Umeboresho wa Mfumo wa Gas-Insulated Switchgear kwa Maeneo ya Magari Yasiyofika
Vifaa vya kuzima vinavyotumia gesi ni vifaa vya kugeuza vyenye umbo dogo na yanayoweza kuongezwa yanayofaa kwa mitandao ya usambazaji wa umeme wa wastani kwa ajili ya utawala. Vifaa hivi hutumika kwa ajili ya 12~40.5 kV ya usambazaji wa nguvu za mtandao wa mzunguko, mitandao ya usambazaji wa nguvu za radial mbili, na matumizi ya usambazaji wa mwisho, kama vifaa vya udhibiti na ulinzi wa nishati ya umeme. Pia vinafaa kwa ajili ya kufanyiwa instaladi katika substation zenye msingi.
Kwa kusambaza na kupangia nishati ya umeme, huhakikisha utekelezaji thabiti wa mitandao ya umeme. Vifungu muhimu vya vifaa hivi vina chanzo cha circuit breaker au mchanganyiko wa load switches na fuses, unaoleta manufaa kama vile muundo rahisi, ukubwa mdogo, gharama ifuatavyo, uboreshaji wa vipimo na utendaji wa usambazaji wa umeme, pamoja na usalama bora wa usambazaji wa umeme. Hutumika kila mahali katika vituo vya usambazaji na substation zenye msingi katika makao ya wateule ya miji, majengo ya juu, vituo vikuu vya umma, na mashirika ya viwandani. Aina mbalimbali za gesi za kuzuia zinatumika kama kibadilishi cha kuzuia, ikiwemo SF₆, hewa kali, nyitrojeni, au gesi zilizochanganywa, zinazotoa utendaji mzuri wa kuzuia pamoja na manufaa kwa mazingira, kinachowafanya vitumike kila mahali katika mitandao ya umeme.
Vifungu muhimu vya aina hii ya vifaa vya kuzima vinahifadhiwa ndani ya tangi iliyofungwa kwa weldi yenye gesi ya kuzuia (kisha inaitwa "sehemu ya gesi"). Sehemu ya gesi ni kitu muhimu zaidi cha vifaa vya kuzima vinavyotumia gesi. Kazi yake kuu ni kuhakikisha kwamba vifungu vya voltage kubwa vyote ndani vinavyotembea havipatii athari za sababu za nje kama vile uchafu, unyevu, au gesi za kuchoma. Pia inahakikisha mazingira ya kufanya kazi ya vifungu pamoja na utendaji wa kawaida wa umeme. Vifungu vyote vya ndani vinahifadhiwa na sehemu iliyofungwa ya gesi. Sehemu hiyo ina kifaa cha kufuatilia shinikizo au densiti ya gesi, kama vile manometer au meters ya densiti, ambazo mara kwa mara husanidi tofauti ya shinikizo kati ya ndani na nje ya sehemu.
Makala haya husimama kwa tatizo la kuleta athari kwenye utendaji wa kikanuni na wa umeme wa vifaa vya kuzima katika mazingira ya maeneo ya juu.
1. Mbinu za Kawaida za Uundaji wa Vifaa vya Kuzima Vinavyotumia Gesi Katika Maeneo ya Juu na Masuala Yanayopatikana
Vifaa vya kuzima vinavyotumia gesi vina muundo kamili wa kuzuia, na mzunguko wake wa msingi unaofungwa kwa mfumo kamili wa kuzuia unaofunika sehemu zilizoofungwa za gesi, bushing kamili zenye uzui kwa ajili ya upokeaji/utoaji wa umeme, na malipo ya kabari kamili zenye uzui. Kwa kuwa mazingira ya ndani ya sehemu ya gesi hayapatiwi athari ya hali za nje, densiti na unyevu wa gesi huwa daima mara sawa. Kwa mantiki, utendaji wa kuzuia hautathiriwa na sababu za nje kama vile unyevu, uchafu, au gesi za kuchoma. Vilevile, utendaji wa kuzuia wa bushing na malipo ya kabari—yaliyoundwa kwa vitu vinavyozuia kama vile epoxy resin na silicone rubber—hautathiriwa na mazingira ya nje. Kwa njia ya nje, vifaa vya kuzima vinavyotumia gesi vilivyonundwa kwa namna ya kawaida vinachanganyika vizuri na mazingira ya plateau, jambo ambalo linawafanya wajasiriamali wengi wadhani wanatoa mahitaji ya kufanya kazi kwenye maeneo ya juu na kuyaweka moja kwa moja katika maeneo hayo.
Sasa, mbinu mbili kuu za kiufundi hutumika wakati wa kutumia vifaa vya kuzima vinavyotumia gesi katika mazingira ya maeneo ya juu:
1.1 Kupandisha Moja Kwa Moja Katika Maeneo ya Juu
Mawazo ya Uundaji: Mbinu hii inategemea kanuni kwamba mzunguko wa msingi wa kuelekeza umeme unaofungwa kamili na mfumo wa kuzuia (sehemu iliyofungwa ya gesi, bushing zilizouzwa kamili, na malipo ya kabari), ambayo inafanya utendaji wa kuzuia usithiriwe na hali za maeneo ya juu.
Matatizo Yanayopatikana: Katika utendaji halisi, kupungua kwa shinikizo la hewa ya nje katika maeneo ya juu husababisha kupanda kwa tofauti ya shinikizo kati ya ndani na nje ya sehemu ya gesi. Hii husababisha ubobo bwa kiasi kikubwa cha sehemu hiyo, kinachothiri utendaji wa kikanuni wa vifaa vya umeme kama vile circuit breakers na disconnectors. Hii inaweza kusababisha kushindwa kufanya kazi na mabadiliko katika sifa za kikanuni.
1.2 Kupunguza Shinikizo la Gesi Lililotolewa Kitovuni
Mawazo ya Uundaji: Ili kutatua tofauti iliyopanda kati ya shinikizo la ndani na la nje katika maeneo ya juu, mbinu hii inapunguza shinikizo la gesi ndani ya sehemu kitovuni. Wakati ghuba husafiri hadi maeneo ya juu, shinikizo lililosha kwa sababu ya urefu wa juu husababisha tofauti ya shinikizo kupanda hadi kufikia thamani inayotakiwa kwa vipimo vya kiufundi, ikifanya kisanduku cha kusoma shinikizo kionekane kama kinachoonesha shinikizo inayotarajiwa kufanya kazi.
Matatizo Yanayopatikana: Mbinu hii inapunguza kinyesi cha gesi ya kuzuia ndani ya sehemu. Ingawa kisanduku cha kusoma shinikizo kinaonesha thamani iliyowekwa katika maeneo ya juu, utendaji wa kuzuia wa gesi unahusiana moja kwa moja na densiti ya gesi kulingana na Paschen curve (tazama Fig. 1) iliyoundwa na mwanafizikia kutoka Ujerumani Friedrich Paschen. Paschen curve inaripoti kazi iliyotokana na Sheria ya Paschen. Maana yake ya kifizikia: Voltage ya kuvunjika U (kV) ni kazi ya bidhaa ya umbali wa electrode d (cm) na shinikizo la gesi P (Torr), inavyoelezwa kama U = apd / [ln(Pd) + b] (tazama Fig. 1), ambapo a na b ni mara kwa mara.
Maana kuu ya mstari: Kwa umbali fulani wa kuzuia, kuongeza shinikizo au kupunguza shinikizo hadi vacuum (k.m. 10⁻⁶ Torr) husababisha kupanda kwa voltage ya kuvunjika kwa pengo. Katika hali karibu na vacuum, kupunguza kiasi cha vacuum (k.m. kuongeza kinyesi cha hewa) husababisha kuvunjika kwa umeme kati ya electrodes kuingia rahisi. Baada ya kipimo fulani cha shinikizo, utendaji wa kuzuia unaboresha hatua kwa hatua wakati shinikizo kunapanda. Katika eneo hili (baada ya point a katika Fig. 1), kupunguza shinikizo—na kwa hiyo densiti ya gesi—husababisha kupungua kwa voltage ya kuvunjika, ambayo inamaanisha utendaji wa kuzuia unapoonya. Kipindi cha kufanya kazi cha vifaa vya kuzima vinavyotumia gesi kikamilifu kinapatikana ndani ya eneo hili (sehemu ya baada ya point a katika Fig. 1).
1.3 Muhtasari wa Masuala ya Uundaji wa Kawaida wa Maeneo ya Juu
Kupanda kwa tofauti ya shinikizo kati ya ndani na nje ya sehemu ya gesi husababisha mabadiliko makubwa zaidi katika sehemu hiyo, kinachothiri utendaji wa kikanuni na utendaji wa vigeuza.
Katika hali ya kupanda kwa tofauti ya shinikizo la ndani na la nje, vifaa vya kutupa shinikizo vinaweza kuwageuza kwa urahisi zaidi.
Mizizi ya presha zinamalizia tofauti ya presha kati ya ndani na nje ya sehemu ya gesi. Mizizi ya ukubwa wa gesi zinongeza uwezo wa kutumaini joto katika mizizi ya presha. Hakuna zinazoweza kuonyesha uhakika ukubwa wa gesi wa kwenye sehemu ya juu, hata hivyo ukubwa wa gesi unategemea nguvu za utetezi.
Ukubwa mdogo wa hewa katika maeneo yenye mizizi magumu yasiyofikiwa huondokana na ufanisi wa utetezi wa vipengele vya nje vya sehemu ya gesi.
2. Mpangilio wa Mbinu kwa Vifaa vya Utetezi wa Gesi vya Dairi za Kitaalamu kwa Maeneo yenye Mzizi Magumu
Na tathmini hiyo, ingawa muundo mzima wa utetezi wa gesi wa dairi za kitaalamu (na njia ya kipa kuu zenye gesi zenye uzio mzima, bushing zenye utetezi mzima, na mwishoni mwa kamba zenye utetezi mzima) teorikini anahifadhi ufanisi wa utetezi usiyobadilika, ni athari za kutokuwa na ufanisi wa utetezi wa vipengele vya nje vya sehemu ya gesi kwa mizizi magumu. Hivyo basi, chanzo cha mpangilio cha vifaa vya utetezi wa gesi vya dairi za kitaalamu kwa maeneo yenye mizizi magumu kinapatikana katika muundo wa sehemu ya gesi na kwa vifaa vya kupunguza presha, kufanikisha mahitaji ya mizizi magumu ya mizizi ya presha ya sehemu ya gesi, na kutatua upunguaji wa ufanisi wa utetezi wa vipengele vya nje kwa mizizi magumu.
2.1 Muundo wa Sehemu ya Gesi na Vifaa vya Kupunguza Presha kwa Maeneo yenye Mzizi Magumu
Kutatua suala la teknolojia hilo, makala hii inatoa fikira mpya za muundo wa vifaa vya utetezi wa gesi vya dairi za kitaalamu kwa maeneo yenye mizizi magumu, ambayo ni mbalimbali na vifaa vyenye muundo wa kawaida au vya kutumia njia rahisi za kupunguza presha tu. Dairi hii ina muundo maalum kwa maswala ifuatavyo:
(1) Kuongeza Ngao ya Sehemu ya Gesi
Kutokana na ongezeko la tofauti ya presha kati ya ndani na nje kwa mizizi magumu, ngao ya sehemu ya gesi imeongezwa. Hii hutimiza kuharibika kwa sehemu katika mizizi magumu ikibaki kwenye viwango vya teknolojia, kuhakikisha kwamba ufanisi wa mekaaniki wa vifaa vya voliti vya juu haijabadilika.
Kulingana na mfano wa Kiundani cha Kimataifa cha Hewa, presha ya kiwango cha hewa kwa mizizi fulani inaweza kuhesabiwa kwa kutumia hesabu:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
ambapo P ni presha ya hewa kwa mizizi fulani; P₀ ni presha ya kiwango cha hewa kwenye bahari; H ni mizizi.
Kwa mfano wa mizizi 4000 m:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.
Kwa kutumia mfano wa vifaa vya utetezi wa SF₆ vya dairi za kitaalamu 10 kV, presha ya muundo wa sehemu ya gesi katika maeneo yanayohitajika si mizizi magumu ni mara 0.07 MPa. Kwa kutathmini presha ya kiwango cha hewa kwenye mizizi magumu, presha ya muundo ya sehemu ya gesi kwenye mizizi 4000 m inaweza kuhesabiwa kama:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.
(2) Muundo wa Vifaa vya Kupunguza Presha kwa Maeneo yenye Mzizi Magumu
Kulingana na kiwango kimataifa GB/T 3906—2020 "vifaa vya kupunguza presha na kudhibiti kwa kiwango cha voliti kilichozidi 3.6 kV hadi na kusimama kwenye 40.5 kV", Sekta 7.103 inahitaji sehemu ya gesi ya vifaa vya utetezi wa gesi vya dairi za kitaalamu kuwa na uwezo wa kukabiliana na mara 1.3 ya presha ya muundo (P₁) kwa dakika moja bila kuanza kupunguza presha. Ikiwa presha inaendelea kukua kati ya mara 1.3 (P₁) na mara 3 (P₂) ya presha ya muundo, vifaa vya kupunguza presha vinaweza kuanza kupunguza. Hii inaweza kuwa sahihi isipokuwa itafanikiwa kwa viwango vya kiwango cha mtengenezaji. Baada ya majaribio, sehemu ya gesi inaweza kuonekana lakini haijalikwa kuharibika.
Kukabiliana na uwezo wa sehemu ya gesi na vifaa vya kupunguza presha kwa kutumia viwango vya kiwango vya kimataifa. Sehemu ya gesi na vifaa vya kupunguza presha kwa mizizi tofauti zinaweza kuhesabiwa na kunyanyaswa kwa njia hii:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa
Kwa kuongeza ngao ya sehemu ya gesi—kama kutumia vibao vya chuma vya uwiano mkubwa au kuongeza vituzo—sehemu inaweza kuhitimu viwango vya uwezo vya ongezeko la tofauti ya presha kati ya ndani na nje kwa mizizi magumu. Hii hutatua athari za ufanisi wa mekaaniki na elektrikal za vifaa vya kupunguza presha vya voliti vya juu kwenye sehemu, kuhakikisha kwamba ufanisi wa mekaaniki na elektrikal unaonekana sawa kwa mizizi magumu kama vile kwenye maeneo ya kitamaduni.
Kwa kutumia hesabu za muundo na majaribio ya thibitisha, kuongeza uwiano mkubwa na uwezo wa chache cha kupunguza presha kuhakikisha kwamba siku ya kupunguza presha ya sehemu ya gesi inafanikiwa na viwango vya kiwango vya presha, kuhakikisha kwamba vifaa vya kupunguza presha hayatumike mapema kwa sababu ya ongezeko la tofauti ya presha kati ya ndani na nje kwa mizizi magumu. Hii hutahakikisha kiwango cha utetezi cha ndani na ufanisi wa elektrikal wa dairi za kitaalamu.
2.2 Muundo wa Vifaa vya Onyesha Ukubwa wa Gesi kwa Maeneo yenye Mzizi Magumu
Vifaa vya onyesha ukubwa wa gesi vilivyopunguzwa vinafaa kuwa na vifaa vya ukubwa wa gesi vilivyopunguzwa. Thamani zinazoonyeshwa hazipoathiriwa na mabadiliko ya joto au presha ya hewa ya nje.
Kwa vifaa vya utetezi wa gesi vya dairi za kitaalamu kwa mizizi magumu, vifaa vya ukubwa wa gesi vilivyochaguliwa ni vifaa vya ukubwa wa gesi vilivyopunguzwa, vinavyothibitisha joto na mizizi. Chanzo cha ufunzi wake ni kutumia kitu chenye uwezo wa kutumaini joto (isipopoathirika na joto). Pia, kichwa cha vifaa vya ukubwa cha gesi kina muundo wa kupunguza presha ambao hujenga presha ya kiwango cha hewa. Thamani ya presha inayoelezwa inaonesha tofauti ya presha kati ya ndani ya sehemu ya gesi na presha ya kiwango cha hewa.
Mkakati huu unahakikisha kwamba msingi wa densiti meter ulioainishwa kwenye chombo cha viwango vya gasi la ring main unit huonyesha sanaa ya kutosha ya ukungu ndani ya chombo. Thamani inayoelezwa haiathiriwa na joto au maelezo, inayokubalika kabisa katika maeneo ya juu.2.3 Mbinu ya Kutengeneza Components za Insulation Zote kwa Gas-Insulated Ring Main Units za Maeneo ya Juu
Pamoja na kuathiri chombo cha gasi na zawadi za kutathmini, maeneo ya juu pia huathiri components zote za insulation zenye ziada ambazo zimeainishwa nje kama vile bushings za ingawa/kuondoka na joints za mwisho wa kabeli. Uwezo wa insulation wa components hizi za nje unathibitishwa na nguvu ya insulation ya material ya insulation na nguvu ya creepage insulation kwa undani. Katika maeneo ya juu, upungufu wa ukungu unaachilia nguvu ya creepage insulation kwa undani. Katika matumizi ya kawaida, gas-insulated ring main units zilizotengenezwa kwa njia ya kawaida mara nyingi hawapiti tests za voltage ya kuwa tibai kwa components za insulation nje (kama vile bushings za insulation au busbars za expansion ya juu) baada ya uanuzi kwenye maeneo ya juu.
Kusaidia hii, makala hii imeelezea mkakati mpya wa kutengeneza bushings zenye insulation zote kwa gas-insulated ring main units za maeneo ya juu: kuongeza layer ya shielding iliyowezeshwa kwenye paa nje ya components hizo za insulation. Mbinu hii inafanya kwa kutimiza uniformity ya electric field na kukuzuia discharge kwa undani kutoka kwa busbars za circuit mkuu.
Katika mradi wa switching station wa 10 kV wa nje kwenye Nagqu, Tibet, kamata alipata shida wakati wa testing ya kupokea ambapo vyombo vilivyotegemea tu kuiita test ya voltage ya kuwa tibai ya 29 kV/1 dakika kwa undani. Baada ya kuongeza layer ya shielding iliyowezeshwa kwenye insulation nje ya bushings za ingawa/kuondoka na busbars za nje ya chombo cha gasi, vyombo vilikuwa vinapatiti standard ya taifa ya 42 kV/1 dakika kwa voltage ya kuwa tibai kwa undani.
2.4 Muhtasari wa Nukta Muhimu za Teknolojia
Nukta muhimu za mbinu kwa gas-filled insulated ring main units za maeneo ya juu ni ivi:
Ongeza nguvu ya structure ya chombo cha gasi kwa kuongeza uzito wa plate steel au kuongeza stiffeners ili kutekeleza mahitaji ya range ya pressure tolerance na limits za deformation kutokana na tofauti ya pressure yenye ziada kati ya ndani na nje katika maeneo ya juu.
Imarisha mbinu ya strength ya diaphragm ya pressure relief katika device ya pressure relief ya chombo cha gasi. Baada ya imarisha, inapatiti mahitaji ya range ya pressure tolerance kwa device ya pressure relief kwenye tofauti ya pressure yenye ziada kati ya ndani na nje katika maeneo ya juu.
Chagua density meters za aina ya sealed kwa devices za pressure indication. Thamani inayoelezwa haiathiriwa na mabadiliko ya joto au atmospheric pressure nje, inayofanya iwe ifaa kwa mazingira ya juu.
Tengeneza grounded shielding layer kwenye paa nje ya components za insulation nje za chombo cha gasi ili kuboresha uniformity ya electric field na kukuzuia discharge kwa undani kutoka kwa busbars za circuit mkuu.
3. Umuhimu wa Mbinu ya Gas-Insulated Ring Main Unit za Maeneo ya Juu
Mkakati huu unatafsiriwa kusaidia kutoa gas-insulated ring main units ambayo yanapatiti mahitaji ya matumizi ya maeneo ya juu. Kwa kuboresha nguvu ya chombo cha gasi, kurudia uwezo wa pressure tolerance wa devices za pressure relief, kutengeneza hisabati sahihi ya density ya gasi ndani, na kutengeneza vizuri components zenye sanaa ya insulation, ring main unit hupata adaptability kamili ya teknolojia kwa mazingira ya juu. Hii hutimiza performance ya mechanical na electrical ya ring main unit na kunawasha kazi ya kawaida ya gas-insulated ring main units kwenye mazingira ya juu.
Maeneo ya juu ya China yana ukubwa, ikijenga dema kubwa kwa vyombo vya umeme vilivyovyanjishwa kwa mazingira ya juu. Standardization na rationality ya mbinu ya bidhaa yanahitajika kuboreshwa. Mabadiliko ya asili ya mazingira katika maeneo ya juu yanatia mahitaji mapya kwa mbinu ya bidhaa. Mkakati huu wa teknolojia unatoa theory na methodology mpya za mbinu, unaweza kujulikana kama utafiti bora.
