Optimizirana zasnova plinsko izolirane preklopnice za visoke nadmorske višine
Plinsko izolirane krožne enote so kompaktni in razširljivi preklopniki, primerne za avtomatske sisteme za srednje napetost. Te naprave se uporabljajo za oskrbo z električno energijo v krožnih omrežjih od 12 do 40,5 kV, dvokrilnih oskrbovalnih sistemih in končnih oskrbovalnih aplikacijah, ki delujejo kot naprave za nadzor in zaščito električne energije. So tudi primerni za namestitev v pad-mounted transformatornih postajah.
Z razdelitvijo in usklajevanjem električne energije zagotavljajo stabilno delovanje električnih sistemov. Osnovni komponente teh naprav uporabljajo preklopnike ali kombinacije obremenitvenih preklopnikov in varilnikov, kar prinaša prednosti, kot so preprosta struktura, majhna velikost, nizka cena, izboljšani parametri in zmogljivosti oskrbe z energijo ter povečana varnost oskrbe z energijo. Široko se uporabljajo v distribucijskih postajah in pad-mounted transformatornih postajah v centrih obremenitve, kot so mestne naselbene skupnosti, višji stavbi, veliki javni objekti in industrijski podjetja. Za izolirno sredstvo se uporabljajo različni plini, kot so SF₆, suha zraka, dušik ali mešanice plinov, ki zagotavljajo visoko izolacijsko zmogljivost in okoljske prednosti, kar vodi v široko uporabo v električnih sistemih.
Osnovne komponente te vrste krožne enote so nameščene znotraj zaprtih zavarovanih rezervoarjev, napolnjenih z izolirnim plinom (v nadaljevanju se imenuje "plinski prostor"). Plinski prostor je osnovna komponenta plinsko izoliranih krožnih enot. Njegova glavna funkcija je, da zagotovi, da visokonapetostne komponente znotraj delujejo neodvisno od zunanjih okoljskih dejavnikov, kot so onesnaženost, vlaga in korozija. Hkrati zagotavlja delovno okolje komponent in normalno električno zmogljivost. Vsi notranji elementi so zaščiteni z zaprtim plinskim prostorom. Prostor je opremljen z napravami za spremljanje tlaka ali gostote plina, kot so manometri ali merilnice gostote, ki običajno merijo razliko tlakov med notranjostjo in zunanjo stranjo prostora.
Ta članek se predvsem navezuje na probleme, ki vplivajo na mehanske in električne zmogljivosti krožnih enot v visokih višinah.
1. Pogosti shemi za dizajn plinsko izoliranih krožnih enot v visokih višinah in obstoječi problemi
Plinsko izolirane krožne enote imajo popolnoma izoliran dizajn, pri čemer so njihove glavne vodilne ceste zagrajene z popolnoma izoliranim sistemom, ki sestavlja zaprti plinski prostor, popolnoma izolirane bushinge za vhode/izhode in popolnoma izolirane konec kabla. Ker notranje okolje plinskega prostora ostaja neodvisno od zunanjih pogojev, ostane gostota plina in vlaga konstantna. Teoretično je izolacijska zmogljivost neodvisna od zunanjih dejavnikov, kot so vlaga, onesnaženost ali korozivni plini. Podobno je izolacijska zmogljivost bushingov in konecev kabla, ki so zasnovani z izolacijskimi materiali, kot so epoksidna smola in silikonska guma, neodvisna od zunanjega okolja. Površinsko se zdi, da konvencionalno zasnovane plinsko izolirane krožne enote lahko prilagodijo visokoplaninskim okoljem, zaradi česar mnogi proizvajalci menijo, da izpolnjujejo zahteve za delovanje v visokih višinah in jih neposredno uporabljajo v takšnih regijah.
Trenutno se uporabljata dva glavna tehnična pristopa pri uporabi plinsko izoliranih krožnih enot v visokih višinah:
1.1 Neposredna uporaba v visokih višinah
Koncept dizajna: Ta pristop temelji na principu, da je glavna vodilna cesta popolnoma zagrajena z izoliranim sistemom (zaprti plinski prostor, popolnoma izolirani bushingi in konec kabla), zaradi česar izolacijska zmogljivost ni odvisna od pogojev v visokih višinah.
Obstoječi problemi: V stvarni uporabi zmanjšanje zunanjega atmosferskega tlaka v visokih višinah poveča razliko tlakov med notranjostjo in zunanjo stranjo plinskega prostora. To povzroči znatno deformacijo prostora, kar vpliva na mehansko delovanje in zmogljivost električnih komponent, kot so preklopniki in odvajalniki. To lahko vodi v operativno zaključevanje in spremembe mehanskih lastnosti.
1.2 Zmanjšanje točke nastavitev tlaka v tovarni
Koncept dizajna: Da bi se obravnavala povečana razlika tlakov med notranjostjo in zunanjo stranjo plinskega prostora v visokih višinah, ta shema zmanjša tlak plina znotraj prostora v tovarni. Ko enota pride na lokacijo v visokih višinah, zmanjšan atmosferski tlak povzroči, da se razlika tlakov poveča na vrednost, ki jo zahtevajo tehnični specifikacije, kar pripelje do tega, da manometr prikaže zahtevano operativni tlak.
Obstoječi problemi: Ta dizajn učinkovito zmanjša gostoto izolacijskega plina znotraj prostora. Čeprav manometr pri visokih višinah kaže načrtovano vrednost, je izolacijska zmogljivost plinov intrinzično povezana s gostoto plina glede na Paschenovo krivuljo (glej Sliko 1) formulirano nemškim fizikom Friedrichom Paschenom. Paschenova krivulja prikazuje funkcijo, izpeljano iz Paschenovega zakona. Njena fizična pomen: Napetost lomljenja U (kV) je funkcija produkta razdalje med elektrodama d (cm) in tlaka plina P (Torr), izraženo kot U = apd / [ln(Pd) + b] (glej Sliko 1), kjer so a in b konstanti.
Glavna pomen krivulje: Za fiksno izolacijsko razdaljo, povečevanje tlaka ali zmanjševanje tlaka proti vakuumu (npr. 10⁻⁶ Torr) obeh poveča napetost lomljenja. Pri blizu vakuumskih tlakov, zmanjšanje stopnje vakuma (to je povečanje gostote zraka) olajša električno lomljenje med elektrodama. Preko določenega pragovnega tlaka se izolacijska zmogljivost počasi izboljšuje s povečanjem tlaka. V tej fazi (za točko a na Sliki 1) zmanjševanje tlaka in s tem gostote plina zniža napetost lomljenja, kar pomeni, da se izolacijska zmogljivost poslabša. Operativni tlakovni obseg plinsko izoliranih krožnih enot se popolnoma nahaja v tej območju (del za točko a na Sliki 1).
1.3 Povzetek problemov s konvencionalnimi dizajni za visoke višine
Povečana razlika tlakov med notranjostjo in zunanjo stranjo plinskega prostora povzroča večjo deformacijo prostora, kar vpliva na mehansko delovanje in zmogljivost preklopnikov.
Pod pogoji povečane razlike tlakov med notranjostjo in zunanjo stranjo so naprave za sproščanje tlaka bolj podvržene aktivaciji.
Tlaci merilniki merijo relativno razliko v tlaku med notranjostjo in zunanjostjo plinskih odsekov. Merilniki gostote plina dodajajo funkcijo temperaturne kompensacije tlaci merilnikom. Noben od njih ne more točno prikazati dejanske gostote plina znotraj odseka na visokih višinah, čeprav je gostota plina bistveno povezana s sposobnostjo izolacije.
Zmanjšana atmosferska gostota na visokih višinah hkrati onesnažuje celovito izolacijsko zmogljivost zunanje izolacijske opreme plinskih odsekov.
2. Načrt za oblikovanje plinsko-izoliranih krožnih glavnih naprav za visoke višine
Na podlagi zgornje analize, čeprav teoretično ohranja popolnoma izolirana struktura plinsko-izoliranih krožnih glavnih naprav (s glavnimi vodili popolnoma zaprtimi znotraj plinskih odsekov, popolnoma izoliranimi trubičnimi izstopki in popolnoma izoliranimi kabelskimi konci) nespremenjeno zmogljivost izolacije, je ta vplivana z dejavniki, ki nastopajo na visokih višinah: povečan razliko v tlaku med notranjostjo in zunanjostjo plinskega odseka, nemožnost zmanjšanja gostote izolacijskega plina znotraj odseka in potreba po točnem prikazu gostote plina. Tako ključ za oblikovanje plinsko-izoliranih krožnih glavnih naprav za visoke višine leži v oblikovanju plinskega odseka in naprave za olajšanje tlaka, da bi zadostila okoljskim zahtevam za visoke višine glede tlaci merilnikov plinskih odsekov in rešila zmanjšano celovito izolacijsko zmogljivost zunanje izolacijske opreme na visokih višinah.
2.1 Oblikovanje plinskega odseka in naprave za olajšanje tlaka za uporabo na visokih višinah
Za reševanje zgoraj navedenih tehničnih težav ta članek predlaga nov konceptualni pristop za oblikovanje plinsko-izoliranih krožnih glavnih naprav za visoke višine, ki se razlikuje od običajnih naprav brez posebnega oblikovanja ali tistih, ki uporabljajo preprosto zmanjšanje tlaka. Ta krožna glavna naprava ima ciljno oblikovanje v naslednjih vidikih:
(1) Okrepiti strukturno trdost plinskega odseka
Za premagovanje povečane razlike v tlaku med notranjostjo in zunanjostjo, povzročene visokimi višinami, je strukturna trdost plinskega odseka okrepjena. To zagotavlja, da deformacija odseka na visokih višinah ostane znotraj tehničnih specifikacij, kar zagotavlja nespremenjeno mehansko zmogljivost visokonapetostne opreme znotraj.
Glede na Mednarodni model standardne atmosfere lahko standardni atmosferski tlak na dani višini izračunamo z uporabo formule:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
kjer je P atmosferski tlak na dani višini; P₀ standardni atmosferski tlak na morski ravni; H višina.
V primeru višine 4000 m:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0,064 MPa.
V primeru tipične 10 kV SF₆ plinsko-izolirane krožne glavne naprave je običajno projektiran tlak plinskega odseka v območjih, ki niso na visokih višinah, 0,07 MPa. Z upoštevanjem zmanjšanega atmosferskega tlaka na visokih višinah, lahko dejanski projektiran tlak plinskega odseka na višini 4000 m izračunamo kot:
P₁ = P₀ – 0,064 + 0,07 = 0,107 MPa.
(2) Oblikovanje naprave za olajšanje tlaka za uporabo na visokih višinah
Glede na najnovejši nacionalni standard GB/T 3906—2020 "Napetostne naprave za stacionarno postavitev s metalno omoto za nazivne napetosti nad 3,6 kV in do vključno 40,5 kV", člen 7.103 določa, da mora plinski odsek plinsko-izoliranih krožnih glavnih naprav izdržati 1,3-krat projektni tlak (P₁) v eni minuti brez aktivacije naprave za olajšanje tlaka. Če se tlak nadalje poveča med 1,3-krat (P₁) in 3-krat (P₂) projektni tlak, se lahko aktivira naprava za olajšanje tlaka. To je sprejemljivo, če ustrezata specifikacijama proizvajalca. Po testiranju se lahko plinski odsek deformira, toda ne sme se razbiti.
Oblikovanje trdnosti plinskega odseka in naprave za olajšanje tlaka glede na te zahteve zadostva nacionalnim standardom. Plinske odseke in naprave za olajšanje tlaka za različne višine je mogoče izračunati in oblikovati z uporabo te metode:
P₁ = 0,107 × 1,3 = 0,139 MPa
P₂ = 0,107 × 3 = 0,321 MPa
Z okrepitvijo strukture plinskega odseka, na primer z uporabo debeljših jeklenih plošč ali dodajanjem utrditev, plinski odsek v celoti izpolnjuje zahteve glede trdnosti, ki so posledica povečane razlike v tlaku med notranjostjo in zunanjostjo na visokih višinah. To prepreči mehanske in električne učinke na visokonapetostne preklopnike znotraj odseka, ki bi jih lahko povzročila deformacija, in zagotavlja stabilno delovanje pri nazivnem plinskem tlaku ter enako mehansko in električno zmogljivost v okolju visokih višin kot v ravninskem okolju.
Z oblikovalnimi izračuni in eksperimentalno preverjanjem, povečanje debeljine in trdnosti membrane za olajšanje tlaka poveča njeno zmogljivost za vzdrževanje tlaka. To zagotavlja, da doseženi obseg olajšanja tlaka plinskega odseka ustrezata določenim zahtevam za obseg tlakov, preprečuje predčasno aktiviranje naprave za olajšanje tlaka zaradi povečane razlike v tlaku med notranjostjo in zunanjostjo v okolju visokih višin. To ohranja notranjo stopnjo izolacije in zagotavlja električno zmogljivost krožne glavne naprave.
2.2 Oblikovanje naprave za prikaz gostote plina za uporabo na visokih višinah
Naprava za prikaz gostote izolacijskega plina uporablja zaprto gostočno merilnik. Njegova prikazana vrednost ni odvisna od sprememb temperature ali zunanje atmosferskega tlaka.
Za plinsko-izolirane krožne glavne naprave na visokih višinah je za plinski odsek izbran zaprti gostočni merilnik, ki je odporen na učinke temperature in višine. Njegov način delovanja temelji na kompenzaciji elementa znotraj gostočnega merilnika, ki omogoča temperaturno kompenzacijo (neodvisno od temperature). Hkrati ima glava merilnika zaprto strukturo, kjer je zaprta komora ohranila standardni atmosferski tlak. Vrednost tlaka, prikazana na gostočnem merilniku, predstavlja razliko v tlaku med notranjostjo plinskega odseka in standardnim atmosferskim tlakom.
Ta konstrukcija zagotavlja, da merilo gostote, nameščeno na plinovem odseku krožnega glavnega enota, vedno točno odraža dejanska vrednost plinske gostote znotraj odseka. Prikazana vrednost ni odvisna od temperature in višine, kar popolnoma izpolnjuje operativne zahteve za visokogorske območja.2.3 Načrtovanje polnoma izoliranih trubkov za visokogorske plinski izolirane krožne glavne enote
Pomembno je omeniti, da visoke višine vplivajo ne le na plinski odsek in merilna orodja, ampak tudi na zunanje montirane polnoma izolirane komponente, kot so vhodni/izhodni trubki in konektorske priključnice kablov. Izolacijska zmogljivost teh zunanje montiranih polnoma izoliranih komponent je odvisna tako od izolacijske moči izolacijskega materiala kot tudi od izolacijske moči glede na zemljišče. V visokih višinah se zaradi zmanjšane gostote zraka zmanjša izolacijska moč glede na zemljišče. V praksi se konvencionalno načrtovane plinski izolirane krožne glavne enote pogosto ne morejo uspešno preizkusiti s frekvenčnim preizskusom izolacije zunanjih izolacijskih komponent (npr. izolacijskih trubkov ali zgornjih širilnih busbarov) po namestitvi v visokih višinah.
Za reševanje tega problema ta članek predlaga nov načrt za polnoma izolirane trubke v visokogorskih plinskih izoliranih krožnih glavnih enotah: dodajanje zemljenega ščitnega sloja na zunanjo površino takšnih izolacijskih komponent. Ta načrt poveča enakomernost električnega polja in preprečuje zemljeni razboj iz osnovnega kruga busbarov.
V projektu zunanjega 10 kV preskrbnega bora v Nagqu, Tibet, je podjetje med prejemskim testiranjem soočilo s situacijo, ko je oprema lahko presegla le frekvenčni preizskus izolacije 29 kV/1 min glede na zemljišče. Po dodatku zemljenega ščitnega sloja na zunanjo izolacijo vhodnih/izhodnih trubkov in zunanje busbarov plinskogega odseka je oprema izpolnila nacionalni standard za frekvenčni preizskus izolacije 42 kV/1 min glede na zemljišče.
2.4 Povzetek ključnih tehnoloških točk
Ključni elementi načrtovanja za visokogorske plinsko izolirane krožne glavne enote so naslednji:
Povečanje strukturne trdosti plinskogega odseka z večanjem debeljine jeklene plošče ali dodajanjem okrepov, da bi izpolnili zahteve glede tolerancnega obsega tlaka in mej deformacij zaradi povečanega različnega tlaka znotraj in zunanje plinskogega odseka v visokih višinah.
Povečanje zmogljivosti napihnega diaphragma v napustilu za olajšanje tlaka v plinskem odseku. Po okrepitvi izpolnjuje zahteve glede tolerancnega obsega tlaka napustila za olajšanje tlaka pod povečanim različnim tlakom znotraj in zunanje plinskogega odseka v visokih višinah.
Uporaba zaprtih tipov meril gostote za indikatorji tlaka. Njihove prikazane vrednosti ostanejo neodvisne od sprememb temperature ali zunanje atmosferskega tlaka, kar jih prilagaja uporabi v visokih višinah.
Načrtovanje zemljenega ščitnega sloja na zunanji površini zunanje izolacijske komponente plinskogega odseka za povečanje enakomerne električnega polja in preprečevanje zemljenega razboja iz osnovnega kruga busbarov.
3. Pomembnost načrtovanja visokogorskih plinskih izoliranih krožnih glavnih enot
Ta načrtovski pristop je namenjen zagotavljanju plinskih izoliranih krožnih glavnih enot, ki resnično izpolnjujejo zahteve za delo v visokih višinah. Z vzpostavitvijo močnejše strukture plinskogega odseka, povečanjem zmogljivosti napustil za olajšanje tlaka, omogočanjem točnega merjenja notranje plinske gostote in racionalnim načrtovanjem povezanih izolacijskih komponent doseže krožna glavna enota popolna tehnološka prilagodljivost visokim višinam. To zagotavlja mehanske in električne lastnosti krožne glavne enote ter omogoča normalno delovanje plinskih izoliranih krožnih glavnih enot v visokih višinah.
Ker je Kitajska velika država z velikimi območji visokih višin, obstaja ogromen povpraševanje po električni opremi, prilagojeni visokim višinam. Standardizacija in racionalnost načrtovanja izdelka potrebujejo hitro napredek. Dejanske okoliške spremembe v visokih višinah postavljajo nove zahteve načrtovanju izdelka. Ta tehnološki pristop ponuja nov teoretični in metodološki pristop, ki predstavlja pomembno raziskavo.
