Analýza zajištění bezpečnosti a spolehlivosti středně vysokého náhradního zařízení
Jako odborník na operace elektrických systémů si uvědomuji, že středně výkonné (MV) rozvaděčové skříně hrají klíčovou roli v distribuci, měření a ochraně elektrické energie. Zajištění jejich bezpečného a spolehlivého fungování je zásadní – jakékoli selhání může vážně narušit celý elektrický systém. Pro zvýšení spolehlivosti musíme upřednostňovat optimalizace na úrovni návrhu, což umožní MV rozvaděčovým skříním plnit své funkce a chránit stabilitu sítě.
1. Definice středně výkonného rozvaděčového zařízení
V praxi se MV rozvaděčové zařízení týká kovově obložených rozvaděčových skříní, jak je definováno v GB 3906—2020 AC Metal-Clad Switchgear and Controlgear for Rated Voltages from 3.6 kV to 40.5 kV: zařízení, které je plně uzavřeno kovovými obaly s výjimkou přívodů a odvodů.
V elektrických systémech mají MV rozvaděčové zařízení klíčové funkce: přepínání, měření, distribuce energie a ochrany v fázích generace, přenosu a distribuce. Během provozu upravuji jejich konfiguraci podle požadavků sítě – připojuji nebo odpojuji zařízení a vedlejší vedení, aby byla udržena stabilita. V případě výskytu vad v síťových zařízeních nebo vedeních používám MV rozvaděčové zařízení k rychlé izolaci vadné části, což zajišťuje nepřerušované dodávky energie do nezasažených oblastí.
2. Význam zajištění spolehlivosti MV rozvaděčového zařízení
MV rozvaděčové zařízení je široce používáno v elektrických systémech. S rozšiřováním a rostoucí složitostí sítí v Číně nyní síť nese těžší zátěže, aby splnila sociální požadavky. Z mé zkušenosti lze říci, že jen zajištěním spolehlivosti MV rozvaděčového zařízení může efektivně spravovat distribuci, měření a ochranu, což udržuje celkovou stabilitu sítě.
Jakákoli bezpečnostní incidenta nebo provozní selhání v MV rozvaděčovém zařízení destabilizuje distribuční systém, což naruší dodávky energie. V extrémních případech může způsobit široké výpadky, což vede k významným ekonomickým ztrátám pro společenskou produkci. Proto zdůrazňuji potřebu zvyšovat spolehlivost MV rozvaděčového zařízení prostřednictvím vícestranných opatření, což zajišťuje stabilní funkčnost a podporu sítě.
3. Strategie pro zvýšení spolehlivosti MV rozvaděčového zařízení
3.1 Racionální návrh obalové struktury
Vědecký návrh obalu je základem pro zajištění spolehlivosti MV rozvaděčového zařízení, což dávám v inženýrské praxi přednost. Například:
Tyto optimalizace návrhu odpovídají nejlepším praxím v odvětví a zajišťují, aby MV rozvaděčové zařízení splňovalo požadavky na bezpečnost a výkon v reálných provozních podmínkách.
3.2 Racionální návrh izolační struktury
Pro zvýšení bezpečnosti a spolehlivosti středně-nízkovoltových rozvaděčových zařízení je zásadní posílit návrh izolace. V praktickém návrhu kromě splnění požadavků na izolaci je třeba brát v úvahu i faktory jako náklady na návrh a ochrana životního prostředí.
3.2.1 Racionální výběr izolačních plynů
V středně výkonných rozvaděčových zařízeních byl SF₆ plyn primárním izolačním médium. Nicméně, není jen jedovatý, ale má také velmi vysoké GWP (Global Warming Potential). I když CO₂ je skleníkový plyn s vysokým GWP, SF₆ plyn má GWP 23 900krát vyšší než CO₂, což ukazuje na jeho významnou škodlivost pro přírodní prostředí. Pro středně-nízkovoltová rozvaděčová zařízení s nekritickými požadavky na přerušení lze v návrhu pokusit nahradit SF₆ plyn N₂ nebo suchým vzduchem. Porovnání výkonu N₂ a suchého vzduchu s SF₆ plynem je uvedeno v tabulce 1.
Jak ukazuje tabulka 1, N₂ a suchý vzduch nejsou skleníkové plyny a nepředstavují hrozbu pro ekologické prostředí. Mají také nízké teploty varu, což eliminuje obavy o tekutění během normálního použití, i v extrémně chladných oblastech. Poznamenejme, že N₂, jako hlavní složka vzduchu, má stabilní chemické vlastnosti. Nicméně, příliš vysoká koncentrace N₂ může způsobit dusení kvůli nedostatku kyslíku. Při návrhu s N₂ jako izolačním plynem je nutné konfigurovat ventilaci a ochranné vybavení. Naopak použití suchého vzduchu jako izolačního plynu eliminuje takové problémy. Po komplexním porovnání lze adoptovat suchý vzduch k nahrazení SF₆ jako izolačního plynu v návrhu izolace rozvaděčových zařízení.
Při použití suchého vzduchu jako izolačního plynu je třeba zohlednit návrh minimální vzduchové mezeře. Podle relevantních standardů pro nominální napětí 12 kV by měla být minimální vzduchová mezera mezi fázemi a mezi fází a zemí 125 mm. Pokud je test kondenzace úspěšný, může být minimální vzduchová mezera mírně menší než 125 mm. Použití suchého vzduchu jako izolačního plynu umožňuje vhodné snížení minimální vzduchové mezeře.
3.2.2 Zlepšení probíjecího napětí v plynných mezerech
Během návrhu je třeba zajistit bezpečnost a spolehlivost středně-nízkovoltových rozvaděčových zařízení, což zahrnuje zlepšení probíjecího napětí v plynných mezerech. Konkrétní metody jsou následující:
Zlepšení distribuce elektrického pole ve středně-nízkovoltových rozvaděčových zařízeních. To lze dosáhnout optimizací tvaru elektrod podle skutečných podmínek nebo plným využitím prostorových nábojů k zlepšení rovnoměrnosti elektrického pole. Pokud je rovnoměrnost elektrického pole velmi špatná, lze také přidat bariéry.
Potlačení ionizačního procesu suchého vzduchu. Aplikace vysokého tlaku ve středně výkonných rozvaděčových zařízeních může oslabit ionizační proces suchého vzduchu. Alternativně lze použít vysoké vakuum ve středně výkonných rozvaděčových zařízeních, což dosáhne stejného efektu.
Při použití vysokého tlaku nebo vysokého vakuu je vyžadována extrémně vysoká pevnost nádrže a v praxi se často vyskytují problémy s úniky, což vede k vážným důsledkům. Proto v reálném návrhu je zlepšení tvaru elektrod a přidání bariér v extrémně nerovnoměrných elektrických polích realističtějšími metodami pro zvýšení probíjecího napětí v plynných mezerech.
3.3 Racionální výběr komponent
Klíčové komponenty středně výkonných rozvaděčových zařízení, včetně vakuumových vypínačů, vakuumových přerušovačů a kontaktů, přímo ovlivňují bezpečnost a spolehlivost zařízení, což vyžaduje přísnou kontrolu kvality.
Na příkladu ABB rozvaděčových zařízení, jejich vakuumové přerušovače procházejí přísnými předexpedičními inspekčními testy: automatické vysokonapěťové testy ověřují sílu izolace, zatímco spirálové magnetronové zařízení měří vnější tlak v komoře plné inertního plynu. Po specifikovaném období izolace je proveden druhý test tlaku a výsledky jsou porovnány, aby bylo zajištěno, že výkon uzavření splňuje standardy.
V výrobě vyžadují vakuumové přerušovače ABB přísnou kontrolu prostředí a procesů. Jsou vyráběny v německé továrně CalorEmag, profesionálně montovány regionálními středně výkonnými rozvaděčovými podniky a centrálně dodávány. Pro materiály komponentů se dávají přednost vysokovýkonné slitiny, jako jsou Cu-Cr a W-C-Ag, aby byla zajištěna trvanlivost. Montáž probíhá v specializovaných čistých místnostech pomocí procesu "jednorázového uzavření a vysátí": za vysoké teploty 800°C je nejprve dosaženo vysokého vakuu, následuje současná svařování a uzavření, což zajišťuje spolehlivost procesu.Vývoj vakuumových přerušovačů odráží kontinuální optimalizaci výkonu: rané montáže expozované vzduchu spoléhaly pouze na izolační partice pro izolaci. Následné vylepšení zahrnovalo izolační rukávy nad přerušovači a kontakty pro vyrovnání elektrického pole, následovány integrálním litím přerušovačů a kontaktů pro zlepšení fázové izolace a odolnosti proti nárazům, a použití ekologických materiálů, aby byl výkon integrován s ohledem na životní prostředí.
3.4 Racionální plánování ověřovacích testů návrhu
Po dokončení návrhu středně výkonných rozvaděčových zařízení se experimentální ověření stává klíčovou fází. Skutečné ověření musí striktně odpovídat relevantním standardům, jako je GB 3906—2020 AC Metal-Clad Switchgear and Controlgear for Rated Voltages from 3.6 kV to 40.5 kV, GB/T 11022—2020 Common Technical Requirements for High-Voltage AC Switchgear and Controlgear Standards, a GB/T 1984—2014 High-Voltage AC Circuit Breakers.
Klíčové body typových testů
Je třeba provést komplexní verifikaci výkonu elektrických komponent a pomocných prvků středně výkonných rozvaděčových zařízení, aby byly technické parametry splněny. Pokud se změní procesy návrhu nebo výrobní podmínky, je třeba znovu provést typové testy, aby byla zajištěna bezpečnost a spolehlivost zařízení. Pro normálně vyráběná zařízení je obvykle každých 8 let požadován test teplotního zvýšení; provádějí se mechanické operační testy pro kontrolu operačního výkonu; zároveň jsou nezbytné i bezpečnostní ověřovací položky, jako jsou krátkodobé testy odolnosti proudem a testy vrcholového proudem.
Na příkladu ABB středně výkonných rozvaděčových zařízení, která prošla experimentálními ověřeními v mnoha zemích pod nejpřísnějšími standardy, což ukazuje na vynikající bezpečnost a spolehlivost. Uvedme příklad interního testu obloukových výbojků, který ověřuje:
4 Závěr
Jako klíčová komponenta elektrického systému má operační spolehlivost středně výkonných rozvaděčových zařízení přímý dopad na bezpečnost sítě. Je proto nezbytné posílit bezpečnost a spolehlivost návrhu zařízení, přísně optimalizovat technické parametry podle standardů a budovat pevnou bezpečnostní obranu prostřednictvím systematických ověřovacích testů, aby středně výkonná rozvaděčová zařízení stabilně plnily funkce distribuce, ochrany a řízení v elektrickém systému.
