Geoptimaliseerde ontwerp van gasgeïsoleerde schakelkasten voor hooggelegen gebieden
Gasgeïsoleerde ringhoofdschakelkasten zijn compacte en uitbreidbare schakelapparatuur die geschikt is voor middenspanningsverdelingssystemen. Deze apparaten worden gebruikt voor ringnetvoorzieningen van 12~40,5 kV, dubbele straalvoorzieningen en eindvoorzieningen, en dienen als regel- en beschermingsapparatuur voor elektrische energie. Ze zijn ook geschikt voor installatie in pad-mounted transformatorstations.
Door de verdeling en planning van elektrische energie zorgen ze voor stabiele werking van elektriciteitsnetwerken. De kerncomponenten van deze apparaten maken gebruik van circuitbrekers of combinaties van belastschakelaars en zekeringen, met voordelen zoals eenvoudige constructie, kleine afmetingen, lage kosten, verbeterde voedingsspecificaties en prestaties, en verbeterde veiligheid van de voeding. Ze worden breed toegepast in distributiestations en pad-mounted transformatorstations in belastingscentra zoals stedelijke woonwijken, hoge gebouwen, grote openbare faciliteiten en industriële ondernemingen. Verschillende isolerende gassen worden gebruikt als isolatiemiddel, waaronder SF₆, droge lucht, stikstof of menggassen, wat leidt tot hoge isolatieprestaties en milieuvriendelijkheid, waardoor ze wijdverspreid worden toegepast in elektriciteitsnetwerken.
De belangrijkste componenten van dit type ringhoofdschakelkasten zijn geïnstalleerd in een gesloten gelaste tank gevuld met isolerend gas (hierna aangeduid als "gascompartiment"). Het gascompartiment is het kernonderdeel van gasgeïsoleerde ringhoofdschakelkasten. De primaire functie ervan is om te zorgen dat de hoogspanningscomponenten binnen niet worden beïnvloed door externe omgevingsfactoren zoals vervuiling, vochtigheid en corrosie. Het garandeert tegelijkertijd zowel de werkingsomstandigheden van de componenten als de normale elektrische prestaties. Alle interne componenten worden beschermd door het gesloten gascompartiment. Het compartiment is uitgerust met druk- of gasdichtheidsonderzoeksapparatuur, zoals manometers of dichtheidsmeters, die meestal de drukverschillen tussen het interieur en exterieur van het compartiment meten.
Dit artikel richt zich voornamelijk op problemen die de mechanische en elektrische prestaties van ringhoofdschakelkasten in hooggelegen gebieden beïnvloeden.
1. Algemene ontwerpconcepten voor gasgeïsoleerde ringhoofdschakelkasten in hooggelegen gebieden en bestaande problemen
Gasgeïsoleerde ringhoofdschakelkasten hebben volledig geïsoleerde ontwerpen, waarbij de hoofdleidingen zijn omgeven door een volledig geïsoleerd systeem dat bestaat uit gesloten gascompartimenten, volledig geïsoleerde bushings voor inkomende/uitgaande lijnen en volledig geïsoleerde kabelafsluitingen. Aangezien de interne omgeving van het gascompartiment niet wordt beïnvloed door externe omstandigheden, blijft de gasdichtheid en -vochtigheid constant. Theoretisch gezien is de isolatieprestatie immuun voor externe factoren zoals vochtigheid, vervuiling of corrosieve gassen. Op dezelfde manier worden de isolatieprestaties van bushings en kabelafsluitingen, ontworpen met isolatiematerialen zoals epoxyhars en siliconerubber, niet beïnvloed door de externe omgeving. Oppervlakkig gezien lijken conventioneel ontworpen gasgeïsoleerde ringhoofdschakelkasten aanpasbaar aan plateauomgevingen, waardoor veel fabrikanten geloven dat ze voldoen aan de vereisten voor hooggelegen operaties en ze rechtstreeks in dergelijke gebieden implementeren.
Momenteel worden twee belangrijke technische schema's gebruikt bij het toepassen van gasgeïsoleerde ringhoofdschakelkasten in hooggelegen gebieden:
1.1 Directe implementatie in hooggelegen gebieden
Ontwerpconcept: Deze benadering is gebaseerd op het principe dat de hoofdleiding volledig is ingesloten door het geïsoleerde systeem (gesloten gascompartiment, volledig geïsoleerde bushings en kabelafsluitingen), waardoor de isolatieprestatie niet wordt beïnvloed door hooggelegen omstandigheden.
Bestaande problemen: In de praktijk neemt de externe atmosferische druk in hooggelegen gebieden af, wat de drukverschillen tussen het interieur en exterieur van het gascompartiment vergroot. Dit veroorzaakt significante uitzettingsdeformaties van het compartiment, wat de mechanische prestaties van elektrische componenten zoals circuitbrekers en disjunctoren beïnvloedt. Dit kan leiden tot functionele vastlopen en veranderingen in mechanische kenmerken.
1.2 Verminderde fabrieksgasdrukinstelling
Ontwerpconcept: Om de toegenomen interne-externe drukverschillen in hooggelegen gebieden te compenseren, vermindert dit schema de gasdruk binnen het compartiment in de fabriek. Wanneer de eenheid op de hooggelegen locatie aankomt, zorgt de verminderde atmosferische druk ervoor dat de drukverschillen stijgen naar de waarde die in de technische specificaties wordt vereist, waardoor de manometer de vereiste werkdruk weergeeft.
Bestaande problemen: Dit ontwerp vermindert effectief de dichtheid van het isolerende gas binnen het compartiment. Hoewel de manometer de ontworpen waarde weergeeft in hooggelegen gebieden, is de isolatieprestatie van gassen intrinsiek verbonden met de gasdichtheid volgens de Paschen-kromme (zie figuur 1) geformuleerd door de Duitse fysicus Friedrich Paschen. De Paschen-kromme toont de functie afgeleid van Paschens wet. De fysische betekenis: de inslagspanning U (kV) is een functie van het product van elektrodedistance d (cm) en gasdruk P (Torr), uitgedrukt als U = apd / [ln(Pd) + b] (zie figuur 1), waarbij a en b constanten zijn.
De belangrijkste betekenis van de kromme: Bij een vaste isolatiedistance, zowel verhoging van de druk als vermindering van de druk naar vacuüm (bijvoorbeeld 10⁻⁶ Torr) verhoogt de inslagspanning. Bij nabij-vacuüm-drukken maakt een verminderd vacuüm niveau (dat wil zeggen, verhoogde luchtdichtheid) elektrische inslag tussen elektroden gemakkelijker. Bovenaan een bepaalde drukdrempel verbetert de isolatieprestatie geleidelijk naarmate de druk stijgt. In deze fase (beyond point a in Fig. 1) vermindert de druk, en dus de gasdichtheid, de inslagspanning, wat betekent dat de isolatieprestatie verslechtert. Het werkdrukgebied van gasgeïsoleerde ringhoofdschakelkasten valt volledig binnen dit gebied (het gedeelte na punt a in figuur 1).
1.3 Samenvatting van problemen met conventionele hooggelegen ontwerpen
Het toegenomen drukverschil tussen het interieur en exterieur van het gascompartiment veroorzaakt grotere deformaties van het compartiment, wat de mechanische werking en prestaties van schakelaars beïnvloedt.
Onder toegenomen interne-externe drukverschilcondities zijn drukafvoerapparaten gevoeliger voor activering.
Drukmeten meten het relatieve drukverschil tussen het interieur en exterieur van de gasafsluiting. Gasdichtheidsmeters voegen temperatuurcompensatie toe aan de drukmeten. Geen van beide kan de werkelijke gaskracht binnen de afsluiting op grote hoogte nauwkeurig weergeven, maar de gaskracht is inherent verbonden met de isolatieprestaties.
Bij hoge hoogten neemt de atmosferische dichtheid af, wat tegelijkertijd de algehele isolatieprestaties van externe isolatiecomponenten van de gasafsluiting vermindert.
2. Ontwerpschema voor gasgeïsoleerde ringkasten op grote hoogte
Op basis van de bovengenoemde analyse, hoewel de volledig geïsoleerde structuur van gasgeïsoleerde ringkasten (waarbij de hoofdleidingen volledig omsloten zijn door afgesloten gasafsluitingen, volledig geïsoleerde bushings en volledig geïsoleerde kabelverbindingen) theoretisch onbeïnvloedde isolatieprestaties behoudt, worden deze beïnvloed door factoren die op grote hoogte ontstaan: toegenomen drukverschil tussen binnen- en buitenruimte in de gasafsluiting, de onmogelijkheid om de dichtheid van het insulatiegas binnen de afsluiting te verlagen, en de eis voor een nauwkeurige weergave van de gasdichtheid. Daarom ligt de kern van het ontwerp voor gasgeïsoleerde ringkasten op grote hoogte in het ontwerp van de gasafsluiting en het drukafvoerapparaat, voldoen aan de milieu-eisen op grote hoogte voor drukmeten in gasafsluitingen, en het oplossen van de verminderde algehele isolatiecapaciteit van externe isolatiecomponenten op grote hoogte.
2.1 Ontwerp van de gasafsluiting en het drukafvoerapparaat voor toepassingen op grote hoogte
Om de genoemde technische problemen aan te pakken, stelt dit document een nieuw ontwerpconcept voor voor gasgeïsoleerde ringkasten op grote hoogte, verschillend van normale eenheden zonder speciaal ontwerp of die slechts eenvoudige drukverlaging gebruiken. Deze ringkast heeft gericht ontwerp in de volgende aspecten:
(1) Versterkte structuursterkte van de gasafsluiting
Om de toegenomen drukverschillen tussen binnen- en buitenruimte op grote hoogte tegen te gaan, wordt de structuursterkte van de gasafsluiting versterkt. Dit zorgt ervoor dat de vervorming van de afsluiting op grote hoogte binnen de technische specificaties blijft, waardoor de mechanische prestaties van de hoogspanningscomponenten binnenin niet worden beïnvloed.
Volgens het Internationale Standaard Atmosfeermodel kan de standaard atmosferische druk op een bepaalde hoogte worden berekend met de formule:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
waar P de atmosferische druk op een bepaalde hoogte is; P₀ de standaard atmosferische druk op zeeniveau is; H de hoogte is.
Met een hoogte van 4000 m als voorbeeld:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.
Met een typische 10 kV SF₆ gasgeïsoleerde ringkast als voorbeeld, is de ontwerpdruk van de gasafsluiting in niet-hooggelegen gebieden meestal 0.07 MPa. Met inachtneming van de verminderde atmosferische druk op grote hoogte, kan de werkelijke ontwerpdruk voor de gasafsluiting op 4000 m hoogte worden berekend als:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.
(2) Ontwerp van het drukafvoerapparaat voor toepassingen op grote hoogte
Volgens de nieuwste nationale norm GB/T 3906—2020 "AC metal-omsloten schakelinstallaties en -bedieningsapparatuur voor aangefaseerde spanningen boven 3.6 kV en tot en met 40.5 kV", stipuleert artikel 7.103 dat de gasafsluiting van gasgeïsoleerde ringkasten 1.3 keer de ontwerpdruk (P₁) gedurende 1 minuut moet kunnen weerstaan zonder dat het drukafvoerapparaat actief wordt. Als de druk blijft stijgen tussen 1.3 keer (P₁) en 3 keer (P₂) de ontwerpdruk, mag het drukafvoerapparaat actief worden. Dit is acceptabel mits het voldoet aan de specificaties van de fabrikant. Na testen mag de gasafsluiting vervormd raken, maar mag niet breken.
Het ontwerpen van de sterkte van de gasafsluiting en het drukafvoerapparaat volgens deze eisen voldoet aan nationale normen. Gasafsluitingen en drukafvoerapparaten voor verschillende hoogten kunnen allemaal worden berekend en ontworpen met deze methode:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa
Door de structuur van de gasafsluiting te versterken, zoals het gebruik van dikker staalplaat of het toevoegen van verstevigingen, voldoet de afsluiting volledig aan de sterkte-eisen die ontstaan door het toegenomen drukverschil tussen binnen- en buitenruimte op grote hoogte. Dit voorkomt mechanische en elektrische prestatie-impact op de hoogspanningscontactors binnen de afsluiting veroorzaakt door vervorming, waardoor stabiele werking bij de aangegeven gasdruk wordt gegarandeerd en dezelfde mechanische en elektrische prestaties in hoge-gelegen omgevingen als in vlakke gebieden worden geleverd.
Door ontwerp-berekeningen en experimentele validatie, verhoogt het vergroten van de dikte en sterkte van het drukafvoerventiel de druktolerantie. Dit zorgt ervoor dat het drukafvoerbereik van de gasafsluiting voldoet aan de gespecificeerde drukbereikseisen, waardoor het vroegtijdig activeren van het drukafvoerapparaat door het toegenomen drukverschil tussen binnen- en buitenruimte in hoge-gelegen omgevingen wordt voorkomen. Dit behoudt het interne isolatieniveau en garandeert de elektrische prestaties van de ringkast.
2.2 Ontwerp van het gasdichtheid-aanduidingsapparaat voor toepassingen op grote hoogte
Het insulatiegas-dichtheidsaanduidingsapparaat maakt gebruik van een afgesloten-type dichtheidsmeter. De weergegeven waarde wordt niet beïnvloed door temperatuurveranderingen of variaties in de externe atmosferische druk.
Voor gasgeïsoleerde ringkasten op grote hoogte, wordt een afgesloten-type full-condition dichtheidsmeter geselecteerd voor de gasafsluiting, immuun voor temperatuur- en hoogteeffecten. Het werkingsprincipe omvat een compensatie-element binnen de dichtheidsmeter dat temperatuurcompensatie mogelijk maakt (onbeïnvloed door temperatuur). Tegelijkertijd heeft de meterkop een afgesloten structuur waarbij de afgesloten kamer standaard atmosferische druk behoudt. De weergegeven drukwaarde van de dichtheidsmeter vertegenwoordigt het drukverschil tussen het interieur van de gasafsluiting en de standaard atmosferische druk.
Deze ontwerpkeuze zorgt ervoor dat de schaal van de dichtheidsmeter die op de gasruimte van de ringmain eenheid is geïnstalleerd, altijd nauwkeurig weerspiegelt wat de werkelijke gasdichtheid in de ruimte is. De weergegeven waarde wordt niet beïnvloed door temperatuur of hoogte, waardoor het volledig voldoet aan de operationele eisen voor gebieden op grote hoogte.2.3 Ontwerp van volledig geïsoleerde bushings voor ringmain eenheden met gasisolatie op grote hoogte
Naast de invloed op de gasruimte en meetinstrumenten, heeft grote hoogte ook impact op externe volledig geïsoleerde componenten zoals ingang/uitgang bushings en kabelcontacten. De isolatieprestaties van deze externe volledig geïsoleerde componenten worden beïnvloed door zowel de isolatiesterkte van het isolatiemateriaal als de sluipwegisolatiesterkte ten opzichte van de grond. Op grote hoogte neemt de luchtdichtheid af, wat de sluipwegisolatiesterkte ten opzichte van de grond vermindert. In de praktijk slagen conventioneel ontworpen ringmain eenheden met gasisolatie vaak niet voor de netfrequentie spanningstest voor externe isolerende componenten (bijvoorbeeld isolerende bushings of top-expansie busbars) na implementatie op grote hoogte.
Om dit probleem te tackelen, stelt dit artikel een nieuw ontwerpschema voor voor volledig geïsoleerde bushings in ringmain eenheden met gasisolatie op grote hoogte: het toevoegen van een aangesloten scherming aan de buitenkant van dergelijke isolerende componenten. Dit ontwerp verbetert de gelijkmatigheid van het elektrisch veld en voorkomt ontlading van de hoofdcircuit busbars naar de grond.
In een project voor een 10 kV buitenste schakelstation in Nagqu, Tibet, kwam een bedrijf tijdens de acceptatietests tegen dat de apparatuur slechts een netfrequentie spanningstest van 29 kV/1 min ten opzichte van de grond kon doorstaan. Na het toevoegen van een aangesloten scherming aan de buitenisolatie van de ingang/uitgang bushings en externe busbars van de gasruimte, voldeden de apparaten aan de nationale standaardeis van 42 kV/1 min voor netfrequentie spanningstest ten opzichte van de grond.
2.4 Samenvatting van technische kernpunten
De belangrijkste ontwerpaspecten voor ringmain eenheden met gasisolatie op grote hoogte zijn als volgt:
Versterking van de structuursterkte van de gasruimte door de dikte van de staalplaat te vergroten of verstevigers toe te voegen om te voldoen aan de eisen voor drukverdraagzaamheidsbereik en vervormingslimieten veroorzaakt door de toename van de interne-externe drukverschillen op grote hoogte.
Versterking van de sterkteontwerp van het drukaflossingsmembrane in het drukaflossingsapparaat van de gasruimte. Na versterking voldoet het aan de eisen voor het drukverdraagzaamheidsbereik van het drukaflossingsapparaat onder toegenomen interne-externe drukverschillen op grote hoogte.
Het gebruik van gesloten dichtheidsmeters voor drukindicatieapparaten. Hun weergegeven waarden worden niet beïnvloed door temperatuurveranderingen of externe atmosferische drukvariaties, waardoor ze geschikt zijn voor omgevingen op grote hoogte.
Ontwerp van een aangesloten scherming aan de buitenkant van externe isolerende componenten van de gasruimte om de gelijkmatigheid van het elektrisch veld te verbeteren en ontlading van de hoofdcircuit busbars naar de grond te voorkomen.
3. Betekenis van het ontwerp van ringmain eenheden met gasisolatie op grote hoogte
Dit ontwerpschema heeft als doel ringmain eenheden met gasisolatie te bieden die echt voldoen aan de operationele eisen op grote hoogte. Door tegelijkertijd de sterkte van de gasruimte te versterken, de drukverdraagzaamheid van de drukaflossingsapparaten te verbeteren, nauwkeurige meting van de interne gasdichtheid mogelijk te maken en gerelateerde isolerende componenten rationeel te ontwerpen, behaalt de ringmain eenheid volledige technische aanpassing aan omgevingen op grote hoogte. Hierdoor wordt de mechanische en elektrische prestatie van de ringmain eenheid gewaarborgd en kan de normale werking van ringmain eenheden met gasisolatie in omgevingen op grote hoogte worden verzekerd.
China's gebieden op grote hoogte zijn uitgestrekt, wat enorme vraag creëert naar elektriciteitsapparatuur die is aangepast aan hoge hoogtes. De normalisering en rationaliteit van productontwerp moeten dringend worden verbeterd. De werkelijke milieuvariaties in gebieden op grote hoogte stellen nieuwe eisen aan het productontwerp. Dit technische schema biedt een nieuwe ontwerptheorie en -methodologie, wat een betekenisvolle verkenning vertegenwoordigt.
