatkarīgi no temperatūras maiņām vai ārējā atmosfēras spiediena izmaiņām.

Augstām augstumiem paredzēto gāzes izolēto apgaismojuma galvenajiem gāzes šķīdumā izvēlētais blīvuma mērītājs ir nomākts tips, kas nav atkarīgs no temperatūras un augstuma efektiem. Tā darbības princips ietver kompensācijas elementu blīvuma mērītājā, kas ļauj temperatūras kompensāciju (neietekmējot temperatūru). Savukārt mērītāja galvenā daļa ir nomākta struktūra, kurā nomāktais šķīdis uztur standarta atmosfēras spiedienā. Blīvuma mērītāja rādītā spiediena vērtība attēlo spiediena atšķirību starp gāzes šķīduma iekšpusi un standarta atmosfēras spiedienā.

Šis dizains nodrošina, ka blīvuma mēra skalas vērtība, kas instalēta gāzveselā ringmaina blokā, vienmēr precīzi atspoguļo faktiskā gāzes blīvumu veselā iekšienē. Rādītā vērtība paliek nemainīga, neatkarīgi no temperatūras un augstuma, pilnībā apmierinot darbības prasības augstās slodzes reģionos.2.3 Pilnīgi izolēto pārklājumu dizains augstās slodzes gāzizolētajiem ringmainiem blokiem

Augstās slodzes, kā arī ietekmējot gāzveselu un mērīšanas instrumentus, tās ietekmē arī ārēji montētos pilnīgi izolētos komponentus, piemēram, ieeju/izeju pārklājumus un kabēļu terminālo savienojumu. Šo ārējo pilnīgi izolēto komponentu izolācijas veiktspēja ir atkarīga gan no izolācijas materiāla izolācijas stipruma, gan no kriepuma izolācijas stipruma attiecībā pret zemi. Augstās slodzes dēļ samazinātā gaisa blīvuma kritējs izolācijas stipruma attiecībā pret zemi. Praktiskā lietojumā parasti izstrādāti gāzizolētie ringmainie bloki bieži neiztur elektriskā sprieguma testus ārējiem izolācijas komponentiem (piemēram, izolācijas pārklājumiem vai virsgrūtību linijām) pēc uzstādīšanas augstās slodzes reģionos.

Lai šo problēmu atrisinātu, šajā rakstā tiek piedāvāts jauns dizains pilnīgi izolētiem pārklājumiem augstās slodzes gāzizolētajiem ringmainiem blokiem: pievienot līdz ar zemi saistītu aizsarglauksmi šo izolējošo komponentu ārējajai virsmai. Šis dizains labo elektromagnētisko lauka vienmērību un novērš zemes izolācijas izplūšanu no galvenās šķidraves.

Nagqu, Tibets, laukā esošajā 10 kV pārslēguma stacijas projektā, uzņēmums sastapās ar situāciju, kad aprīkojums tikai varēja izturēt elektriskā sprieguma testu 29 kV/1 minūte attiecībā pret zemi. Pēc līdz ar zemi saistītās aizsarglauksmes pievienošanas ieeju/izeju pārklājumu un ārējo šķidravi gāzvesela izolācijai, aprīkojums atbilda valsts standarta prasībai 42 kV/1 minūte attiecībā pret zemi elektriskā sprieguma izturībai.

2.4 Tehniskās galvenās punktu kopsavilkums
Augstās slodzes gāzizolēto ringmaino bloku kritiskie dizaina aspekti ir šādi:

• Palielināt gāzvesela strukturālās stipruma, palielinot plāksnes biezumu vai pievienojot pastiprinājumus, lai apmierinātu spiediena tolerancēs un deformācijas robežas, ko rada iekšējā un ārējā spiediena atšķirība augstās slodzes reģionos.

• Pastiprināt spiediena atlaišanas diafragmas stipruma dizainu gāzvesela spiediena atlaišanas ierīcē. Pēc pastiprināšanas, tā apmierina spiediena atlaišanas ierīces spiediena tolerancēs prasības, kas rodas no iekšējā un ārējā spiediena atšķirības augstās slodzes reģionos.

• Izmantot uzspridinātas blīvuma mēras spiediena rādīšanas ierīcēm. Tās rādītās vērtības paliek nemainīgas, neatkarīgi no temperatūras maiņas vai ārējā atmosfēras spiediena variācijām, tāpēc tās ir piemērotas augstās slodzes vidē.

• Dizainēt līdz ar zemi saistītu aizsarglauksmi gāzvesela ārējo izolācijas komponentu ārējai virsmai, lai labotu elektromagnētisko lauka vienmērību un novērstu zemes izolācijas izplūšanu no galvenās šķidraves.

3. Augstās slodzes gāzizolēto ringmaino bloku dizaina nozīme
Šis dizaina plāns mērķis ir nodrošināt gāzizolētos ringmainos blokus, kas patiesi atbilst augstās slodzes darbības prasībām. Paaugstinot gāzvesela strukturālo stiprumu, labojot spiediena atlaišanas ierīču spiediena izturības spēju, ļaujot precīzi mērīt iekšējo gāzes blīvumu, un loģiski dizainējot saistītos izolācijas komponentus, ringmainais bloks sasniedz pilnīgu tehnisko pielāgošanos augstās slodzes vidē. Tas nodrošina mehānisko un elektrotehnisko veiktspēju ringmainajam blokam, ļaujot normālu darbību gāzizolētajiem ringmainajiem blokiem augstās slodzes vidē.

Ķīnas augstās slodzes reģioni ir plaši, radot lielu pieprasījumu par elektrības aprīkojumu, kas pielāgoti augstās slodzes nosacījumiem. Produktu dizaina standartizācija un loģiskums acīmredzami jāuzlabo. Reālās vides mainīgums augstās slodzes reģionos izvirza jaunas prasības produktu dizainam. Šis tehniskais plāns piedāvā jaunu dizaina teoriju un metodi, pārstāvot nozīmīgu pētījumu.