Оптимизированный дизайн газонаполненного выключателя для высокогорных районов
Газоизолированные кольцевые распределительные устройства компактны и могут быть расширены, подходят для систем автоматизации среднего напряжения. Эти устройства используются для питания кольцевых сетей 12~40.5 кВ, систем двойного радиального питания и конечных точек питания, выполняя функции управления и защиты электроэнергии. Они также подходят для установки в блочных подстанциях.
Распределяя и регулируя электроэнергию, они обеспечивают стабильную работу энергетических систем. Основные компоненты этих устройств используют выключатели или комбинации нагрузочных переключателей и предохранителей, предлагая преимущества, такие как простая конструкция, малый размер, низкая стоимость, улучшенные параметры и характеристики питания, а также повышенная безопасность питания. Они широко применяются в распределительных станциях и блочных подстанциях на центрах нагрузки, таких как городские жилые районы, высотные здания, крупные общественные сооружения и промышленные предприятия. В качестве изоляционной среды используются различные изолирующие газы, включая SF₆, сухой воздух, азот или смеси газов, что обеспечивает высокую изоляционную способность и экологические преимущества, что приводит к широкому применению в энергетических системах.
Основные компоненты этого типа кольцевого распределительного устройства установлены в запаянном герметичном корпусе, заполненном изолирующим газом (далее именуемом "газовым отсеком"). Газовый отсек является основным компонентом газоизолированных кольцевых распределительных устройств. Его основная функция - обеспечить, чтобы высоковольтные компоненты внутри работали без влияния внешних факторов, таких как загрязнение, влажность и коррозия. Он одновременно гарантирует как рабочую среду компонентов, так и нормальную электрическую производительность. Все внутренние компоненты защищены герметичным газовым отсеком. Отсек оснащен устройствами контроля давления или плотности газа, такими как манометры или плотномеры, обычно измеряющими разницу давления между внутренней и внешней частями отсека.
Эта статья в основном рассматривает проблемы, влияющие на механические и электрические характеристики кольцевых распределительных устройств в условиях высокогорья.
1. Общие схемы проектирования для газоизолированных кольцевых распределительных устройств в условиях высокогорья и существующие проблемы
Газоизолированные кольцевые распределительные устройства имеют полностью изолированную конструкцию, с их основными проводящими цепями, заключенными в полностью изолированную систему, состоящую из запаянных газовых отсеков, полностью изолированных штыревых изоляторов для входящих/исходящих линий и полностью изолированных кабельных концевых муфт. Поскольку внутренняя среда газового отсека остается неизменной, плотность газа и влажность остаются постоянными. Теоретически, изоляционные характеристики не зависят от внешних факторов, таких как влажность, загрязнение или коррозионные газы. Аналогично, изоляционные характеристики штыревых изоляторов и кабельных концевых муфт, изготовленных из изоляционных материалов, таких как эпоксидная смола и силиконовая резина, также не зависят от внешней среды. На поверхности, традиционно спроектированные газоизолированные кольцевые распределительные устройства кажутся пригодными для условий плато, что приводит к тому, что многие производители полагают, что они соответствуют требованиям эксплуатации в условиях высокогорья, и напрямую размещают их в таких регионах.
В настоящее время используются две основные технические схемы при применении газоизолированных кольцевых распределительных устройств в условиях высокогорья:
1.1 Прямое развертывание в условиях высокогорья
Концепция дизайна: Этот подход основан на принципе, что основная проводящая цепь полностью заключена в изолированную систему (запаянный газовый отсек, полностью изолированные штыревые изоляторы и кабельные концевые муфты), что делает изоляционные характеристики нечувствительными к условиям высокогорья.
Существующие проблемы: В реальной эксплуатации, снижение внешнего атмосферного давления на высокогорье увеличивает разницу давления между внутренней и внешней частями газового отсека. Это вызывает значительное выпячивание деформации отсека, что влияет на механическую работу и производительность электрических компонентов, таких как выключатели и разъединители. Это может привести к операционному заклиниванию и изменениям в механических характеристиках.
1.2 Уменьшение заводского давления газа
Концепция дизайна: Для решения проблемы увеличения разницы давления между внутренней и внешней частями газового отсека на высокогорье, эта схема уменьшает давление газа внутри отсека на заводе. Когда устройство прибывает на высокогорный участок, сниженное атмосферное давление приводит к увеличению разницы давления до значения, требуемого техническими спецификациями, что позволяет манометру показывать необходимое рабочее давление.
Существующие проблемы: Этот дизайн эффективно снижает плотность изолирующего газа внутри отсека. Хотя манометр показывает проектное значение на высокогорье, изоляционные характеристики газов связаны с плотностью газа по закону Пашена (см. Рис. 1), сформулированному немецким физиком Фридрихом Пашеном. Кривая Пашена показывает функцию, полученную из закона Пашена. Её физический смысл: напряжение пробоя U (кВ) является функцией произведения расстояния между электродами d (см) и давления газа P (Торр), выражаемым как U = apd / [ln(Pd) + b] (см. Рис. 1), где a и b - это константы.
Основное значение кривой: при фиксированном расстоянии изоляции, увеличение давления или его уменьшение к вакууму (например, 10⁻⁶ Торр) оба увеличивают напряжение пробоя. При близком к вакууму давлении, уменьшение уровня вакуума (то есть увеличение плотности воздуха) облегчает электрический пробой между электродами. За определенным порогом давления, изоляционные характеристики постепенно улучшаются с увеличением давления. В этой фазе (за точкой a на Рис. 1), уменьшение давления, а следовательно, и плотности газа, снижает напряжение пробоя, что означает ухудшение изоляционных характеристик. Диапазон рабочего давления газоизолированных кольцевых распределительных устройств полностью находится в этом регионе (за точкой a на Рис. 1).
1.3 Сводка проблем с традиционными проектами для высокогорья
Увеличенная разница давления между внутренней и внешней частями газового отсека вызывает большую деформацию отсека, что влияет на механическую работу и производительность выключателей.
При увеличенной разнице давления между внутренней и внешней частями, устройства для сброса давления более склонны к активации.
Манометры измеряют относительную разницу давления между внутренней и внешней частями газового отсека. Плотномеры газа добавляют функцию температурной компенсации к манометрам. Ни один из них не может точно показывать фактическую плотность газа внутри отсека на больших высотах, хотя плотность газа тесно связана с характеристиками изоляции.
Снижение плотности атмосферы на больших высотах одновременно ухудшает общую изоляционную характеристику внешних изоляционных компонентов газового отсека.
2. Схема проектирования газоизолированных секций распределения для эксплуатации на больших высотах
На основе вышеупомянутого анализа, хотя полностью изолированная структура газоизолированных секций распределения (с основными проводящими цепями, полностью заключенными в герметичные газовые отсеки, полностью изолированными вводами и полностью изолированными кабельными наконечниками) теоретически поддерживает неизменные характеристики изоляции, она подвержена влиянию факторов, возникающих на больших высотах: увеличение разницы давления между внутренней и внешней частями газового отсека, невозможность снижения плотности изоляционного газа внутри отсека и необходимость точного индикатора плотности газа. В результате ключевым элементом проектирования газоизолированных секций распределения для эксплуатации на больших высотах является проектирование газового отсека и устройства сброса давления, удовлетворяющее требованиям окружающей среды на больших высотах для манометров газового отсека, и решение проблемы снижения общей изоляционной способности внешних изоляционных компонентов на больших высотах.
2.1 Проектирование газового отсека и устройства сброса давления для эксплуатации на больших высотах
Для решения вышеупомянутых технических проблем в данной работе предлагается новая концепция проектирования газоизолированных секций распределения для эксплуатации на больших высотах, отличающаяся от обычных устройств без специального проектирования или тех, которые используют простое снижение давления. Эта секция распределения имеет целенаправленное проектирование в следующих аспектах:
(1) Усиление конструктивной прочности газового отсека
Для противодействия увеличению разницы давления между внутренней и внешней частями, вызванному большими высотами, усиливается конструктивная прочность газового отсека. Это обеспечивает, чтобы деформация отсека на больших высотах оставалась в пределах технических спецификаций, гарантируя неизменные механические характеристики высоковольтных компонентов внутри.
Согласно модели стандартной атмосферы, стандартное атмосферное давление на заданной высоте можно рассчитать по формуле:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
где P — атмосферное давление на заданной высоте; P₀ — стандартное атмосферное давление на уровне моря; H — высота.
В качестве примера возьмем высоту 4000 м:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 МПа.
Рассмотрим типичную 10-киловольтную газоизолированную секцию распределения SF₆. Давление проектирования газового отсека в районах, не расположенных на больших высотах, обычно составляет 0.07 МПа. Учитывая снижение атмосферного давления на больших высотах, фактическое давление проектирования газового отсека на высоте 4000 м можно рассчитать как:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 МПа.
(2) Проектирование устройства сброса давления для эксплуатации на больших высотах
Согласно последнему государственному стандарту GB/T 3906—2020 "Оборудование коммутационное и распределительное на напряжение выше 3.6 кВ и до 40.5 кВ", раздел 7.103 устанавливает, что газовый отсек газоизолированных секций распределения должен выдерживать 1.3 раза давление проектирования (P₁) в течение 1 минуты без активации устройства сброса давления. Если давление продолжает расти между 1.3 раза (P₁) и 3 раза (P₂) давления проектирования, устройство сброса давления может активироваться. Это допустимо, если оно соответствует проектным спецификациям производителя. После испытаний газовый отсек может деформироваться, но не должен разрушаться.
Проектирование прочности газового отсека и устройства сброса давления в соответствии с этими требованиями удовлетворяет государственным стандартам. Газовые отсеки и устройства сброса давления для различных высот могут быть рассчитаны и спроектированы с использованием этого метода:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 МПа
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 МПа
Усиление конструктивной прочности газового отсека, например, путем использования более толстых стальных листов или добавления ребер жесткости, позволяет полностью удовлетворять требованиям прочности, вызванным увеличением разницы давления между внутренней и внешней частями на больших высотах. Это предотвращает механическое и электрическое воздействие на высоковольтные выключатели внутри отсека, вызванное деформацией, обеспечивая стабильную работу при рабочем давлении газа и доставляя идентичные механические и электрические характеристики в условиях больших высот, как и в равнинных районах.
Через расчеты и экспериментальную проверку, увеличение толщины и прочности диафрагмы устройства сброса давления повышает его способность выдерживать давление. Это обеспечивает, что диапазон сброса давления газового отсека соответствует установленным требованиям диапазона давления, предотвращая преждевременную активацию устройства сброса давления из-за увеличения разницы давления между внутренней и внешней частями в условиях больших высот. Это поддерживает внутренний уровень изоляции и обеспечивает электрическую характеристику секции распределения.
2.2 Проектирование устройства индикации плотности газа для эксплуатации на больших высотах
Устройство индикации плотности изоляционного газа использует герметичный плотномер. Его показания остаются неизменными при изменении температуры или внешнего атмосферного давления.
Для газоизолированных секций распределения, предназначенных для эксплуатации на больших высотах, выбирается герметичный плотномер, который не подвержен влиянию температуры и высоты. Его принцип работы включает компенсационный элемент внутри плотномера, обеспечивающий температурную компенсацию (не зависящую от температуры). Одновременно головка плотномера имеет герметичную конструкцию, где герметичная камера поддерживает стандартное атмосферное давление. Показания давления, отображаемые плотномером, представляют собой разницу давления между внутренней частью газового отсека и стандартным атмосферным давлением.
Этот дизайн гарантирует, что масштаб плотномера, установленного на газовом отсеке кольцевого главного распределительного устройства, всегда точно отражает фактическую плотность газа внутри отсека. Отображаемое значение не зависит от температуры и высоты, полностью удовлетворяя эксплуатационным требованиям для высокогорных районов.2.3 Дизайн полностью изолированных втулок для высокогорных газоизолированных кольцевых главных распределительных устройств
Помимо влияния на газовый отсек и измерительные приборы, высокие горы также влияют на внешние полностью изолированные компоненты, такие как вводные/выводные втулки и кабельные концевые соединения. Изоляционные характеристики этих внешних полностью изолированных компонентов зависят как от диэлектрической прочности изоляционного материала, так и от ползучей изоляционной прочности относительно земли. На больших высотах уменьшение плотности воздуха снижает ползучую изоляционную прочность относительно земли. В практическом применении традиционно спроектированные газоизолированные кольцевые главные распределительные устройства часто не проходят испытания на выдерживаемое напряжение промышленной частоты для внешних изоляционных компонентов (например, изоляционных втулок или верхних разветвлений шин) после установки на больших высотах.
Для решения этой проблемы в данной статье предлагается новая схема дизайна полностью изолированных втулок для высокогорных газоизолированных кольцевых главных распределительных устройств: добавление заземленного экрана на внешнюю поверхность таких изоляционных компонентов. Этот дизайн улучшает однородность электрического поля и предотвращает пробой на землю от основных цепей шин.
В проекте открытой подстанции 10 кВ в Нагчу, Тибет, компания столкнулась с ситуацией во время приемочных испытаний, когда оборудование могло пройти только испытание на выдерживаемое напряжение промышленной частоты 29 кВ/1 мин относительно земли. После добавления заземленного экрана к внешней изоляции вводных/выводных втулок и внешних шин газового отсека, оборудование соответствовало государственному стандарту, требующему 42 кВ/1 мин для выдерживаемого напряжения промышленной частоты относительно земли.
2.4 Краткое изложение ключевых технических моментов
Ключевые аспекты дизайна для высокогорных газонаполненных изолированных кольцевых главных распределительных устройств следующие:
Усиление структурной прочности газового отсека путем увеличения толщины стальной пластины или добавления ребер жесткости для удовлетворения требований к диапазону давления и пределам деформации, вызванным увеличением разницы давления внутри и снаружи на больших высотах.
Усиление конструктивного дизайна диафрагмы сброса давления в устройстве сброса давления газового отсека. После усиления она удовлетворяет требованиям к диапазону давления для устройства сброса давления при увеличенной разнице давления внутри и снаружи на больших высотах.
Использование герметичных плотномеров для устройств индикации давления. Их отображаемые значения не зависят от изменений температуры или внешнего атмосферного давления, что делает их подходящими для высокогорных условий.
Проектирование заземленного экрана на внешней поверхности внешних изоляционных компонентов газового отсека для улучшения однородности электрического поля и предотвращения пробоя на землю от основных цепей шин.
3. Значение дизайна высокогорных газоизолированных кольцевых главных распределительных устройств
Эта схема дизайна направлена на предоставление газоизолированных кольцевых главных распределительных устройств, которые действительно соответствуют эксплуатационным требованиям для высокогорных условий. Одновременно усиливая прочность газового отсека, повышая способность к выдерживанию давления устройств сброса давления, обеспечивая точное измерение внутренней плотности газа и рационально проектируя связанные изоляционные компоненты, кольцевое главное распределительное устройство достигает полной технической адаптации к высокогорным условиям. Это обеспечивает механические и электрические характеристики кольцевого главного распределительного устройства и позволяет нормально функционировать газоизолированным кольцевым главным распределительным устройствам в высокогорных условиях.
Высокогорные районы Китая обширны, создавая огромный спрос на электрооборудование, адаптированное к высокогорным условиям. Стандартизация и рациональность дизайна продуктов срочно нуждаются в улучшении. Фактические изменения окружающей среды в высокогорных районах накладывают новые требования на дизайн продукции. Эта техническая схема предлагает новую теорию и методологию дизайна, представляя собой значимое исследование.
