Optimizovan dizajn gas-insulirane aparature za visoke nadmorske visine
Gas-insulated ring main units su kompaktni i proširivljivi aparati za prekid koji su prikladni za srednje-naponske sisteme automatizacije distribucije električne energije. Ovi uređaji se koriste za snabdevanje mrežom od 12~40,5 kV, dvostruka radijalna snabdevanja i terminalne primene, služeći kao kontrolni i zaštitni uređaji za električnu energiju. Takođe su prikladni za instalaciju u podnoj montaži transformatornih stanica.
Distribucijom i raspoređivanjem električne energije osiguravaju stabilnu operativnost sistema snabdevanja. Jezgrene komponente ovih uređaja koriste prekidače ili kombinacije opterećenja i prekidaca sa sigurnosnim spojkama, nudeći prednosti poput jednostavne strukture, male veličine, niske cene, poboljšanih parametara i performansi snabdevanja, kao i povećane bezbednosti snabdevanja. Široko se koriste u distribucijskim stanicama i podnim montažama transformatornih stanica u centrima opterećenja, kao što su gradske naselja, visokogradske zgrade, velike javne objekte i industrijski preduzeća. Različiti izolacioni gasi služe kao izolaciona sredstva, uključujući SF₆, suhu vazdušnu, azot ili mešavine gasova, obezbeđujući visoku izolacionu performansu i ekološke prednosti, što dovodi do širokog primene u sistemima snabdevanja.
Glavne komponente ovog tipa ring main unita su instalirane unutar zavarivanog zatvorenog rezervoara ispunitog izolacionim gasom (daleje nazivano "gazni odsek"). Gazni odsek je jezgrena komponenta gas-insulated ring main unita. Njegov glavni zadatak je da osigura da visokonaponske komponente unutra rade nepristrasno od spoljašnjih faktora okruženja, kao što su kontaminacija, vlažnost i koroza. Istovremeno garantuje i radno okruženje komponenti i normalnu električnu performansu. Sve unutrašnje komponente su zaštićene zatvorenim gaznim odsekom. Odsek je opremljen uređajima za praćenje pritiska ili gustine gasa, kao što su manometri ili densimetri, obično meri pritisna razliku između unutrašnjosti i spoljašnjosti odseka.
Ovaj članak uglavnom obraђује проблеме који утичу на механичку и електричну перформансу ring main unita у високим артима.
1. Чешћа решења дизајна за гас-изоловане ring main јединице и постојећи проблеми у високим артима
Гас-изоловане ring main јединице имају потпуно изоловани дизајн, са главним проводним цепом закљученим у систему потпуне изолације који се састоји од запечатаног гасног одсека, потпуно изолованих бушинга за улаз/излаз и потпуно изолованих кабелских завршетака. Пошто унутрашње окружење гасног одсека остане неутакнуто сполјашњим условима, густина и влажност гаса остају константне. Теоријски, изолационе перформансе су невосприимчиве на сполјашње факторе као што су влажност, забарање или корозивни гаси. Слично томе, изолационе перформансе бушинга и кабелских завршетака - дизајнираних са изолационим материјалима као што су епоксидна смола и силиконска гума - нису утичу на сполјашње окружење. Завршило се да конвенционално дизајниране гас-изоловане ring main јединице изгледају приспособљене за функционисање у планинским окружењима, доводећи до тоа да многи производачи верују да задовољавају захтеве за функционисањем на високим артима и директно их употребљавају у таквим регионима.
Тренутно, две основне техничке шеме се користе када се гас-изоловане ring main јединице примењују у високим артима:
1.1 Директна примене у високим артима
Концепт дизајна: Ово решење засновано је на принципу да је главни проводни цеп потпуно закључен у систему изолације (запечатан гасни одсек, потпуно изоловани бушинг и кабелски завршетак), чиме изолационе перформансе не утичу високи арти.
Постојећи проблеми: У стварној операцији, снижена сполјашња атмосферска притиска на високим артима повећава притисна разлика између унутрашњости и спољашњости гасног одсека. То узрокује значајну деформацију одсека, утичући на механичку перформансу електричних компоненти као што су прекидачи и пререзачи. То може довести до застављања у операцијама и промена механичких карактеристика.
1.2 Снижена фабрична поставка притиска гаса
Концепт дизајна: Да би се разрешила повећана притисна разлика између унутрашњости и спољашњости гасног одсека на високим артима, ова шема снижава притисак гаса унутар одсека у фабрици. Када прибор стигне на локацију у високим артима, снижен атмосферски притисак повећава притисну разлику до вредности потребних техничких спецификација, чиме манометар показује захтевани оперативни притисак.
Постојећи проблеми: Ово дизајнскo решење ефективно снижава густину изолационог гаса унутар одсека. Иако манометар покаже дизајнирану вредност на високим артима, изолационе перформансе гаса су инхерентно повезане са густином гаса преma Пашеновом графику (види слику 1) формулисаном од стране немачког физичара Фридриха Пашенa. Пашенов график приказује функцију изведену из Пашеновог закона. Његово физичко значење: Напон пробоја U (кВ) је функција производа дистанце између електрода d (цм) и притиска гаса P (Тор), изражено као U = apd / [ln(Pd) + b] (види слику 1), где су a и b константе.
Главни значај графика: За фиксну изолациону дистанцу, повећавање притиска или снижавање притиска ка вакуму (на пример, 10⁻⁶ Тор) оба повећавају напон пробоја. При близако вакумским притискима, снижен вакумски ниво (тј. повећана густина зrака) олакшава електрични пробој између електрода. Иза одређене притисне границе, изолационе перформансе постепено се побољшавају како притисак расте. У овој фази (иза тачке a на слици 1), снижавање притиска - и тако густине гаса - снижава напон пробоја, што значи да се изолационе перформансе погоршавају. Оперативни опсег притиска гас-изолованих ring main јединица потпуно се налази у овом области (део иза тачке a на слици 1).
1.3 Сажетак проблема са конвенционалним дизајном за високе арти
Повећана притисна разлика између унутрашњости и спољашњости гасног одсека узрокује већу деформацију одсека, утичући на механичку операцију и перформансу пререзача.
При повећаној притисној разлици између унутрашњости и спољашњости, уређаји за релеву притиска су подлажни активацији.
Манометри мереју релативну разлику притиска између интериора и екстериора гасне камере. Мерачи густине гаса додају функционалност температурне компензације манометрима. Ниједан од ових уређаја не може тачно приказати стварну густину гаса у камери на високим надморским висинама, али се густина гаса унутрашње повезана са перформансама изолације.
Смањена атмосферска густина на високим надморским висинама истовремено смањује комплетну перформансу изолације спољних изолационих компоненти гасне камере.
2. Дизајн схема за гасно-изоловане кружне главне јединице на високим надморским висинама
На основу горње анализе, иако теоријски потпуно изолована структура гасно-изолованих кружних главних јединица (са главним проводним кружевима потпуно затвореним у гасне камере, потпуно изолованим цевкама и потпуно изолованим кабелским завршетцима) одржава непромењену перформансу изолације, она је утичена факторима који настају на високим надморским висинама: повећаним разликама притиска између интериора и екстериора гасне камере, немогућношћу смањења густине изолационог гаса у камери, и потребом за тачним индикатором густине гаса. Зато се кључ дизајна за гасно-изоловане кружне главне јединице на високим надморским висинама фокусира на дизајн гасне камере и уређаја за облекшавање притиска, задовољавање захтева за притиском у гасној камери на високим надморским висинама, и решавање проблема смањене комплетне перформансе изолационих компоненти на високим надморским висинама.
2.1 Дизајн гасне камере и уређаја за облекшавање притиска за примену на високим надморским висинама
У циљу решавања поменутих техничких проблема, овај рад предлага нов концепт дизајна за гасно-изоловане кружне главне јединице на високим надморским висинама, који се разликује од обичних јединица без специјалног дизајна или оних које користе само једноставно смањење притиска. Ова кружна главна јединица има циљани дизајн у следећим аспектима:
(1) Повећана структурна јачина гасне камере
За борбу против повећане разлике притиска између интериора и екстериора због високих надморских висина, структурна јачина гасне камере је појачана. То осигурава да деформација камере на високим надморским висинама остаје у оквиру техничких спецификација, гарантујући непромењену механичку перформансу високоталонских компоненти унутар.
Преma Међународном стандардном атмосферском моделу, стандардни атмосферски притисак на датој висини може се израчунати користећи формулу:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
где је P атмосферски притисак на датој висини; P₀ је стандардни атмосферски притисак на морској равни; H је висина.
Као пример за висину од 4000 м:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.
Користећи типичну 10 kV SF₆ гасно-изоловану кружну главну јединицу као пример, дизајн притиска гасне камере у областима које нису на високим надморским висинама обично износи 0.07 MPa. Узимајући у обзир смањен атмосферски притисак на високим надморским висинама, стварни дизајн притиска за гасну камеру на висини од 4000 м може се израчунати као:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.
(2) Дизајн уређаја за облекшавање притиска за примену на високим надморским висинама
Према последњем国家标准：GB/T 3906—2020《额定电压3.6kV及以上至40.5kV的交流金属封闭开关设备和控制设备》第7.103条规定，气体绝缘环网柜的气室必须能够承受设计压力（P₁）1.3倍的压力持续1分钟而不启动泄压装置。如果压力继续上升在设计压力（P₁）的1.3倍到3倍（P₂）之间，泄压装置可能会启动。只要符合制造商的设计规范，这是可以接受的。经过测试后，气室可能会变形但不能破裂。
根据这些要求设计气室和泄压装置的强度，满足国家标准。不同海拔的气室和泄压装置都可以用这种方法进行计算和设计：
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa
通过加强气室结构，例如使用更厚的钢板或增加加强筋，气室完全满足高海拔内外压差增加对强度的要求。这避免了由于变形对气室内高压开关机械和电气性能的影响，确保在额定气压下稳定运行，并在高海拔环境中提供与平原地区相同的机械和电气性能。
通过设计计算和实验验证，增加泄压膜片的厚度和强度，提高了其耐压能力。这确保气室的泄压范围符合规定的压力范围要求，防止由于高海拔环境内外压差增大导致泄压装置过早启动，从而保持内部绝缘水平并确保环网柜的电气性能。
**2.2 高海拔应用的气体密度指示装置设计**
绝缘气体密度指示装置采用密封型密度计。其显示值不受温度变化或外部大气压变化的影响。
对于高海拔气体绝缘环网柜，选择用于气室的密度计是全条件密封型密度计，不受温度和海拔影响。其工作原理是在密度计内部有一个补偿元件，实现温度补偿（不受温度影响）。同时，表头具有密封结构，其中密封腔保持标准大气压。密度计显示的压力值代表气室内与标准大气压之间的压力差。
Ovaj dizajn osigurava da vrednost koju pokazuje dimer gustoće montiran na spremnik za plin u prstenu glavne jedinice uvek tačno odražava stvarnu gustoću plina unutar spremnika. Prikazana vrednost ne zavisi od temperature i visine, potpuno ispunjavajući operativne zahteve za visoko nadmorske regije.2.3 Dizajn potpuno izolovanih presernica za visoko nadmorske plinsko-izolovane prstenove glavnih jedinica
Pored uticaja na spremnik za plin i merna instrumenta, visoka nadmorska visina takođe utiče na vanjski potpuno izolovane komponente, kao što su presernice za ulazne/izlazne linije i spojevi krajnjih dijelova kabla. Izolaciona performansa ovih vanjskih potpuno izolovanih komponenti zavisi kako od izolacione čvrstoće materijala tako i od izolacione čvrstoće kripanja u odnosu na tlo. Na visokim nadmorskim visinama, smanjena gustoća zraka smanjuje izolacionu čvrstoću kripanja u odnosu na tlo. U praktičnim primenama, konvencionalno dizajnirane plinsko-izolovane prstene glavne jedinice često ne uspevaju da prođu test snage strujnog frekvencijskog otpora za vanjske izolacione komponente (na primer, izolacione presernice ili vrhne širene šine) nakon implementacije na visokim nadmorskim visinama.
Da bi se ovo rešilo, ovaj rad predlaže novi dizajn shemu za potpuno izolovane presernice u visoko nadmorskim plinsko-izolovanim prstenovima glavnih jedinica: dodavanje zemljane štitne slojeve na spoljnu površinu ovih izolacionih komponenti. Ovaj dizajn poboljšava uniformnost električnog polja i sprečava razlaganje na tlo sa glavnih šina kruga.
U projektu otvorenog 10 kV prekidačkog stanice u Nagqu, Tibet, kompanija je suočila situaciju tokom prihvatačkog testiranja gde oprema može samo da prođe test snage strujnog frekvencijskog otpora od 29 kV/1 min u odnosu na tlo. Nakon dodavanja zemljane štitne slojeve na spoljnu izolaciju presernica za ulazne/izlazne linije i vanjskih šina spremnika za plin, oprema je zadovoljila nacionalni standard zahtev od 42 kV/1 min za snagu strujnog frekvencijskog otpora u odnosu na tlo.
2.4 Sažetak ključnih tehničkih tačaka
Ključni aspekti dizajna za visoko nadmorske plinsko-izolovane prstene glavne jedinice su sledeći:
Pojačati strukturnu čvrstoću spremnika za plin povećanjem debljine čelika ili dodavanjem posiljača kako bi se ispunili zahtevi za raspon otpornosti na pritisak i granice deformacije uzrokovane povećanjem razlike pritiska unutra i van spremnika na visokim nadmorskim visinama.
Unaprediti dizajn čvrstoće membrane za olakšavanje pritiska u uređaju za olakšavanje pritiska spremnika za plin. Nakon pojačanja, ona zadovoljava zahteve za raspon otpornosti na pritisak za uređaj za olakšavanje pritiska pod povećanom razlikom pritiska unutra i van spremnika na visokim nadmorskim visinama.
Usvojiti zatvorene tipove merilaca gustoće za uređaje za indikaciju pritiska. Njihove prikazane vrednosti ne zavise od promena temperature ili varijacija spoljnog atmosferskog pritiska, što ih čini pogodnim za visoko nadmorska okruženja.
Izraditi zemljani štitni sloj na spoljnoj površini vanjskih izolacionih komponenti spremnika za plin kako bi se poboljšala uniformnost električnog polja i sprečeno razlaganje na tlo sa glavnih šina kruga.
3. Značaj dizajna visoko nadmorskih plinsko-izolovanih prstena glavnih jedinica
Ova shema dizajna ima za cilj da pruži plinsko-izolovane prstene glavne jedinice koje zaista ispunjavaju zahteve za rad na visokim nadmorskim visinama. Pojačavanjem čvrstoće spremnika za plin, poboljšanjem mogućnosti otpornosti na pritisak uređaja za olakšavanje pritiska, omogućavanjem tačnog merenja interne gustoće plina i racionalnim dizajnom povezanih izolacionih komponenti, prsten glavne jedinice postiže potpunu tehničku adaptabilnost na visoko nadmorska okruženja. To osigurava mehaničke i električne performanse prstena glavne jedinice i omogućava normalnu operaciju plinsko-izolovanih prstena glavnih jedinica u visoko nadmorskim okruženjima.
Visoko nadmorske regije Kine su obimne, stvarajući ogroman potraznju za električnom opremom prilagođenom uslovima na visokim nadmorskim visinama. Standardizacija i racionalnost dizajna proizvoda nuzno treba da se poboljša. Stvarne varijacije u okruženju u visoko nadmorskim regijama nameću nove zahteve na dizajn proizvoda. Ova tehnička shema pruža novu teorijsku i metodološku osnovu, predstavlja značajan istraživački pristup.
