Pinalakas na disenyo ng Gas-Insulated Switchgear para sa mga lugar na may mataas na altitude
Ang mga gas-insulated ring main units ay kompak at maaaring palawigin na switchgear na angkop para sa mga sistema ng automatikong distribusyon ng kuryente sa medium-voltage. Ang mga aparato na ito ay ginagamit para sa 12~40.5 kV ring network power supply, dual radial power supply systems, at terminal power supply applications, na gumagampan bilang control at protection devices para sa electrical energy. Ang mga ito ay din ang angkop para sa pag-install sa pad-mounted substations.
Sa pamamagitan ng pag-distribute at pag-schedule ng electrical energy, sila ay nagbibigay ng matatag na operasyon ng mga sistema ng kuryente. Ang mga pangunahing bahagi ng mga aparato na ito ay gumagamit ng circuit breakers o combinations ng load switches at fuses, na may mga benepisyo tulad ng simple structure, maliliit na sukat, mababang gastos, improved power supply parameters at performance, at enhanced power supply safety. Malaganap ang kanilang paggamit sa mga distribution stations at pad-mounted substations sa mga sentro ng load tulad ng urban residential communities, high-rise buildings, malalaking public facilities, at industrial enterprises. Ang iba't ibang insulating gases ay ginagamit bilang insulating medium, kasama ang SF₆, dry air, nitrogen, o mixed gases, na nagbibigay ng mataas na insulation performance at environmental benefits, na nagdudulot sa malawakang aplikasyon sa mga sistema ng kuryente.
Ang mga pangunahing bahagi ng uri ng ring main unit na ito ay nakainstala sa loob ng sealed welded tank na puno ng insulating gas (sa huli ay tinatawag na "gas compartment"). Ang gas compartment ay ang core component ng mga gas-insulated ring main units. Ang pangunahing tungkulin nito ay tiyakin na ang mga high-voltage components sa loob ay hindi maapektuhan ng mga external environmental factors tulad ng contamination, humidity, at corrosion. Ito ay nagbibigay ng parehong operating environment ng mga components at normal electrical performance. Lahat ng internal components ay protektado ng sealed gas compartment. Ang compartment ay mayroong pressure o gas density monitoring devices, tulad ng pressure gauges o density meters, na karaniwang nagsusukat ng pressure differential sa pagitan ng interior at exterior ng compartment.
Ang artikulong ito ay pangunahing tumutugon sa mga problema na umaapekto sa mechanical at electrical performance ng mga ring main units sa mataas na altitude environments.
1. Karaniwang High-Altitude Design Schemes para sa Gas-Insulated Ring Main Units at Existing Issues
Ang mga gas-insulated ring main units ay may fully insulated designs, na ang kanilang main conductive circuits ay nakalibutan ng fully insulated system na binubuo ng sealed gas compartments, fully insulated bushings para sa incoming/outgoing lines, at fully insulated cable terminations. Dahil ang internal environment ng gas compartment ay hindi maapektuhan ng external conditions, ang gas density at humidity ay mananatiling constant. Teoretikal, ang insulation performance ay immune sa external factors tulad ng humidity, contamination, o corrosive gases. Pareho rin, ang insulation performance ng bushings at cable terminations—na disenyo gamit ang insulating materials tulad ng epoxy resin at silicone rubber—ay hindi maapektuhan ng external environment. Sa ibabaw, ang mga conventionally designed gas-insulated ring main units ay tila adaptable sa plateau environments, na nagdudulot sa maraming manufacturers na naniniwala na sila ay sumasapat sa high-altitude operational requirements at direktang inilalagay sa mga rehiyon na ito.
Kasalukuyan, ang dalawang pangunahing teknikal na schemes ang ginagamit sa pag-apply ng gas-insulated ring main units sa high-altitude environments:
1.1 Direct Deployment sa High-Altitude Areas
Design Concept: Ang approach na ito ay batay sa prinsipyong ang main conductive circuit ay fully enclosed ng insulated system (sealed gas compartment, fully insulated bushings, at cable terminations), na nagbibigay ng insulation performance na hindi maapektuhan ng high-altitude conditions.
Existing Issues: Sa aktwal na operasyon, ang reduced external atmospheric pressure sa high altitudes ay nagdudulot ng pagtaas ng pressure differential sa pagitan ng interior at exterior ng gas compartment. Ito ay nagdudulot ng significant bulging deformation ng compartment, na umaapekto sa mechanical performance ng mga electrical components tulad ng circuit breakers at disconnectors. Ito maaaring magresulta sa operational jamming at pagbabago ng mechanical characteristics.
1.2 Reduced Factory Gas Pressure Setting
Design Concept: Upang tugunan ang pagtaas ng internal-external pressure differential sa high altitudes, ang scheme na ito ay nagbabawas ng gas pressure sa loob ng compartment sa factory. Kapag dumating ang unit sa high-altitude sites, ang reduced atmospheric pressure ay nagdudulot ng pressure differential na tumaas hanggang sa halaga na kinakailangan ng technical specifications, na nagpapakita ng required operational pressure sa pressure gauge.
Existing Issues: Ang disenyo na ito ay nagbubawas ng density ng insulating gas sa loob ng compartment. Bagaman ang pressure gauge ay nagpapakita ng designed value sa high altitudes, ang insulation performance ng gases ay intrinsically linked sa gas density ayon sa Paschen curve (tingnan ang Fig. 1) na ipinormula ng German physicist Friedrich Paschen. Ang Paschen curve ay nagpapakita ng function na nakuha mula sa Paschen’s Law. Ang physical meaning: Ang breakdown voltage U (kV) ay isang function ng product ng electrode distance d (cm) at gas pressure P (Torr), na inihahayag bilang U = apd / [ln(Pd) + b] (tingnan ang Fig. 1), kung saan a at b ay constants.
Ang pangunahing kahalagahan ng curve: Para sa fixed insulation distance, ang pagtaas ng pressure o pagbawas ng pressure patungo sa vacuum (halimbawa, 10⁻⁶ Torr) ay parehong nagpapataas ng gap breakdown voltage. Sa near-vacuum pressures, ang reduced vacuum level (i.e., increased air density) ay nagpapadali ng electrical breakdown sa pagitan ng electrodes. Sa labas ng isang tiyak na pressure threshold, ang insulation performance ay unti-unting nagiging mas mahusay habang tumaas ang pressure. Sa phase na ito (labas ng point a sa Fig. 1), ang pagbawas ng pressure—at kaya naman ng gas density—ay nagpapababa ng breakdown voltage, na nangangahulugan ng deteriorating insulation performance. Ang operational pressure range ng mga gas-insulated ring main units ay buong nasa rehiyon na ito (ang seksyon labas ng point a sa Fig. 1).
1.3 Summary ng Issues sa Conventional High-Altitude Designs
Ang pagtaas ng pressure differential sa pagitan ng interior at exterior ng gas compartment ay nagdudulot ng mas malaking deformation ng compartment, na umaapekto sa mechanical operation at performance ng mga switches.
Sa ilalim ng kondisyon ng pagtaas ng internal-external pressure differential, ang mga pressure relief devices ay mas madaling mapagana.
Ang mga pressure gauge ay sumusukat ng relatibong pagkakaiba ng presyon sa pagitan ng loob at labas ng gas compartment. Ang mga gas density meter ay nagdaragdag ng pagpapahintulot sa temperatura sa mga pressure gauge. Walang kadalubhasaan ang parehong mga ito na maipakita nang tama ang aktwal na densidad ng gas sa loob ng compartment sa mataas na altitude, bagaman ang densidad ng gas ay may kaugnayan sa kakayahan ng insulation.
Ang pagbaba ng densidad ng atmospera sa mataas na altitude ay nagbabawas din ng pangkalahatang kakayahan ng insulation ng mga komponente ng panlabas na insulating ng gas compartment.
2. Pamamaraan sa Pagdisenyo para sa High-Altitude Gas-Insulated Ring Main Units
Batay sa nabanggit na analisis, bagama't ang ganap na insulate structure ng gas-insulated ring main units (na may punong conductive circuits na ganap na nakasara sa sealed gas compartments, ganap na insulate bushings, at ganap na insulate cable terminations) teoretikal na nagpapanatili ng hindi naapektuhan ang kakayahan ng insulation, ito ay naapektuhan ng mga sanggunian na lumilitaw sa mataas na altitude: ang pagtaas ng internal-external pressure differential sa gas compartment, ang hindi maaaring bawasan ang densidad ng insulating gas sa loob ng compartment, at ang pangangailangan para sa tumpak na pagsasaad ng densidad ng gas. Kaya, ang susi sa disenyo para sa high-altitude gas-insulated ring main units ay nasa disenyo ng gas compartment at pressure relief device, na sumasapat sa pangangailangan ng kapaligiran sa mataas na altitude para sa mga pressure gauge ng gas compartment, at naglutas ng pagbaba ng pangkalahatang kakayahan ng insulation ng mga komponente ng panlabas na insulating sa mataas na altitude.
2.1 Disenyo ng Gas Compartment at Pressure Relief Device para sa Mataas na Altitude
Upang tugunan ang nabanggit na teknikal na isyu, inihahain ng papel na ito ang bagong konsepto sa disenyo para sa high-altitude gas-insulated ring main units, na iba mula sa karaniwang mga unit na walang espesyal na disenyo o ang mga simpleng gumagamit ng pagbawas ng presyon. Ang ring main unit na ito ay may layunin sa disenyo sa mga sumusunod na aspeto:
(1) Pinaigting na Lakas ng Struktura ng Gas Compartment
Upang labanan ang pagtaas ng internal-external pressure differential dahil sa mataas na altitude, pinapalakas ang struktura ng gas compartment. Ito ay nagbibigay-daan upang ang deformation ng compartment sa mataas na altitude ay mananatiling nasa teknikal na specifications, na nag-aangkop sa hindi naapektuhan ang mekanikal na performance ng mga high-voltage components sa loob.
Ayon sa International Standard Atmosphere model, ang standard atmospheric pressure sa tiyak na altitude ay maaaring makalkula gamit ang formula:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
kung saan P ang atmospheric pressure sa tiyak na altitude; P₀ ang standard atmospheric pressure sa sea level; H ang altitude.
Kumuha ng halimbawa ng altitude na 4000 m:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.
Gumamit ng typical 10 kV SF₆ gas-insulated ring main unit bilang halimbawa, ang disenyo ng presyon ng gas compartment sa hindi mataas na altitude ay karaniwang 0.07 MPa. Sa pag-consider ng pagbaba ng atmospheric pressure sa mataas na altitude, ang aktwal na disenyo ng presyon para sa gas compartment sa 4000 m altitude ay maaaring makalkula bilang:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.
(2) Disenyo ng Pressure Relief Device para sa Mataas na Altitude
Ayon sa pinakabagong national standard GB/T 3906—2020 "AC metal-enclosed switchgear and controlgear for rated voltages above 3.6 kV and up to and including 40.5 kV", Section 7.103 ay nagtatakda na ang gas compartment ng gas-insulated ring main units ay dapat na matitiis ang 1.3 beses ang disenyo ng presyon (P₁) sa loob ng 1 minuto nang walang pag-activate ng pressure relief device. Kung patuloy na tumaas ang presyon sa pagitan ng 1.3 beses (P₁) at 3 beses (P₂) ang disenyo ng presyon, maaaring mag-activate ang pressure relief device. Ito ay tanggap basta sumasapat sa disenyo ng manufacturer. Pagkatapos ng testing, maaaring mag-deform ang gas compartment ngunit hindi dapat mag-rupture.
Ang pagdisenyo ng lakas ng gas compartment at pressure relief device ayon sa mga sanggunian na ito ay sumasapat sa national standards. Ang mga gas compartment at pressure relief devices para sa iba't ibang altitudes ay maaaring makalkula at maidisenyo gamit ang metodyo na ito:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa
Sa pamamagitan ng pinaigting na struktura ng gas compartment—gayundin sa paggamit ng mas malapot na steel plates o pagdaragdag ng stiffeners—ang compartment ay ganap na sumasapat sa pangangailangan ng lakas na dulot ng pagtaas ng internal-external pressure differential sa mataas na altitude. Ito ay iwasan ang mekanikal at electrical na impact sa high-voltage switches sa loob ng compartment dahil sa deformation, na nagbibigay ng stable na pag-operate sa rated gas pressure at nagbibigay ng parehong mekanikal at electrical na performance sa mataas na altitude environment tulad ng sa plains areas.
Sa pamamagitan ng pag-calculating ng disenyo at eksperimental na validation, ang pagtaas ng thickness at lakas ng pressure relief diaphragm ay nagpapataas ng kakayahan nitong matiis ang presyon. Ito ay sigurado na ang range ng pressure relief ng gas compartment ay sumasapat sa mga nais na range ng presyon, na iwasan ang maaga na pag-activate ng pressure relief device dahil sa pagtaas ng internal-external pressure differential sa mataas na altitude environment. Ito ay nagpapanatili ng internal insulation level at nagbibigay ng electrical performance ng ring main unit.
2.2 Disenyo ng Gas Density Indication Device para sa Mataas na Altitude
Ang insulating gas density indication device ay gumagamit ng sealed-type density meter. Ang ipinapakita nitong value ay hindi naapektuhan ng pagbabago ng temperatura o external atmospheric pressure variations.
Para sa high-altitude gas-insulated ring main units, ang density meter na pinili para sa gas compartment ay isang sealed-type full-condition density meter, na immune sa epekto ng temperatura at altitude. Ang prinsipyong ginagamit nito ay may compensation element sa loob ng density meter na nagbibigay ng temperature compensation (hindi naapektuhan ng temperatura). Samantalang, ang meter head ay may sealed structure kung saan ang sealed chamber ay nagpapanatili ng standard atmospheric pressure. Ang ipinapakita ng density meter na presyon value ay kumakatawan sa presyon difference sa pagitan ng interior ng gas compartment at standard atmospheric pressure.
Ang disenyo na ito nag-aasikaso na ang sukat ng densidad meter na nakalagay sa gas compartment ng ring main unit palaging nagsasalamin nang tama sa aktwal na densidad ng gas sa loob ng compartment. Ang ipinapakita na halaga ay hindi naapektuhan ng temperatura at altitude, buong pagtutugon sa mga pangangailangan sa operasyon para sa mataas na lugar.2.3 Disenyo ng Fully Insulated Bushings para sa Mataas na Altitude na Gas-Insulated Ring Main Units
Bukod sa pag-aapekto sa gas compartment at mga instrumento para sa pagsukat, ang mataas na altitude ay may impluwensya rin sa mga komponente na fully insulated na nakalagay sa labas tulad ng incoming/outgoing line bushings at cable terminal joints. Ang kakayahan ng insulasyon ng mga external na fully insulated na komponente ay naapektuhan ng lakas ng insulasyon ng materyales ng insulasyon at ang lakas ng creepage insulasyon sa kahalili ng lupa. Sa mataas na altitude, ang bawas na densidad ng hangin ay binabawasan ang lakas ng creepage insulasyon sa kahalili ng lupa. Sa praktikal na aplikasyon, ang mga gas-insulated ring main units na may tradisyonal na disenyo madalas nabibigla sa power frequency withstand voltage tests para sa mga external insulating components (halimbawa, insulating bushings o top-expansion busbars) pagkatapos ng pag-install sa mataas na altitude.
Upang tugunan ito, ang papel na ito ay nagpopropona ng bagong disenyo para sa fully insulated bushings sa high-altitude gas-insulated ring main units: idagdag ang isang grounded shielding layer sa panlabas na ibabaw ng mga komponente ng insulasyon. Ang disenyo na ito ay nagpapabuti ng pagsamantala ng electric field at nagpapahinto ng ground discharge mula sa main circuit busbars.
Sa isang outdoor 10 kV switching station project sa Nagqu, Tibet, ang isang kompanya ay nakaranas ng isang sitwasyon sa panahon ng pag-acceptance testing kung saan ang mga kagamitan ay makakapasa lamang ng 29 kV/1 min power frequency withstand voltage test sa kahalili ng lupa. Pagkatapos magdagdag ng grounded shielding layer sa panlabas na insulasyon ng incoming/outgoing bushings at external busbars ng gas compartment, ang kagamitan ay sumunod sa pambansang pamantayan na 42 kV/1 min para sa power frequency withstand voltage sa kahalili ng lupa.
2.4 Buod ng Teknikal na Key Points
Ang mga mahalagang aspeto ng disenyo para sa high-altitude gas-filled insulated ring main units ay kasunod:
Palakihin ang lakas ng estruktura ng gas compartment sa pamamagitan ng pagtaas ng espesor ng plating o pagdaragdag ng stiffeners upang tugunan ang mga pangangailangan para sa pressure tolerance range at limitasyon ng deformation dahil sa pagtaas ng internal-external pressure differential sa mataas na altitude.
Pataasin ang lakas ng disenyo ng pressure relief diaphragm sa pressure relief device ng gas compartment. Pagkatapos ng pag-reinforce, ito ay sumasang-ayon sa mga pangangailangan para sa pressure tolerance range ng pressure relief device sa pagtaas ng internal-external pressure differential sa mataas na altitude.
Ipaglaban ang paggamit ng sealed-type density meters para sa pressure indication devices. Ang ipinapakita nilang halaga ay hindi naapektuhan ng pagbabago ng temperatura o variation ng external atmospheric pressure, kaya sila ay angkop para sa high-altitude environments.
Disenyuhin ang grounded shielding layer sa panlabas na ibabaw ng mga external insulating components ng gas compartment upang mapabuti ang pagsamantala ng electric field at mapahinto ang ground discharge mula sa main circuit busbars.
3. Kahalagahan ng Disenyo ng High-Altitude Gas-Insulated Ring Main Unit
Ang disenyo na ito ay may layuning magbigay ng gas-insulated ring main units na tunay na sumasang-ayon sa mga pangangailangan sa operasyon sa mataas na altitude. Sa pamamagitan ng pagpapalakas ng gas compartment, pagpapabuti ng pressure tolerance capability ng pressure relief devices, pagbibigay ng wastong pagsukat ng internal gas density, at maaring disenyo ng mga related insulating components, ang ring main unit ay nagkamit ng buong teknikal na adaptability sa high-altitude environments. Ito ay sinisiguro ang mekanikal at electrical performance ng ring main unit at nagbibigay-daan sa normal na operasyon ng gas-insulated ring main units sa high-altitude environments.
Ang malaking bahagi ng China na may mataas na altitude ay lumilikha ng malaking demand para sa mga kagamitan ng kuryente na napag-aasikaso sa kondisyon ng mataas na altitude. Ang standardization at rationality ng product design ay kailangan ng agarang pagpapatunay. Ang aktwal na pagbabago ng kapaligiran sa mataas na altitude ay naglalagay ng bagong mga pangangailangan sa product design. Ang teknikal na solusyon na ito ay nagbibigay ng bagong teorya at metodolohiya sa disenyo, kaya ito ay isang may kahalagang pag-aaral.
