Optymalizacja projektu gazuowego zabezpieczenia przeciwpromieniowego dla obszarów o dużej wysokości
Gazowo-izolowane jednostki pierścieniowe są kompaktowymi i rozbudowywalnymi przełącznikami odpowiednimi dla systemów automatyzacji dystrybucji energii o średnim napięciu. Te urządzenia są używane do zasilania sieci pierścieniowej w napięciu od 12 do 40,5 kV, systemów zasilania podwójnie promienistego oraz aplikacji końcowych, pełniąc funkcję urządzeń sterujących i ochronnych dla energii elektrycznej. Są również odpowiednie do montażu w stacjach transformatorowych zamontowanych na platformie.
Dzięki dystrybucji i planowaniu energii elektrycznej zapewniają stabilne działanie systemów energetycznych. Główne komponenty tych urządzeń wykorzystują wyłączniki lub kombinacje przełączników obciążenia i bezpieczników, oferując takie zalety jak prosta konstrukcja, mały rozmiar, niski koszt, poprawione parametry i wydajność zasilania oraz zwiększone bezpieczeństwo zasilania. Są szeroko stosowane w stacjach dystrybucyjnych i stacjach transformatorowych zamontowanych na platformie w centrach obciążeń takich jak miejskie osiedla mieszkaniowe, wysokie budynki, duże obiekty publiczne i przedsiębiorstwa przemysłowe. Jako izolant służą różne gazy izolujące, w tym SF₆, suche powietrze, azot lub mieszanki gazów, zapewniając wysoką wydajność izolacyjną i korzyści ekologiczne, co prowadzi do szerokiego zastosowania w systemach energetycznych.
Główne komponenty tego typu jednostek pierścieniowych są zamontowane w szczelnie spawanej zbiorniku wypełnionym gazem izolującym (dalej nazywanym "gazowa komora"). Gazowa komora jest kluczowym elementem gazowo-izolowanych jednostek pierścieniowych. Jej głównym zadaniem jest zapewnienie, aby komponenty wysokiego napięcia wewnątrz działały niezależnie od czynników środowiskowych, takich jak zanieczyszczenia, wilgotność i korozja. Tym samym gwarantuje zarówno środowisko pracy komponentów, jak i normalną wydajność elektryczną. Wszystkie wewnętrzne komponenty są chronione przez szczelną gazową komorę. Komora jest wyposażona w urządzenia monitorujące ciśnienie lub gęstość gazu, takie jak manometry lub dźwignie gęstości, zwykle mierzące różnicę ciśnień między wnętrzem a zewnątrzem komory.
Ten artykuł koncentruje się głównie na problemach wpływających na mechaniczną i elektryczną wydajność jednostek pierścieniowych w środowiskach wysokogórskich.
1. Powszechne schematy projektowe dla gazowo-izolowanych jednostek pierścieniowych w środowiskach wysokogórskich i istniejące problemy
Gazowo-izolowane jednostki pierścieniowe mają całkowicie izolowaną konstrukcję, z głównymi obwodami przewodzącymi zamkniętymi w systemie całkowitej izolacji składającym się ze szczelnych gazowych komór, całkowicie izolowanych uszczelniaczy wejściowych/wyjściowych oraz całkowicie izolowanych końcówek kablowych. Ponieważ wewnętrzne środowisko gazowej komory pozostaje niewzmocnione przez warunki zewnętrzne, gęstość gazu i wilgotność pozostają stałe. Teoretycznie, wydajność izolacyjna jest odporna na czynniki zewnętrzne, takie jak wilgotność, zanieczyszczenie czy gazy korozujace. Podobnie, wydajność izolacyjna uszczelniaczy i końcówek kablowych – zaprojektowanych z izolacyjnymi materiałami, takimi jak żywica epoksydowa i kauczuk krzemu – nie jest wpływowana przez środowisko zewnętrzne. Na pierwszy rzut oka, konwencjonalnie zaprojektowane gazowo-izolowane jednostki pierścieniowe wydają się przystosowane do środowisk górskich, co sprawia, że wielu producentów uważa, że spełniają wymagania dotyczące działania w wysokich terenach i bezpośrednio je tam wdraża.
Obecnie stosowane są dwa główne techniczne rozwiązania w przypadku stosowania gazowo-izolowanych jednostek pierścieniowych w środowiskach wysokogórskich:
1.1 Bezpośrednie wdrożenie w regionach wysokogórskich
Koncepcja projektowa: Ta metoda opiera się na zasadzie, że główny obwód przewodzący jest całkowicie zamknięty w systemie izolacji (szczelna gazowa komora, całkowicie izolowane uszczelniacze i końcówki kablowe), co sprawia, że wydajność izolacyjna nie jest wpływowana przez warunki górskie.
Istniejące problemy: W rzeczywistej praktyce, zmniejszone ciśnienie atmosferyczne na dużych wysokościach zwiększa różnicę ciśnień między wnętrzem a zewnątrzem gazowej komory. To powoduje znaczne deformacje skrzyni, wpływające na mechaniczną pracę i wydajność elementów elektrycznych, takich jak wyłączniki i rozłączniki. Może to prowadzić do zakłóceń w działaniu i zmian w charakterystykach mechanicznych.
1.2 Zmniejszenie ustawienia ciśnienia gazu w fabryce
Koncepcja projektowa: Aby zrekompensować zwiększoną różnicę ciśnień między wnętrzem a zewnątrzem na dużych wysokościach, ten schemat polega na zmniejszeniu ciśnienia gazu wewnątrz komory w fabryce. Kiedy urządzenie dotrze do miejsca w regionie górskim, zmniejszone ciśnienie atmosferyczne spowoduje, że różnica ciśnień wzrośnie do wartości wymaganej przez specyfikację techniczną, co sprawi, że manometr pokaże wymagane ciśnienie operacyjne.
Istniejące problemy: Ten projekt efektywnie zmniejsza gęstość gazu izolującego w komorze. Chociaż manometr pokazuje wartość projektową na dużych wysokościach, wydajność izolacyjna gazów jest w istocie związana z gęstością gazu, zgodnie z krzywą Paschena (patrz Rys. 1) sformułowaną przez niemieckiego fizyka Friedricha Paschena. Krzywa Paschena przedstawia funkcję wyprowadzoną z Prawa Paschena. Jej fizyczny sens: Napięcie przepięcia U (kV) jest funkcją iloczynu odległości elektrod d (cm) i ciśnienia gazu P (Torr), wyrażoną jako U = apd / [ln(Pd) + b] (patrz Rys. 1), gdzie a i b są stałymi.
Główny sens krzywej: Dla ustalonej odległości izolacyjnej, zwiększenie ciśnienia lub zmniejszenie ciśnienia w kierunku próżni (np. 10⁻⁶ Torr) oba zwiększają napięcie przepięcia. Przy ciśnieniach bliskich próżni, zmniejszony poziom próżni (czyli zwiększone zagęszczenie powietrza) ułatwia przepięcie elektryczne między elektrodami. Po pewnym progu ciśnienia, wydajność izolacyjna stopniowo się poprawia, gdy ciśnienie wzrasta. W tej fazie (po punkcie a na Rys. 1), zmniejszenie ciśnienia - a więc gęstości gazu - obniża napięcie przepięcia, co oznacza, że wydajność izolacyjna się pogarsza. Zakres ciśnień operacyjnych gazowo-izolowanych jednostek pierścieniowych mieści się w całości w tej strefie (po punkcie a na Rys. 1).
1.3 Podsumowanie problemów z konwencjonalnymi projektami dla wysokich terenów
Zwiększenie różnicy ciśnień między wnętrzem a zewnątrzem gazowej komory powoduje większe deformacje komory, wpływając na mechaniczną pracę i wydajność przełączników.
W warunkach zwiększonej różnicy ciśnień między wnętrzem a zewnątrzem, urządzenia odciążające są bardziej skłonne do aktywacji.
Manometry pomiarowe mierzą względną różnicę ciśnienia między wnętrzem a zewnątrz komory gazowej. Manometry gęstości gazu dodają funkcjonalność kompensacji temperatury do manometrów. Żadne z nich nie może dokładnie wyświetlać rzeczywistej gęstości gazu w komorze na dużych wysokościach, podczas gdy gęstość gazu jest nieodłączna od wydajności izolacji.
Zmniejszona gęstość atmosferyczna na dużych wysokościach jednocześnie pogarsza kompleksową wydajność izolacyjną zewnętrznych elementów izolacyjnych komory gazowej.
2. Schemat projektowy dla pierścieniowych jednostek głównych z gazową izolacją przeznaczonych do dużych wysokości
Na podstawie powyższej analizy, choć całkowicie izolowana struktura pierścieniowych jednostek głównych z gazową izolacją (z głównymi obwodami przewodnikowymi całkowicie zamkniętymi przez hermetyczne komory gazowe, całkowicie izolowane wtyczki i całkowicie izolowane końcówki kablowe) teoretycznie utrzymuje niewzruszoną wydajność izolacyjną, jest wpływowana przez czynniki występujące na dużych wysokościach: zwiększone różnicę ciśnień wewnętrzno-zewnętrznych w komorze gazowej, niemożliwość zmniejszenia gęstości gazu izolującego w komorze oraz wymóg dokładnego wskazania gęstości gazu. W związku z tym kluczem do projektowania pierścieniowych jednostek głównych z gazową izolacją przeznaczonych do dużych wysokości jest projektowanie komory gazowej i urządzenia zwalniającego ciśnienie, spełniający wymagania środowiskowe związane z dużymi wysokościami dla manometrów komory gazowej, a także rozwiązywanie problemu zmniejszonej kompleksowej zdolności izolacyjnej zewnętrznych elementów izolacyjnych na dużych wysokościach.
2.1 Projektowanie komory gazowej i urządzenia zwalniającego ciśnienie dla zastosowań na dużych wysokościach
Aby rozwiązać wspomniane problemy techniczne, ten artykuł proponuje nowy koncepcyjny projekt dla pierścieniowych jednostek głównych z gazową izolacją przeznaczonych do dużych wysokości, różniący się od zwykłych jednostek bez specjalnego projektu lub tych, które tylko stosują proste obniżanie ciśnienia. Ta jednostka główna pierścieniowa cechuje się celowym projektem w następujących aspektach:
(1) Wzmocniona wytrzymałość konstrukcyjna komory gazowej
Aby przeciwstawić się zwiększonym różnicom ciśnień wewnętrzno-zewnętrznych spowodowanym dużymi wysokości, wytrzymałość konstrukcyjna komory gazowej jest wzmocniona. To zapewnia, że deformacja komory na dużych wysokościach pozostaje w granicach specyfikacji technicznych, gwarantując niewzruszoną wydajność mechaniczną wysokonapiowych elementów wewnątrz.
Według modelu Międzynarodowej Standardowej Atmosfery, standardowe ciśnienie atmosferyczne na danej wysokości można obliczyć za pomocą wzoru:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
gdzie P to ciśnienie atmosferyczne na danej wysokości; P₀ to standardowe ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza; H to wysokość.
Na przykład, dla wysokości 4000 m:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.
Używając typowej 10 kV SF₆ pierścieniowej jednostki głównej z gazową izolacją jako przykład, projektowe ciśnienie komory gazowej w obszarach nienależących do dużych wysokości wynosi zwykle 0.07 MPa. Biorąc pod uwagę zmniejszone ciśnienie atmosferyczne na dużych wysokościach, rzeczywiste projektowe ciśnienie komory gazowej na wysokości 4000 m można obliczyć jako:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.
(2) Projektowanie urządzenia zwalniającego ciśnienie dla zastosowań na dużych wysokościach
Zgodnie z najnowszym narodowym standardem GB/T 3906—2020 "Metalowe szafy elektryczne i urządzenia sterujące dla napięć ponad 3.6 kV i do 40.5 kV", punkt 7.103 określa, że komora gazowa pierścieniowych jednostek głównych z gazową izolacją musi wytrzymać 1.3 razy projektowe ciśnienie (P₁) przez 1 minutę bez aktywacji urządzenia zwalniającego ciśnienie. Jeśli ciśnienie nadal rośnie między 1.3 razy (P₁) a 3 razy (P₂) projektowe ciśnienie, urządzenie zwalniające ciśnienie może się aktywować. Jest to dopuszczalne, o ile spełnia specyfikacje projektowe producenta. Po testach, komora gazowa może ulec deformacji, ale nie może pęknąć.
Projektowanie siły nośnej komory gazowej i urządzenia zwalniającego ciśnienie zgodnie z tymi wymaganiami spełnia narodowe standardy. Komory gazowe i urządzenia zwalniające ciśnienie dla różnych wysokości mogą być wszystkie obliczane i projektowane przy użyciu tego metody:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa
Przez wzmocnienie strukturalne komory gazowej — takie jak używanie grubszego blachy stalowej lub dodawanie wzmocnień — komora całkowicie spełnia wymagania dotyczące siły nośnej wynikające z zwiększonej różnicy ciśnień wewnętrzno-zewnętrznych na dużych wysokościach. To unika wpływu na mechaniczną i elektryczną wydajność wysokonapiowych przełączników wewnątrz komory spowodowanego deformacją, zapewniając stabilną pracę przy nominalnym ciśnieniu gazu i dostarczając identyczną mechaniczną i elektryczną wydajność w środowiskach na dużych wysokościach, jak w regionach równinnych.
Przez obliczenia projektowe i walidację eksperymentalną, zwiększenie grubości i wytrzymałości membrany zwalniającej ciśnienie wzmocnia jej zdolność do tolerowania ciśnienia. To zapewnia, że zakres zwalniania ciśnienia komory gazowej jest zgodny z wymaganiami określonego zakresu ciśnień, zapobiegając przedwczesnej aktywacji urządzenia zwalniającego ciśnienie ze względu na zwiększoną różnicę ciśnień wewnętrzno-zewnętrznych w środowiskach na dużych wysokościach. To utrzymuje poziom izolacji wewnętrznej i zapewnia wydajność elektryczną jednostki głównej pierścieniowej.
2.2 Projektowanie urządzenia wskazującego gęstość gazu dla zastosowań na dużych wysokościach
Urządzenie wskazujące gęstość gazu izolacyjnego używa zaszczytnego manometru gęstości. Jego wartość wyświetlana nie jest wpływowana przez zmiany temperatury ani zewnętrzne ciśnienie atmosferyczne.
Dla pierścieniowych jednostek głównych z gazową izolacją przeznaczonych do dużych wysokości, manometr gęstości wybrany dla komory gazowej to zaszczytny manometr gęstości pełnego stanu, odporny na efekty temperatury i wysokości. Jego zasada działania polega na elemencie kompensacyjnym wewnątrz manometru gęstości umożliwiającym kompensację temperatury (niezależnie od temperatury). Jednocześnie, głowica manometru ma hermetyczną strukturę, gdzie hermetyczna komora utrzymuje standardowe ciśnienie atmosferyczne. Wyświetlana wartość ciśnienia manometru gęstości reprezentuje różnicę ciśnień między wnętrzem komory gazowej a standardowym ciśnieniem atmosferycznym.
Ten projekt zapewnia, że skala gęstościometru zamontowanego w komorze gazowej modułu pierścieniowego zawsze dokładnie odzwierciedla rzeczywistą gęstość gazu w komorze. Wyświetlana wartość nie jest wpływowana przez temperaturę i wysokość nad poziomem morza, co w pełni spełnia wymagania operacyjne dla regionów wysokogórskich.2.3 Projekt całkowicie izolowanych przewodników dla wysokogórskich gazowych modułów pierścieniowych
Oprócz wpływu na komorę gazową i przyrządy pomiarowe, wysokie wysokości wpływają również na zewnętrzne, całkowicie izolowane komponenty, takie jak przewodniki wejściowe/wyjściowe i stawki końcowe kabli. Właściwości izolacyjne tych zewnętrznych, całkowicie izolowanych komponentów są wpływowane zarówno przez wytrzymałość izolacyjną materiału izolacyjnego, jak i przez wytrzymałość izolacji ścieżkowej względem ziemi. Na dużych wysokościach, ze względu na zmniejszoną gęstość powietrza, zmniejsza się wytrzymałość izolacji ścieżkowej względem ziemi. W praktyce, konwencjonalnie zaprojektowane gazowe moduły pierścieniowe często nie przekazują testów wytrzymałości na częstotliwość sieciową dla zewnętrznych komponentów izolacyjnych (np. izolatorów lub szyn rozszerzających się na górze) po wdrożeniu w regionach wysokogórskich.
Aby to rozwiązać, niniejszy artykuł proponuje nowy projekt całkowicie izolowanych przewodników dla wysokogórskich gazowych modułów pierścieniowych: dodanie warstwy ekranującej uziemionej na zewnętrznej powierzchni tych komponentów izolacyjnych. Ten projekt poprawia jednorodność pola elektrycznego i zapobiega wyładowaniom do ziemi z głównych szyn obwodowych.
W projekcie zewnętrznej stacji przełącznikowej 10 kV w Nagqu w Tybecie, firma napotkała sytuację podczas testów akceptacyjnych, w której sprzęt mógł tylko przejść test wytrzymałości na częstotliwość sieciową 29 kV/1 min względem ziemi. Po dodaniu uziemionej warstwy ekranującej do zewnętrznej izolacji przewodników wejściowych/wyjściowych i zewnętrznych szyn komory gazowej, sprzęt spełnił narodowy standard wymagający 42 kV/1 min dla wytrzymałości na częstotliwość sieciową względem ziemi.
2.4 Podsumowanie kluczowych aspektów technicznych
Kluczowe aspekty projektowe dla wysokogórskich gazowych modułów pierścieniowych są następujące:
Wzmocnienie strukturalnej wytrzymałości komory gazowej poprzez zwiększenie grubości blachy stalowej lub dodanie wzmacniaczy, aby spełnić wymagania dotyczące zakresu tolerancji ciśnienia i granic deformacji spowodowanych zwiększoną różnicą ciśnień wewnętrznych i zewnętrznych na dużych wysokościach.
Wzmocnienie projektu siły nośnej membrany wentylacyjnej w urządzeniu wentylacyjnym komory gazowej. Po wzmocnieniu spełnia ono wymagania dotyczące zakresu tolerancji ciśnienia urządzenia wentylacyjnego pod wpływem zwiększonej różnicy ciśnień wewnętrznych i zewnętrznych na dużych wysokościach.
Zastosowanie hermetycznych gęstościometrów jako urządzeń wskaźnikowych ciśnienia. Wyświetlane wartości nie są wpływowane przez zmiany temperatury ani zewnętrzne wahania ciśnienia atmosferycznego, co sprawia, że są odpowiednie dla środowisk wysokogórskich.
Projektowanie uziemionej warstwy ekranującej na zewnętrznej powierzchni zewnętrznych komponentów izolacyjnych komory gazowej, aby poprawić jednorodność pola elektrycznego i zapobiec wyładowaniom do ziemi z głównych szyn obwodowych.
3. Znaczenie projektu wysokogórskiego gazowego modułu pierścieniowego
Ten projekt ma na celu dostarczenie gazowych modułów pierścieniowych, które naprawdę spełniają wymagania dotyczące działania w regionach wysokogórskich. Poprzez jednoczesne wzmocnienie wytrzymałości komory gazowej, poprawę zdolności tolerancji ciśnienia urządzeń wentylacyjnych, umożliwienie dokładnego pomiaru gęstości gazu wewnętrznego oraz racjonalny projekt związanych komponentów izolacyjnych, moduł pierścieniowy osiąga pełną techniczną adaptację do środowisk wysokogórskich. To zapewnia mechaniczne i elektryczne właściwości modułu pierścieniowego, umożliwiając normalne działanie gazowych modułów pierścieniowych w środowiskach wysokogórskich.
Regiony wysokogórskie Chin są ogromne, co tworzy olbrzymie zapotrzebowanie na urządzenia energetyczne dostosowane do warunków wysokogórskich. Standardyzacja i racjonalizacja projektu produktu potrzebują pilnej poprawy. Rzeczywiste zmiany środowiska w regionach wysokogórskich stawiają nowe wymagania dla projektu produktu. Ta techniczna propozycja dostarcza nową teorię i metodologię projektu, reprezentując znaczącą eksplorację.
