Reka Bentuk Peralatan Gas Terasing yang Dioptimumkan untuk Kawasan Ketinggian
Unit-unit cincin bertapis gas adalah peralatan pemutus yang padat dan boleh diperluas yang sesuai untuk sistem otomasi pengagihan tenaga voltan sederhana. Peranti ini digunakan untuk bekalan tenaga jaringan cincin 12~40.5 kV, sistem bekalan tenaga radial ganda, dan aplikasi bekalan tenaga terminal, berfungsi sebagai peranti kawalan dan perlindungan tenaga elektrik. Mereka juga sesuai untuk dipasang di substesen bermuattan.
Dengan mengagihkan dan menjadualkan tenaga elektrik, mereka memastikan operasi stabil sistem tenaga. Komponen utama peranti ini menggunakan pemutus litar atau kombinasi pemutus beban dan pelupus, menawarkan kelebihan seperti struktur mudah, saiz kecil, kos rendah, peningkatan parameter dan prestasi bekalan tenaga, serta keselamatan bekalan tenaga yang lebih baik. Mereka digunakan secara meluas di stesen pengagihan dan substesen bermuattan di pusat beban seperti komuniti perumahan bandar, bangunan tinggi, kemudahan awam besar, dan perusahaan industri. Berbagai-bagai gas tapisan digunakan sebagai medium tapisan, termasuk SF₆, udara kering, nitrogen, atau gas campuran, memberikan prestasi tapisan yang tinggi dan manfaat alam sekitar, menyebabkan penggunaan meluas dalam sistem tenaga.
Komponen utama jenis unit cincin ini dipasang dalam tangki las yang tersegel dan diisi dengan gas tapis (selanjutnya dirujuk sebagai "kompartmen gas"). Kompartmen gas adalah komponen utama unit-unit cincin bertapis gas. Fungsi utamanya adalah untuk memastikan bahawa komponen voltan tinggi di dalamnya beroperasi tanpa dipengaruhi oleh faktor-faktor persekitaran luar seperti pencemaran, kelembapan, dan pengkaratan. Ia juga menjamin kedua-dua persekitaran operasi komponen dan prestasi elektrik normal. Semua komponen dalaman dilindungi oleh kompartmen gas yang tersegel. Kompartmen ini dilengkapi dengan peranti pemantauan tekanan atau ketumpatan gas, seperti meter tekanan atau meter ketumpatan, biasanya mengukur perbezaan tekanan antara dalaman dan luaran kompartmen.
Artikel ini secara utama membahas masalah yang mempengaruhi prestasi mekanikal dan elektrik unit-unit cincin di persekitaran ketinggian.
1. Skema Reka Bentuk Ketinggian Biasa untuk Unit-Unit Cincin Bertapis Gas dan Isu-Isu Sedia Ada
Unit-unit cincin bertapis gas mempunyai reka bentuk sepenuhnya tertapis, dengan litar konduktif utama mereka disekat oleh sistem sepenuhnya tertapis yang terdiri daripada kompartmen gas yang tersegel, bushings sepenuhnya tertapis untuk masuk/keluar, dan terminasi kabel sepenuhnya tertapis. Kerana persekitaran dalaman kompartmen gas tidak dipengaruhi oleh keadaan luar, ketumpatan gas dan kelembapan tetap konstan. Secara teori, prestasi tapisan tidak dipengaruhi oleh faktor-faktor luaran seperti kelembapan, pencemaran, atau gas korosif. Begitu juga, prestasi tapisan bushings dan terminasi kabel—yang direka dengan bahan tapisan seperti resin epoksi dan silikon getah—tidak dipengaruhi oleh persekitaran luar. Dari segi permukaan, unit-unit cincin bertapis gas yang direka secara konvensional kelihatan dapat disesuaikan dengan persekitaran dataran tinggi, menyebabkan banyak pembuat percaya bahawa mereka memenuhi keperluan operasi ketinggian dan menerapkannya secara langsung di wilayah-wilayah tersebut.
Saat ini, dua skema teknikal utama digunakan apabila menerapkan unit-unit cincin bertapis gas di persekitaran ketinggian:
1.1 Pelaksanaan Langsung di Kawasan Ketinggian
Konsep Reka Bentuk: Pendekatan ini bergantung pada prinsip bahawa litar konduktif utama sepenuhnya disekat oleh sistem tertapis (kompartmen gas yang tersegel, bushings sepenuhnya tertapis, dan terminasi kabel), membuat prestasi tapisan tidak dipengaruhi oleh keadaan ketinggian.
Isu-Isu Sedia Ada: Dalam operasi sebenar, penurunan tekanan atmosfera luaran di ketinggian meningkatkan perbezaan tekanan antara dalaman dan luaran kompartmen gas. Ini menyebabkan deformasi bengkokan yang signifikan pada kompartmen, mempengaruhi prestasi mekanikal komponen elektrik seperti pemutus litar dan pemisah. Ini mungkin menyebabkan gangguan operasi dan perubahan ciri-ciri mekanikal.
1.2 Penetapan Tekanan Gas Kilang yang Dikurangkan
Konsep Reka Bentuk: Untuk mengatasi peningkatan perbezaan tekanan dalaman-luaran di ketinggian, skema ini mengurangkan tekanan gas di dalam kompartmen di kilang. Apabila unit tiba di tapak ketinggian, penurunan tekanan atmosfera menyebabkan perbezaan tekanan meningkat kepada nilai yang diperlukan oleh spesifikasi teknikal, membuat meter tekanan menunjukkan tekanan operasi yang diperlukan.
Isu-Isu Sedia Ada: Reka bentuk ini secara efektif mengurangkan ketumpatan gas tapisan di dalam kompartmen. Walaupun meter tekanan menunjukkan nilai yang direka di ketinggian, prestasi tapisan gas secara intrinsik berkaitan dengan ketumpatan gas mengikut lengkung Paschen (lihat Gambar 1) yang diformulasi oleh ahli fizik Jerman Friedrich Paschen. Lengkung Paschen merancang fungsi yang diperoleh dari Hukum Paschen. Makna fizikalnya: Voltan putus U (kV) adalah fungsi hasil darab jarak elektrod d (cm) dan tekanan gas P (Torr), dinyatakan sebagai U = apd / [ln(Pd) + b] (lihat Gambar 1), di mana a dan b adalah pemalar.
Kepentingan utama lengkung ini: Untuk jarak tapisan tetap, peningkatan tekanan atau penurunan tekanan menuju vakum (contohnya, 10⁻⁶ Torr) kedua-duanya meningkatkan voltan putus jurang. Pada tekanan hampir vakum, penurunan tahap vakum (iaitu, peningkatan ketumpatan udara) membuat pemutusan elektrik antara elektrod lebih mudah. Di luar ambang tekanan tertentu, prestasi tapisan secara bertahap meningkat seiring dengan peningkatan tekanan. Dalam fasa ini (di luar titik a dalam Gambar 1), penurunan tekanan—dan seterusnya ketumpatan gas—menurunkan voltan putus, bermakna prestasi tapisan merosot. Rentang tekanan operasi unit-unit cincin bertapis gas jatuh sepenuhnya dalam kawasan ini (bahagian di luar titik a dalam Gambar 1).
1.3 Ringkasan Isu-Isu dengan Reka Bentuk Ketinggian Konvensional
Peningkatan perbezaan tekanan antara dalaman dan luaran kompartmen gas menyebabkan deformasi yang lebih besar pada kompartmen, mempengaruhi operasi mekanikal dan prestasi pemutus.
Di bawah keadaan perbezaan tekanan dalaman-luaran yang meningkat, peranti pelepasan tekanan lebih cenderung untuk diaktifkan.
Gauge tekanan mengukur perbezaan tekanan relatif antara bahagian dalam dan luar kompartmen gas. Meter ketumpatan gas menambah fungsi pensijilan suhu kepada gauge tekanan. Kedua-duanya tidak dapat menunjukkan dengan tepat ketumpatan gas sebenar di dalam kompartmen pada ketinggian yang tinggi, walaupun ketumpatan gas secara intrinsik berkaitan dengan prestasi pengasingan.
Ketumpatan atmosfera yang berkurang pada ketinggian yang tinggi juga merosakkan prestasi pengasingan menyeluruh komponen pengasingan luar kompartmen gas.
2. Rancangan Reka Bentuk untuk Unit Utama Cincin Berasingan Gas di Ketinggian Tinggi
Berdasarkan analisis di atas, walaupun struktur sepenuhnya terasing unit utama cincin berasingan gas (dengan litar konduktif utama sepenuhnya tertutup oleh kompartmen gas yang tersegel, bushing sepenuhnya terasing, dan terminasi kabel sepenuhnya terasing) secara teori mempertahankan prestasi pengasingan yang tidak terjejas, ia dipengaruhi oleh faktor-faktor yang timbul pada ketinggian yang tinggi: peningkatan perbezaan tekanan dalaman-luaran dalam kompartmen gas, ketidakmampuan untuk mengurangkan ketumpatan gas pengasingan di dalam kompartmen, dan keperluan untuk menunjukkan ketumpatan gas dengan tepat. Oleh itu, kunci reka bentuk untuk unit utama cincin berasingan gas di ketinggian tinggi terletak pada reka bentuk kompartmen gas dan peranti pembebasan tekanan, memenuhi keperluan persekitaran ketinggian tinggi untuk gauge tekanan kompartmen gas, dan menyelesaikan kemampuan pengasingan menyeluruh komponen pengasingan luar yang berkurang pada ketinggian tinggi.
2.1 Reka Bentuk Kompartmen Gas dan Peranti Pembebasan Tekanan untuk Aplikasi Ketinggian Tinggi
Untuk mengatasi isu-isu teknikal yang disebutkan, makalah ini mencadangkan konsep reka bentuk baru untuk unit utama cincin berasingan gas di ketinggian tinggi, berbeza daripada unit biasa tanpa reka bentuk khusus atau hanya menggunakan pengurangan tekanan mudah. Unit utama cincin ini mempunyai reka bentuk sasar dalam aspek-aspek berikut:
(1) Kekuatan Struktur Kompartmen Gas yang Ditingkatkan
Untuk menentang peningkatan perbezaan tekanan dalaman-luaran yang disebabkan oleh ketinggian yang tinggi, kekuatan struktur kompartmen gas diperkuat. Ini memastikan deformasi kompartmen pada ketinggian tinggi tetap dalam spesifikasi teknikal, memastikan prestasi mekanikal komponen tegangan tinggi di dalamnya tidak terjejas.
Berdasarkan model Atmosfera Standard Antarabangsa, tekanan atmosfera standard pada ketinggian tertentu boleh dikira menggunakan formula:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
di mana P adalah tekanan atmosfera pada ketinggian tertentu; P₀ adalah tekanan atmosfera standard pada aras laut; H adalah ketinggian.
Mengambil contoh ketinggian 4000 m:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.
Menggunakan unit utama cincin berasingan gas SF₆ 10 kV sebagai contoh, tekanan reka bentuk kompartmen gas di kawasan bukan ketinggian tinggi biasanya 0.07 MPa. Mengambil kira penurunan tekanan atmosfera pada ketinggian tinggi, tekanan reka bentuk sebenar untuk kompartmen gas pada ketinggian 4000 m boleh dikira sebagai:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.
(2) Reka Bentuk Peranti Pembebasan Tekanan untuk Aplikasi Ketinggian Tinggi
Mengikut piawaian negara terkini GB/T 3906—2020 "Peralatan pengagihan logam-tertutup AC untuk voltan bernilai lebih daripada 3.6 kV hingga dan termasuk 40.5 kV", Bahagian 7.103 menetapkan bahawa kompartmen gas unit utama cincin berasingan gas mesti mampu menahan 1.3 kali tekanan reka bentuk (P₁) selama 1 minit tanpa aktivasi peranti pembebasan tekanan. Jika tekanan terus meningkat antara 1.3 kali (P₁) dan 3 kali (P₂) tekanan reka bentuk, peranti pembebasan tekanan mungkin aktif. Ini adalah boleh diterima asalkan ia memenuhi spesifikasi reka bentuk pembuat. Selepas ujian, kompartmen gas mungkin berdeformasi tetapi tidak boleh pecah.
Merancang kekuatan kompartmen gas dan peranti pembebasan tekanan mengikut keperluan ini memenuhi piawaian negara. Kompartmen gas dan peranti pembebasan tekanan untuk ketinggian yang berbeza semua boleh dikira dan direka menggunakan kaedah ini:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa
Melalui penguatan struktur kompartmen gas—seperti menggunakan plat besi yang lebih tebal atau menambah pelapis—kompartmen sepenuhnya memenuhi keperluan kekuatan yang dikenakan oleh peningkatan perbezaan tekanan dalaman-luaran pada ketinggian tinggi. Ini mengelakkan impak prestasi mekanikal dan elektrikal pada switch tegangan tinggi di dalam kompartmen akibat deformasi, memastikan operasi stabil pada tekanan gas bernilai dan memberikan prestasi mekanikal dan elektrikal yang sama dalam persekitaran ketinggian tinggi seperti di kawasan dataran rendah.
Melalui pengiraan reka bentuk dan pengesahan eksperimen, peningkatan ketebalan dan kekuatan membran pembebasan tekanan meningkatkan keupayaan tahanannya. Ini memastikan julat pembebasan tekanan kompartmen gas mematuhi keperluan julat tekanan yang ditetapkan, mencegah aktivasi awal peranti pembebasan tekanan akibat peningkatan perbezaan tekanan dalaman-luaran dalam persekitaran ketinggian tinggi. Ini mengekalkan tahap pengasingan dalaman dan memastikan prestasi elektrikal unit utama cincin.
2.2 Reka Bentuk Peranti Penunjuk Ketumpatan Gas untuk Aplikasi Ketinggian Tinggi
Peranti penunjuk ketumpatan gas pengasingan menggunakan meter ketumpatan jenis tertutup. Nilai yang ditunjukkan tidak dipengaruhi oleh perubahan suhu atau variasi tekanan atmosfera luaran.
Untuk unit utama cincin berasingan gas di ketinggian tinggi, meter ketumpatan yang dipilih untuk kompartmen gas adalah meter ketumpatan jenis tertutup untuk semua keadaan, tidak terpengaruh oleh suhu dan ketinggian. Prinsip operasinya melibatkan elemen pensijilan di dalam meter ketumpatan yang membolehkan pensijilan suhu (tidak terpengaruh oleh suhu). Serentak, kepala meter mempunyai struktur tertutup di mana ruang tertutup mengekalkan tekanan atmosfera standard. Nilai tekanan yang ditunjukkan oleh meter ketumpatan mewakili perbezaan tekanan antara bahagian dalam kompartmen gas dan tekanan atmosfera standard.
Reka bentuk ini memastikan skala pengukur ketumpatan yang dipasang pada kompartmen gas unit ring utama sentiasa mencerminkan dengan tepat ketumpatan gas sebenar di dalam kompartmen. Nilai yang ditunjukkan tidak dipengaruhi oleh suhu dan ketinggian, sepenuhnya memenuhi keperluan operasi untuk kawasan ketinggian tinggi.2.3 Reka Bentuk Penyulit Sepenuh Insulasi untuk Unit Ring Utama Gas-Insulasi Ketinggian Tinggi
Selain daripada mempengaruhi kompartmen gas dan instrumen pengukuran, ketinggian tinggi juga memberi kesan kepada komponen insulasi penuh yang dipasang luar seperti penyulit masuk/keluar baris dan sambungan hujung kabel. Prestasi insulasi komponen-komponen insulasi penuh luar ini dipengaruhi oleh kedua-dua kekuatan insulasi bahan insulasi dan kekuatan insulasi merayap relatif terhadap tanah. Pada ketinggian tinggi, ketumpatan udara yang berkurangan mengurangkan kekuatan insulasi merayap relatif terhadap tanah. Dalam aplikasi praktikal, unit ring utama gas-insulasi yang direka secara konvensional sering gagal ujian voltan tahanan frekuensi kuasa untuk komponen-komponen insulasi luar (seperti penyulit insulasi atau busbar pengekspansi atas) selepas dikerahkan di ketinggian tinggi.
Untuk menangani isu ini, makalah ini mencadangkan skema reka bentuk baru untuk penyulit insulasi penuh dalam unit ring utama gas-insulasi ketinggian tinggi: menambah lapisan perisai yang dipertimbingkan ke permukaan luar komponen-komponen insulasi tersebut. Reka bentuk ini meningkatkan kecekapan medan elektrik dan mencegah pelepasan elektrik dari busbar litar utama.
Dalam projek stesen pemutus luar 10 kV di Nagqu, Tibet, sebuah syarikat menghadapi situasi semasa ujian penerimaan di mana peralatan hanya dapat lulus ujian voltan tahanan frekuensi kuasa 29 kV/1 min relatif terhadap tanah. Selepas menambah lapisan perisai yang dipertimbingkan ke insulasi luar penyulit masuk/keluar dan busbar luar kompartmen gas, peralatan tersebut memenuhi piawaian nasional yang memerlukan 42 kV/1 min untuk voltan tahanan frekuensi kuasa relatif terhadap tanah.
2.4 Ringkasan Titik-Titik Teknikal Penting
Aspek-aspek reka bentuk penting bagi unit ring utama gas-insulasi ketinggian tinggi adalah sebagai berikut:
Kuatkan kekuatan struktur kompartmen gas dengan menambah ketebalan plat besi atau menambah penegak untuk memenuhi keperluan julat toleransi tekanan dan had deformasi akibat peningkatan beza tekanan dalaman-luaran di ketinggian tinggi.
Tingkatkan reka bentuk kekuatan membran pelupusan tekanan dalam peranti pelupusan tekanan kompartmen gas. Setelah diperkuat, ia memenuhi keperluan julat toleransi tekanan untuk peranti pelupusan tekanan di bawah peningkatan beza tekanan dalaman-luaran di ketinggian tinggi.
Guna pengukur ketumpatan jenis tertutup untuk peranti penunjuk tekanan. Nilai-nilai yang ditunjukkan tidak dipengaruhi oleh perubahan suhu atau variasi tekanan atmosfera luar, menjadikannya sesuai untuk persekitaran ketinggian tinggi.
Reka bentuk lapisan perisai yang dipertimbingkan pada permukaan luar komponen-komponen insulasi luar kompartmen gas untuk meningkatkan kecekapan medan elektrik dan mencegah pelepasan elektrik dari busbar litar utama.
3. Kepentingan Reka Bentuk Unit Ring Utama Gas-Insulasi Ketinggian Tinggi
Skema reka bentuk ini bertujuan untuk menyediakan unit ring utama gas-insulasi yang benar-benar memenuhi keperluan operasi ketinggian tinggi. Dengan serentak menguatkan kekuatan kompartmen gas, meningkatkan keupayaan toleransi tekanan peranti pelupusan tekanan, membolehkan pengukuran tepat ketumpatan gas dalaman, dan merancang komponen-komponen insulasi berkaitan secara rasional, unit ring utama mencapai adaptabiliti teknikal yang lengkap terhadap persekitaran ketinggian tinggi. Ini memastikan prestasi mekanikal dan elektrik unit ring utama dan membolehkan operasi normal unit ring utama gas-insulasi di persekitaran ketinggian tinggi.
Kawasan ketinggian tinggi di China luas, mencipta permintaan yang besar untuk peralatan kuasa yang disesuaikan dengan keadaan ketinggian tinggi. Standardisasi dan kebolehan rancangan produk perlu ditingkatkan dengan mendesak. Variasi persekitaran sebenar di kawasan ketinggian tinggi memberi keperluan baru terhadap rancangan produk. Skema teknikal ini menyediakan teori dan metodologi reka bentuk baru, mewakili penyelidikan yang bermakna.
