Optimerad design av gasisolera schakt för höga landområden

Gasisolerade ringhuvuden är kompakta och utbyggbara växelutrustningar som passar för medelspänningsnät i automatiserade distributionsystem. Dessa enheter används för ringspänningsförsörjning på 12~40,5 kV, dubbla radella försörjningssystem och terminalförsörjning, fungerande som kontroll- och skyddsenheter för elektrisk energi. De är också lämpliga för installation i plattformsmontage transformatorstationer.

Genom distribution och schemaläggning av elektrisk energi säkerställer de stabilt drift av elkraftsystem. Kärnkomponenterna i dessa enheter använder strömavbrottsautomat eller kombinationer av belastningskopplingar och sikringar, vilket ger fördelar som enkel struktur, liten storlek, låg kostnad, förbättrade försörjningsparametrar och prestanda, samt ökad försörjningstrygghet. De används vidt och brett i distributionsstationer och plattformsmontage transformatorstationer vid belastningscentra som stadsboendekvartaler, höghus, stora offentliga anläggningar och industriföretag. Flera isolerande gaser fungerar som isolerande medium, inklusive SF₆, torr luft, kväve eller blandade gaser, vilket ger hög isoleringsprestanda och miljöfördelar, vilket leder till ett brett användningsområde inom elkraftsystem.

De huvudsakliga komponenterna i denna typ av ringhuvud är installerade inuti en tätt svetsad tank fylld med isolerande gas (hädanefter kallad "gasfack"). Gasfacket är den kärnkomponenten i gasisolerade ringhuvuden. Dess primära funktion är att säkerställa att de högspänningskomponenterna inuti opererar oförändrade av externa miljöfaktorer som föroreningar, fuktighet och korrosion. Det garanterar samtidigt både driftmiljön för komponenterna och normal elprestanda. Alla interna komponenter skyddas av det tätt stängda gasfacket. Facket är utrustat med tryck- eller gasdensitetsövervakningsenheter, såsom manometrar eller densitometers, som vanligtvis mäter tryckskillnaden mellan inuti och utanför facket.

Denna artikel behandlar främst problem som påverkar mekaniska och elektriska prestanda hos ringhuvuden i höglandsområden.

1. Vanliga höglandskonstruktioner för gasisolerade ringhuvuden och existerande problem

Gasisolerade ringhuvuden har fullständigt isolerade design, med deras huvudsakliga ledningsvägar omslutna av ett fullständigt isolerat system bestående av tätt stängda gasfack, fullständigt isolerade buskåpor för ingång/utgång och fullständigt isolerade kabelslut. Eftersom det inre miljön i gasfacket inte påverkas av externa förhållanden håller gasdensiteten och fukthalten konstant. Teoretiskt sett är isoleringsprestandan immun mot externa faktorer som fuktighet, föroreningar eller korrosiva gaser. På liknande sätt påverkas isoleringsprestandan för buskåpor och kabelslut—designade med isolerande material som epoxidharz och silikonkautschuk—inte av den yttre miljön. Ytligt sett verkar konventionellt desigerade gasisolerade ringhuvuden vara anpassade för högplatshamnen, vilket leder många tillverkare att tro att de uppfyller kraven för drift i högland och distribuerar dem direkt i dessa regioner.

För närvarande används två huvudsakliga tekniska lösningar när gasisolerade ringhuvuden används i högland:

1.1 Direkt distribution i höglandsområden

Konstruktionsbegrepp: Denna metod bygger på principen att den huvudsakliga ledningsvägen helt omges av det isolerade systemet (tätt stängt gasfack, fullständigt isolerade buskåpor och kabelslut), vilket gör att isoleringsprestandan inte påverkas av höglandsförhållanden.
Befintliga problem: I praktisk drift ökar den minskade atmosfärstryckningen i högland skillnaden i tryck mellan inuti och utanför gasfacket. Detta orsakar betydande deformering av facket, vilket påverkar den mekaniska prestandan av elektriska komponenter som strömavbrottsautomater och kopplar. Det kan leda till driftstörningar och ändringar i mekaniska egenskaper.

1.2 Reducerat fabriksinställt gastryck

Konstruktionsbegrepp: För att hantera den ökade tryckskillnaden mellan inuti och utanför gasfacket i högland reducerar denna lösning gasfackets inre tryck i fabriken. När enheten anländer till högland hamnar den minskade atmosfärstryckningen på plats, vilket gör att tryckskillnaden stiger till det värde som specificeras i tekniska specifikationer, vilket gör att manometern visar det nödvändiga driftstrycket.
Befintliga problem: Denna design minskar effektivt tätheten av den isolerande gasen inuti facket. Trots att manometern visar det designade värdet i högland, är isoleringsprestandan av gaser intrinsikt länkad till gasdensitet enligt Paschens kurva (se Figur 1) formulerad av den tyske fysikern Friedrich Paschen. Paschens kurva illustrerar funktionen härledd från Paschens lag. Dess fysiska innebörd: Brytningsspänningen U (kV) är en funktion av produkten av elektroddistans d (cm) och gastryck P (Torr), uttryckt som U = apd / [ln(Pd) + b] (se Figur 1), där a och b är konstanter.

Kurvans huvudsakliga betydelse: För en given isoleringsdistans, både ökning av tryck eller minskning av tryck mot vakuum (t.ex. 10⁻⁶ Torr) ökar brytningsspänningen. Vid nära-vakuumtryck, minskning av vakuumnivån (dvs. ökad lufttäthet) gör elektrisk brytning mellan elektroder lättare. Över ett visst trycktröskel, förbättras isoleringsprestandan gradvis med ökande tryck. Under denna fas (över punkt a i Figur 1), minskar brytningsspänningen genom att minska trycket—och därmed gasdensiteten—vilket innebär att isoleringsprestandan försämrar. Driftstryckintervallet för gasisolerade ringhuvuden ligger helt inom detta område (delen efter punkt a i Figur 1).

1.3 Sammanfattning av problem med konventionella höglandskonstruktioner

• Ökad tryckskillnad mellan inuti och utanför gasfacket orsakar större deformation av facket, vilket påverkar den mekaniska driften och prestandan av växlar.

• Under ökade tryckskillnader mellan inuti och utanför facket, är trycksäkringsenheter mer benägna att aktiveras.

• Tryckmätare mäter den relativa tryckskillnaden mellan inre och yttre delen av gasfacket. Gasdensitetsmätare lägger till temperaturkompensationsfunktion till tryckmätare. Ingen av dem kan exakt visa den faktiska gasdensiteten i facket vid höga altituder, men gasdensitet är intrinsiskt förbunden med isoleringsprestanda.

• Minskad atmosfärdens densitet vid höga altituder försämrar samtidigt den totala isoleringsprestandan av de externa isolerande komponenterna i gasfacket.

2. Designkoncept för gasisolereda ringhuvuden vid höga altituder
Baseras på ovanstående analys, även om den fullständigt isolerade strukturen av gasisolereda ringhuvuden (med huvudledningsvägar helt omgivna av gasfack, fullständigt isolerade busshål och fullständigt isolerade kabelslutstycken) teoretiskt sett bibehåller oförändrad isoleringsprestanda, påverkas den av faktorer som uppstår vid höga altituder: ökad inre-yttre tryckskillnad i gasfacket, oförmågan att minska gasdensiteten i facket, samt kravet på exakt indikation av gasdensitet. Därför ligger nyckeln till designen av gasisolereda ringhuvuden vid höga altituder i designen av gasfacket och trycksäkringsenheten, uppfyllande av miljökraven för gasfacktryckmätare vid höga altituder, samt lösning av det minskade totala isoleringsförmågan hos externa isolerande komponenter vid höga altituder.

2.1 Design av gasfack och trycksäkringsenhet för användning vid höga altituder
För att hantera de nämnda tekniska problemen föreslår denna artikel ett nytt designkoncept för gasisolereda ringhuvuden vid höga altituder, vilket skiljer sig från vanliga enheter utan specialdesign eller de som enbart använder enkel tryckreduktion. Detta ringhuvud har målinriktad design i följande aspekter:

(1) Förstärkt strukturell styrka av gasfacket
För att motverka den ökade inre-yttre tryckskillnaden orsakad av höga altituder, förstärks strukturen av gasfacket. Detta garanterar att deformationen av facket vid höga altituder hålls inom tekniska specifikationer, vilket säkerställer oförändrad mekanisk prestanda för hövspänningselementen inuti.

Enligt Internationella standardatmosfärmodellen kan den standardatmosfärstryck vid en viss höjd beräknas med formeln:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
där P är atmosfärstrycket vid en viss höjd; P₀ är standardatmosfärstrycket vid havsnivå; H är höjden.

Som exempel vid en höjd på 4000 m:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.

Med ett typiskt 10 kV SF₆ gasisolerat ringhuvud som exempel, är utformningstrycket för gasfacket i icke-höga altitudsområden vanligtvis 0.07 MPa. Med hänsyn tagen till det sänkta atmosfärstrycket vid höga altituder, kan det faktiska utformningstrycket för gasfacket vid 4000 m höjd beräknas som:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.

(2) Design av trycksäkringsenhet för användning vid höga altituder
Enligt den senaste nationella standarden GB/T 3906—2020 "AC metallinkapslade elutrustningar och kontrollutrustningar för nominella spänningar över 3.6 kV och upp till och inklusive 40.5 kV", anger punkt 7.103 att gasfacket i gasisolereda ringhuvuden måste klara 1.3 gånger utformningstrycket (P₁) under 1 minut utan aktivering av trycksäkringsenheten. Om trycket fortsätter att stiga mellan 1.3 gånger (P₁) och 3 gånger (P₂) utformningstrycket, kan trycksäkringsenheten aktiveras. Detta är acceptabelt så länge det uppfyller tillverkarens designspecifikationer. Efter testning kan gasfacket deformera men får inte spricka.

Genom att utforma styrkan på gasfacket och trycksäkringsenheten enligt dessa krav uppfylls nationella standarder. Gasfack och trycksäkringsenhet för olika höjder kan alla beräknas och utformas med denna metod:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa

Genom strukturell förstärkning av gasfacket—till exempel genom att använda tjockare stålplattor eller lägga till stöd—uppfyller facket styrkerequirementerna som uppstår på grund av den ökade inre-yttre tryckskillnaden vid höga altituder. Detta undviker mekaniska och elektriska prestandaeffekter på hövspänningskopplingarna inuti facket orsakade av deformation, vilket garanterar stabilt drift vid nominellt gastryck och ger identisk mekanisk och elektrisk prestanda i högaltitudsmiljöer som i slättområden.

Genom designberäkningar och experimentell validering, ökar tätheten och styrkan på trycksäkringsmembranet dess trycktoleranskapacitet. Detta säkerställer att gasfackets trycksäkringsområde uppfyller de specificerade tryckområdeskraven, vilket förhindrar för tidig aktivering av trycksäkringsenheten på grund av ökad inre-yttre tryckskillnad i högaltitudsmiljöer. Detta bibehåller det interna isoleringsnivån och säkerställer den elektriska prestandan för ringhuvudet.

2.2 Design av gasdensitetsindikator för användning vid höga altituder
Isolergasdensitetsindikatorn använder en tätad densitetsmätare. Dess visade värde påverkas inte av temperaturförändringar eller variationer i extern atmosfärstryck.

För gasisolereda ringhuvuden vid höga altituder väljs en tätad fullvillig densitetsmätare för gasfacket, som är immun mot temperatur- och höjdeffekter. Dess funktionsprincip innefattar en kompenselement inuti densitetsmätaren som möjliggör temperaturkompensation (oväntad av temperatur). Samtidigt har mätarkoppen en tätad struktur där den tätade kammaren behåller standardatmosfärstryck. Densitetsmätarens visade tryckvärde representerar skillnaden i tryck mellan gasfacket inuti och standardatmosfärstryck.

Denna design säkerställer att skalen på densitetsmätaren installerad i gasfacket för ringhuvudet alltid exakt återspeglar den faktiska gasdensiteten inuti facket. Det visade värdet påverkas inte av temperatur eller höjd, vilket fullt ut uppfyller driftskraven för höglandsområden.2.3 Design av fullt isolerade travers för höglandsanpassade gasisoleringselement

Utöver att påverka gasfacket och mätinstrumenten påverkar höga höjder också externa fullt isolerade komponenter som ingångs/utgångstraverser och kabelslutstycken. Isolationsprestandan för dessa externa fullt isolerade komponenter påverkas av både isoleringsmaterialens isoleringsstyrka och krypkraftens isoleringsstyrka gentemot mark. På höga höjder minskar luftens densitet, vilket minskar krypkraftens isoleringsstyrka gentemot mark. I praktiska tillämpningar misslyckas konventionellt utformade gasisoleringselement ofta med att klara strömfrekvensmotståndstest för externa isoleringskomponenter (t.ex. isolerande traverser eller övre expansionsbussbaror) efter installation på höga höjder.

För att hantera detta föreslår denna artikel en ny designlösning för fullt isolerade traverser i höglandsanpassade gasisoleringselement: att lägga till en jordad skärmplatta på de externa isoleringskomponenternas yttre yta. Denna design förbättrar elektriska fälts jämnhet och förhindrar jordavlägsning från huvudkretsens bussbaror.

I ett projekt för en uteplacering av en 10 kV växlingsstation i Nagqu, Tibet, stötte ett företag på en situation under godkännandetestning där utrustningen endast kunde passera ett strömfrekvensmotståndstest på 29 kV/1 min gentemot mark. Efter att ha lagt till en jordad skärmplatta på den yttre isoleringen av ingångs/utgångstraverser och externa bussbaror i gasfacket, uppfyllde utrustningen det nationella standardkravet på 42 kV/1 min för strömfrekvensmotståndstest gentemot mark.

2.4 Sammanfattning av tekniska nyckelpunkter
De viktigaste designaspekterna för höglandsanpassade gasfyllda isolerade ringhuvuden är följande:

• Stärk strukturen hos gasfacket genom att öka platttycklek eller lägga till förstärkningar för att möta kraven på trycktoleransområde och deformationsgränser orsakade av ökat inre-yttre tryckdifferens vid höga höjder.

• Förbättra styrkekonstruktionen av tryckavlastningsmembranet i gasfacket. Efter förstärkning uppfyller det trycktoleransområdeskraven för tryckavlastningsenheten under ökat inre-yttre tryckdifferens vid höga höjder.

• Använd salthetad densitetsmätare för tryckindikatorer. De visade värdena påverkas inte av temperaturförändringar eller variationer i extern atmosfäriskt tryck, vilket gör dem lämpliga för höglandsmiljöer.

• Designa en jordad skärmplatta på den yttre ytan av de externa isoleringskomponenterna i gasfacket för att förbättra elektriska fälts jämnhet och förhindra jordavlägsning från huvudkretsens bussbaror.

3. Betydelsen av designen av höglandsanpassade gasisoleringselement
Denna designschema syftar till att erbjuda gasisoleringselement som verkligen uppfyller driftskraven i högland. Genom samtidigt att stärka gasfacket, förbättra trycktoleranskapaciteten för tryckavlastningsenheter, möjliggöra korrekt mätning av inre gasdensitet och rationellt designa relaterade isoleringskomponenter, uppnår ringhuvudet full teknisk anpassbarhet till höglandsmiljö. Detta garanterar mekanisk och elektrisk prestanda för ringhuvudet och möjliggör normal drift av gasisoleringselement i höglandsmiljö.

Kinas omfattande höglandsområden skapar enorm efterfrågan på elkraftutrustning anpassad för högland. Standardisering och rationell produktutformning behöver brådskande förbättras. Faktiska miljövariationer i höglandsområden ställer nya krav på produktutformning. Detta tekniska schema erbjuder en ny designteori och metodik, vilket representerar en meningsfull utredning.