Yüksek Rakımlı Bölgeler İçin Optimizasyonlanmış Gaz İzole Anahtarlı Tesisat Tasarımı
Kapalı gaz izole halka anahtarlama üniteleri, orta gerilim güç dağıtım otomasyon sistemleri için uygun olan kompakt ve genişletilebilir anahtarlama donanımlarıdır. Bu cihazlar 12~40,5 kV'luk şebeke gücü sağlama, çift radyal güç sağlama sistemleri ve terminal güç sağlama uygulamalarında elektrik enerjisinin kontrolü ve korunması amacıyla kullanılır. Ayrıca yer monte trafo merkezlerine montaj için de uygundur.
Elektrik enerjisini dağıtma ve yönlendirme yoluyla güç sistemlerinin kararlı çalışmasını sağlarlar. Bu cihazların temel bileşenleri devre kesiciler ya da yük ayırıcıları ile sigortaların kombinasyonunu içerir ve basit yapı, küçük boyut, düşük maliyet, güç sağlama parametrelerinin ve performansının iyileştirilmesi ile güç sağlamanın güvenliğinin artırılması gibi avantajlara sahiptir. Şehir konut bölgeleri, gökdelenler, büyük kamu tesisleri ve sanayi işletmeleri gibi yük merkezlerindeki dağıtım istasyonlarında ve yer monte trafo merkezlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. SF₆, kuru hava, azot veya karışım gazlar gibi çeşitli yalıtım gazları, yüksek yalıtım performansı ve çevre dostu faydalar sunarak güç sistemlerinde yaygın bir şekilde uygulanmaktadır.
Bu tip halka anahtarlama ünitesinin ana bileşenleri, yalıtım gazıyla doldurulmuş sızdırmaz kaynaklı bir tankın (buradan sonra "gaz bölmesi" olarak anılacaktır) içine yerleştirilmiştir. Gaz bölmesi kapalı gaz izole halka anahtarlama ünitelerinin temel bileşenidir. Ana işlevi, içindeki yüksek gerilimli bileşenlerin kirlilik, nem ve korozyon gibi dış çevresel faktörlerden etkilenmeden çalışmasını sağlamaktır. Aynı zamanda bileşenlerin çalışma ortamını ve normal elektriksel performansını garanti eder. Tüm iç bileşenler sızdırmaz gaz bölmesi tarafından korunur. Bölme genellikle bölmenin içi ile dışı arasındaki basınç farkını ölçen manometreler veya yoğunluk ölçerler gibi basınç veya gaz yoğunluğu izleme cihazlarıyla donatılmıştır.
Bu makale özellikle yüksek irtifalı ortamlarda halka anahtarlama ünitelerinin mekanik ve elektriksel performansını etkileyen sorunlara odaklanmaktadır.
1. Kapalı Gaz İsole Halka Anahtarlama Üniteleri İçin Yaygın Yüksek İrtifa Tasarım Şemaları ve Mevcut Sorunlar
Kapalı gaz izole halka anahtarlama üniteleri tamamen yalıtılmış tasarıma sahiptir ve ana iletken devreleri sızdırmaz gaz bölmeleri, tamamen yalıtılmış hat giriş/çıkış bushing'leri ve tamamen yalıtılmış kablo uç bağlantıları içeren tam yalıtım sistemiyle çevrelenmiştir. Gaz bölmesinin iç ortamı dış koşullardan etkilenmediği için gaz yoğunluğu ve nemi sabit kalır. Teorik olarak, yalıtım performansı nem, kirlilik veya aşındırıcı gazlar gibi dış faktörlerden etkilenmez. Benzer şekilde epoksi reçine ve silikon kauçuk gibi yalıtım malzemeleriyle tasarlanmış bushing'lerin ve kablo uç bağlantılarının yalıtım performansı da dış ortamdan etkilenmez. Görünüşte geleneksel olarak tasarlanmış kapalı gaz izole halka anahtarlama üniteleri plato ortamlarına uyum sağlayabilir gibi görünür ve birçok üretici bu yüzden yüksek irtifa çalışma gereksinimlerini karşıladıklarını düşünerek doğrudan bu bölgelere kurulum yapar.
Şu anda kapalı gaz izole halka anahtarlama üniteleri yüksek irtifa ortamlarında uygulanırken iki ana teknik şema kullanılmaktadır:
1.1 Yüksek İrtifa Bölgelerinde Doğrudan Kurulum
Tasarım Kavramı: Bu yaklaşım ana iletken devrenin yalıtılmış sistem (sızdırmaz gaz bölmesi, tamamen yalıtılmış bushing'ler ve kablo uç bağlantıları) tarafından tamamen çevrelenmiş olması prensibine dayanır ve bu sayede yalıtım performansının yüksek irtifa koşullarından etkilenmeyeceği varsayılır.
Mevcut Sorunlar: Gerçek operasyonda yüksek irtifada dış atmosfer basıncının düşmesi, gaz bölmesinin içi ile dışı arasında artan basınç farkına neden olur. Bu durum bölmenin önemli ölçüde şişerek şekil değiştirmesine yol açar ve devre kesiciler ve ayırıcılar gibi elektrik bileşenlerinin mekanik performansını etkiler. Bu durum çalışma sıkışmasına ve mekanik karakteristiklerde değişikliklere neden olabilir.
1.2 Fabrikada Daha Düşük Gaz Basıncı Ayarı
Tasarım Kavramı: Yüksek irtifada artan iç-dış basınç farkını ele almak için bu şemada fabrikada bölmenin içine doldurulan gaz basıncı düşürülür. Cihaz yüksek irtifa sahalarına ulaştığında, azalmış atmosfer basıncı nedeniyle iç-dış basınç farkı teknik şartnamelerde belirtilen değere yükselir ve böylece manometre gerekli işletme basıncını gösterir.
Mevcut Sorunlar: Bu tasarım bölme içindeki yalıtım gazının yoğunluğunu etkili bir şekilde azaltır. Manometre yüksek irtifada tasarlanan değeri gösterse de gazların yalıtım performansı Alman fizikçi Friedrich Paschen tarafından formüle edilen Paschen eğrisine göre gaz yoğunluğu ile doğrudan ilişkilidir (bkz. Şekil 1). Paschen eğrisi Paschen Kanunu'ndan türetilen fonksiyonu çizer. Fiziksel anlamı: Delinme gerilimi U (kV), elektrot uzaklığı d (cm) ile gaz basıncı P (Torr) çarpımının bir fonksiyonudur ve U = apd / [ln(Pd) + b] şeklinde ifade edilir (bkz. Şekil 1), burada a ve b sabitlerdir.
Eğrinin temel önemi: Sabit bir yalıtım mesafesi için, basıncın artırılması veya boşluğa doğru (örneğin 10⁻⁶ Torr) basınç azaltılması, her ikisi de boşluktaki delinme gerilimini yükseltir. Neredeyse vakum basınçlarında, daha düşük vakum seviyesi (yani artan hava yoğunluğu) elektrotlar arasında elektriksel delinmeyi kolaylaştırır. Belirli bir basınç eşiğinin üzerinde, basınç arttıkça yalıtım performansı giderek artar. Bu bölgede (Şekil 1'deki a noktasının ötesinde), basıncın azaltılması ve dolayısıyla gaz yoğunluğunun düşürülmesi delinme gerilimini düşürür, yani yalıtım performansı kötüleşir. Kapalı gaz izole halka anahtarlama ünitelerinin çalışma basınç aralığı tamamen bu bölge içindedir (Şekil 1'deki a noktasının ötesindeki bölüm).
1.3 Geleneksel Yüksek İrtifa Tasarımlarındaki Sorunların Özeti
Gaz bölmesinin içi ile dışı arasındaki artan basınç farkı, bölmede daha fazla deformasyona neden olur ve anahtarların mekanik çalışmasını ve performansını etkiler.
İç-dış basınç farkının arttığı koşullarda basınç tahliye cihazlarının açılması daha muhtemeldir.
Basınç göstergeleri gaz bölmesinin iç ve dışındaki nispi basınç farkını ölçer. Gaz yoğunluğu ölçüm cihazları basınç göstergelerine sıcaklık kompansasyonu işlevi ekler. Her ikisi de yüksek rakımlarda bölmenin içindeki gerçek gaz yoğunluğunu doğru bir şekilde gösteremez, ancak gaz yoğunluğu yalıtım performansıyla doğrudan ilişkilidir.
Yüksek rakımlarda atmosferik yoğunluğun azalması, gaz bölmesinin dış yalıtım bileşenlerinin kapsamlı yalıtım performansını aynı zamanda kötüleştirir.
2. Yüksek Rakımlı Gaz Yalıtımlı Halka Ana Birimleri için Tasarım Şeması
Yukarıdaki analize dayanarak, gaz yalıtımlı halka ana birimlerinin (ana iletken devrelerin tamamen kapalı gaz bölmeleri, tamamen yalıtılmış saplamlar ve tamamen yalıtılmış kablo sonlandırmalarla kaplandığı) tamamen yalıtılmış yapısı, teorik olarak yalıtım performansının etkilenmemesini sağlar, ancak yüksek rakımlarda ortaya çıkan faktörlerle etkilenir: gaz bölmesindeki iç-dış basınç farkının artması, bölme içindeki yalıtım gaz yoğunluğunun azalmasının önlenememesi ve doğru gaz yoğunluğu gösterimi gerekliliği. Bu nedenle, yüksek rakımlı gaz yalıtımlı halka ana birimleri için tasarım anahtarı, gaz bölmesi ve basınç rahatlama cihazı tasarımı, yüksek rakımlı çevresel koşullar için gaz bölmesi basınç göstergeleri ve yüksek rakımlarda dış yalıtım bileşenlerinin azalan kapsamlı yalıtım yeteneğini çözmede yatar.
2.1 Yüksek Rakımlı Uygulamalar için Gaz Bölmesi ve Basınç Rahatlama Cihazı Tasarımı
Bu belgede, yukarıda bahsedilen teknik sorunları çözmek için, özel tasarım uygulanmayan veya sadece basit basınç azaltma kullanılan sıradan birimlerden farklı olan, yüksek rakımlı gaz yalıtımlı halka ana birimleri için yeni bir tasarım kavramı önerilmektedir. Bu halka ana birimi, aşağıdaki konularda hedefe yönelik bir tasarıma sahiptir:
(1) Gaz Bölmesinin Yapısal Dayanımının Artırılması
Yüksek rakımlarda oluşan artan iç-dış basınç farkına karşı gaz bölmesinin yapısal dayanımı güçlendirilmiştir. Bu, yüksek rakımlarda bölmenin deformasyonunun teknik özellikler dahilinde kalmasını sağlayarak, bölmenin içindeki yüksek gerilim bileşenlerinin mekanik performansının etkilenmemesini garanti eder.
Uluslararası Standart Atmosfer modeline göre, belirli bir rakımdaki standart atmosferik basıncı hesaplamak için aşağıdaki formül kullanılabilir:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
burada P, belirli bir rakımdaki atmosferik basınç; P₀, deniz seviyesindeki standart atmosferik basınç; H, rakım.
4000 m rakımı örneğiyle:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 MPa.
Tipik bir 10 kV SF₆ gaz yalıtımlı halka ana birimi örneğiyle, yüksek rakımlı olmayan bölgelerde gaz bölmesi tasarım basıncı genellikle 0.07 MPa'dır. Yüksek rakımlardaki azalmış atmosferik basına dikkat ederek, 4000 m rakımdaki gaz bölmesi için gerçek tasarım basıncı şu şekilde hesaplanabilir:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 MPa.
(2) Yüksek Rakımlı Uygulamalar için Basınç Rahatlama Cihazı Tasarımı
En son ulusal standard GB/T 3906—2020 "3.6 kV'den Üzeri ve 40.5 kV'ye Kadar Dahil Olmak Üzere Alternatif Akım Metal Kaplı Anahtar ve Kontrol Ekipmanları" uyarınca, bölüm 7.103, gaz yalıtımlı halka ana birimlerinin gaz bölmesinin tasarım basıncının (P₁) 1.3 katı (bir dakika boyunca) basınlık rahatlama cihazının etkinleşmeden dayanması gerektiğini belirtmektedir. Basınç, tasarım basıncının 1.3 katı (P₁) ile 3 katı (P₂) arasında artarsa, basınç rahatlama cihazı etkinleşebilir. Bu, üreticinin tasarım spesifikasyonlarına uygun olduğu sürece kabul edilebilirdir. Testten sonra, gaz bölmesi deformasyona uğrayabilir, ancak parçalanmamalıdır.
Bu gereksinimlere göre gaz bölmesi ve basınç rahatlama cihazının dayanımını tasarlamak, ulusal standartları karşılar. Farklı rakımlar için gaz bölmesi ve basınç rahatlama cihazları bu yöntemle hesaplanıp tasarlanabilir:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 MPa
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 MPa
Gaz bölmesinin yapısal güçlendirilmesi—daha kalın çelik levhalar kullanma veya rijit elemanlar ekleme gibi—yüksek rakımlarda artan iç-dış basınç farkına dayanabilmesini sağlar. Bu, bölmenin içindeki yüksek gerilim anahtarlarının mekanik ve elektriksel performansının deformasyon nedeniyle etkilenmemesini sağlar, dolayısıyla belirlenen gaz basıncında istikrarlı çalışmayı ve yüksek rakımlı ortamlardaki düz plain bölgelerdeki mekanik ve elektriksel performansla aynı performansı sağlamayı garanti eder.
Tasarım hesaplamaları ve deneysel doğrulama aracılığıyla, basınç rahatlama diyaframının kalınlığını ve dayanımını artırarak, basınç tolerans kapasitesini artırılır. Bu, gaz bölmesinin basınç rahatlama aralığının belirlenen basınç aralığı gereksinimlerine uyumunu sağlar, yüksek rakımlı ortamlardaki artan iç-dış basınç farkı nedeniyle erken basınç rahatlama cihazı etkinleşmesini önler. Bu, iç yalıtım düzeyini korur ve halka ana biriminin elektriksel performansını sağlar.
2.2 Yüksek Rakımlı Uygulamalar için Gaz Yoğunluğu Gösterge Cihazı Tasarımı
Yalıtım gaz yoğunluğu gösterge cihazı, kapalı tip yoğunluk ölçer kullanır. Görüntülenen değer, sıcaklık değişimlerinden veya dış atmosferik basınç değişikliklerinden etkilenmez.
Yüksek rakımlı gaz yalıtımlı halka ana birimleri için, gaz bölmesi için seçilen yoğunluk ölçer, sıcaklık ve rakım etkilerine karşı dayanıklı kapalı tip tam koşullu bir yoğunluk ölçerdir. İşlem prensibi, yoğunluk ölçerinin içindeki kompansasyon unsuru, sıcaklık kompansasyonunu sağlar (sıcaklıktan etkilenmez). Aynı zamanda, ölçer başlığı kapalı yapıdadır ve kapalı odanın standart atmosferik basıncını korur. Yoğunluk ölçerinin görüntülediği basınç değeri, gaz bölmesinin içindeki ve standart atmosferik basıncı arasındaki basınç farkını temsil eder.
Bu tasarım, halka anahtarlama birimindeki gaz bölmesine monte edilen yoğunluk ölçerinin ölçeğinin her zaman bölmenin içindeki gerçek gaz yoğunluğunu doğru bir şekilde yansıttığını sağlar. Görüntülenen değer, sıcaklık ve irtifadan etkilenmez, yüksek irtifa bölgeleri için işletme gereksinimlerini tam olarak karşılar.2.3 Yüksek Irtifalı Gaz yalıtımlı Halka Anahtarlama Birimleri İçin Tamamen Yalıtılmış Şapka Tasarımı
Yüksek irtifalar, gaz bölmesi ve ölçüm cihazlarına ek olarak, gelen/giden hat şapkaları ve kablo son bağlantı noktaları gibi dışarıya monte edilmiş tamamen yalıtılmış bileşenler üzerinde de etkili olur. Bu dışarıya monte edilmiş tamamen yalıtılmış bileşenlerin yalıtım performansı, yalıtım malzemesinin yalıtım gücüne ve yer ile ilgili sürünme yalıtım gücünün hem etkilenir. Yüksek irtifalarda, hava yoğunluğunun azalması yer ile ilgili sürünme yalıtım gücünü azaltır. Pratik uygulamalarda, geleneksel olarak tasarlanmış gaz yalıtımlı halka anahtarlama birimleri, yüksek irtifalara dağıtıldıktan sonra dış yalıtım bileşenleri (örneğin, yalıtımlı şapkalar veya üstte genişleme anasargıları) için güç frekanslı dayanıklılık testlerini genellikle geçemez.
Bunu çözmek için bu makale, yüksek irtifalı gaz yalıtımlı halka anahtarlama birimleri için tamamen yalıtılmış şapkalar için yeni bir tasarım şeması öneriyor: bu yalıtım bileşenlerinin dış yüzeyine topraklanmış bir koruma tabakası ekleme. Bu tasarım, elektrik alanının düzgünliğini artırır ve ana devre anasargılarından toprağa boşalma durumunu önler.
Tibet'in Nagqu bölgesindeki açık hava 10 kV anahtarlama istasyonu projesinde, bir şirket kabul testi sırasında ekipmanın sadece toprağa göre 29 kV/1 dakika güç frekanslı dayanıklılık testini geçebildiği bir durumla karşılaştı. Gelen/giden şapkaların ve gaz bölmesinin dış anasargılarının dış yalıtımına topraklanmış bir koruma tabakası eklendikten sonra, ekipman, toprağa göre 42 kV/1 dakika güç frekanslı dayanıklılık testi ulusal standart gereksinimini karşıladı.
2.4 Teknik Ana Noktaların Özeti
Yüksek irtifalı gaz dolgulu yalıtımlı halka anahtarlama birimleri için kritik tasarım yönleri şunlardır:
Gaz bölmesinin yapısal gücünü, yüksek irtifalardaki iç-dış basınç farkının artması nedeniyle gereken basınç tolerans aralığı ve deformasyon sınırları karşılacak şekilde plaka kalınlığını artırarak veya takviye elemanları ekleyerek güçlendirme.
Gaz bölmesinin basınç indirgeme cihazındaki basınç indirgeme diyaframının güçlendirme tasarımını iyileştirme. Güçlendirildikten sonra, yüksek irtifalardaki iç-dış basınç farkının artması altında basınç indirgeme cihazı için gereken basınç tolerans aralığı gereksinimlerini karşılar.
Basınç gösterme cihazları için kapalı tipteki yoğunluk ölçerlerini kullanma. Görüntülenen değerler, sıcaklık değişikliklerinden veya dış atmosferik basınç değişimlerinden etkilenmez, bu nedenle yüksek irtifa ortamları için uygunlardır.
Gaz bölmesinin dışarıya bakan yalıtımsız bileşenlerinin dış yüzeyine topraklanmış bir koruma tabakası tasarımı, elektrik alanının düzgünliğini artırır ve ana devre anasargılarından toprağa boşalma durumunu önler.
3. Yüksek Irtifalı Gaz Yalıtımlı Halka Anahtarlama Birimleri Tasarımının Önemi
Bu tasarım şeması, gerçekten yüksek irtifa işletme gereksinimlerini karşılayacak gaz yalıtımlı halka anahtarlama birimleri sağlamak amacıyla oluşturulmuştur. Gaz bölmesi gücünün artırılması, basınç indirgeme cihazlarının basınç tolerans yeteneklerinin iyileştirilmesi, iç gaz yoğunluğunun hassas ölçümü ve ilgili yalıtım bileşenlerinin rasyonel tasarlanması yoluyla, halka anahtarlama birimi, yüksek irtifa ortamlarına tam teknik uyumluluğu elde eder. Bu, halka anahtarlama biriminin mekanik ve elektriksel performansını sağlar ve yüksek irtifa ortamlarında gaz yalıtımlı halka anahtarlama birimlerinin normal işlemesini sağlar.
Çin'in yüksek irtifa bölgeleri geniş olup, yüksek irtifa koşullarına uyum sağlamış güç ekipmanları için büyük talep yaratır. Ürün tasarımının standartlaşması ve rasyonelliği acil bir şekilde geliştirilmeye ihtiyaç duyar. Yüksek irtifa bölgelerindeki gerçek çevresel değişkenler, ürün tasarımına yeni gereksinimler getirir. Bu teknik şema, yeni bir tasarım teorisi ve metodolojisi sunar, anlamlı bir keşif niteliğindedir.
