Оптимізований дизайн газозаповненого комутаційного обладнання для високогірних районів

Газоізольовані кільцеві основні блоки є компактними та розширитніми пристроями, придатними для автоматизованих систем середнього напруги. Ці пристрої використовуються для постачання електроенергії у мережах з кільцевим зв'язком на 12~40,5 кВ, системах подвійного радіального постачання та термінальних застосуваннях, виступаючи як пристрої управління та захисту електроенергії. Вони також придатні для встановлення у підставкових підстанціях.

Розподіляючи та плануючи електроенергію, вони забезпечують стабільну роботу енергетичних систем. Основні компоненти цих пристроїв використовують відключення або комбінації завантажувальних пристроїв та запобіжників, надаючи переваги, такі як проста конструкція, невеликий розмір, низька вартість, покращені параметри та характеристики постачання електроенергії, та підвищена безпека постачання. Вони широко використовуються в диспетчерських пунктах та підставкових підстанціях у центральних точках навантаження, таких як міські житлові райони, висотні будівлі, великі громадські об'єкти та промислові підприємства. Різні ізоляційні гази використовуються як ізоляційна середа, включаючи SF₆, сухий повітря, азот або суміші газів, що забезпечує високі ізоляційні характеристики та екологічні переваги, що призводить до широкого застосування у енергетичних системах.

Основні компоненти такого типу кільцевого основного блоку встановлюються всередині герметично свареної камери, заповненої ізоляційним газом (далі - "газова камера"). Газова камера є ключовим компонентом газоізольованих кільцевих основних блоків. Її основна функція полягає в тому, щоб забезпечити, щоб високонапіжні компоненти всередині працювали не впливаючи на зовнішні фактори, такі як забруднення, вологість та корозія. Вона одночасно гарантує робоче середовище компонентів та нормальну електричну продуктивність. Усі внутрішні компоненти захищені герметичною газовою камерою. Камера оснащена пристроями контролю тиску або густини газу, такими як манометри або густоміри, як правило, вимірюючи різницю тиску між внутрішнім та зовнішнім середовищем камери.

Ця стаття головним чином стосується проблем, що впливають на механічну та електричну продуктивність кільцевих основних блоків у високогірних умовах.

1. Типові схеми проектування газоізольованих кільцевих основних блоків для високогірних умов та існуючі проблеми

Газоізольовані кільцеві основні блоки мають повністю ізольовані конструкції, з основними провідними контурами, закритими повністю ізоляційною системою, що складається з герметичних газових камер, повністю ізольованих вводів/виводів та повністю ізольованих кабельних кінцевиків. Оскільки внутрішнє середовище газової камери не впливає на зовнішні умови, густина та вологість газу залишаються сталими. Теоретично, ізоляційні характеристики не впливають на зовнішні фактори, такі як вологість, забруднення або корозійні гази. Так само, ізоляційні характеристики вводів та кабельних кінцевиків, спроектованих з ізоляційних матеріалів, таких як епоксидна смола та силиконовий каучук, не впливають на зовнішнє середовище. Зовнішньо, традиційно спроектовані газоізольовані кільцеві основні блоки здаються придатними для плато, що призводить багатьом виробникам до вірування, що вони задовольняють вимоги до роботи у високогірних умовах, і вони встановлюються безпосередньо в таких регіонах.

Наразі, два основні технічні підходи використовуються при застосуванні газоізольованих кільцевих основних блоків у високогірних умовах:

1.1 Безпосереднє встановлення у високогірних районах

Концепція проектування: Цей підхід базується на принципі, що основний провідний контур повністю закритий ізоляційною системою (герметична газова камера, повністю ізольовані вводи/виводи та кабельні кінцевики), що робить ізоляційні характеристики невідчутними для високогірних умов.
Існуючі проблеми: На практиці, зниження зовнішнього атмосферного тиску у високогірних умовах збільшує різницю тиску між внутрішнім та зовнішнім середовищем газової камери. Це призводить до значного деформування камери, що впливає на механічну продуктивність електричних компонентів, таких як відключення та відлучники. Це може призвести до застревання операцій та змін механічних характеристик.

1.2 Зниження заводської установки тиску газу

Концепція проектування: Для вирішення збільшення різниці тиску між внутрішнім та зовнішнім середовищем у високогірних умовах, ця схема знижує тиск газу всередині камери на заводі. Коли пристрій прибуває на високогірні місця, знижений атмосферний тиск призводить до зростання різниці тиску до значення, вказаного технічними специфікаціями, що робить показання манометра відповідним до вимог до операційного тиску.
Існуючі проблеми: Цей дизайн ефективно знижує густину ізоляційного газу всередині камери. Хоча манометр показує проектне значення у високогірних умовах, ізоляційні характеристики газів внутрішньо залежать від густини газу, згідно з кривою Пашена (див. Фігура 1), формулювана німецьким фізиком Фрідріхом Пашеном. Крива Пашена показує функцію, отриману з закону Пашена. Її фізичний зміст: напруга пробою U (кВ) є функцією добутку відстані між електродами d (см) та тиску газу P (Торр), виражена як U = apd / [ln(Pd) + b] (див. Фігура 1), де a та b є константами.

Основне значення кривої: для фіксованої ізоляційної відстані, збільшення тиску або зменшення тиску до вакууму (наприклад, 10⁻⁶ Торр) обидва підвищують напругу пробою. При наближенні до вакууму, зниження рівня вакууму (тобто збільшення густини повітря) робить електричний пробій між електродами легшим. За певного порогу тиску, ізоляційні характеристики поступово покращуються зі зростанням тиску. На цьому етапі (за межами точки a на Фігурі 1), зменшення тиску - і, таким чином, густини газу - знижує напругу пробою, що означає, що ізоляційні характеристики погіршуються. Операційний діапазон тиску газоізольованих кільцевих основних блоків повністю знаходиться у цьому регіоні (частині за межами точки a на Фігурі 1).

1.3 Підсумок проблем з традиційними високогірними конструкціями

• Збільшення різниці тиску між внутрішнім та зовнішнім середовищем газової камери призводить до більшої деформації камери, що впливає на механічну роботу та продуктивність включень.

• При збільшенні різниці тиску між внутрішнім та зовнішнім середовищем, пристрої зняття тиску більш схильні до активізації.

• Манометри вимірюють відносну різницю тиску між внутрішнім простором і зовнішнім середовищем газового відділення. Газові плотноміри додають функціональність компенсації температури до манометрів. Жоден з них не може точно показувати фактичну густину газу всередині відділення на великих висотах, але густина газу є нерозривно пов'язаною з ізоляційними характеристиками.

• Зниження атмосферної густини на великих висотах одночасно погіршує загальні ізоляційні характеристики зовнішніх ізоляційних компонентів газового відділення.

2. Дизайн схеми для газово-ізольованого кільцевого головного пристрою при високих висотах
Виходячи з вищезазначених аналізів, хоча повністю ізольована структура газово-ізольованого кільцевого головного пристрою (з основними провідними циклами, повністю укладеними в запечатані газові відділення, повністю ізольовані втулки та повністю ізольовані кабельні закінчення) теоретично зберігає невплинуті ізоляційні характеристики, вона постраждає від факторів, що виникають на великих висотах: збільшення різниці тиску всередині-поза газовим відділенням, неможливість зменшення густини ізоляційного газу всередині відділення, та потреба у точному вказівку густини газу. В результаті ключовим елементом дизайну для газово-ізольованого кільцевого головного пристрою при високих висотах є проектування газового відділення та пристрою зниження тиску, які задовольняють вимоги високогірного середовища до манометрів газового відділення, та вирішення проблеми зниження загальної ізоляційної здатності зовнішніх ізоляційних компонентів на великих висотах.

2.1 Дизайн газового відділення та пристрою зниження тиску для високогірного застосування
Для вирішення вищезазначених технічних питань, у цій роботі пропонується новий концептуальний дизайн для газово-ізольованого кільцевого головного пристрою при високих висотах, який відрізняється від звичайних пристроїв без спеціального дизайну або тих, які просто використовують просте зниження тиску. Цей кільцевий головний пристрій має спеціальний дизайн у таких аспектах:

(1) Покращена конструктивна міцність газового відділення
Для протидії збільшенню різниці тиску всередині-поза газовим відділенням, спричиненому великими висотами, конструктивна міцність газового відділення посилюється. Це гарантує, що деформація відділення на великих висотах залишається в рамках технічних специфікацій, забезпечуючи непорушений механічний роботу високовольтних компонентів всередині.

Згідно з Міжнародною стандартною атмосферною моделлю, стандартний атмосферний тиск на певній висоті можна обчислити за формулою:
P = P₀ × (1 – 0.0065H/288.15)^5.256
де P — атмосферний тиск на певній висоті; P₀ — стандартний атмосферний тиск на рівні моря; H — висота.

Наприклад, на висоті 4000 м:
P = P₀ × (1 – 0.0065 × 4000 / 288.15)^5.256 ≈ 0.064 МПа.

Як приклад, можна взяти типовий 10 кВ SF₆ газово-ізольований кільцевий головний пристрій, де проектувальний тиск газового відділення в невисокогірних районах зазвичай становить 0.07 МПа. З урахуванням зниження атмосферного тиску на великих висотах, фактичний проектувальний тиск для газового відділення на висоті 4000 м можна обчислити так:
P₁ = P₀ – 0.064 + 0.07 = 0.107 МПа.

(2) Дизайн пристрою зниження тиску для високогірного застосування
За останнім національним стандартом GB/T 3906—2020 "AC металеві оболонки для комутаційного обладнання і приладів управління з номінальним напругом понад 3.6 кВ і до 40.5 кВ", пункт 7.103 встановлює, що газове відділення газово-ізольованого кільцевого головного пристрою повинно витримати 1.3 рази проектувальний тиск (P₁) протягом 1 хвилини без активізації пристрою зниження тиску. Якщо тиск продовжує зростати між 1.3 рази (P₁) та 3 рази (P₂) проектувального тиску, пристрій зниження тиску може активізуватися. Це допустимо, якщо це відповідає проектувальним специфікаціям виробника. Після тестування газове відділення може деформуватися, але не повинно розриватися.

Проектування міцності газового відділення та пристрою зниження тиску згідно з цими вимогами задовольняє національні стандарти. Газові відділення та пристрої зниження тиску для різних висот можна обчислити та спроектувати за цим методом:
P₁ = 0.107 × 1.3 = 0.139 МПа
P₂ = 0.107 × 3 = 0.321 МПа

Шляхом конструктивного посилення газового відділення — таких як використання більш товстих стальних пластин або додавання жорстких елементів — відділення повністю відповідає вимогам міцності, що виникають через збільшення різниці тиску всередині-поза газовим відділенням на великих висотах. Це уникнення механічного та електричного впливу на високовольтові перемикачі всередині відділення, забезпечуючи стабільну роботу при номінальному газовому тиску та надаючи однакову механічну та електричну продуктивність в високогірному середовищі, як і на рівнині.

Шляхом проектувальних обчислень та експериментальної перевірки, збільшення товщини та міцності мембрани пристрою зниження тиску підвищує його здатність витримувати тиск. Це гарантує, що діапазон зниження тиску газового відділення відповідає вимогам до вказаного діапазону тиску, запобігаючи ранньому запуску пристрою зниження тиску через збільшення різниці тиску всередині-поза газовим відділенням у високогірному середовищі. Це зберігає внутрішні ізоляційні характеристики та забезпечує електричну продуктивність кільцевого головного пристрою.

2.2 Дизайн пристрою вказівки густини газу для високогірного застосування
Пристрій вказівки густини ізоляційного газу використовує герметичний плотномір. Його показання не впливають на зміни температури чи зовнішнього атмосферного тиску.

Для газово-ізольованого кільцевого головного пристрою при високих висотах, для газового відділення вибирається герметичний плотномір, що не впливає на зміни температури та висоти. Його принцип роботи полягає в тому, що компенсаційний елемент всередині плотноміра дозволяє компенсацію температури (не впливає на температуру). Одночасно, головка плотноміра має герметичну структуру, де герметична камера зберігає стандартний атмосферний тиск. Показання тиску на плотномірі представляють різницю тиску між внутрішнім простором газового відділення та стандартним атмосферним тиском.

Цей дизайн забезпечує, що показання датчика густини, встановленого на газовому отсіку кільцевого головного агрегату, завжди точно відображають фактичну густину газу всередині отсіку. Відображене значення не залежить від температури та висоти над рівнем моря, повністю задовольняючи вимоги до експлуатації в регіонах з високими висотами.2.3 Дизайн повністю ізольованих втулок для газонаповнених кільцевих головних агрегатів при високих висотах

Крім впливу на газовий отсік та вимірювальні прилади, високі висоти також впливають на зовнішні повністю ізольовані компоненти, такі як вхідні/виходні лінійні втулки та кабельні кінцеві сполучення. Ізоляційні характеристики цих зовнішніх повністю ізольованих компонентів залежать від обом ізоляційної стійкості ізоляційного матеріалу, і стійкості ізоляції струму по поверхні відносно землі. На високих висотах зменшення густини повітря зменшує стійкість ізоляції струму по поверхні відносно землі. У практичних застосуваннях, традиційно спроектовані газонаповнені кільцеві головні агрегати часто не проходять тест на стійкість до напруги промислової частоти для зовнішніх ізоляційних компонентів (наприклад, ізоляційних втулок або верхніх розширенних шин) після розташування на високих висотах.

Для вирішення цього питання, у цій статті пропонується нова схема дизайну повністю ізольованих втулок для газонаповнених кільцевих головних агрегатів на високих висотах: додавання заземленого екранувального шару на зовнішню поверхню таких ізоляційних компонентів. Цей дизайн покращує рівномірність електричного поля та запобігає розрядам на землю з основних шин.

У проекті відкритої 10 кВ комутаційної станції в Нагчу, Тибет, компанія зіткнулася з ситуацією під час приймальних тестів, коли обладнання могло пройти тест на стійкість до напруги промислової частоти лише 29 кВ/1 хв відносно землі. Після додавання заземленого екранувального шару на зовнішню ізоляцію вхідних/виходних втулок та зовнішніх шин газового отсіку, обладнання відповідало національному стандарту 42 кВ/1 хв для стійкості до напруги промислової частоти відносно землі.

2.4 Підсумок ключових технічних моментів
Ключові аспекти дизайну газонаповнених ізольованих кільцевих головних агрегатів для високих висот такі:

• Посилення конструктивної міцності газового отсіку за допомогою збільшення товщини сталевої пластини або додавання жорстківських елементів для задоволення вимог до діапазону стійкості до тиску та обмежень деформації, викликаних збільшенням внутрішнього-зовнішнього диференціалу тиску на високих висотах.

• Посилення конструктивної міцності перешкодного мембранного пристрою в газовому отсіку. Після посилення він задовольняє вимоги до діапазону стійкості до тиску перешкодного пристрою при збільшенні внутрішнього-зовнішнього диференціалу тиску на високих висотах.

• Використання герметичних датчиків густини для пристроїв індикації тиску. Відображені значення не залежать від змін температури чи зовнішнього атмосферного тиску, що робить їх придатними для високогірних умов.

• Дизайн заземленого екранувального шару на зовнішній поверхні зовнішніх ізоляційних компонентів газового отсіку для покращення рівномірності електричного поля та запобігання розрядам на землю з основних шин.

3. Значення дизайну газонаповнених кільцевих головних агрегатів для високих висот
Ця дизайнерська схема має на меті надати газонаповнені кільцеві головні агрегати, які справді відповідають вимогам до експлуатації на високих висотах. За допомогою одночасного посилення міцності газового отсіку, покращення стійкості до тиску перешкодних пристроїв, точного вимірювання внутрішньої густини газу та раціонального дизайну пов'язаних ізоляційних компонентів, кільцевий головний агрегат досягає повної технічної адаптації до високогірних умов. Це гарантує механічну та електричну продуктивність кільцевого головного агрегату та дозволяє нормальне функціонування газонаповнених кільцевих головних агрегатів у високогірних умовах.

Великі території високогірних регіонів Китаю створюють великий попит на електрообладнання, адаптоване до високогірних умов. Стандартизація та раціональність проектування продуктів терміново потребують поліпшення. Фактичні зміни в навколишньому середовищі високогірних регіонів вносить нові вимоги до проектування продуктів. Цей технічний проект надає нову теорію та методологію дизайну, що представляє собою значуще дослідження.