Optimalisert design av gassfylt spedbryterutstyr for høyfjellsområder

Gassisolerede ringhovedenhet er kompakte og utvidbare spenningskontrollanlegg som er egnet for mediumspennings energidistribusjonsautomatiseringssystemer. Disse enhetene brukes for strømleveranse i ringnett på 12~40,5 kV, dobbelt radiell strømforsyningssystemer og terminalstrømforsyninger, og fungerer som kontroll- og beskyttelsesenheter for elektrisk energi. De er også egnet for installasjon i bokser med underbygging.

Ved å distribuere og planlegge elektrisk energi, sikrer de stabil drift av kraftsystemer. De viktigste komponentene i disse enhetene bruker sirkuitsbrytere eller kombinasjoner av lastskruer og sikringer, noe som gir fordeler som enkel konstruksjon, liten størrelse, lav kostnad, forbedrede strømforsyningsparametre og -ytelse, samt økt trygghet ved strømforsyningen. De brukes vidt i distribusjonsstasjoner og bokser med underbygging i belastningsmidtpunkter som byboliger, høyhus, store offentlige anlegg og industrielle virksomheter. Forskjellige isolerende gasser brukes som isoleringsmedium, inkludert SF₆, tørt luft, kvæs, eller blandingsegasser, noe som gir høy isoleringsytelse og miljømessige fordeler, noe som fører til bred anvendelse i kraftsystemer.

De viktigste komponentene i denne typen ringhovedenhet er installert innenfor et hermetisk loddet tank fylt med isolerende gas (heretter referert til som "gaskammer"). Gaskammeret er den sentrale komponenten i gassisolerede ringhovedenheter. Dets primære funksjon er å sikre at høyspenningskomponentene inneholder fungerer uforandret av eksterne miljøfaktorer som forurensning, fuktighet og korrosjon. Det garanterer både driftsmiljøet for komponentene og normal elektrisk ytelse. Alle interne komponenter er beskyttet av det hermetiske gaskammeret. Kammeret er utstyrt med trykk- eller gassdensitetsmålingsenheter, som trykkmåler eller diktometer, som typisk måler trykkdifferansen mellom innsiden og utsiden av kammeret.

Denne artikkelen handler hovedsakelig om problemer som påvirker mekanisk og elektrisk ytelse hos ringhovedenheter i høyfjellsområder.

1. Vanlige høyfjell-designløsninger for gassisolerede ringhovedenheter og eksisterende problemer

Gassisolerede ringhovedenheter har fullt isolerte design, der dens hovedledere er omsluttet av et fullt isolert system bestående av hermetiske gaskamre, fullt isolate buskager for inn- og utgangslinjer, og fullt isolate kabelterminaler. Siden det interne miljøet i gaskammeret ikke påvirkes av eksterne betingelser, forblir gassettettheten og fuktigheten konstant. Teoretisk sett er isoleringsytelsen immunt mot eksterne faktorer som fuktighet, forurensning eller korrosive gasser. På samme måte er isoleringsytelsen til buskager og kabelterminaler, designet med isolerende materialer som epoksyharz og silikonkautsjuk, ikke påvirket av det eksterne miljøet. Overfladisk sett ser vanlig design av gassisolerede ringhovedenheter ut til å være tilpasset fjellområder, noe som fører mange produsenter til å tro at de oppfyller kravene for drift i høyfjell, og de settes direkte i drift i slike områder.

For tiden brukes to hovedtekniske løsninger når det gjelder bruken av gassisolerede ringhovedenheter i høyfjell:

1.1 Direkte installasjon i høyfjellområder

Konsept: Denne metoden baserer seg på prinsippet at den hovedledende kretsen er fullt omsluttet av det isolate systemet (hermetisk gaskammer, fullt isolate buskager, og kabelterminaler), slik at isoleringsytelsen ikke påvirkes av høyfjellsbetingelser.
Eksisterende problemer: I praksis fører redusert atmosfærisk trykk i høyfjell til økt trykkdifferanse mellom innsiden og utsiden av gaskammeret. Dette fører til betydelig deformering av kammeret, noe som påvirker mekanisk ytelse av elektriske komponenter som sirkuitsbrytere og disko. Dette kan føre til driftshemminger og endringer i mekaniske egenskaper.

1.2 Redusert fabrikkinnstillingstrykk for gass

Konsept: For å møte den økte innvendige-utvendige trykkdifferansen i høyfjell, reduserer denne metoden gasspressen inni kammeret i fabrikken. Når enheten ankommer høyfjellområdet, fører det reduserte atmosfærtrykket til at trykkdifferansen øker til verdien foreskrevet av tekniske spesifikasjoner, slik at trykkmåleren viser det nødvendige driftstrykket.
Eksisterende problemer: Dette designet reduserer effektivt tettheten av isoleringsgassen inni kammeret. Selv om trykkmåleren viser den designerte verdien i høyfjell, er isoleringsytelsen til gasser intrinsisk knyttet til gassettettheten ifølge Paschens kurve (se figur 1) formulert av den tyske fysikeren Friedrich Paschen. Paschens kurve plotter funksjonen derivert fra Paschens lov. Dens fysiske betydning: Brytningspanningen U (kV) er en funksjon av produktet av elektrodedistanse d (cm) og gasstrykk P (Torr), uttrykt som U = apd / [ln(Pd) + b] (se figur 1), der a og b er konstanter. 

Kurvens hovedsignifikans: For en fast isoleringsdistanse, øker trykk eller reduserer trykk mot vakuum (f.eks. 10⁻⁶ Torr) begge brytningspanningen i gapet. Ved nær-vakuumstrykk, gjør redusert vakuumnivå (dvs. økt lufttetthet) elektrisk brytning mellom elektroder lettere. Etter en viss trykkgrense, forbedres isoleringsytelsen gradvis som trykket stiger. I denne fasen (etter punkt a i figur 1), reduserer trykket - og dermed gassettheten - brytningspanningen, noe som betyr at isoleringsytelsen forverres. Driftstrykkintervallet for gassisolerede ringhovedenheter ligger helt innenfor dette området (delen etter punkt a i figur 1).

1.3 Oppsummering av problemer med tradisjonelle høyfjell-designer

• Økt trykkdifferanse mellom innsiden og utsiden av gaskammeret fører til større deformering av kammeret, noe som påvirker mekanisk drift og ytelse av skruer.

• Under økt innvendig-utvendig trykkdifferanse, er trykklettelsesmekanismer mer utsatt for utløsning.

• Trykkmåler måler den relative trykkdifferansen mellom innvendig og utvendig del av gasskammeret. Gastetthetsmålere legger til funksjonalitet for temperaturkompensasjon til trykkmålere. Ingen av disse kan nøyaktig vise den faktiske gastettheten inne i kammeret ved høye høyder, selv om gastetthet er内在翻译中，我将严格遵循您的要求，仅翻译标签内的文字，并保持HTML标签和结构不变。以下是翻译结果：

  Trykkmåler måler den relative trykkdifferansen mellom innsiden og utsiden av gasskammeret. Gassetthetsmålere legger til funksjonalitet for temperaturkompensasjon til trykkmålere. Ingen av disse kan nøyaktig vise den faktiske gassettheten inne i kammeret ved høye høyder, selv om gassetthet er essensielt knyttet til isolasjonsytelsen.

• Redusert atmosfærisk tetthet ved høye høyder forverrer samtidig den totale isolasjonsytelsen av de eksterne isolerende komponentene i gasskammeret.

2. Designløsning for høyhøyde gassisolerede ringhovedenhet
Basert på ovenstående analyse, selv om den fullt isolerte strukturen til gassisolerede ringhovedenheter (med hovedledningsveier fullstendig omsluttet av etettet gasskammer, fullt isolerte busser og fullt isolerte kabeltermineringer) teoretisk sett opprettholder uforandret isolasjonsytelse, blir den påvirket av faktorer som oppstår ved høye høyder: økt indre-eksternt trykkdifferens i gasskammeret, evnen til å redusere gassettheten inne i kammeret, og behovet for nøyaktig gassetthetsindikasjon. Derfor ligger nøkkelen til designet av høyhøyde gassisolerede ringhovedenheter i designet av gasskammeret og trykkavlastningsenheten, samt å møte miljøkravene ved høye høyder for trykkmålere i gasskammeret, og løse problemet med redusert total isolasjonskapasitet hos eksterne isolerende komponenter ved høye høyder.

2.1 Design av gasskammer og trykkavlastningsenhet for høyhøydeanvendelser
For å løse de nevnte tekniske utfordringene, foreslår denne artikkelen en ny designkonsept for høyhøyde gassisolerede ringhovedenheter, som skiller seg fra vanlige enheter uten spesialdesign eller de som bare bruker enkel trykkredusering. Denne ringhovedenheten har målrettet design i følgende aspekter:

(1) Forbedret strukturell styrke av gasskammer
For å motvirke den økte indre-eksterne trykkdifferensen som skyldes høyhøyde, er strukturellen styrken av gasskammeret forsterket. Dette sikrer at deformasjonen av kammeret ved høyhøyde holder seg innenfor tekniske spesifikasjoner, og sikrer uforandret mekanisk ytelse av høyspenningkomponentene inne i kammeret.

Ifølge det internasjonale standardatmosfæremodellen, kan standardatmosfæretrykket ved en gitt høyde beregnes ved hjelp av formelen:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
der P er atmosfæretrykket ved en gitt høyde; P₀ er standardatmosfæretrykket ved havnivå; H er høyden.

Som eksempel med en høyde på 4000 m:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.

Med en typisk 10 kV SF₆ gassisoleret ringhovedenhet som eksempel, er designtrykket for gasskammeret i ikke-høyhøydeområder vanligvis 0.07 MPa. Med tanke på redusert atmosfæretrykk ved høyhøyde, kan det faktiske designtrykket for gasskammeret ved 4000 m høyde beregnes som:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.

(2) Design av trykkavlastningsenhet for høyhøydeanvendelser
Ifølge den nyeste nasjonale standarden GB/T 3906—2020 "AC metallbeskyttet switchgear og kontrollapparatur for nominelle spenninger over 3.6 kV og opp til og inkludert 40.5 kV", angir seksjon 7.103 at gasskammeret til gassisolerede ringhovedenheter må tåle 1.3 ganger designtrykket (P₁) i 1 minutt uten at trykkavlastningsenheten aktiveres. Hvis trykket fortsetter å stige mellom 1.3 ganger (P₁) og 3 ganger (P₂) designtrykket, kan trykkavlastningsenheten aktiveres. Dette er akseptabelt så lenge det oppfyller leverandørens designspesifikasjoner. Etter testing kan gasskammeret deformeres, men må ikke rive.

Design av styrken av gasskammeret og trykkavlastningsenheten i henhold til disse kravene oppfyller nasjonale standarder. Gasskammer og trykkavlastningsenhet for ulike høyder kan alle beregnes og designes ved hjelp av denne metoden:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa

Gjennom strukturelle forsterkninger av gasskammeret - som bruk av tykkere stålplater eller tilføyelse av stivheter - oppfyller kammeret styrkekravene som følge av den økte indre-eksterne trykkdifferensen ved høyhøyde. Dette unngår mekaniske og elektriske ytelsesproblemer for høytrykkbrytere inne i kammeret som følge av deformasjon, og sikrer stabil drift ved spesifisert gasstrykk, og gir identisk mekanisk og elektrisk ytelse i høyhøydemiljøer som i flate områder.

Gjennom designberegninger og eksperimentell validering, øker forsterking av tykkelsen og styrken av trykkavlastningsmembranen dens trykktoleranseevne. Dette sikrer at gasskammerets trykkavlastningsområde er i samsvar med de spesifiserte trykkområdekravene, unngår for tidlig aktivering av trykkavlastningsenheten som følge av økt indre-eksterne trykkdifferens i høyhøydemiljøer. Dette opprettholder det interne isolasjonsnivået og sikrer elektrisk ytelse av ringhovedenheten.

2.2 Design av gassetthetsindikator for høyhøydeanvendelser
Gassetthetsindikator anvender en etettet setthetsmåler. Dens visningsverdi er uforandret av temperaturendringer eller endringer i eksternt atmosfæretrykk.

For høyhøyde gassisolerede ringhovedenheter, er setthetsmåleren valgt for gasskammeret en etettet fulltilstandssetthetsmåler, immunt mot effekter av temperatur og høyde. Dens arbeidsprinsipp involverer et kompensasjonselement inne i setthetsmåleren som muliggjør temperaturkompensasjon (uforandret av temperatur). Samtidig har målerhodet en etett struktur hvor etetten kammer beholdes ved standardatmosfæretrykk. Setthetsmålerens viste trykkverdi representerer trykkdifferansen mellom innsiden av gasskammeret og standardatmosfæretrykk.

Denne designløsningen sikrer at skalaen på tetthetsmåleren som er installert i gasskammeret til ringhovedenheten alltid nøyaktig reflekterer den faktiske gassdempingen inne i kammeret. Den viste verdien blir ikke påvirket av temperatur eller høyde, og oppfyller fullt ut driftskravene for høydeføre regioner.2.3 Design av fullt isolerte bushinger for høydeføre gassisolerede ringhovedenheter

I tillegg til å påvirke gasskammeret og måleenhetene, påvirker høydeføre også eksternt monterte, fullt isolate komponenter som inn- / utgående linjebushinger og kabelterminalforbindelser. Isolasjonsegenskapene til disse eksterne, fullt isolate komponentene påvirkes både av isolasjonstyrken til isoleringsmaterialet og krypingisolasjonstyrken i forhold til jord. På høydeføre reduseres lufttettheten, noe som svekker krypingisolasjonstyrken i forhold til jord. I praksis mislykkes konvensjonelt designet gassisolerede ringhovedenheter ofte ved strømfrekvensmessige spenningsprøver for eksterne isoleringskomponenter (som isolerbushinger eller øvre utvidelsesbusser) etter innsats på høydeføre.

For å løse dette, foreslår denne artikkelen et nytt designskjema for fullt isolate bushinger i høydeføre gassisolerede ringhovedenheter: legge til en jordet skjermingslag på ytre overflaten av slike isolate komponenter. Dette designet forbedrer elektrisk feltuniformitet og forebygger jordslipp fra hovedkretsbussene.

I et utendørs 10 kV brytestasjonprosjekt i Nagqu, Tibet, sto et selskap overfor en situasjon under akseptansepåmelding hvor utstyret bare klarte en strømfrekvensmessig spenningsprøve på 29 kV/1 min i forhold til jord. Etter at det ble lagt til en jordet skjermingslag på ytre isolasjonen av inn- / utgående bushinger og eksterne busser i gasskammeret, oppfylte utstyret nasjonale standardkrav om 42 kV/1 min for strømfrekvensmessig spenningsprøve i forhold til jord.

2.4 Oppsummering av tekniske nøkkelpunkter
Kritiske designaspekter for høydeføre gassfylte isolate ringhovedenheter er følgende:

• Styrke strukturen i gasskammeret ved å øke stålpladeens tykkelse eller legge til stivninger for å møte kravene til trykktoleranceområde og deformasjonsbegrensninger for økt indre-eksternt trykkdifferensial på høydeføre.

• Forsterke styrkedesignet av trykklett diaphragmet i gasskammerets trykklett enhet. Etter forsterking oppfyller det trykktoleranceområdespesifikasjonene for trykklett enheten under økt indre-eksternt trykkdifferensial på høydeføre.

• Bruke lukketype tetthetsmålere for trykkindikatorenheten. De viste verdiene blir ikke påvirket av temperaturendringer eller eksterne atmosfærespredningsvariasjoner, noe som gjør dem egnet for høydeføre miljøer.

• Designe en jordet skjermingslag på ytre overflaten av eksterne isolate komponenter i gasskammeret for å forbedre elektrisk feltuniformitet og forebygge jordslipp fra hovedkretsbussene.

3. Betydning av høydeføre gassisolerede ringhovedenheters design
Dette designskjemaet har som mål å levere gassisolerede ringhovedenheter som virkelig oppfyller driftskravene for høydeføre. Ved samtidig å forsterke gasskammerets styrke, forbedre trykktolerancekapasiteten til trykklett enheter, muliggjøre nøyaktig måling av intern gassdemping, og rasjonelt designe relaterte isolate komponenter, oppnår ringhovedenheten full teknisk tilpasning til høydeføre miljøer. Dette sikrer mekanisk og elektrisk ytelse hos ringhovedenheten, og gjør at gassisolerede ringhovedenheter kan operere normalt i høydeføre miljøer.

Kinas høydeføre regioner er store, og skaper enorm efterspørsel etter strømutsrustning som er tilpasset høydeføre betingelser. Standardiseringen og rasjonaliteten i produktutforming trenger desperat forbedring. Faktiske miljøendringer i høydeføre regioner stiller nye krav til produktutforming. Dette tekniske skjemaet gir en ny designteori og metode, som representerer en meningsfull utforskning.